溪流凋落叶冬季水溶性碳含量动态

2017-03-15 05:52:43 4

  1 引言

  凋落物水溶性碳随着溪流水体流动的淋失过程不仅是森林生态系统碳流失和生态系统碳循环的重要形式,而且也是水域生态系统重要的能量与物质来源,影响下游水体环境的重要原因之一.由于大量发生在秋末的凋落物往往具有丰富的可溶性组分,冬季成为凋落物水溶性碳流失的重要阶段.高山森林冬季环境特征的改变对森林生态系统过程具有重要影响,季节性雪被的形成及融化过程将直接影响到森林溪流水体环境,同时作用于水生分解者类群,这必将对溪流凋落物水溶性碳等可溶性组分的流失产生重要影响.冻结初期,大量新鲜凋落叶输入溪流,受到强烈的淋溶作用,水溶性碳可能快速流失;随着温度降低,冻结期较低的温度极大地限制溪流水生生物的活性,影响凋落物水溶性碳的流失;春季随着温度的增加,冰雪消融,相对于冬季水温较低甚至结冰的环境条件,春季溪流水环境相对改善,更有利于水生生物的存活,但前期大量流失的可溶性组分使得融化期凋落物水溶性碳含量变化并不确定.同时,与河流相比,森林溪流水量与流速较小,但相较于水流缓慢的河岸带,溪流水体对凋落物的冲刷作用将加快叶片破碎从而促进凋落物的分解;与林下生境相比,虽然森林地表降水或雪被融化也有助于可溶性组分的释放,但水体环境中水溶性碳的流失可能更为显著.然而,已有的研究极少关注高山森林溪流、河流及河岸带生态系统中凋落物水溶性碳含量变化.可见,高山森林溪流冬季不同关键时期凋落叶分解过程中水溶性碳含量的变化过程仍不清楚,极大地限制了对森林-水体连续体能量与物质生态联系的理解.

  川西高山森林是生物多样性保育的核心区域,岷江上游更是长江流域最重要的水源涵养地之一.森林溪流凋落物分解过程中水溶性碳含量的变化不仅是森林生态系统物质与能量流动的重要组成内容,而且将影响到整个流域的碳循环过程和下游水体环境,但缺乏应有的关注.因此,本文以该区域典型灌木(高山杜鹃和康定柳)和乔木落叶为研究对象,采用凋落物分解袋法,研究了冬季不同时期岷江上游高山森林溪流、河流、河岸带以及林下生境4种凋落叶分解过程中水溶性碳及可溶性组分含量的动态变化特征,以期为高山森林陆地与水域环境间的生态联系以及高山森林能量流动与物质循环提供一定的基础数据.

  2 材料与方法

  2.1 研究区域概况

  研究区域位于四川省阿坝州理县毕棚沟风景区(102°53′~102°57′E,31°14′~31°19′N,海拔2458~4619 m),地处青藏高原东缘与四川盆地的过渡带,是岷江上游的典型地带.该区域年均气温2~4 ℃,最高气温(7月)23 ℃,最低气温(1月)-18 ℃,年降水量约850 mm,降雨多集中在6- 9月.冬季地表有季节性雪被覆盖导致土壤季节性冻结,冻结期长达5~6个月,且初冻和初融期间有明显的冻融循环.本实验研究点位于海拔3586 m典型高山森林,乔木层主要为方枝柏和四川红杉,树龄约120 a;林下灌木主要有康定柳、高山杜鹃、红毛花楸(Sorbus rufopilosa)和三颗针(Serberis sargentiana)等;草本植物主要有高山冷蕨(Cystopteris montana)、蟹甲草(Cacalia spp.)和莎草属(Cyperus)植物等(何伟等,2013;苟小林等,2014).

  2.2 实验设计和样品处理

  样地选择在四川省理县毕棚沟海拔3586 m处.于2013年10月初在研究区域内收集新鲜的康定柳、高山杜鹃、方枝柏和四川红杉凋落叶,带回实验室自然风干.每种凋落叶准确称取风干样10 g装入20 cm×20 cm、孔径为0.5 mm的尼龙网凋落叶袋.冬季采样3次,涉及4个物种,4种生境(河流、溪流、河岸带和林下),每种生境设置3个重复样地,因此共制备凋落叶袋144(3×4×4×3)袋.

