亚高山针叶林林窗对凋落叶分解过程中化学组分的影响

发布时间：2020-11-09 15:24

　　 凋落物化学组分不仅反映了凋落物的初始质量及其易降解程度,其动态过程还能指示凋落物的分解进程,并受到分解环境、分解进程和凋落物初始质量(物种差异)等因素的影响。由于受低温的限制,亚高山针叶林的土壤发育经常受阻,使凋落物分解在维持森林生产力方面有重要地位。同时,天然林以林窗更新为主,且林窗对内部光照、温度和水分的再分配所形成的微环境差异可能对凋落物分解过程有十分重要的影响,但迄今尚不清楚。因此,探究亚高山针叶林林窗对凋落物分解过程中化学组分动态的影响对深入了解凋落物分解机制和亚高山森林生态系统过程具有重要意义。现在的科学问题是:(1)亚高山针叶林凋落叶分解过程中的化学组分是怎样变化的?(2)亚高山森林林窗更新是否影响凋落叶分解过程中的化学组分动态?(3)季节性雪被是否影响凋落叶的化学组分动态?为理解林窗更新对亚高山针叶林凋落物分解过程的影响机制,本研究采用凋落物袋法,监测川西亚高山针叶林岷江冷杉(Abies faxoniana)、红桦(Betula albo-sinensis)、四川红杉(Larix mastersiana)、方枝柏(Sabina saltuaria)、康定柳(Salix paraplesia)和高山杜鹃(Rhododendron lapponicum)6种优势物种凋落叶质量损失和化学组分(水溶性组分、有机溶性组分、酸溶性组分、酸不溶性组分、可溶性碳、可溶性氮、可溶性磷、总酚、半纤维素、纤维素、木质素、缩合单宁、酸不溶性组分功能碳)动态随关键时期(2012—2015年雪被形成期、覆盖期、融化期和生长季节)和林窗位置(林窗中心、林冠林窗、扩展林窗和郁闭林下)的变化动态。结果表明:(1)分解三年后,6种优势树种凋落叶质量残留量为33-50%,凋落叶质量损失主要发生在分解第一年,占整体质量损失的50%以上,这表明亚高山针叶林凋落叶在分解初期具有较高的质量损失。林窗促进了第一年和第二年的凋落叶质量损失,而在第三年无显著影响,表明林窗对凋落叶质量损失的促进作用主要发生在分解前期。同时,林窗提高了冬季质量损失占全年损失总量的百分比,表明冬季林窗内形成的厚雪被促进了凋落叶的质量损失。(2)亚高山森林6种凋落叶初始水溶性组分含量为25-43%,可溶性碳含量为24-148 mg/g,可溶性氮含量为0.07-0.25 mg/g,可溶性磷含量为0.24-0.58 mg/g。在分解过程中,水溶性组分和可溶性碳、可溶性磷均在分解初期快速损失,三年后水溶性组分降为9-12%。DC/DN和DC/DP 比值在冬季升高并在生长季节降低,而DN/DP在分解第二年冬季升高至最高值。相比于郁闭林下,林窗中心处水溶性组分、可溶性碳和可溶性磷含量在分解第一年较低,而可溶性氮浓度在第二年冬季较高。(3)亚高山森林6种凋落叶初始有机溶性组分含量为11-33%,总酚含量为11-32 mg/g。凋落叶有机溶性组分和总酚在分解初期快速损失,三年后有机溶性组分和总酚含量分别下降至4-12%、0.9-1.9mg/g,且林窗中心处凋落叶有机溶性组分和总酚含量低于郁闭林下。(4)亚高山森林6种凋落叶初始酸溶性组分含量为27-32%,半纤维素含量为8-21%,纤维素含量为11-17%。在分解第一、二年,半纤维素和纤维素含量缓慢升高,酸溶性组分含量呈现波动但整体保持不变,而在分解第三年,纤维素和酸溶性组分含量开始呈现下降趋势。分解三年后,林窗中心处酸溶性组分和纤维素含量高于郁闭林下。(5)亚高山森林6种凋落叶初始酸不溶性组分含量为22-51%,木质素含量为14-37%,缩合单宁含量为0.2-22 mg/g。在三年的分解过程中,缩合单宁在第一年快速流失,而木质素和酸不溶性组分缓慢累积。酸不溶性组分初始含量最高的红桦,在凋落叶形成后其酸溶性组分和木质素立即呈现损失,在三年分解后,残留量分别为50%和51%。林窗中心或林冠林窗处凋落叶酸不溶性组分和木质素含量在分解第一年、二年高于郁闭林下。(6)亚高山森林岷江冷杉和红桦凋落叶酸不溶性组分功能碳初始含量为:烷基碳(37.4%,38.8%),氧烷基碳(13.5%,16%)、芳香基碳(13.2%,13.6%),酚基碳(11%,9.4%)、羧基碳(10.4%,10.3%)。在分解过程中,岷江冷杉凋落叶酸不溶性组分不断累积,且伴随着烷基碳、甲氧基碳、氧烷基碳、芳香基碳和羧基碳含量的升高;而红桦凋落叶酸不溶性组分缓慢降解,且主要依赖于甲氧基碳、氧烷基碳和烷基碳含量的显著降低。林窗的形成增加了酸不溶性组分中烷基碳、羧基碳和芳基碳的含量,而对其他功能碳无显著影响。(7)亚高山森林凋落叶化学组分主成分分析和聚类分析结果表明经过三年的分解后,初始质量具有差异的6种凋落叶的化学组分构成趋于相似—水溶性组分、有机溶性组分和酸溶性组分含量降低,而酸不溶性组分含量显著升高。路径分析结果表明,林窗的形成增加了森林地表均温,降低了冻融循环频次。温度的增加显著降低凋落叶中水溶性组分和有机溶性组分含量,并显著增加酸不溶性组分含量,进而降低凋落叶的质量残留量。冻融循环频次的降低显著增加酸溶性组分含量,但对凋落叶质量残留的影响并不显著。相关性分析结果表明,水溶性组分、有机溶性组分、可溶性碳、可溶性氮、可溶性磷、DC/DN、DC/DP、DN/DP、总酚和缩合单宁均与均温呈负相关,与冻融循环频次呈正相关,而酸溶性组分、酸不溶性组分、木质素和纤维素与之相反。综上所述,亚高山针叶林凋落叶自然形成后,水溶性和有机溶性组分快速淋溶损失,伴随着酸溶性组分的缓慢降解和酸不溶性组分的显著累积,使具有显著初始质量差异的凋落叶化学组分含量不断趋于相似。林窗的形成一方面通过增加水溶性和有机溶性组分的淋溶损失,促进凋落叶分解的质量损失;另一方面,抑制了酸溶性组分的降解并增加了酸不溶性组分的累积和抵抗性。同时,累积的酸不溶性组分是分解产物聚合生成的“木质素类似物”,其降解主要源于氧烷基碳、甲氧基碳和烷基碳成分的缓慢降解。因此,亚高山针叶林林窗将加速可溶性有效养分在植物—土壤生态系统中的养分循环,并通过促进酸不溶性组分的累积为土壤有机质的形成提供物质基础,对维持亚高山针叶林土壤肥力和可持续经营具有重要意义。
【学位单位】：四川农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S714
【部分图文】：

