活性有机碳含量在凋落物分解过程中的作用

生态环境 2006, 15(6): 1295-1299 Ecology and Environment E-mail: 基金项目： 中国科学院创新工程重大项目（ KZCX1-Sw-01-17）；国家重点基础研究发展规划（ 973）项目（ 2002CB412503） 作者简介： 吴庆标（ 1977），男 ， 博士研究生 ， 从事典型陆地生态系统土壤碳循环研究。 E-mail: ； 收稿日期 ： 2006-08-19 活性有机碳含量在凋落物分解过程中的作用 吴庆标，王效科，欧阳志云 中国科学院生态环境研究中心，北京 100085 摘要： 土壤凋落物的分解不仅是生态系统养分循环的重要环节，也是生态系统碳释放源之一。将呼伦贝尔森林草原过渡带的草原凋落物、白桦林凋落物、落松林凋落物分别添加在棕色针叶林土里进行恒温培养 ，探讨了不同凋落物类型有机碳分解速率差异及其影响因子。结果表明：不同凋落物的有机碳矿化速率和矿化累积总量在分解初期不一致，但由高到低的次序均 为：草原凋落物 白桦林凋落物 落叶松林凋落物， 40 d 的有机碳矿化累积量分 别为 76.53、 47.42、 20.56 mg/g。这主要与凋落物的化学性质有关，主要决定于凋落物中易被微生物分解的热水溶性有机碳含量和易分解有机物含量，而与凋落物的总有机碳含量、全氮含量、 w(C)/w(N)比等关系不明显。 关键词： 凋落物分解；有机碳矿化；恒温培养； CO2 红外分析仪系统 中图分类号： Q948 文献标识码： A 文章编号： 1672-2175（ 2006） 06-1295-05土壤凋落物的分解和矿化不仅是生态系统养分循环的重要环节，也对生态系统碳循环（汇 /源）起着极其重要 的作用 17。凋落物分解包括破碎化和矿化过程，不仅是土壤碳库的重要碳输入途径之一，凋落物本身在微生物的分解作用下也会产生CO2释放，是生态系统重要的碳源之一。大量的凋落物分解实验发现不同凋落物的分解速率具有明显差异，而影响土壤凋落物分解的因素很多，包括：凋落物归还量及其化学性质、树种结构和林龄、他感效应、气候条件、土壤类型、土壤微生物、土地利用方式、施肥方式、坡向和坡位等 9,12-16, 21。相对室内实验而言，野外实验往往采用网袋法研究凋落物的分解过程。由于其所处的环境条件可控性差，如水分条件和温度 条件在时间和空间上变异比较大，野外实验无法有效区分环境因素和凋落物自身的物理化学性质对凋落物分解速率的影响，且网袋的网眼大小也对凋落物的分解速率评价产生影响 5,17。况且，降雨对网袋中的凋落物产生淋溶作用造成其以可溶性有机物的形式损失，这些可溶性有机物或转入土壤层中，或以水土流失的形式损失。相反，在控温控湿的室内培养条件下（环境条件大体一致），能有效比较不同凋落物的分解速率差异，且易于寻找其与凋落物理化性质的关系 1,7,19,24。因此，如果单纯考虑凋落物理化性质对凋落分解速率的影响，室内恒温培养 法比野外网袋法实验法具有更多的优点。 本文以呼伦贝尔地区的棕色针叶林土为对照土和培养介质，通过实验室恒温培养的模拟方法，以 CO2 分析仪闭路系统为工具，间接测定 3 种类型不同的土壤凋落物在微生物分解作用下的碳释放，探讨植被类型改变对相应的土壤凋落物有机碳矿化速率的潜在影响及其主导影响因子。 1 材料与方法 1.1 样品来源 用作培养基质的土壤样品（ CK）采集地点位于呼伦贝尔市的大兴安岭中段，兴安落叶松林下，土壤类型为棕色针叶林土，为表层土壤（ 020 cm，多个坑重复混合样品）。土壤带回室内风干， 剔除明显草根和石块，过 2 mm 筛。 3 种土壤凋落物也来自呼伦贝尔市森林草原过渡带，包括落叶松林凋落物（ L litter）、白桦林凋落物（ B litter）、以大针茅 +苔草为优势的湿润草原凋落物（ S litter）， 60 烘干，用粉碎机粉碎，过筛，待测。 1.2 培养样品的配置和恒温培养 培养样品的配置包括 4 个处理，每个处理 3 个重复。在每个 500 mL 棕色瓶内，装入如下样品：CK（对照土）为 100 g 棕色针叶林土风干土， CK+L litter 为 100 g 对照土和 3.00 g 落叶松林凋落物，CK+B litter 为 100 g 对照土和 3.00 g 白桦林凋落物，CK+S litter 为 100 g 对照土和 3.00 g 草原凋落物。