馬尾松凋落物分解過程中的微量元素釋放動態(tài)

摘要：為探索馬尾松（pinusmassonana）凋落物在不同密度林分中微量元素的釋放規(guī)律，以12a生馬尾松人工林為研究對象，采用網(wǎng)袋分解法，分析3種密度下馬尾松凋落物分解過程中干質(zhì)量損失率、4種微量元素含量和養(yǎng)分殘留率變化。結(jié)果表明，馬尾松人工林凋落物殘留率在不同密度間的變化趨勢均相近，密度對殘留率無顯著影響。不同月份殘留率不同，11月至翌年1月迅速降低，然后減緩，春季和夏季加快降低，秋季又開始減緩。凋落物中4種微量元素釋放模式主要為“淋溶一富集一釋放”（zn除外）。經(jīng)過1a分解，各密度林分凋落物的干質(zhì)量均損失過半；平均養(yǎng)分殘留率從大到小為cu（84.9%）、fe（66.3%）、mn（55.9%）、zn（52.6%）；凋落物中zn殘留率隨密度增大而減小，其他養(yǎng)分變化不明顯。關(guān)鍵詞：馬尾松；人工林；凋落物分解；養(yǎng)分釋放森林凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要環(huán)節(jié)之一，作為連接植物與土壤的“紐帶”，它不僅維持土壤肥力，保持植物再生長的養(yǎng)分可利用性，而且在促進森林生態(tài)系統(tǒng)正常的物質(zhì)生物循環(huán)和養(yǎng)分平衡方面具有十分重要的作用。凋落物分解是其養(yǎng)分釋放的主要方式，其分解速度決定著生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)的快慢，在一定程度上決定著土壤養(yǎng)分有效性的高低。因此，有關(guān)凋落物分解的研究相當活躍。馬尾松具有耐干旱、瘠薄、適應(yīng)性強、速生、豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、綜合利用程度高等特點，因此成為中國南方地區(qū)荒山綠化和用材造林的重要樹種之一。林分的凋落物分解狀況將直接影響馬尾松生長和林分質(zhì)量，為此，研究凋落物中微量元素的變化規(guī)律對管理馬尾松林地養(yǎng)分平衡和長期可持續(xù)發(fā)展有重要作用。目前對馬尾松凋落物分解規(guī)律的研究見諸報道，但未見有對其分解過程中微量元素釋放規(guī)律的研究。鑒于此，選取貴州省龍里林場12a生馬尾松人工林為研究對象，采用網(wǎng)袋分解法，研究馬尾松凋落物在不同密度林分中的分解動態(tài)及fe、mn、zn、cu4種微量元素的釋放規(guī)律，對服務(wù)林業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)恢復(fù)具有重要的指導(dǎo)意義。材料與方法1.1試驗地概況試驗樣地位于貴州省龍里林場播基橋工區(qū)，屬馬尾松分布的中帶西區(qū)，中亞熱帶溫和濕潤氣候，年均氣溫14.8°C，極端最高氣溫33.2°C，極端最低氣溫-8.5°C，年均降雨量1089.3mm，相對濕度78%。林地海拔高1125?1140m,土壤由砂巖發(fā)育而成，0?20cm為砂質(zhì)黏壤土，20-40cm為黏壤土。3組試驗樣地均設(shè)于12a生馬尾松人工純林內(nèi)，分別對各個樣地中的馬尾松調(diào)查編號，并進行每木檢尺，記錄胸徑、樹高等指標，林分狀況見表1。s1200、s1767、s2167分別表示密度為1200、1767、2167株/hm2的馬尾松樣地。