５．１环境因子??５．１．１雪被??相较于郁闭林下，林窗的形成显著增加了冬季地表的雪被累积（图２ｂ，表４）。??冬季雪被覆盖厚度表现为雪被覆盖期＞雪被形成期＞雪被融化期，且从林窗中心??至扩展林窗依次减少。最大雪被覆盖厚度（＞４〇?ｃｍ）均发生在雪被覆盖期的林窗中??心处。??５．１．２温度??冬季日平均温度在雪被形成期和覆盖期保持零下，于雪被形成期末达到最低??值（＜－１〇?°ｃ）后逐渐升高，且冬季郁闭林下日均温的波动相对于林窗中心更剧烈??（图２ａ）。林窗的形成显著改变了林地表面温度（表４），林窗中心在各分解阶段的??均温显著高于郁闭林下（图２ｃ）。??５．１．３冻融循环??该区域冬季各分解阶段冻融循环频繁，表现为雪被形成期?＞?雪被覆盖期?＞雪??被融化期（图２ｄ）。林窗对冻融循环频次的影响显著（表４），第二年雪被覆盖期和??雪被融化期及第三年冬季均在林窗中心处冻融循环频次最低。??表４林窗和时间对环境因子影响的双因素方差分析??Ｔａｂｌｅ?４?Ｔｗｏ－ｗａｙ?ＡＮＯＶＡ?ｔｅｓｔｉ

凋落叶质量损失主要发生在分解第一年，占整体质量损失百分比＞５０％；以季节??为尺度，凋落叶在冬季和生长季节的质量损失相似，但高山杜鹃在冬季有占整体??７５％的质量损失（图４）。??林窗显著改变了凋落叶的质量残留量（表６），林窗中心分解半年（第一个冬季）??和三年后的凋落叶质量残留量显著低于郁闭林下，且凋落叶在林窗中心冬季／生??长季节的质量损失高于／低于郁闭林下。凋落叶残留量受林窗的差异性影响主要??在分解第一、二年的冬季，且与均温呈显著负相关，与冻融循环频次呈显著正相??关（表７）。??表５亚高山针１１十林凋落１１十分解半年和三年后凋落汁的质量残留量??Ｔａｂｌｅ?５?Ｌｉｔｔｅｒ?ｒｅｍａｉｎｉｎｇ?ｍａｓｓ?％?ｉｎ?ｓｉｘ?ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｎｇ?ｌｉｔｔｅｒ?ａｆｔｅｒ?０．５／３?ｙｅａｒｓ?ｏｆ?ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ?ｉｎ?ａ??ｓｕｂａｌｐｉｎｅ?ｆｏｒｅｓｔ??分解时间?质量残留量Ｒｅｍａｉｎｉｎｇ?ｍａｓｓ?％??调落叶Ｌｉｔｔｅｒ????Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉ

速降低（图５），分解Ｈ年后，６种凋落叶水溶性组分含量为９％－１２％（表８）。??林窗显著改变了凋落叶水溶性组分的含量，且林窗与物种和时间及其相互间??交互作用均显著（表１〇）。第一年冬季末期，林窗中心的康定柳和高山杜鹃凋落叶??水溶性组分显著低于郁闭林下；分解三年后，林窗中心的四川红杉，红桦和高山??杜撰凋落叶水溶性组分显著低于郁闭林下（表８）。相关分析结果表明，水溶性组??分与凋落叶含水量和均温呈显著负相关，与冻融循环频次呈显著正相关（表１１＞??
【参考文献】

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本文编号：2876616