全 文 ：微生物菌剂对干旱区城市防护绿地
凋落物分解的影响*
郑摇 路1,2 摇 尹林克1,3**摇 姜逢清1 摇 胡秀琴4 摇 李燕红4 摇 邱文成4
( 1 中国科学院新疆生态与地理研究所, 乌鲁木齐 830011; 2 中国科学院研究生院, 北京 100039; 3 中国科学院吐鲁番沙漠植
物园, 新疆吐鲁番 838008; 4 克拉玛依区园林局园林研究所, 新疆克拉玛依 834000)
摘摇 要摇 为探寻促进干旱区城市防护绿地凋落物分解的途径,2007 年 10 月下旬,分别采用青
贮复合菌剂、秸秆腐熟剂和速腐增效剂 3 种微生物菌剂,对克拉玛依市区北郊防护绿地内的
凋落物进行为期 198 d的堆腐试验.结果表明: 堆腐前期(0 ~ 30 d),微生物菌剂处理能够加
快堆腐凋落物的分解,其中速腐增效剂处理与对照差异显著;随堆腐时间的延长,堆腐凋落物
中 N、P 和 Ca 浓度均持续上升;试验结束时,各营养元素浓度均比初始值高 14郾 2% ~
252郾 9% ;在整个堆腐过程中,堆腐凋落物有机碳分解率持续升高,C / N值逐渐下降.添加微生
物菌剂加快了堆腐凋落物的腐熟速度,提高了堆腐凋落物养分浓度,其中以秸秆腐熟剂处理
效果最佳.
关键词摇 凋落物摇 堆腐摇 养分摇 微生物菌剂摇 人工林
文章编号摇 1001-9332(2010)09-2267-06摇 中图分类号摇 S718摇 文献标识码摇 A
Effects of microbial agents on litter decomposition in urban protective greenbelts of arid
zone. ZHENG Lu1,2, YIN Lin鄄ke1,3, JIANG Feng鄄qing1, HU Xiu鄄qin4, LI Yan鄄hong4, QIU Wen鄄
cheng4 ( 1Xinjiang Institute for Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi
830011, China; 2Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China;
3Turpan Eremophytes Botanic Garden, Chinese Academy of Sciences, Turpan 838008, Xinjiang,
China; 4 Institute for Landscape Architecture of Karamay Bureau of Parks, Karamay 834000, Xin鄄
jiang, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(9): 2267-2272.
Abstract: In order to explore the ways for promoting litter decomposition in urban protective green鄄
belts of arid zone, litter falls were collected from the protective greenbelts in north suburb of Kara鄄
may, Xinjiang, and a composting experiment with the inoculation of three kinds of microbial
agents, i. e. , Qingzhu, Jiegan, and Sufu, was carried out for 198 days in late October 2007. At
the early stage (0-30 d) of composing, inoculating microbial agents promoted the decomposition of
the litter falls, and the effect of Sufu agent was significant, compared with CK. The N, P, and Ca
concentrations in the composing litter falls increased persistently with time. By the end of the exper鄄
iment, the nutrient concentrations in the composed litter falls were 14郾 2% -252郾 9% higher than
their initial values. During the whole composing process, the decomposition rate of the litter falls or鄄
ganic C increased continuously, and the C / N ratio decreased gradually. It was suggested that inoc鄄
ulating microbial agents could accelerate the composting process, and increase the nutrient concen鄄
trations in composted litter falls. Among the three test microbial agents, Jiegan agent was the best
one.
Key words: litter fall; composting; nutrient; microbial agent; forest plantation.
*新疆克拉玛依市科技局科技计划项目(SK2007鄄01)资助.
**通讯作者. E鄄mail: yinlk@ ms. xjb. ac. cn
2010鄄03鄄09 收稿,2010鄄06鄄25 接受.
