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Effects of dissolved organic matter from Cunninghamia lanceolata and Castanopsis carlesii leaf litter on soil C mineralization

杉木和米槠凋落叶DOM对土壤碳矿化的影响



全 文 :第 35 卷第 24 期
2015年 12月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.24
Dec.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金( 31370615, 31130013); 高等学校博士学科点专项科研基金 ( 20113503130001)和福建省教育厅重点项目
(JA13065)
收稿日期:2014⁃07⁃30;     网络出版日期:2015⁃05⁃21
∗通讯作者 Corresponding author.E⁃mail: jfguo@ fjnu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201407301532
万菁娟, 郭剑芬, 刘小飞, 纪淑蓉, 任卫岭, 吴君君,杨玉盛.杉木和米槠凋落叶 DOM对土壤碳矿化的影响.生态学报,2015,35(24):8148⁃8154.
Wan J J, Guo J F, Liu X F, Ji S R, Ren W L, Wu J J, Yang Y S.Effects of dissolved organic matter from Cunninghamia lanceolata and Castanopsis
carlesii leaf litter on soil C mineralization.Acta Ecologica Sinica,2015,35(24):8148⁃8154.
杉木和米槠凋落叶 DOM对土壤碳矿化的影响
万菁娟1,2, 郭剑芬1,2,∗, 刘小飞1,2, 纪淑蓉1,2, 任卫岭1,2, 吴君君1,2,杨玉盛1,2
1 湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地,福州  350007
2 福建师范大学地理科学学院,福州  350007
摘要:DOM(Dissolved organic matter)是土壤微生物呼吸的重要底物,凋落物淋溶的 DOM 对土壤碳矿化具有重要影响。 选择中
亚热带地区具有代表性的杉木(Cunninghamia lanceolata)和米槠(Castanopsis carlesii)凋落叶作为研究对象,通过两个月的短期
室内培养,把不同凋落叶浸提出的 DOM添加到培养瓶中,定期测定土壤碳矿化速率,计算土壤碳累积矿化量,探讨两种等浓度
等量 DOM添加对土壤碳矿化的影响,并分析 DOM化学性质在土壤碳矿化过程中的重要性。 结果表明:米槠凋落叶浸提得到的
DOC(Dissolved organic carbon)和 DON(Dissolved organic nitrogen)浓度均显著高于杉木凋落叶的(P < 0.05),而杉木凋落叶浸提
得到的 DOM的 UV吸收值(SUVA254)和 HIX(Humification index)均显著低于米槠凋落叶的(P < 0.01)。 添加等浓度等量杉木
和米槠凋落叶 DOM 到土壤中均显著增加了土壤碳矿化速率,在第 1 天内分别比对照高 198%和 168%,3d 后下降到61.8%和
44.1%,14d后基本处于平稳状态,表明外源有机物添加对土壤碳矿化的前期影响较大。 培养过程中,添加杉木和米槠凋落叶
DOM的土壤碳矿化累积量均能采用双因素指数模型进行拟合( r2 = 0.99),但添加两者凋落叶 DOM后土壤碳矿化累积量没有显
著差异。
关键词:米槠;杉木;DOM;凋落叶;有机碳矿化
Effects of dissolved organic matter from Cunninghamia lanceolata and Castanopsis
carlesii leaf litter on soil C mineralization
WAN Jingjuan1,2, GUO Jianfen1,2,∗, LIU Xiaofei1,2, JI Shurong1,2, REN Weiling1,2, WU Junjun1,2,
YANG Yusheng1,2
1 Cultivation Base of State Key Laboratory of Humid Subtropical Mountain Ecology, Fuzhou 350007, China
2 School of Geographical Science, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China
Abstract: The leaching of dissolved organic matter (DOM) from leaf litter, and the subsequent supply of an available
carbon pool for microbial growth, can be important factors regulating forest C mineralization. Field studies have shown that
with increasing DOM, soil respiration rates increase observably. Numerous studies have assessed the difference of dissolved
organic C (DOC) and the C chemistry of solubility during leaching of DOM from different litters. The chemical structure of
DOM and the complexity of its molecules were found to correlate with C mineralization. Our objectives were to investigate
how differences in chemistry of DOM from Cunninghamia lanceolata and Castanopsis carlesii leaf litter affected soil CO2
fluxes in laboratory incubations. Mineral soils from a depth of 0—10 cm from a 39⁃year⁃old C. carlesii plantation forest in
Sanming, Fujian, China were incubated for 2 months after adding the same concentrations and amounts of DOM from C.
