科尔沁沙地不同环境条件下植物叶凋落物CO_2释放研究

文章编号:　1001-4675(2008)04-0519-06

科尔沁沙地不同环境条件下植物叶凋落物

CO2释放研究

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孟庆涛1,2,　李玉霖1,　赵学勇1,　赵玉萍1,2,　罗亚勇1,2 (1中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州　730000;2中国科学院研究生院,北京　100039)摘　要:采用可以有效控制环境因子的室内土壤培养试验,对不同生境土壤、土壤水分及温度作用下叶凋落物释放CO2的情况进行了初步研究。结果表明:①在培养的前4d,土壤水分含量越高,叶凋落物释放C O2的速率越快;而

从整个培养期来看,沙地中较低的含水量对叶凋落物释放CO

2

的速率无显著的影响。②在流动沙地和半流动沙

地的生境中,凋落物释放CO

2的总量高于丘间低地和固定沙地。③叶凋落物释放CO

2

速率与环境温度呈显著的

正相关(F=0.7316,P<0.01)。在10℃,20℃以及30℃条件下,CO

2

的释放速率均较为平稳,而在40℃时0～16d呈现出明显逐步加快的趋势,在17～24d则缓缓下降并趋于平稳。

关键词:科尔沁沙地;枯枝落叶;土壤含水量;沙漠化;温度;C O

2

释放

中图分类号:S153.6 文献标识码:A

凋落物是指在生态系统内,由地上植物组分产生并归还到地表面,作为分解者的物质和能量来源,借以维持生态系统功能的所有有机质的总称〔1〕。凋落物在沙地生态系统中起着重要的作用。一方面,它可向土壤中输入养分,恢复退化地区的土壤生产力〔2〕;另一方面,凋落物的存在可以减少雨水对地面的直接冲击,截流降水,增加土壤水分含量,对减少水土流失起到重要的作用〔3〕。凋落物的分解是生态系统碳循环中的重要一环,会对陆地生态系统碳平衡造成影响〔4〕。凋落物的分解受到微生物、土壤动物、气候和环境等生物因子和非生物因子的影响〔5〕。其中,温度、土壤性状等非生物因子对凋落物分解的影响一直都是研究的热点。一般高温多雨季节分解速率快,秋冬干冷季节分解减慢〔6〕,并且随海拔升高、气温降低,凋落物的分解速率呈指数降低〔7〕。凋落物分解速率会随土壤水分的增大而增加〔8〕,研究发现,凋落物分解速率与土壤水分含量呈正相关,干旱的时期凋落物分解慢,而湿润状态分解快,在土壤含水量位于10%～13%时,分解速率的变化幅度不大〔9〕。土壤是影响凋落物分解速率的另一类环境因子,不同的土壤理化性质及微生物区系将不同程度地影响凋落物的分解。一般认为,营养贫瘠土壤上的植物,其凋落物分解慢。这是

因为土壤中的养分含量越低,凋落物的C/N比越高,难分解的化合物含量越多,凋落物分解越慢〔10〕,在肥沃的热带低地土壤中,N矿化和硝化速率就明显比温带森林土壤快〔11〕。pH值对凋落物分解也会产生重要的影响,土壤pH值越低(4.5～5.7),分解越慢〔12〕。

目前,对凋落物的研究多集中于森林和草地,致力于探索凋落物分解与环境的关系、凋落物在养分循环中的作用等方面〔4,13〕,而对于不同生境、土壤水分及温度作用下的沙地植物叶凋落物分解释放CO

2的报道则比较少。本试验选择科尔沁沙地常见的两种叶凋落物作为样本,探索不同的环境条件对叶凋

落物分解释放CO

2

的影响,以期为退化生境的恢复提供有益的借鉴。

1　研究区自然概况

本项研究采样地点位于科尔沁沙地东南部的中国科学院寒区旱区环境与工程研究所奈曼沙漠化研究站(42°55′N,120°43′E)以西的沙丘草场。该地区属于我国东部农牧交错区。年平均气温5.8～6.4

第25卷　第4期2008年7月

干旱区研究

AR I D　Z ONE　RESE ARCH

Vol.25　No.4

July　2008

3收稿日期:2007-04-04;　修订日期:2007-05-15

基金项目:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所(O65044400);国家自然科学基金(40601008);中国科学院野外台站基金项目(1731690200015)

作者简介:孟庆涛(1980-),男,内蒙古呼和浩特人,硕士生,主要研究方向为干旱区恢复生态学.E-mail:taoa01@

通讯作者:李玉霖.E-mail:lyulin@g

℃,极端最高气温39℃,气温的年较差和日较差很大;年降水量343～451mm,年际和季节之间差异很大。一年中5～9月是日平均气温≥10℃最集中的时期,同时光照和降水也集中在这一时期。本地区的植物共有1112种,主要有黄蒿(A rte m isia scopar2 ia)、狗尾草(Setaria viridis)、芦苇(Phragm ites austra2 lis)、蒺藜(Tribulus terrestris)、胡枝子(L espedeza bi2 color)等。