摇 摇 凋落物是森林生态系统中的重要组成部分,是
林地有机质的主要物质库和维持土壤肥力的基
础[1-2] .凋落物分解是森林生态系统物质循环和能
量流动的主要途径,是森林土壤肥力自我维持和系
统本身得以持续发展的关键环节[3],对维持生态系
统的平衡和稳定起着重要作用[4-5] . 国内外就凋落
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 9 月摇 第 21 卷摇 第 9 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2010,21(9): 2267-2272
物分解和养分释放开展了大量研究,主要包括凋落
物的分解过程[6-7]、不同森林类型凋落物分解和养
分动态[8],以及凋落物分解影响因素等[9-10] . 研究
表明,由于杉木(Cunninghamia lanceolata)等人工林
凋落物不易分解,造成养分归还林地少、自肥能力
差,出现地力衰退的现象[11] .为此,研究人员从不同
方面开展了人工林凋落物分解调控的研究. 林开敏
等[12-13]研究了杉木与 9 种伴生植物凋落物混合分
解,结果表明,8 种植物对杉木凋落物的分解有不同
程度的促进作用.廖利平等[14]研究了外加 N源对杉
木叶凋落物的分解,结果表明,与 NH4 + 鄄N 相比,施
加 NO3 - 鄄N明显促进了杉木叶凋落物的分解.
在降水量少、蒸发强烈,沙尘暴和干热风等自然
灾害频繁的干旱区城市,人工防护绿地是保障城市
环境安全的重要屏障.受气候条件的制约,防护绿地
凋落物自然分解非常缓慢,制约了林地土壤肥力的
改善和绿地系统养分平衡.此外,随着林地内地表未
分解凋落物的逐渐积累,易燃物质增多,也增大了林
地的火灾隐患.为了加速林地内凋落物的分解和养
分循环,本文以克拉玛依市区北郊防护绿地凋落物
为研究对象,借鉴农业上的秸秆堆腐还田技术[15],
对林地凋落物添加不同微生物菌剂,进行堆腐处理
比较试验,分析堆腐过程中凋落物的分解速率和养
分变化规律,探索人工促进干旱地区城市防护绿地
凋落物的快速分解途径,以期为干旱区城市绿地的
科学合理管护提供理论依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究区位于新疆维吾尔自治区克拉玛依市区西
北郊(45毅36忆30义—45毅37忆57义 N, 84毅50忆01义—84毅52忆
30义 E),地处准噶尔盆地西北缘,加依尔山南麓的山
前冲积戈壁,海拔 260 ~ 300 m. 该地属典型的大陆
性气候,年平均气温 8 益,最高气温 44 益,最低气温
-35郾 9 益,年均降水量 101郾 7 mm,年潜在蒸发量
3545郾 2 mm.年均大风日数 76 d(逸8 级风),其中 9
级以上大风日数 14 d,主风向西北.土壤为灰棕色荒
漠土,无明显层次,沙质基质(粉砂、细砂至粗砂),
间有砾石和碎石,直径在 0郾 5 ~ 1郾 5 cm,土壤有机质
含量低,普遍缺磷少氮[16] .
城市防护绿地始建于 2001 年,南北宽 700 m,
东西长 4000 m,面积 264 hm2 . 主要树种有:新疆杨
(Populus alba var. pyramidalis)、尖果沙枣(Elaeag鄄
nus oxycarpa)、胡杨(Populus euphratica)、白榆(Ul鄄
mus pumila)和紫穗槐(Amorpha fruticosa)等.配置结
构为单层结构(乔木混交)和双层结构(乔灌混交).
灌溉方式为滴灌.春秋各进行两次修枝.
1郾 2摇 样品采集及处理
2007 年 10 月下旬树木落叶期,收集防护绿地
内凋落物.以新疆杨、胡杨凋落物为主,混有少量紫
穗槐、尖果沙枣和白榆凋落物.凋落物组成以落叶为
主,约占 80% ,其余为落枝、落花及落果等. 将收集
到的凋落物称取鲜质量,于 65 益下烘干至恒量,测
定含水率.将烘干后的凋落物样品装入网眼 1 mm伊
1 mm、大小为 12 cm伊20 cm 的尼龙网分解袋中,每
袋 10 g,共称取 120 袋.取样分析初始养分浓度,包
括有机 C、N、P、K、Ca和 Mg.
采用样筐法计算凋落物的容重.选取一已知容
积和质量的长方形木框,取凋落物样装满木框并压
实,称量后根据测定的含水率计算凋落物干物质量,
重复 3 次,取其平均值推算 1 m3 凋落物的干物质
量.
在防护绿地内挖长、宽、深各 1 m 堆肥坑 4 个,
于当年 11 月 6 日将凋落物堆于坑内,分别添加青贮
复合菌剂 (QZ)、秸秆腐熟剂 ( JG)和速腐增效剂
(SF)3 种微生物菌剂作为处理,以不施菌剂作为对
照(CK).