lanceolata and C. carlesii leaf litter. CO2 production was continuously measured during 59 days of laboratory incubation, and
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soil CO2evolution patterns were determined by fitting the double exponential model ( r
2 = 0.99). Results showed that: (1) C
chemistry varied significantly between DOM from C. lanceolata and C. carlesii leaf litter (P < 0.05). UV and fluorescence
spectra of DOM from C. lanceolata leaf litter were lower than those of C. carlesii leaf litter, which suggested that DOM from
C. lanceolata leaf litter has a lower content of aromatic C. (2) Following additions of DOM from C. lanceolata and C.
carlesii leaf litter to soils, rates of C mineralization increased by 198% and 168%, respectively, decreased to 61.8% and
44.1%, respectively, by day 3 and then decreased progressively. This indicated that an increase in soil C mineralization
induced by the addition of external DOM to soil was short⁃term. (3) There was no significant difference in the cumulative
mineralized C between the addition of DOM from C. lanceolata and C. carlesii leaf litter. Further research should be done to
investigate the reasons for this lack of a significance difference.
Key Words: Castanopsis carlesii; Cunninghamia lanceolata; dissolved organic matter; leaf litter; organic
carbon mineralization
土壤有机碳库是陆地生态系统最大的 C 储存库,其储量高达 1500—2000 Pg,占到陆地生态系统总 C 量
的 2 / 3,超过大气 C 库的 2 倍、地上活生物量 C 库的 3 倍,而土壤呼吸则是土壤有机 C 进入大气的主要途
径[1⁃2]。 据估计土壤呼吸年 C释放量高达 86—110 Pg[3],超过全球化石燃料燃烧年 C 释放量(≈ 6 Pg)的 15
倍。 因此土壤 C释放的微小变化能显著地改变大气中 CO2浓度,对全球碳平衡和全球气候变化产生重大
影响。
许多土壤呼吸研究表明 70%—80%异养呼吸来自快速周转的活性碳库,其中可溶性有机碳(DOC)就是
森林土壤主要的活性碳库来源[4]。 已有研究表明,降雨淋溶、凋落物、枯死根等是 DOM重要来源[5⁃6],且不同
来源 DOM的化学组成和性质差异较大[7⁃8]。 如研究发现穿透雨经过新鲜树叶的淋溶,DOM 含有更多低分子
量、易分解的有机质,而枯枝落叶层 DOM则以高分子量的腐殖酸为主[9]。 De 等[10]研究表明,凋落物渗滤液