各处理水平每个培养瓶内所添加的材料化学性质见表 1。用质量法定期（间隔 35 d）把水分含量维持在饱和持水率的 60%70 %（本文中则在开始培养前每个瓶內加入 35 mL 蒸馏水，搅拌均匀），并把它们置于 25 恒温培养箱内进行培养。 1.3 土壤呼吸速率的测定 由于每个培养瓶均为不封口式培养，其瓶内CO2 浓度与大气或室内的浓度接近。本文采用 CO21296 生态环境 第 15 卷第 6 期（ 2006 年 11 月） 分析仪（ LICR-6262）及其密闭气路系统（ 图 1）测定培养样品的呼吸速率，测定环境温度为 25 左右。 CO2 分析仪的进气口和出气口的气体流速或气压的一致性是整套闭合气路系统读数稳定和气路 平衡的关键。每个样品瓶的测定时间约为 7 min。数据采集采用计算机自动化采集，每 2 s 采集一个数据，其中平衡时间为前 4 min，取后 3 min 的数据作为分析，用一元线性斜率法求出每秒钟整套闭合气路系统（内部气体体积共 600 cm3）中的 CO2 增加的浓度，从而可以推算出测定当天每个培养瓶培养样品的有机碳矿化释放总量（ m(C)/(mgd-1)）。并用负指数方程 23拟合不同处理的有机碳矿化释放总量随时间的递减趋势，从而可以用所得拟合方程计算每天的有机碳矿化量和累积矿化量。扣除对照土（ CK）同 1 天的累积矿化量后即为 3 种不同凋落物的累积矿化量 4, 10, 22。 1.4 土壤样品的分析方法 土壤和凋落物的有机碳含量采用重铬酸钾 外加热法，全氮则采用凯氏定氮法 3,5。 活性有机碳或有机物包括热水溶性有机碳含量（ CHWS）和极易分解有机物（ LOM）。前者主要为一些低分子糖类（葡萄糖、蔗糖等）、氨基酸等；后者为酸水解而得的物质，其成分则多了一些，主要增加了淀粉、蛋白质和部分半纤维素等 。热水溶性有机碳含量（ CHWS）则采用 105 热水解提取+重铬酸钾 外加热法获得（于硬质试管中加入有机物 1 g，加蒸馏水 30 mL，在 105 烘箱内保持 1 h，每隔 15 min 摇匀 1 次，之后取出冷却、 过滤定容至 100 mL）。极易分解有机物（ LOM）和中等易分解有机物（ LOM）则分别经过 5 c(H2SO4)=2.5 molL-1 的硫酸溶液 105 热水解，和 c(H2SO4)=13 molL-1（ 70%72%）的硫酸溶液静置过夜 +稀释成c(H2SO4)=1 molL-1 的硫酸溶液在 105 热水解 3 h两个步骤处理而得 20，它们的含量百分比则采用烘干质量差减法获得， LOM和 LOM含量之和 与NDF 和 ADF 含量之和接近 2。极易分解有机物主要包括单糖、多糖、淀粉、氨基酸、蛋白质等，它们极 易在热的 c(H2SO4)=2.5 molL-1 的硫酸溶液中产生水解作用而溶于水。 中等易分解有机物则为 大部 分 的 纤 维 素 和 半 纤 维 素 等 ， 它 们 只 有 在c(H2SO4)=13 molL-1（ 70%72%）的硫酸溶液中产生水解作用生成易溶的低分子物质。两者均属于凋落物中容易被微生物分解利用的有机物。 2 结果与分析 2.1 土壤凋落物的性质 由于其来源于不同的植被或不同的植物种类及所处的环境条件等原因，不同的凋落物具有不同的化学性质。在本实验中，草原凋落物（ S litter）、白桦林凋落物（ B litter）、落叶松林凋落物（ L litter）三者的全氮含量接近，但总有机碳含量及其有机组分构成差异较大，其中热水溶性有机碳（ CHWS）、易分解有机物（ LOM）的含量由高到低的次序均为 草原凋落物 白桦林凋落物 落叶松林凋落物，分别为 2.95%， 2.58%， 2.42%及 42.76%， 38.19%，32.71%（表 1）。 