参考秸秆堆腐技术[15],将凋落物分 3 层堆积
(1、2 层各厚 40 cm左右,第 3 层厚 20 cm左右),分
别在各层上撒水、微生物菌剂和尿素.按凋落物干物
质量的 200%加水,0郾 5%加尿素(C、N 比调节剂),
微生物菌剂按说明书用量添加.
将装有凋落物的分解袋随机分为 4 组,每组 30
袋,其中 3 组分别喷洒 3 种微生物菌剂,另一组为对
照,喷洒清水,然后将 4 组分解袋分别放置于对应的
堆腐坑中.凋落物堆好后,在其上用遮荫网覆盖,压
实.
由于堆腐前期堆腐物各项指标变化较剧烈[17],
故设置较短取样间隔期;后期变化趋缓,加之本研究
区试验在堆腐 30 d 后气候已进入寒冬 (12 月中
旬),短期内各项指标变化不大,故取样间隔期较
长,分别为堆腐后 10、20、30、130 和 198 d,分次取分
解袋,每次每处理取 6 袋,分别于 65 益烘干至恒量
后,称量,计算质量损失率,测后将各处理凋落物分
别混合,于实验室分析养分浓度,分析指标同上.
1郾 3摇 样品分析
凋落物样品中各养分浓度测定方法:有机碳采
用重铬酸钾法测定;N 采用高氯酸鄄硫酸消化法测
8622 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
定;P采用酸溶鄄钼锑抗比色法测定;K 采用酸溶鄄火
焰光度法测定;Ca 和 Mg 采用 1 mol·L-1HCl 溶液
浸提 EDTA络合滴定法测定[18] .
1郾 4摇 数据处理
凋落叶质量损失率(M):
M=(X0-X) / X0伊100%
式中: X0 为分解初始的凋落物干质量;X 为分解某
时间时的凋落物干质量.
C、N的摩尔质量之比值:
C / N=(有机 C浓度 / 12) / (N浓度 / 14)
有机 C分解率(F):
F=[(E0伊X0)-(E伊X)] / (E0伊X0)伊100%
式中:E为堆腐某时间时的凋落物样有机 C 浓度;X
为堆腐某时间时的凋落物样干质量;E0 为分解初始
的凋落物样有机 C浓度;X0 为分解初始的凋落物样
干质量.
所有数据均采用 SPSS 13郾 0 软件进行统计分
析,采用单因素方差分析( one鄄way ANOVA)中 LSD
多重检验法检验不同处理间的差异显著性.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 城市防护绿地凋落物堆腐过程中质量损失率
变化
由表 1 可以看出,堆腐前期(0 ~ 30 d),凋落物
快速失重,以微生物菌剂处理最为明显,堆腐 30 d
时,微生物菌剂处理质量损失率与对照(CK)差异显
著,其中以速腐增效剂处理(SF)最大;堆腐中期(31
~130 d)处于严冬时期,微生物活性减弱, 质量损失
率增速减缓,各处理与对照差距逐渐缩小,堆腐 130 d
时,仅青贮复合菌剂处理(QZ)与对照有显著差异,其
他两种菌剂处理与对照均无显著差异;堆腐后期(131
~198 d),随着气温升高,微生物活性增强,质量损失
率呈现加速趋势,各处理与对照差距进一步缩小,堆
腐 198 d时,各处理与对照均无显著差异.
2郾 2摇 城市防护绿地凋落物堆腐过程中养分浓度变化
由图 1 可以看出,凋落物堆腐前期,各处理 N
浓度均先快速升高,然后小幅下降,堆腐 30 d 时均
高于初始值,其中微生物菌剂处理 N 浓度高于对
照;堆腐中、后期,N 浓度均为缓慢持续升高. 堆腐
198 d时,秸秆腐熟剂(JG)、青贮复合菌剂(QZ)、对
照(CK)和速腐增效剂(SF) N浓度分别比初始值增
加 252郾 9% 、192郾 9% 、115郾 1%和 97郾 0% .
P浓度表现为堆腐前期快速上升,中期上升趋
缓,后期上升速率又加快. 堆腐 198 d 时,对照和青
贮复合菌剂处理 P 增幅相近,分别为 49郾 0% 和
48郾 4% ,速腐增效剂处理略高,为 54郾 9% ,秸秆腐熟
剂处理增幅最大,达 99郾 4% .