中主要成分是疏水性酸,而枯死根则产生亲水性酸和中性物质。 Kiikkilä 等[11]认为凋落物的分解由凋落物淋
溶的 DOM性质决定,即含有亲水性酸和中性物质 DOC容易被分解,而疏水性酸难被分解。 Cleveland 等[12]发
现可利用性碳与土壤呼吸速率具有极显著的正相关性。 He 等[13]和 Wieder 等[14]研究认为高质量的 DOM 对
土壤碳矿化的影响更大。 但目前外源添加 DOM化学性质差异对森林土壤碳矿化的研究仍较少。
米槠是我国亚热带典型的阔叶树种,而杉木是我国亚热带地区重要的速生针叶用材树种[15],前期研究发
现这两种人工林土壤异养呼吸具有显著差异[16]。 凋落叶淋溶的 DOM是土壤异养呼吸的重要碳源,本研究通
过室内培养试验,探讨不同树种凋落叶 DOM 的差异对土壤碳矿化的影响,为森林土壤呼吸研究提供一个新
思路。
1  材料与方法
1.1  试验地概况
试验地位于福建省三明市格氏栲自然保护区(26°11′N,117°28′E),属于中亚热带山区,区域内典型针叶
树种和阔叶树种,分别是杉木(Cunninghamia lanceolata)和米槠(Castanopsis carlesii)。 该保护区气候属于中亚
热带季风气候,试验地附近的三明市年均气温 20.1℃,年降水量 1670 mm,降水多集中于 3—8月份。 米槠人
工林的前身为米槠次生林,20世纪 70年代经过皆伐、火烧、挖穴造林和幼林抚育,形成米槠人工林,树龄 39a。
林分密度为 2042株 hm2,平均胸径 16.6 cm,平均树高 14.2 m。 样地海拔 305 m,坡度为 15°。 林下植被主要以
毛冬青( Ilex pubescens)、乌饭树(Vaccinium bracteatum)、薄叶山矾( Symplocos anomala)、桂北木姜子( Litsea
subcoriacea)、山姜(Alpinia japonica)等为主,草本以芒萁(Dicranopteris dichotoma)为主[16]。
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表 1  试验地表层土壤(0—10cm)性质(平均值±标准偏差)
Table 1  Surface soil (0—10 cm) properties of study sites (mean±SD)
试验地
Study site
有机碳 / (g / kg)
Organic carbon
全氮 / (g / kg)
Total N C / N pH
粒径密度 Soil texture(%)
砂粒 Sand 粉粒 Silt 粘粒 Clay
米槠人工林
Castanopsis
carlesii plantation
24.88±0.71 1.7±0.08 14.6±0.32 3.95±0.04 44.18±2.79 28.29±2.26 27.53±0.81
 
1.2  样品采集
2013年 9月中旬在 39年生的米槠人工林内的上、中、下坡,随机布设 3块 20 m × 20 m的标准样地,在每
个标准样地内用按 S型选取 5个采样点,去除表层的枯枝落叶层,采用土钻取表层土壤(0—10cm),带回实验
室,去除可见植物残体、石头和根系,混合均匀后过 2 mm筛备用。 一部分用于风干测定其理化性质(表 1),另
一部分保存在 4 ℃冷藏,用于后续的培养试验。 于 2013 年 9 月底,在米槠人工林和邻近的杉木人工林内的
上、中、下坡设 3条平行于等高线的样线,每条样线上随机设 10个 25 cm × 25 cm小样方,收集未分解的杉木
凋落叶和米槠凋落叶,带回实验室烘干,保存。
1.3  试验设计
各称取 20 g烘干的杉木和米槠凋落叶,加入 200 mL去离子水浸泡 24 h 后,上清液用 0.45 μm 玻璃纤维
过滤器减压过滤,滤液 4℃保存,测定其理化性质(表 2)。
取相当于 50 g干土的土壤到 500 mL的广口瓶中,调节土壤含水量为饱和持水量 40%,放在 25 ℃的恒温
培养箱条件下预培养 15d。 然后把杉木和米槠凋落叶 DOM浓度用去离子水稀释至 1000 mg / L(按照浸提得到