2　实验设计及数据分析

取土时间8月15日。在丘间低地、固定沙地、半流动沙地以及流动沙地4种生境中,各随机选择10个样点取土样,深度为地表0～5c m。将各生境的土壤土样带回,平摊于塑料布上,在空气中风干,风干期间要防尘防直接暴晒。将土壤中草节、根系及其他杂物捡出,然后用木棍压碎,过2mm筛后储存于4℃条件下备用。

试验区的4种生境土壤碳、氮含量见表1。

表1　培养试验样品基本性状

Tab.1　Ba si c properti es of the i n cuba ti on s am ples 有机碳/(g・kg-1)全氮/(g・kg-1)碳/氮

MS D0.310±0.070.078±0.04 3.98±1.21

SS D0.65±0.0250.064±0.0810.19±0.72

FS D 4.090±0.1830.401±0.0310.20±0.27

I L 4.45±0.0080.445±0.02510.00±0.54 MS D,SS D,FS D和I L分别代表流动沙地、半流动沙地、固定沙地和丘间低地。

凋落物的收集也在8月15日,采集在4种生境都比较常见的马唐和狗尾草的叶凋落物(已枯死但未落到地上)。将样品运回实验室后,在85℃下烘干24h。之后,每种样品分别在装有1mm×1mm 网筛的植物样品粉碎机上粉碎。因为2种凋落物在沙地中的生物量比基本为1∶1,按照此比例将两者混合。

实验分为2批进行,第1批,每种生境土壤均设6个处理,即每种生境土壤的最低、中等和最高3种含水量条件下,加凋落物及不加调落物的处理,3次重复,共计72个培养瓶,置于20℃的培养箱中;第2批,将丘间低地的土壤分为3组,每组6个处理,即土壤最低、中等和最高3种含水量条件下加凋落物及不加调落物的处理,3次重复,共计54个培养瓶,各组分别在10℃,30℃,40℃的培养箱中培养。根据奈曼站对科尔沁沙地各种生境含水量的多年调查〔14〕,按照4种生境土壤的年平均实际含水量,将各生境最低、中等以及最高的含水量分别设为流动

沙地1%,2%,3%,半流动沙地1%,2%,3%,固定沙地1%,2%,3%,丘间低地4%,6%,8%。放土壤样品10g于培养瓶内,再放入0.1g混合后的样品〔15〕,将土壤和凋落物混匀铺于瓶底,轻轻将一只盛有10mL的0.1mol/L浓度Na OH的25mL塑料小瓶放在培养瓶内的土壤上。将培养瓶加盖密封,培养4d后,取出塑料小瓶,把Na OH转移至三角瓶中,加入1mol/L的BaCl溶液2mL,同时加入酚酞指示剂2滴,用0.1mol/L的HCl滴定至红色消失。记录下每次滴定的HCl消耗量。再取盛有10mL 的0.1mol/L浓度Na OH的塑料小瓶,放在培养瓶内,继续密封保存。4d一个循环,共培养24d。

根据下面公式计算凋落物CO

2

释放量:

CO2(mg/kg)=

(v1-v2)×C×22×1000

10

式中:C为滴定用盐酸的浓度(mol/L);22为1/2CO

2的摩尔质量(g/mol);v1为对照处理消耗的HCl (mL);v2为试验处理消耗的HCl(mL);10为培养的土壤样品质量(g);1000是将g换算成kg。

有机碳用重铬酸钾氧化———外加热法;全氮用凯氏法(意大利产DK6,UDK140分析仪)。凋落物中碳、氮含量的测定方法与土壤样品相同。

数据处理运用SPSS(10.0)统计软件,采用Pears on相关系数检验法进行相关性分析,最小显著差异法(LS D)进行差异分析。

3　结果与讨论

3.1　水分对植物叶凋落物分解释放CO2的影响

由图1可以看出,20℃时,不同土壤含水条件

下,植物叶凋落物分解释放CO

2

速率的变化趋势基本相同,即在最初4d,各生境培养的凋落物释放均较慢,第5～8d释放急剧变快,之后,分解速率呈现出逐渐下降的趋势,并趋于平缓。前4d,低土壤含

水条件下,凋落物释放CO

2

速率与中、高含水条件下相互之间差异显著(F=-106.9745,P=0.005; F=97.1525,P=0.008),但中、高土壤含水条件下

凋落物释放CO

2

速率相互间差异达不到显著(F= -9.8220,P=0.738)。从第5d起,不同水分条件

下凋落物释放CO

2

速率均无显著差异(P>0.05)。

在最初的4d,凋落物释放CO

2

较慢,是由于土壤微生物中的C/N比或C/P比通常低于要分解的凋落物,它们需要从凋落物中得到大量的N,P等营养元

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干　旱　区　研　究 25卷