法国钦念机械枯落叶分解及氮磷动态变化

法国钦念机械枯落叶分解及氮磷动态变化

阿波罗的分解是生态系统物质循环的重要因素，它连接着生物有机物质的合成和分解。枯落物在分解过程中,伴随着量变,其化学成分进行着转移或转化,营养物质不断地与其所处环境进行交换、富集或归还到周围环境中。枯枝落叶的分解促进了营养物质的交换和循环,分解是生态系统物质循环的主要环节,多数营养元素都是通过分解参与物质的再循环,分解与营养物质损失动态有着密切关系。我国对凋落物分解的研究开始于80年代,多以凋落叶片的分解和总丢失速率的研究为主,而对各主要养分元素在凋落物分解过程中变化研究较少。在流域生态系统中,河岸带植物产生的凋落物被认为是水生态系统物质和能量的重要来源,这些外来凋落物的分解对河流底栖生物群落的营养结构有显著影响。河岸带凋落物在河流源头的分解甚至会影响到整个流域的生态功能。为揭示枯落叶在水体中的N、P等养分的分解特性,本文以法国梧桐落叶为对象,进行了河流中的养分释放规律研究,该研究对河流水体污染控制和流域的科学管理有一定指导作用。1试验方法和试验设计试验河流为东风渠,东风渠位于郑州市北部,是北部市区和近郊的主要泄洪排污河道,该河道在管城区穆庄北入七里河,往南与索须河交汇,最后汇入贾鲁河。试验点选择在东风路的渠道,靠于渠坝,水流稳定,而水位不太稳定,试验期间水位无大幅度变化。研究区内河流无明显杂质和生物,对试验无大影响。该河流水质较差,属于劣五类水质,主要水质指标见表1。2材料和方法2.1桐枯落叶分解和测定于2008年12月在河南农业大学校园采集凋落的法国梧桐叶,经风干后保存。采用分解袋法,将植物枯落物装入分解袋中,放入试验水体中,利用不同时间间隔枯落物残留量的变化,来研究枯落物的分解动态。分解袋由网眼为0.15mm×0.15mm的尼龙网制成,规格为10cm×10cm。分别称取10g梧桐枯落叶置于16个分解袋中,封口,编好序号。2009年3月22日将样品放入,在试验样地将分解袋用尼龙线串联一起,捆绑一重物使其完全浸入水中,留取一根长线固定于岸边,以方便取样。4d后第一次取样,之后每隔5d取样1次,每次取样品2个(1个为重复)。样品带回实验室,烘干至恒重,称量后磨碎,密封存放。在取样过程中,14d取样时发现,分解袋表面附有少量的绿色藻类植物,在烘干前,将藻类植物刮下,然后再进行处理。用半微量开氏法测定样品中N的含量;钒钼黄比色法测定P的含量。利用excel进行数据分析。2.2氮、磷净累积和释放的计算枯落物分解过程中氮的累积或释放可用积累指数(NAI)表示,即:NAI=Mt×XtM0×X0×100%ΝAΙ=Μt×XtΜ0×X0×100%;枯落物分解过程中磷的累积或释放可用积累指数(PAI)表示:PAI=Mt×XtM0×X0×100%ΡAΙ=Μt×XtΜ0×X0×100%。若NAI或PAI<100%,表明枯落物在分解过程中发生了氮、磷净释放;若NAI或PAI>100%,说明发生了氮、磷净累积。式中:Mt——枯落物在t时刻的干物质重量(g);Xt——t时刻枯落物的氮、磷含量(mg/kg);M0——枯落物干物质的初始重量(g);X0——枯落物氮、磷的初始含量(mg/kg)。3结果与分析3.1枯落物残留率计算由图1可知,在试验的40d内,落叶在水中通过分解,其质量不断减少。浸泡39d后,重量损失约11.6%。许多研究证实,在凋落物分解过程中质量随时间变化呈指数下降关系,可以应用单项指数模型Wt/W0=e-kt,对枯落物残留率进行拟合,进而计算出分解速率。式中:Wt为t时刻的物质残留量,W0为枯落物初始重量,k为一次指数模型拟合的分解速率(d-1)。