的 DOC浓度进行计算),分别取 5 mL和等量去离子水作为对照添加到培养瓶中,再用去离子水调节土壤含水
量达到饱和持水量 60%,每个处理 12个重复。 此外,广口瓶内放入盛有 10 mL 0.5 mol / L NaOH的小瓶,用于
吸收培养瓶内土壤矿化释放出的 CO2,随后将广口瓶密封。 分别在处理后的第 5、12 小时、1、2、3、6、9、14、19、
24、29、36、43、50、57天取出盛有 NaOH的小瓶,放置 2h,以保证培养瓶内氧气充足,然后放入新的盛有 NaOH
的小瓶,将广口瓶密封培养。 用 0.5 mol / L的 HCl滴定取出盛有 NaOH的小瓶,用于计算土壤碳矿化速率和累
积矿化量。
1.4  分析方法
凋落叶浸提得到的 DOC,用总有机碳分析仪(SHIMADZU TOC⁃VCPH / CPN Analyzer)测定;DON用流动注
射分析仪(Lachat Qyickchem automatedion analyzer)测定;土壤 C、N 元素含量采用碳氮元素分析仪(Elemental
Analyzer Vario ELIII)测定;为了测定结果的可比性,用于紫外和荧光光谱测定的样品 DOC浓度用去离子水稀
释至 10 mg / L,pH值用稀 HCl调为 2,用 254 nm处的紫外吸光度(UV2450 分光光度计 Shimadzu),计算芳香
性;荧光发射光谱通过日立⁃4600 荧光分光光度计获得,λex 254 nm, slit 10 nm,λem300—480 nm,slit 10 nm,
scan speed 4800 nm / min,腐殖质指标通过计算发射光谱中∑ 435—480 nm 与∑ 300—345 nm 的面积比
获得。
1.5  数据处理
所有数据统计分析基于 SPSS 17.0软件进行, 相关图表在 Origin 8.0 软件下完成。 采用单因素方差分析
(one⁃way ANOVA)检验添加杉木和米槠凋落叶 DOM 后土壤碳矿化之间差异的显著性。 为分析不同来源
DOM添加到土壤中,对土壤碳矿化累积量的影响, 采用如下模型:
Cm(%) = a × [1 - exp( - k1 t)] + (100 - a) × [1 - exp( - k2 t)]
式中,t表示培养时间; Cm表示在时间 t时累积矿化量与土壤初始总碳的百分比;a、(100-a)、k1、k2为待定参
数。 a是土壤初始总碳中易分解碳的百分比;(100-a)代表是难分解碳的百分比; k1和 k2分别是易分解碳库
和难分解碳库的矿化常数。
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2  结果和分析
2.1  DOM化学性质
米槠凋落叶浸提得到的 DOC和 DON浓度均显著高于杉木凋落叶的(P < 0.05)(表 2)。 两种 DOM的化
学性质具有极显著差异(P < 0.01),即米槠凋落叶 DOM的 UV吸收值(SUVA254)和 HIX均显著高于杉木凋落
叶的,但杉木凋落叶 DOM的 C / N显著高于米槠凋落叶的(P < 0.05),表明杉木凋落叶 DOM中含有更多的低
分子量、易分解有机物,米槠凋落叶 DOM中含有更多含氮营养物质。
表 2  杉木和米槠凋落叶 DOM的性质(平均值±标准偏差)
Table 2  Initial DOM characterization of Cunninghamia lanceolata and Castanopsis carlesii leaf litter(mean± SD)
种类
Species
可溶性有机碳
Dissolved organic
carbon / (g / kg)
可溶性有机氮
Dissolved organic
nitrogen / (g / kg)
DOC / DON
紫外吸收值
Special ultraviolet
visible absorption /
(UV)
腐殖化指标
Humification index /
(HIX)
杉木 Cunninghamia lanceolata 12.13±0.19a 0.06±0.001a 206.39±5.46a 0.99±0.03a 0.64±0.01a