1.2凋落物的采集和處理2008年10月在不影響樣地內(nèi)凋落物狀態(tài)的前提下，在各自不同密度的林分中收集凋落物在室溫下風(fēng)干備用，同時取樣測定水分系數(shù)。將風(fēng)干樣品混勻后稱取30g裝入尼龍網(wǎng)分解袋中（孔徑0.5mm，規(guī)格30cm），然后將分解袋進行編號并將其隨機平鋪于林地地表，使其盡可能接近自然狀態(tài)，不同密度樣地各設(shè)置3個重復(fù)，每塊樣地放置36袋，共計324袋，2008年11月至2009年11月，每月在每塊樣地里回收3個分解袋，仔細清除分解袋上的泥沙、活植物根系、土壤動物等雜質(zhì)，清理干凈后將殘渣裝入信封中，放于65C下烘干至恒定質(zhì)量，測定凋落物殘存量，統(tǒng)計殘留率。然后將樣品粉碎，過0.5mm尼龍網(wǎng)篩后，裝入密封袋中，標記后保存至干燥器中以備化學(xué)分析。1.3凋落物養(yǎng)分測定試樣用濃hno3-hcio4法消煮后，用原子吸收法測定fe、mn、zn、cu含量。1.4數(shù)據(jù)處理樣品自2008年11月起至2009年11月每月固定日期采集處理后進行養(yǎng)分測定，試驗數(shù)據(jù)使用excel2003軟件和spss21.0統(tǒng)計分析軟件進行處理。根據(jù)本地區(qū)的氣候特征，將試驗中季節(jié)定義為冬季12月至翌年2月，春季3-5月，夏季6?8月，秋季9-11月。結(jié)果與分析2.1凋落物分解過程中殘留率的變化動態(tài)通過計算每月凋落物的干質(zhì)量與初始干質(zhì)量比值，可以得到分解過程中殘留率的變化動態(tài)。從圖1可知，3個密度馬尾松林分凋落物分解整體趨勢表現(xiàn)一致，密度對凋落物的分解無顯著影響（p>0.05）。整個分解呈現(xiàn)快慢交替的過程，11月至翌年1月分解較快，凋落物平均殘留率為85.6%，隨后其分解緩慢，凋落物的平均殘留率分別保持在82.2%左右，無明顯的變化，隨后3-9月，凋落物分解進入加快分解階段，其平均殘留率迅速降至50.2%，表明經(jīng)過10個月的分解，凋落物干質(zhì)量損失基本過半。9?11月，凋落物在S1200和s2167中分解趨勢減緩。2.2凋落物分解過程中的養(yǎng)分含量及殘留率變化動態(tài)2.2.1fe含量及其殘留率由圖2可知，不同密度林分凋落物分解過程中fe含量均差異不大，密度對fe含量無顯著影響（p>0.05）。fe含量表現(xiàn)出大致相似的變化，分解初始2個月明顯降低，隨后2?5月，各林分表現(xiàn)平穩(wěn)，此后一直處于明顯的上升過程。按季節(jié)來看，冬季主要表現(xiàn)為下降，這是初期凋落物分解量和fe釋放量均較大所致，隨后的春季分解減緩，fe含量保持相對穩(wěn)定，到夏秋兩季fe含量升高。凋落物分解1a后fe含量明顯高于初始含量。由圖3可知，不同密度林分凋落物分解過程中fe殘留率變化規(guī)律大致相似，呈先迅速降低，隨后反復(fù)小幅上升、降低的變化趨勢。整體上密度對fe殘留率無顯著影響（p>0.05）。fe的釋放模式是“淋溶-富集-釋放”。fe的具體釋放富集狀況為：分解前兩個月釋放劇烈，其中首月釋放率達20.0%以上，隨后則是富集和釋放的交替變化持續(xù)期，由于富集和釋放量差異不大，導(dǎo)致fe殘留率總是維持在一定程度。 