热水溶性有机碳（ CHWS）和易分 图 1 土壤培养瓶内 CO2 呼吸强度测定系统 Fig. 1 The respiratory CO2 concentrations measurement system of the incubation samples 表 1 不同处理所添加的材料化学特征 Table1 The Chemical characteristics of the added materials in different treatments Materials w(C)/ % w(TN)/ % w(C)/ w(N) w(CH W S)/ % w(LOM)/ % w(LOM)/ % CK(基质 ) 5.98 0.433 3 13.80 L litter 35.17 1.254 8 28.03 2.42 32.71 11.04 B litter 46.66 1.287 36.25 2.58 38.19 9.36 S litter 43.43 0.944 2 46.00 2.95 42.76 11.91 干燥管 气泵 培养瓶 调速流量计 计算机 CO2 分析仪 进气口 出气口 过滤 数据采集 吴庆标等： 活性有机碳含量在凋落物分解过程中的作用 1297 解有机物（ LOM）主要包括糖类、氨基酸类、淀粉类及低分子量的有机物等物质，这些物质极容易被微生物分解和利用，这意味着凋落物的分解速率在分解初期可能表现不一样 。 2.2 培养样品有机碳矿化过程 有机碳矿化 (分解 )过程主要靠微生物的分解作用来完成，外观上表现 为培养样品中 CO2 的不断释放。通过 CO2 分析仪闭路系统，能较为准确地计算培养样品中的 CO2 的释放量，从而可以间接推算土壤有机碳的矿化速率及其随时间推移的变化趋势。在室内恒温培养条件下，培养样品的有机碳矿化过程呈现先快速然后逐渐递减的规律（图 2）。在整个40 d 的观测过程中，不同处理的培养样品其有机碳的矿化速率不一样，矿化速率由高到低的顺序依次为对照土 +草原凋落物（ CK+S litter） 对照土 +白桦林凋落物（ CK+B litter） 对照土 +落叶松林凋落物（ CK+L litter） 对照土 (CK)。由此可 见，土壤添加凋落物后，增加了土壤微生物参与分解的有机碳源，培养样品的有机碳矿化速率都相应增大了，但不同的凋落物类型其分解速率不一致。 2.3 不同凋落物有机碳矿化过程拟合和碳矿化累积量 不同处理的培养样品的有机碳矿化速率随时间推移都呈现先快后递减的趋势，并在后期趋于平缓，用负指数型方程能较好地拟合该变化趋势（表 2） 23。 基于这些方程，我们先推算出不同处理的培养样品每 1 d 的有机碳矿化释放量 (mgd-1)。然后，把每 1 d 的释放量进行累加即为从培养开始至某 1 d的土壤有机碳累积矿化量。本文中，前 3 d 的有机碳矿化量暂时定为第 4 d 有机碳矿化量的 2.5 倍，第 4 d 后以方程拟合值为准。扣除对照土（ CK）的有机碳矿化累积量后，不同凋落物的有机碳矿化累积量由大到小依次为：草 原凋落物（ S litter） 白桦林凋落物（ B litter） 落叶松林凋落物（ L litter）（图 3）。其中，在培养 20 d 后，其凋落物有机碳矿化累积量分别占添加的凋落物（ 3 g）总有机碳总量（ S litter 1 302.90 mg， B litter 1 399.80 mg， L litter 1 055.10 mg）的 5.28%， 2.42%， 1.09%。在培养 40 d 后，分别占 7.25%， 3.38%， 1.57 %。此外，这三者的热溶性有机碳组分（ CH W S）的碳含量分别占所添加凋落物含碳总量的 6.79%、 5.53%、 6.88%，表明微生物对凋落物的分解在 40 d 内仍主要处于对热水溶性有机碳组分（ CHWS）的分解阶段。总而言之，不同的凋落物，由于其本身的化学性质不同，在微生物的作用下呈现出不同的分解速率。随着容易被微生物分解的有机物（如多糖、淀粉及低分子量的有机物）减少，不同植被类型的凋落物有机碳矿化速率和累积比率随着时间推移而降低。 2.4 凋落物有机碳矿化速率差异与凋落物性质的关系 凋落物的易分解物质含量（包括单糖、多糖、氨基酸、淀粉和部分低分子质量的纤维素和半纤维素等）较容易被微生物利用， 尤其在凋落物 分解初期。而木质素类物质较难被微生物利用或需要较高的生物分解能量 1,7,8。