  高山森林河流水量较大,水流湍急,冬季水量有所减少但依然对凋落叶具有一定的冲刷作用;溪流水量虽小,冬季只有表层结冰甚至不结冰,保持了一定的流量;河岸带虽水流缓慢,但水流的移动依然会对凋落叶分解造成一定的影响,从而使水环境中凋落叶的分解有别于森林地表.为了解冬季溪流凋落叶水溶性碳的变化特征,基于前期调查结果,于2013年11月13日在研究区选取1条主河道、3条典型高山森林溪流及3个河岸带放置凋落叶袋,以林下作对照,设置3个重复.在河流及林下生境中,各自随机选取3个环境条件基本一致、相距较远且自然凋落物分布较为集中的埋样点,每条溪流及河岸带则各自单独作为一个埋样点.在林下生境中,将凋落叶袋平铺于各样方内的土壤表面,袋间距至少2 cm.分别放置于河流、溪流及河岸带中的凋落叶袋,用尼龙绳系好后再用不锈钢管将绳头固定于沿岸,防止凋落叶袋被水冲走.每个样段分别放置不同物种的凋落叶袋各3袋.样品放置后,分别在每个生境任一埋样点内随机选取两个凋落叶物袋,标记后各放置1个纽扣式温度计(iButton DS1923-F5,Maxim/Dallas Semiconductor,Sunnyvale,USA),同步记录凋落叶袋内的温度变化情况.同时,在沿岸放置1个温度计测定空气温度,每2 h自动记录1次温度数据(图 1).

 

  图1 2013年11月13日至2014年4月24日研究样地大气温度和不同生境下凋落叶袋内温度动态

  为了解凋落叶在冬季各时期的分解特征,分别于冻结初期(pre-freezing period,PP)、冻结期(freezing period,FP)和融化期(thawing period,TP)内(即2013年12月23日、2014年3月10日和2014年4月24日)进行采样,每次采样在各生境随机采集不同物种凋落袋各3袋,带回实验室自然风干后,去除凋落叶表面的泥沙,于烘箱65 ℃烘干至恒重后粉碎,过60目筛后装入封口袋中备用.

  2.3 水环境因子分析

  每次采样时均测定河流、溪流和河岸带水体环境因子特征.水流的电导率(conductivity; HI 98311,Hanna instruments,Woonsocket,RI,USA)、pH(pH 320,WTW GmbH,Weilheim,Germany)和流速(flow velocity)(Martin Marten Z30,Current Meter)在每次采样时即时测定.用聚乙烯塑料瓶采集水样,带回实验室后及时用0.7 μm孔径的玻璃纤维滤器(GF/F glass fibre filter; Whatman International,Florham Park,NJ,USA)过滤备用.铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)含量采用离子色谱(ICS-90,Dionex Corp.,Sunnyvale,CA,YSA)测定,碳酸氢根(HCO32-)含量采用双指示剂中和法测定,磷酸根(PO43-)含量采用紫外分光光度计(UV-2600,Unico Instruments Co.,Ltd.,Shanghai,China)测定(表 2).

  2.4 水溶性碳和可溶性组分的测定

  凋落叶水溶性碳含量的测定:精确称取0.50 g干样,加入150 mL锥形瓶中,再往锥形瓶中加入40 mL蒸馏水,常温下震荡30 min,将震荡后的液体离心,过0.45 μm滤膜,即得待测液,使用TOC分析仪测定水溶性碳含量(Uselman et al., 2012).

  凋落叶可溶性组分含量的测定:利用三氯甲烷进行索氏提取去除非极性组分,再利用蒸馏水水浴加热去除可溶性组分,通过计算质量差值对可溶性组分进行定量分析.具体操作为:取干样1.00 g,放入干燥折叠滤纸套中,用150 mL三氯甲烷于80 ℃提取约3 h,至提取溶剂为无色即可,称滤纸包重量.将提取后的样品从滤纸套转移至150 mL锥形瓶中,继续用100 mL蒸馏水于80 ℃水浴提取1 h,用倾泻法经已恒量的1G2玻璃滤器过滤,洗涤至无色,吸干滤液,于105 ℃烘干至恒重并称量.