2.2.2mn含量及殘留率由圖4可知，不同密度林分間凋落物分解過程中mn含量均差異不大，各個月份隨密度變化沒有表現(xiàn)出比較統(tǒng)一的規(guī)律，密度對mn含量無顯著影響（p>0.05）。mn含量隨時間變化基本一致，初始兩個月明顯降低，隨后的變化無明顯趨勢，到8月后則有1個明顯的迅速上升趨勢。整體來看，初始階段的冬季明顯降低，主要是由于此階段凋落物分解較快，mn釋放量也較大所致，隨后分解減緩，mn釋放量也減緩，導(dǎo)致在春季和夏季變化不大。凋落物分解1a后mn含量明顯高于初始含量。由圖5可知，不同密度林分凋落物分解過程中mn殘留率變化趨勢大致相同，均呈迅速降低、升高、再降低、再升高的變化趨勢。mn與fe的變化趨勢相似，其主要釋放模式是“淋溶-富集-釋放”。2.2.3zn含量及殘留率由圖6可知，不同密度林分凋落物分解過程中zn含量在多數(shù)月份無明顯差別，密度對zn含量無顯著影響（p>0.05）。zn含量隨時間變化呈現(xiàn)雙峰的表現(xiàn)，初始階段先上升，隨后則下降、再上升、再下降。凋落物分解1a后zn含量均與初始含量相差不大。由圖7可知，不同密度林分的凋落物分解過程中zn殘留率變化趨勢基本一致：凋落物分解過程中，zn殘留率呈先上升而后持續(xù)降低的變化趨勢，初期上升階段集中在冬季，zn的富集導(dǎo)致殘留率超過初始量，隨后春季釋放量一直較高，夏季和秋季的釋放量有所降低°zn的釋放模式主要是“富集-釋放”。盡管富集持續(xù)時間較短，但這與前面幾種元素都有所不同。2.2.4cu含量及殘留率由圖8可知，不同密度林分凋落物分解過程中cu含量在各個月份差異不大，表明密度對cu含量無顯著影響（p>0.05）。cu含量隨時間變化較一致，均呈近似直線的上升趨勢，季節(jié)之間沒有什么變化，這與其他元素的表現(xiàn)完全不同，其原因可能是凋落物分解干質(zhì)量一直在損失，而cu釋放量較小引起cu含量的相對升高所致，同時也有可能是cu沒有釋放或有外界的cu輸入所致。由圖9可知，不同密度林分凋落物分解過程中cu殘留率變化趨勢相近，呈下降、上升、再下降、再上升的變化，主要是“淋溶-富集-釋放”的模式。cu殘留率初始兩個月有所降低，隨后迅速上升并一度超過初始值，此后在春、夏兩季緩慢釋放，降低到一定程度后到秋季又有所上升，凋落物分解1a后cu的殘留率仍保持在80.0%左右。2.3分解1a后凋落物干質(zhì)量及養(yǎng)分狀況經(jīng)過1a的分解，各密度林分凋落物干質(zhì)量均損失過半，而各種元素也有不同程度的釋放，其具體殘留率如表2所示。4種養(yǎng)分的平均殘留率由大到小依次為cu、fe、mn、zn，分別為84.9%、66.3%、55.9%、52.6%，養(yǎng)分的殘留率高于凋落物干質(zhì)量損失率，表明可能在分解前期發(fā)生富集，當后期富集到一定程度才逐漸釋放出來。不同密度林分殘留率大小順序略有不同，但差異不大。通過比較同一元素在不同林分1a后殘留率變化規(guī)律，得出凋落物中zn殘留率有隨密度增大而減小的趨勢，表明林分密度越大，釋放速度越陜，其他養(yǎng)分規(guī)律不明顯。小結(jié)與討論森林凋落物是微量元素在森林生態(tài)系統(tǒng)中實現(xiàn)循環(huán)的重要載體，其歸還的養(yǎng)分對維持林地肥力意義重大。凋落物分解是一個復(fù)雜的物理、生物、化學(xué)過程，由降水淋溶、動物咀嚼和啃食、土壤干濕交替和凍融、生物代謝等相互關(guān)聯(lián)的作用共同完成。