通过分析,质量随时间呈指数下降(Wt=9.891e-0.001t,R2=0.958,p<0.05),年均分解速率0.365a-1,95%分解时间为8.21a。该分解年限慢于孙志高在沼泽湿地小叶章枯落物完全分解时间(7.24a),这可能与植物种类和环境条件不同有关,也可能与植物种类的不同有关,叶片组织结构不同,对物理破碎的抵抗能力存在差异,其分解速度也不相同,质量损失也就表现出较大的差异。3.2落叶含氮量的变化枯落物分解既有物理过程,又有生化过程。物理过程指样品通过机械或动物作用成为碎片;生化过程指微生物使枯落物分解的过程,分解过程中枯落物养分含量的变化,反映了样品在分解过程中的生化过程。由图2可知,在试验初期(0～9d),落叶含氮量由12.53731g/kg降至10.76923g/kg。表明落叶在水中分解的前期叶中的含氮量在不断降低,落叶向水中释放氮素;其后,落叶中的氮含量基本呈增加趋势,最高时(29d)达到13.7931g/kg,之后又出现下降趋势。以往的研究也出现类似的现象,其原因可能是:在有机质分解过程中,参与分解的微生物会将分解释放的氮固定在其体内;也可能是凋落物在其分解过程中,微生物会从周围环境中吸收一些无机氮,以调节其C/N比率。有些研究者认为是水中微生物如藻类等附着在落叶中,吸收N元素,从而导致落叶在分解过程中含氮量反而出现增加。3.3不同理解叶片中磷含量的变化由图3可知,分解初期(0～4d),落叶中磷含量呈现下降趋势,之后(4～9d),磷含量又逐渐升高,在分解中期(9～24d),落叶中磷含量又呈现逐渐降低的趋势,随后(24～34d),磷含量再次增加,至39d时,又呈下降趋势。刘昕等研究也发现了叶片凋落物分解过程中磷含量的这种复杂变化特征。这可能是微生物和环境条件共同作用的结果。3.4落叶分解过程中的氮素释放规律根据氮累积指数NAI的判别标准,由图4可以看出,梧桐落叶在水中的NAI变化大体上呈现释放(0～14d)-积累(14d)-再释放(14～39d))的规律,从整体上看,落叶分解过程中的氮素是以释放为主。枯落物的氮绝对量变化受其物质残留量的影响相对较小,但受环境氮源、微生物代谢以及枯落物分解有机物交换吸附的影响较大。3.5活性磷的释放规律根据PAI的判别标准,由图5可知,落叶在水中的PAI变化大体上呈现释放(0～19d)-积累(19～29d)-再释放(29～39d)的规律,从整体上看,PAI变化与NAI变化基本相似,落叶分解过程中的磷以释放为主。其原因可能与外界环境和植物体本身因素有关。3.6环境因素对分解的影响3.6.1水中微生物影响分解速率通常要受多方面因素的影响,但主要与温度、生物、叶片组织结构和凋落物所含元素种类及含量有关,如果环境条件有利于微生物的生长或活动,那么凋落物的分解速率就快。试验时间在3-5月期间,此时正值春夏交接,温度适宜,平均气温在20℃以上,水中微生物分解活性较强,相对分解速率较高。另外,通过前面研究还发现,水环境条件对枯落物分解也有重要影响,它主要是通过影响pH值、水体溶解氧和水温等,间接影响有机物质的转化方向和速度。一般而言,在水中,枯落物分解过程中会消耗大量的水体溶解氧(DO),导致水体O2浓度下降,进而又会抑制生物的新陈代谢,并最终影响有机物质的转化方向和速度。Rob研究发现,水体pH显著影响着枯落物分解。在pH为3.5～5.6的条件下,微生物对有机物质重量损失的贡献率分别为23%和31%。在pH较低情况下,真菌分解占主导;在pH为5.6的条件下,真菌和细菌在分解过程中均发挥了重要作用。