在本文中，热水溶性有机碳（ CH W S）、易分解有机物（ LOM）的含量大小顺序 与土壤凋落物的有机碳矿化速率大小顺序相对应，由大到小的次序 均为： 草原凋落物 白桦林凋落物 落叶松林凋落物（表 1 和图 2）。其中，热水溶性有机碳含量（ CH W S）对凋落物分解矿化初期的贡献作用最大，它也是微生物群落恢复原有活性01020300 10 20 30 40 50培养天数 t /d有机碳矿化累积量m(C) /(mgd-1)L l i t t e r B l i t t e rS l i t t e r 图 3 基于拟合方程的凋落物的有机碳矿化累积量 Fig. 3 The mineralized organic carbon accumulation of different litters 0 . 0 02 . 0 04 . 0 06 . 0 08 . 0 00 10 20 30 40 50培养天数 t /d每天有机碳矿化总量m(C)/(mgd-1)CKC K + L l i t t e r C K + B L i t t e rC K + S L i t t e r 图 2 不同处理培养样品的有机碳释放量递减规律 Fig. 2 The decreasing organic carbon mineralization patterns of different incubation samples 表 2 培养样品有机碳 矿化释放拟合方程 Table 2 The simulated organic carbon mineralizations equation of incubation samples 处理 拟合方程 相关系数 /R2 CK y =1.839 3 x -0.397 6 0.865 5 CK+L litter y =4.782 7 x -0.520 6 0.918 1 CK+B litter y =9.774 3 x -0.623 3 0.914 8 CK+S litter y =16.433 0 x -0.698 5 0.922 2 1298 生态环境 第 15 卷第 6 期（ 2006 年 11 月） 的基础 24。相反， 凋落物中的全氮含量及总有机碳含量等大小顺序与 不同凋落物在分解初期的有机碳矿化速率大小顺序的 关系不明显。这表 明，决定土壤凋落物早期分解速率的主要是凋落物中的热水溶性有机碳 （ CH W S） 、易分解有机物（ LOM）等活性 有机物 ，而不是凋落物中的全氮含量、总有机碳含量等。 3 讨论 众所周知，土壤凋落物的分解主要决定于凋落物的含水量 16和凋落物的化学性质 17。一般认为，土壤凋落物的 w(C)/w(N)比愈低或含氮愈高，愈有利于其分解 17，但在木质素含量较高的凋落物，w(C)/w(N)比不能有效反映其分解速率 5。王旭东等7则认为，凋落物中糖、氨基酸、淀粉等物质最容易分解，而纤维素、半纤维素等 次之。在本实验中，呼伦贝尔森林草原过渡带不同凋落物类型的分解速率和有机碳矿化累积量由高到低的顺序依次为：草原凋落物 白桦林凋落物 落叶松林凋落物（图2 和图 3）。因此，随着森林草原过渡带的植被类型的改变或优势树种的改变，土壤凋落物分解规律随之也发生明显的改变。按一般理论，若这 3 种凋落物的 w(C)/w(N)比由大到小的顺序为：草原凋落物白桦林凋落物 落叶松林凋落物，其有机碳矿化速率应表现为落叶松林凋落物最大或草原凋落物最小。事实上，这 3种凋落物类型的总有机碳量（ C）、全氮含量（ TN）及 w(C)/w(N)比的大 小顺序（表 2）等均不与它们的分解速率大小顺序相对应或结论与传统的认识存在差别。相反，凋落物的易分解有机物含量，包括热水溶性有机碳（ CHWS）含量和易分解有机物（ LOM）含量，其大小顺序均与凋落物的分解速率大小顺序相对应。由此可见，在凋落物分解的初期，凋落物分解速率的差异是由凋落物中易分解有机物的含量所决定的，而与凋落物中的总有机碳含量、全氮含量及 CN 比等没有直接的关系。 参考文献： 1 李贵桐，张宝贵，李保国 . 秸秆预处理对土壤微生物量及呼吸活性的影响 J. 应用生态学报 , 2003, 14(12): 2225-2228. 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