堆腐前期,K浓度先快速下降又上升,堆腐中、
后期均持续上升 郾 试验结束时,K 增幅为秸秆腐熟
剂( 158郾 4% ) >对照 ( 101郾 4% ) >青贮复合菌剂
(52郾 6% )>速腐增效剂(42郾 7% ).
Ca在堆腐前期有小幅波动,中、后期均持续上
升 郾 堆腐 198 d 时,Ca 比初始值分别高 66郾 3% (青
贮复合菌剂)、59郾 5% (速腐增效剂)、55郾 9% (对照)
和 55郾 5% (秸秆腐熟剂).
Mg在堆腐前期除对照为持续下降外,其他 3 种
微生物菌剂处理均有较大幅度的波动,堆腐 30 d
时,均低于初始值,中期和后期除青贮复合菌剂处理
在后期下降外,其他均为持续上升 郾 试验结束时,对
照、秸秆腐熟剂和速腐增效剂处理分别比初始值高
24郾 9% 、23郾 7% 和 14郾 2% ,青贮复合菌剂处理低
15郾 6% .
2郾 3摇 城市防护绿地凋落物堆腐过程中有机碳的分
解和 C / N变化
由图 2 可以看出,除对照和青贮复合菌剂处理
在堆腐 10 ~ 20 d 有机碳分解率略有下降外,其他处
理有机碳分解率均随堆腐时间延长而上升 郾 分解前
期,微生物菌剂处理有机碳分解率高于对照;分解
30 d时速腐增效剂处理分解率最高,达 25郾 49% ,此
后差距逐渐缩小,试验结束时,基本趋于一致,在
表 1摇 不同处理堆腐凋落物质量损失率
Tab. 1摇 Litter mass loss rate of different treatments during the composting (mean依SD)
堆腐天数
Composting days
质量损失率 Mass loss rate (% )
CK QZ JG SF
10 8郾 54依3郾 01a 8郾 83依7郾 35a 9郾 58依4郾 71a 11郾 45依4郾 72a
20 9郾 08依4郾 01b 10郾 67依3郾 81ab 10郾 13依3郾 47b 16郾 08依6郾 30a
30 9郾 30依5郾 23c 14郾 95依10郾 54ab 12郾 03依1郾 14b 23郾 60依8郾 24a
130 21郾 95依5郾 32b 27郾 72依4郾 35a 25郾 00依4郾 09ab 26郾 10依2郾 43ab
198 38郾 54依6郾 94a 40郾 18依7郾 81a 39郾 02依6郾 54a 37郾 46依5郾 56a
QZ:青贮复合菌剂 Qingzhu agent; JG:秸秆腐熟剂 Jiegan agent; SF:速腐增效剂 Sufu agent; CK:不施菌剂(对照) Without added agents (control) .
同行数字后不同字母表示差异显著(P<0郾 05) Different letters in the same row indicated significant difference at 0郾 05 level.
96229 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 郑摇 路等: 微生物菌剂对干旱区城市防护绿地凋落物分解的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 1摇 堆腐凋落物养分浓度变化
Fig. 1摇 Dynamics of nutrient concentrations in litter decomposi鄄
tion.
QZ:青贮复合菌剂 Qingzhu agent; JG:秸秆腐熟剂 Jiegan agent; SF:
速腐增效剂 Sufu agent; CK:不施菌剂(对照) Without added agents
(control) . 下同 The same below.
46郾 52% ~49郾 02% . C / N值除对照在堆腐 10 ~ 30 d
和青贮复合菌剂处理在 20 ~ 30 d 有所上升外,其他
处理均随堆腐时间延长而下降,堆腐 198 d 时 C / N
值在 20郾 37 ~ 37郾 01,以秸秆腐熟剂处理最低.
图 2摇 堆腐凋落物有机 C分解率和 C / N值变化
Fig. 2摇 Dynamics of decomposition rate of organic C and C / N in
litter decomposition.
3摇 结论与讨论
3郾 1摇 添加微生物菌剂对堆腐凋落物分解过程的影响
凋落物堆腐前期(30 d),微生物菌剂处理显著
加快了凋落物的分解;而到堆腐后期(198 d),微生
物菌剂处理与对照失重率基本接近,无明显差异.这
表明随着凋落物堆腐时间的延长,微生物菌剂处理
对堆腐凋落物分解的促进作用消失. 凋落物堆腐过
程中有机碳分解率变化与质量损失率变化相一致.