此過程一般要經(jīng)歷分解速率較快和較慢2個階段，開始分解快是因為可溶性有機物的淋濕和易分解的碳水化合物的分解，隨后分解速率減慢，主要是因為難分解物質(zhì)的積累。本次試驗得出的結(jié)果與之略有不同，首月分解迅速與易分解物質(zhì)的分解有關(guān)，隨后的分解主要與外界環(huán)境有關(guān)，減緩是因為此時正是冬季，受低溫的限制，再加上馬尾松林的c/n、木質(zhì)素/n以及萜類物質(zhì)和酚類物質(zhì)含量較高，不利于土壤微生物群落的生長和繁衍，因而分解速率減緩：隨著春季和夏季的氣溫上升和降雨頻繁，酶活性升高有利于有機質(zhì)的分解和養(yǎng)分的釋放，進入秋季后，凋落物干質(zhì)量損失過半，易分解物質(zhì)基本分解完畢，難分解物質(zhì)的積累以及氣溫降低使一些林分中凋落分解速度明顯減緩，說明凋落物分解受到自身化學(xué)組成和氣候因素的雙重影響。不同密度林分中凋落物的分解研究不多，本研究結(jié)果表明，密度對凋落物的分解無顯著影響。林英華等認為，同孔分解袋中菌落隨造林密度的加大而增多，優(yōu)勢現(xiàn)象明顯，也就是說凋落物的分解速率隨林分密度的加大而加快，與本研究不一致:無論馬尾松造林密度和保留密度多大，均對針葉養(yǎng)分含量無顯著影響，不同密度凋落物中葉營養(yǎng)元素含量變化不大。因此，學(xué)者們對馬尾松不同密度林分的凋落物分解持有不同觀點，具體原因有待深入研究。本研究中不同密度馬尾松林分的4種微量元素的釋放模式主要為“淋溶-富集-釋放”（zn除外），不同密度林分中各種微量元素的殘留率隨時間變化整體趨勢相似，不同月份的微量元素殘留率隨密度變化沒有固定的規(guī)律，整體上密度對微量元素殘留率的影響并不顯著。一些學(xué)者認為大多數(shù)樹種中金屬元素fe、al、mn、pn、zn、cu在凋落物分解時表現(xiàn)為“富集-釋放”，這與本研究不太一致，大多數(shù)金屬元素在凋落物內(nèi)多以離子態(tài)存在，受降雨的影響會被淋洗走一部分，因此存在淋溶階段。早期馬尾松林分自身微量元素利用率低，其歸還速率大，周轉(zhuǎn)期短，有利于林地生產(chǎn)力維護，而林分到達成熟期則相反，更多地消耗林地的養(yǎng)分，微量元素的分解與林分年齡有關(guān)。近些年來，關(guān)于馬尾松不同密度的林分年凋落物量研究，有人認為林分的年凋落物量隨林分密度的增加而增加，很多養(yǎng)分歸還也是一樣的規(guī)律。本研究中zn殘留率有隨密度增大而減小的趨勢，這與張家武等的研究結(jié)果一致，表明林分密度越大，釋放速度越快，其余微量元素直到富集到一定階段才被釋放，釋放到一定程度又開始富集，從而使其殘留率保持一種相對穩(wěn)定，林分密度對微量元素殘留率無顯著影響。關(guān)于林分凋落物分解過程中元素濃度增加的原因，到目前為止還并不清楚，前人曾對一些重金屬元素在凋落物分解過程中絕對量的增加做過論述，許曉靜等指出這類元素在分解中的富集作用可能受到生物因素或化學(xué)因素的控制，也就是重金屬元素可能通過化學(xué)作用與腐殖酸類物質(zhì)結(jié)合形成高度穩(wěn)定的螯合物而被固定，也可能是通過分解微生物進行生物固定；另外，微生物的固持，甚至將土壤深層的這些元素搬運至正在分解的凋落物表面，進而造成這些元素量的增加。所有這些解釋目前在很大程度上都是推測，這些元素含量的增加還可能與上述原因無關(guān)，要確切弄明白這些變化的原因，還需作深入的研究。本試驗馬尾松人工林凋落物殘留率不同密度間變化趨勢均相似，主要