米槠 Castanopsis carlesii 13.39±0.37b 0.11±0.004b 121.96±7.68b 1.19±0.04b 1.21±0.02b
    每一列中不同的字母表示差异显著性(P < 0.05)
2.2  土壤碳矿化速率动态变化
添加杉木和米槠凋落叶 DOM后土壤碳矿化速率在第 1天内分别显著高于照 198%和 168%,3d后下降到
61.8%和 44.1%(图 1)。 培养前 3d,土壤碳矿化速率与对照均有极显著差异(P < 0.01),但 3d后差异不显著,
表明添加外源有机物到土壤后,引起土壤碳矿化速率增加只是一个短暂的过程。 培养期间添加杉木凋落叶
DOM与米槠凋落叶 DOM的土壤碳矿化速率没有显著差异(图 1)。 土壤碳矿化速率在添加两种 DOM 后第 1
天内达到最大值,6d后下降了 90%,14d 后基本处于平稳状态,说明单次添加 DOM 后引起土壤碳矿化的变
化,会随着 DOM中易分解物质的消耗而逐渐变小。
2.3  土壤碳累积矿化量动态变化
图 2可以看出,添加杉木和米槠凋落叶 DOM后土壤碳累积矿化量没有显著差异, 但二者均显著高于对
照(P < 0.05),随着时间延长差异性越小,如第 1 天分别高于对照 84.3%和 64.4%,第 29 天分别高于对照
40.9%和 33.1%,培养结束则下降到 20.7%和 17.3%。 在培养第 3 天,添加杉木凋落叶 DOM 的土壤净碳矿化
量已经超过了外源 DOM添加量 100 mg / kg,而添加米槠凋落叶 DOM的土壤净碳矿化量直到第 9 天才超过外
源 DOM添加量,表明添加杉木凋落叶 DOM比添加米槠凋落叶 DOM更容易引起土壤有机碳矿化。
土壤 CO2累积通量的拟合曲线可以很好的反映土壤碳变化趋势,本研究发现添加杉木凋落叶 DOM 和米
槠凋落叶 DOM后的土壤碳矿化累积量能很好的用双因素指数模型进行拟合(表 3)。 其中 r2均达到了 0.99,
k2的值均是 0.001,a的值分别是 0.982%和 0.848%。 两者模型参数之间没有达到显著差异。
表 3  土壤碳矿化的双因素指数模型参数
Table 3  Parameters of C mineralization double factor index model
不同处理 Different treatment Cm / (%) a / (%) 100-a / (%) k1 k2 r2
杉木凋落叶
Cunninghamia lanceolata leaf litter 3.70 0.982 99.018 0.535 0.001 0.997
米槠凋落叶
Castanopsis carlesii leaf litter 3.59 0.848 99.152 0.599 0.001 0.998
3  讨论
3.1  添加凋落叶 DOM对土壤碳矿化的影响
    土壤有机碳矿化不仅受到温度、水分等环境因素的调控,也受外源有机物(包括有机物的质量和复杂性)
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的影响[17⁃19]。 野外试验表明,枯枝落叶层淋溶得到的 DOM 是土壤异养呼吸重要碳源,占土壤 CO2年通量很
大一部分[12,20⁃21]。 本研究也发现,添加杉木和米槠凋落叶 DOM到土壤中,土壤碳累积矿化量在第 2天分别比
对照高 95%和 83%。 这与 Cleveland 等[12]的研究结果类似,即添加凋落物淋溶的 DOM到土壤中后,CO2释放
量明显增加。 因为凋落物 DOM作为外源碳库及营养物质输入到土壤中,改变了土壤微生物和酶的活性,从
而增加微生物对土壤碳的分解[4,12]。
  图 1  添加不同 DOM土壤 C矿化速率的变化(平均值 ± 标准偏
差)
Fig.1  Changes in the rate of soil C mineralization after addition
of different dissolved organic matter (mean ± SD)
  图 2  添加不同 DOM土壤碳累积矿化量的变化(平均值 ± 标准
偏差)
