松嫩草原優勢植物羊草和蘆葦凋落物的分解對模擬增溫及氮沉降的響應

齊 紅，劉 洋，郭繼勛

（1.長春教育學院生物系，吉林 長春 130061；2.東北師范大學草地科學研究所，吉林 長春 130024）

近年來，由于化石燃料的燃燒、不合理的農田施肥以及土地利用方式的改變，導致了溫室氣體（CO2，NOx，CH4）排放增加，引起的全球變暖和大氣氮沉降問題已成為科學界最為關注的環境問題［1－2］.溫度升高幾乎可影響植物所有的生物學過程，氮沉降會直接影響生物圈的氮循環，并且通過氮輸入的增加影響植物生產力和生態系統碳蓄積能力，從而使生態系統結構和功能發生改變［3］.

草原作為陸地生態系統的主體類型，占陸地生態系統總面積的16.4%，草地生態系統的研究是認識增溫、氮沉降條件下全球生態系統變化的關鍵之一［4］.而凋落物分解作用控制著草原生態系統養分的周轉速率，與光合作用一樣是養分循環的速度調節器.因此，凋落物的分解作用又是草原生態系統結構和功能研究中最重要的一個方面.

早在1876年，德國的Ebermayaer就開始研究凋落物在養分循環中的作用，此后國內外許多學者對世界范圍內凋落物的分解及養分釋放進行了大量報道.目前，凋落物的分解研究主要集中在兩方面：一方面在繼續探討分解時的養分動態、分解與凋落物質量、生境、生物以及氣候之間的關系［5－6］；另一方面又將分解與一些環境熱點問題結合起來加以研究，如多樣性喪失對凋落物分解過程的影響，以及凋落物分解在碳循環和氮循環中的作用等［7－10］.近年來，國內外許多學者對模擬增溫及氮沉降條件下的凋落物分解作用進行了研究［11－12］，取得了一些進展，但研究多集中在森林生態系統中，而對草地生態系統的研究較少；對于全球氣候變化情況下，凋落物分解機制及微生物作用的變化還不清楚.本文在松嫩草原上進行了模擬增溫和氮沉降控制實驗，通過測定優勢種羊草、蘆葦凋落物的分解速率，凋落物中細菌、真菌、放線菌的生物量，以及凋落物養分含量的動態變化，揭示了增溫及氮沉降條件下凋落物分解的變化規律，對進一步研究凋落物分解對全球氣候變化下的響應機制提供了理論參考.

1 材料與方法

1.1 樣地概況

實驗樣地位于東北松嫩草原西南部、吉林省長嶺縣境內（44°45′N，123°45′E）.該地區為典型的大陸性氣候，年均氣溫4.9℃；年均降雨量470.6mm，多集中在6—9月；春季多風干旱，年蒸發量為1600.2mm，約為降雨量的3.5倍.區內草原屬草甸草原類型，地帶性植被為草甸草原，群落類型以羊草（Leymus chinensis）＋雜類草群落為主.研究樣地內羊草占絕對優勢，同時伴有蘆葦（Phragmites communis）及多種雜類草.樣地所處地段的土壤pH值為8.1左右，有機質含量為3%～4%.

1.2 實驗設計

2006，2007年兩個生長季，在松嫩草地選取地勢平坦、植被均勻、具有代表性的地段，設置樣地144m2，劃分成12個（4m×3m）小區，小區間隔3m.溫度控制采用紅外線加熱儀（infrared radiator，USA），燈管方向為南北方向，燈管距地面2.25m，溫度處理保持終年進行，增溫幅度為（1.7±0.1）℃.每個小區一半施氮（10g／m2），一半不施氮，氮肥采用分析純硝酸銨.共設4個處理，由增溫和施氮兩個因素各兩個水平組成，即增溫（W）、施氮（N）、增溫＋施氮（WN）、對照（CK），每個處理6次重復.

1.3 實驗方法

（1）凋落物的分解.凋落物分解測定采用網袋法：將優勢物種羊草和蘆葦的枯死體剪成約20cm的小段，并裝入網眼為2mm×2mm的尼龍網袋內，每袋10g，然后將網袋放入增溫、施氮處理樣地.在2006和2007兩年的生長季內，每隔30d取樣.

（2）凋落物有機碳測定.采用重鉻酸鉀法：在油浴加熱的條件下，用重鉻酸鉀－硫酸溶液來氧化凋落物中的有機碳，過量的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵滴定，以鄰啡羅啉為指示劑，通過所消耗的重鉻酸鉀量計算有機碳的含量.

（3）凋落物含氮量測定.采用Foss公司生產的凱氏定氮儀測定.