由此推断,堆腐过程中凋落物分解途径主要是通过
凋落物中有机碳的分解来完成的. 堆腐凋落物添加
微生物菌剂后,微生物大量繁殖[19],而 C 是构成微
生物体的最主要成分,微生物生长过程中也需要大
量的 C作为呼吸能量[20],只有快速分解凋落中的有
机碳来满足自身繁殖的需要. 而有机碳又是凋落物
中的主要组成成分[21],因此表现出堆腐前期经微生
物菌剂处理凋落物质量损失率显著高于对照. 堆腐
后期,凋落物分解作用减弱,腐质化作用加强,易于
分解或较易分解的有机物已大部分分解,剩下木质
素等较难分解的有机物及新形成的腐殖质[22],因此
不同处理的堆腐凋落物质量损失率趋于一致. 堆腐
凋落物分解过程可划分为前期(0 ~ 30 d)快速分解
和中后期(30 ~ 198 d)缓慢分解 2 个阶段,与葡萄枝
条堆腐过程相类似[23] .
3郾 2摇 添加微生物菌剂对堆腐凋落物养分变化的影响
前人用分解袋法研究凋落物林下自然分解,结
0722 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
果表明,凋落物分解过程中,N和 P浓度均呈现单调
上升或先上升后下降,K、Ca 和 Mg 浓度均为单调下
降[24] .本研究过程中,K、Mg浓度在凋落物堆腐前期
下降,堆腐 20 ~ 30 d 时形成一个拐点,之后基本为
上升趋势,其他养分浓度均随堆腐进行持续上升.
凋落物两种分解方式中 N、P 浓度的变化趋势
基本一致,K、Ca和 Mg浓度的变化则相反 郾 究其原
因,可能是凋落物分解主要是通过微生物的代谢活
动来实现[25],影响凋落物分解的因素主要是通过影
响微生物分解而起作用[26],同时,分解过程中微生
物不断地改变周围环境,向着有利于自身生存的方
向发展.有研究表明,尽管凋落物初始 C / N 和 C / P
存在很大差异,但是在分解末期,不同树种凋落物
C / N和 C / P值逐渐缩小,分别在 30 和 450 左右[21] .
此值正是微生物繁殖和活动所需的适宜值[27] .多数
凋落物初始 C / N 和 C / P 值均低于此值[28],故在分
解过程中需从环境中吸收 N 和 P 来满足微生物生
长的需求[29],因此,N、P浓度上升. K、Ca和Mg在植
物体中主要以离子态存在,易于分解和矿化,在天然
林中易受降水淋溶而流失,造成营养元素浓度下
降[30] .本研究采用堆腐方式,大量凋落物集中在一
起,矿化元素淋溶作用弱,且研究区处于干旱区,降
水稀少,难以淋溶流失.随着堆腐过程中有机物的分
解(如有机 C分解为 CO2 而散逸),堆腐凋落物中养
分元素浓度不断升高.
姜佰文等[31]研究表明,堆腐过程中添加微生物
菌剂可以加快堆腐物的腐熟速度、缩短堆肥时间.本
研究结果显示,添加微生物菌剂后,堆腐凋落物的腐
熟速度加快,使堆腐凋落物养分尤其是 N、P和 K浓
度大幅度提高,其中以添加秸秆腐熟剂处理的效果
最为明显.
随着堆腐时间的延长,凋落物的 C / N 值逐步下
降,至 198 d时在 20郾 37 ~ 37郾 01,以秸秆腐熟剂处理
最低.但此时仅青贮复合菌剂处理和秸秆腐熟剂处
理达 到 有 利 于 微 生 物 活 动 的 适 宜 C / N 值
(25 颐 1 ~ 30 颐 1),对照和速腐增效剂处理仍较高.
已有研究表明,当有机残体的 C / N 值在 25 ~ 30 时,
可能出现 N的矿化过程或生物固持过程;当 C / N值
<25 时,将产生 N 净矿化过程,有机肥施用到林地
后,分解释放出的无机 N 除被微生物吸收外,多余
的 N残留在土壤中,可供植物吸收利用[27] .为此,在
凋落物堆腐过程中,应注意选用能有效降低 C / N 值
的微生物菌剂.
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作者简介摇 郑摇 路,男,1968 年生,博士研究生.主要从事植
物生态学研究. E鄄mail: zhengluli@ sina. com
责任编辑摇 李凤琴
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