Fig.2   Changes of cumulative mineralized C after addition of
different dissolved organic matter (mean ± SD)
矿化速率在添加 DOM后第 1天内达到最大值,6d后下降了 90%,14d 后基本处于平稳状态,这与凋落叶
浸提得到的 DOM所含物质的难易分解程度有关[22],易分解的物质会被微生物优先利用而快速增加土壤碳矿
化速率,随着易分解物质的消耗而降低土壤碳矿化。 Hobbie 等[23]也认为异养微生物能快速利用活性的(低
分子量)、养分含量较高的 DOM而促进土壤呼吸,但分子量大的难分解 DOM对土壤呼吸的贡献不大。 同时,
说明单次添加外源有机物到土壤中,对土壤碳矿化的影响是大而短暂。 已有研究表明,输入易变的 C 到土壤
中(如根的渗滤液)能显著地影响土壤有机碳的矿化[24⁃26]。 本研究在培养第 9 天,发现土壤净碳矿化累积量
均超过了外源添加的 DOM量(0.1g / kg),说明添加凋落叶 DOM,增加了土壤原有机碳的分解。 而且,本研究
还发现,对照组在培养第 1天,土壤碳矿化速率相比预培养阶段土壤矿化速率增加了 100%,这可能因为土壤
水分从饱和持水量 40%调整到 60%,促进了土壤有机碳矿化[27⁃28]。
3.2  添加不同来源 DOM对土壤碳矿化的影响
关于外源添加 DOM化学性质对土壤碳矿化的影响,已有的研究结果基本一致。 如 Wieder 等[14]通过室
内试验将不同树种凋落叶淋溶的 DOM,按照等浓度等量的 DOM添加到土壤后,发现异养呼吸速率差异超过 4
倍。 Zhao等[29]研究表明 DOM组成会影响土壤碳矿化,即 DOM 中含有越多的芳香类难分解物质,土壤碳矿
化速率就越小。 He等[13]的研究认为土壤碳矿化与 DOM的化学组成是密切相关的,与 DOM中的碳水化合物
呈显著正相关,而与酚类物质、UV 值呈显著负相关。 本研究结果得到米槠凋落叶 DOM 的 UV 吸收值
(SUVA254)和 HIX均显著高于杉木凋落叶的,表明杉木凋落叶 DOM中含有更多的小分子量、易分解的物质而
容易增加土壤 CO2的排放[30⁃31]。 但添加等浓度等量的杉木和米槠凋落叶 DOM 后土壤矿化累积通量均显著
高于对照,而两者之间没有显著差异,可见添加不同来源 DOM 对土壤碳矿化的影响除了与 DOM 性质差异有
关外,可能还与土壤自身性质有关。 土壤 C / N是影响土壤碳矿化的主要因素之一[32⁃33],本研究培养所选择土
壤的 C / N比低于最适值 25,属于碳限制性土壤,所以,土壤碳矿化主要受外源碳添加量的影响。 也可能与土
壤吸附作用有关,熊丽等[34]研究认为土壤会优先吸附芳香化合物和大分子物质,因而添加米槠凋落叶 DOM
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后土壤碳的矿化不会受难分解物质的影响,而且米槠凋落叶 DOM 中含有更多的含氮营养物质会增加土壤
CO2释放[21]。 另外,模拟土壤碳矿化得到的双因素指数模型中的易变碳库 a 和易变碳库的分解速率 k1,在添
加杉木凋落叶 DOM与添加米槠凋落叶 DOM后均没有显著差异。 Leff等[35]的研究表明影响凋落物分解的是
土壤微生物的量而不是微生物群落结构的组成,培养结束后,添加杉木凋落叶 DOM 与添加米槠凋落叶的土
壤微生物量碳分别是 657.1 mg / kg和 638.3 mg / kg,是没有显著差异的。 因此,关于不同来源 DOM对土壤碳矿
化的影响机制有待进一步的研究。
4  结论
本研究发现米槠凋落叶浸提得到的 DOC、DON浓度、UV吸收值(SUVA254)和 HIX均显著高于杉木凋落
叶的,但杉木凋落叶 DOM的 C / N显著高于米槠凋落叶的。 添加等浓度等量的杉木和米槠凋落叶 DOM 到培
养瓶中,土壤碳矿化速率均显著高于对照,但培养期间,添加杉木凋落叶 DOM引起的土壤碳累积矿化量与添
加米槠凋落叶 DOM的没有显著差异,这有待进一步的研究。
致谢:野外样品采集得到付林池、林庭武等同学的大力帮助,特此致谢。
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