（4）凋落物含磷量測定.采用端視電感耦合等離子體發射光譜法（ICP－AES）測定凋落物中的全磷含量.

（5）微生物生物量測定.凋落物微生物生物量的測定采用干重換算法：細菌生物量計算公式：

式中：B為生物量，c為細菌純培養懸液的總干重（g），b為細菌純培養懸液中的總數（個），N為1g凋落物中的細菌總數（個）.

放線菌和真菌生物量計算公式：

式中：B為生物量，dw為5mL懸液菌絲的總干重（g），L1為5mL懸液菌絲涂片顯微鏡視野中菌絲的平均長度（μm），L2為50mL凋落物稀釋懸液涂片中菌絲的平均長度（μm），ds為干土百分比，10為50mL稀釋凋落物懸液與5mL菌絲懸液的比值.

測定的各指標均為兩個生長季的平均值.

1.4 數據分析

采用SPSS14.0軟件進行統計分析，采用Sigmaplot10.0軟件繪圖.

2 結果

2.1 凋落物分解對增溫、施氮的響應

羊草和蘆葦是松嫩草原典型的優勢種，但兩者的營養組成成分差別很大，羊草中富含有機質，而蘆葦中含大量的纖維木質素，因此，羊草凋落物的分解速率要快于蘆葦凋落物.

羊草凋落物經各處理分解后，殘留率從小到大依次為：增溫＋施氮處理69.30%，施氮處理75.75%，增溫處理81.20%，對照83.80%.增溫和施氮處理均能增加羊草凋落物的分解速率，二者交互作用不顯著（見圖1）.

蘆葦凋落物經各處理分解后，殘留率從小到大依次為：增溫＋施氮處理78.85%，施氮處理83.25%，對照85.60%，增溫處理86.50%.其中增溫處理對蘆葦凋落物分解無顯著作用，施氮處理顯著提高了蘆葦凋落物的分解作用.而增溫＋施氮處理對蘆葦凋落物分解速率有促進作用，超過增溫和施氮處理之和，呈顯著的正交互作用（見圖2）.

圖1 羊草凋落物量季節動態

圖2 蘆葦凋落物量季節動態

采用Olson（1963）負指數方程來模擬分解過程［13］：

式中：t為分解時間（d）；Wt為時間t時凋落物殘余的質量，W0是起始時凋落物的質量；k是凋落物質量丟失的速率系數.分解周期指95%的凋落物被分解所需要的時間，利用k值計算在4種處理下羊草和蘆葦凋落物分解周期.

負指數模型對羊草和蘆葦凋落物分解的擬合度均達到R2＞0.9.在平均地表增溫1.7℃，每個生長季施氮（10g／m2）的情況下，羊草和蘆葦分解周期都有不同程度的減少，特別是增溫＋施氮處理下的羊草凋落物分解周期縮短了49.98%（見表1）.這將極大加快羊草草原的碳、氮循環周期.

表1 凋落物剩余量與時間關系的擬合

2.2 微生物生物量對增溫、施氮的響應

在草原生態系統中，凋落物的分解主要靠微生物來完成，其分解強度占枯枝落葉年損失率的97%［32］.羊草凋落物在增溫處理下細菌、真菌和放線菌生物量分別增加了43.51%，4.69%，58.28%；而在施氮處理下細菌、真菌生物量分別減少了9.74%和30.82%，放線菌增加了19.64%（見圖3）.

蘆葦凋落物在增溫處理后細菌生物量減少了15.15%，真菌和放線菌生物量分別增加了38.80%，289.47%；施氮處理后細菌、真菌和放線菌生物量分別增加了24.24%，28.91%，185.71%（見圖4）.

以4種處理下分解的羊草與蘆葦凋落生物量為因變量，凋落物中細菌、真菌、放線菌的生物量為自變量做多元回歸分析，結果見表2.回歸分析表明，細菌、真菌、放線菌生物量均不同程度地受到增溫和施氮的影響.兩種凋落物各種處理之間的變化結果基本一致，所有方程中細菌的標準化系數均為最大，即表示在增溫和施氮處理下，羊草與蘆葦的細菌生物量始終對凋落物分解的貢獻最大，真菌和放線菌相對較弱.增溫處理減少了細菌的貢獻，卻顯著增加了真菌對分解速率的影響；施氮處理在降低了細菌作用的同時卻增加了真菌和放線菌對凋落物分解的貢獻.增溫＋施氮處理顯著的增加了3種菌類對凋落物分解的貢獻.