低pH的水体对树叶分解有显著的抑制作用,这种影响主要是通过影响水体微生物的活动以及降低底栖无脊椎动物群落的密度和丰富度,从而间接地影响了树叶分解速率。3.6.2枯落物养分动态C/N和C/P是影响枯落物分解的重要指标。凋落物质量如初始N浓度、P浓度、C/N比等会造成物种间分解速度的差异,Berg研究表明,枯落物营养元素的变化动态与碳素的最小值有关。当分解过程中碳与营养元素的比值高于最小值时,发生微生物对营养的固定;反之,则发生营养物质的释放。微生物对枯落物营养元素调控的结果,致使分解过程中残体的化学性质发生变化。氮是植物生长的重要限制性养分,因此,在枯落物分解过程中,微生物对N元素的需求可能受限制,C/N对枯落物分解过程中氮养分的调控作用可能更为重要。3.6.3分解初期强烈受c/p的限制C/N是影响分解速率的重要指标,当C/N较高时,枯落物分解缓慢,反之较快。Alerts等研究认为,枯落物在分解初期强烈受C/P的限制。由于分解过程中枯落物C/N、C/P的变化反映了二者N、P的相对累积与释放程度,因此借助它们的关系可大致说明分解过程中枯落物N、P含量变化与分解速率之间的关系。Verhoeven研究表明,在氮沉降较多的地区,枯落物分解有加快的趋势,这是因为增加N、P供给可改变分解环境的C/N和C/P。4结论和讨论4.1凋落物分解过程生态因子的确定凋落物分解过程中的干物质流失分为两个阶段,起初为易溶复合物的迅速淋洗,这是可溶组分流失的短暂物理过程;其后是凋落物缓慢分解,主要是分解者的作用。落叶分解速率不仅与种类、树叶所含的化学成分有关,还受水体中微生物等生物因素以及水温、流速及水化学特征等非生物因素的影响。在分解过程中,水质条件、温度、pH、微生物种类以及环境状况等均有影响。落叶组织结构和叶片内含物也对分解过程产生影响,研究证明落叶中的木质素或单宁含量高,凋落物就分解的较慢,通常营养成分丰富的树叶分解较快。微生物在凋落物分解中起着重要作用,尤其是分解前期,微生物的活动能加快凋落物结构改变,促使降解过程发生。水体动物(底栖动物)活动能够促进凋落物的分解,实际上由于水体的机械作用以及动物的活动,将会使凋落物的理论分解时间(8.21a)大大缩短。但是关于分解速率与生物因素或非生物因素的关系,这方面的研究还很少,寻找主导分解过程的生态因子是今后研究的方向。分解过程中,氮的动态变化分为3个阶段:淋溶(N释放)、固定(N吸收)、矿化(N释放),最初的淋溶为氮的快速释放。本试验中,凋落物中N含量从一开始分解即迅速减少,起始4d出现淋溶阶段,随后的变化情况基本符合这一规律。落叶分解中的磷含量存在初期淋溶阶段后又升高的现象,以往的研究中也发现这种规律;凋落物分解中磷的淋溶期为14d和30d,本试验发现凋落物磷含量在初期降低,之后又出现升高-再降低-再升高的波浪型,其结果与以往的研究结论基本一致。从以往的研究成果分析,各阶段出现的时间和持续的时间差异还是明显的,何种因素主导着这种变化,目前还不甚清楚。造成枯落叶化学成分富集与释放的原因相当复杂。分解本身就是一个复杂的生物化学过程,分解中产生的中间产物,有时被分解者所利用,有的重新合成新的化合物,有的通过淋溶作用直接进入周围环境。因此,在一个复杂的基质内,不能将每种化学成分分开处理,总有一些物质分解的快,有一部分分解的慢,分解过程中,有些物质可能发生着相互变化。但何种(类)因素造成这种元素释放-富集的起伏现象,需进一步探明。4.2枯落物总氮、磷含量变化规律试验期内落叶质量呈持续减少趋势,分解39d后重量损失约11.6%,理论完全分解时间(95%)约8.21a。试验初期,在微生物、动物等生物因素和水体环境非生物因素共同作