圖3 羊草凋落物三種微生物生物量

圖4 蘆葦凋落物三種微生物生物量

表2 真菌、細菌、放線菌與凋落物分解量的多元回歸分析

2.3 凋落物分解過程中C，N，P的變化

羊草凋落物分解過程中，增溫使凋落物的N，P含量分別增加了20.86%，19.27%，使有機C含量、C／N降低了59.85%，66.88%；施氮使N，P含量分別增加28.52%，31.81%，使有機C含量、C／N降低了為58.45%，67.68%；增溫＋施氮處理使N，P含量增加了16.92%，21.17%，使有機C含量、C／N降低了90.58%，91.95%.

蘆葦凋落物分解過程中，增溫使N，P含量分別增加12.64%，32.12%，使有機C含量、C／N降低了60.51%，64.95%；施氮使N，P含量分別增加20.25%，30.56%，使有機C含量、C／N降低了76.51%，80.47%；增溫＋施氮處理使N，P含量增加30.67%，37.21%，使有機C含量、C／N降低了71.16%，75.58%（見表3）.兩種植物凋落物分解過程中都表現為有機C含量迅速減少、凋落物中的N，P含量固持的現象.

表3 羊草和蘆葦凋落物中的C，N，P分析

3 討論

在全球氣候變化的綜合作用下，凋落物分解速率的加快是不容置疑的.已有研究表明，氮沉降使氮的輸入增加，極大地促進了凋落物CO2和NO2的呼吸過程，促進了凋落物的分解，而且在凋落物分解最初階段，分解的對象是一些易分解的非木質性的纖維素和有機碳，這些易分解的物質是微生物所利用的主要碳源.凋落物屬于普遍氮缺乏型，而外源氮的輸入恰恰滿足了微生物對氮的需求，刺激了微生物的活動，因而加速了分解過程［14－15］.這些觀點解釋了我們在施氮處理中羊草和蘆葦凋落物分解速率加快、分解周期縮短及有機碳大量釋放的結果.但也有研究表明，殘留物中的木質素和全纖維素質量分數隨著外源氮梯度增加均顯著增加，而且在長期高濃度氮存在的情況下，氮可能與凋落物分解過程中的某些物質聚合，形成更難降解的物質，從而阻滯了凋落物的分解［19］.

大多研究結果認為：增溫會加快分解速率.Silver和Miya總結了全球細根植物分解數據時發現，年平均溫度與凋落物分解率呈線性正相關［20］；Vitousek等在太平洋熱帶島嶼Mauna Loa的研究表明，隨海拔升高及氣溫降低，凋落物的分解速率呈指數降低［6］.這些結果支持了我們增溫處理中羊草凋落物分解速率增加、分解周期縮短的結論.

然而，在我們的結果中，增溫并沒有顯著提高蘆葦凋落物的分解速率，這可能與C／N的變化有關.增溫處理顯著地提高了蘆葦凋落物C／N的比值，由于C／N的比值較大，氮素的缺乏使微生物的發育受到了限制，從而使有機質分解變得緩慢.同時，凋落物的細菌、真菌、放線菌群落結構的變化也會對分解速率產生影響，與對照相比，增溫處理下蘆葦凋落物分解量與微生物生物量的回歸分析表明：3種微生物對分解量的貢獻都有所降低（見表3）.

對于羊草來說，增溫使3種菌類的生物量都有所提高，而施氮使細菌和真菌的生物量減少，這說明，氮元素不是制約分解速率的關鍵因素.而對于蘆葦來說，恰恰相反，施氮樣地凋落物中3種菌類生物量都有所增加，而增溫樣地增加卻不明顯，氮元素是微生物生長的限制因素.

羊草和蘆葦凋落物中的N，P元素含量在生長季結束的時候都比生長季前有所提高，這與許多研究結果相同.通常認為凋落物N，P元素含量升高的固持現象主要發生在第一年分解時間內，之后即進入礦化階段［21］.在本實驗中，所有樣地都出現凋落物N，P元素含量升高的固持現象，生長季結束后N，P元素含量和對照比較均達到了極為顯著的水平；對于增溫＋施氮處理的樣地，這種固持現象更加明顯.固持現象可能是由于凋落物中微生物大量生長，而微生物的這種生長需要大量的N和P來構成身體的組成部分，所以微生物不僅從凋落物中吸收N，P，而且要從凋落物以外的環境中吸收N，P，從而使N，P元素在凋落物中聚集，使凋落物在分解初期N，P元素含量升高.一直到凋落物中的其他元素（例如有機碳、K）被微生物呼吸、或被土壤淋溶耗盡后，凋落物中的N，P再進行礦化作用，釋放到環境中去.從宏觀的角度說：凋落物層具有改善草原生態系統的作用可能也與這種N，P元素的固持現象有關，而增溫及氮沉降對這種固持現象有較明顯的促進作用.［22］

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