  2.5 数据处理与统计分析

  数据统计和分析采用SPSS20.0完成,图表均采用Excel2003绘制.用单因素方差分析(one-way ANOVA)比较不同物种凋落叶初始组分含量以及同时期4物种在不同生境下水溶性碳及可溶性组分含量;用双因素方差分析(two-way ANOVA)多重比较不同生境和物种及其相互作用对凋落物水溶性碳和可溶性组分含量的影响;用Pearson相关分析比较各关键期的水溶性碳和可溶性组分含量与环境因子之间的相关关系(α=0.05).

  3 结果

  3.1 凋落叶初始基质质量

  4种凋落叶之间水溶性碳和可溶性组分初始含量差异显著(表 1),其余初始基质质量,包括水溶性氮、水溶性磷以及全碳、全氮、全磷含量,虽然有2种凋落叶之间差异不显著的情况,但总体来看,不同物种之间初始基质质量差异显著.

  表1 4种凋落叶初始基质质量以及相应比值(平均值±标准偏差,n=3)

  

  3.2 温度与水环境因子动态及水溶性碳和可溶性组分含量与环境因子的相关分析

  冬季3个关键时期内,河流、溪流和河岸带生境中温度波动小(图 1),日均温变化平稳,且几乎都高于0 ℃;林下与空气中温度波动大,且冻结初期与冻结期温度均低于0 ℃.水溶性碳、可溶性组分含量与温度及水环境因子(表 2)的相关分析表明,高山森林凋落叶分解过程中水溶性碳和可溶性组分含量均与平均温度、正积温、负积温以及流速呈极显著负相关关系(表 3),此外,电导率、HCO3-和pH等水环境特征也会对水溶性碳和可溶性组分含量的变化产生影响.

  表2 研究区水流物理化学特征

表3 高山森林凋落叶分解过程中水溶性碳、可溶性组分含量与温度及水环境因子的Pearson相关分析

 

  3.3 水溶性碳含量

  水流显著影响着高山森林冻结初期、冻结期和融化期凋落叶分解过程中水溶性碳含量,但不同物种对水流响应存在明显差异(表 4).在冬季的分解过程中,高山森林4种凋落叶水溶性碳含量在各关键时期总体表现出一致的规律:河流<溪流<河岸带<林下.在水流影响下,凋落叶水溶性碳含量除林下外在其余生境下均呈现降低的变化趋势,且在河流和溪流中减少量最大,其次为河岸带,4种凋落叶共同表现为林下的水溶性碳含量显著高于河流和溪流(图 2).冻结初期,相对于河岸带和林下,4种凋落叶在河流与溪流中水溶性碳含量均显著下降.高山杜鹃河岸带水溶性碳含量与初始值相比有略微增加,其余3种凋落叶河岸带含量虽呈下降趋势,但只有方枝柏和康定柳降幅明显.除高山杜鹃林下含量高于初始值以外,其余3种凋落叶林下水溶性碳含量几乎保持不变.四川红杉、康定柳和高山杜鹃凋落叶具有相同趋势,即河流<溪流<河岸带<林下.4种凋落叶水溶性碳含量在水流影响下差异显著.冻结期,水溶性碳含量在水流影响下与冻结初期表现出一致的变化规律,即林下>河岸带>溪流>河流.与冻结初期相比,阔叶树种(康定柳和高山杜鹃)林下水溶性碳含量有所增加,而针叶树种(方枝柏和四川红杉)林下含量变化甚微,各物种凋落叶在其余3种生境下水溶性碳含量均降低.融化期,4种凋落叶的水溶性碳含量依然在林下达到这一时期的最大值,除四川红杉以外,其余3种凋落叶林下水溶性碳含量远大于河流与溪流,表现出自林下向河流逐渐减少的趋势.

图2 冬季不同时期4种凋落叶水溶性碳含量动态变化(平均值±标准偏差,n=3)(不同小写字母表示同一时期不同生境水溶性碳含量差异显著(P<0.05))

  表4 河流、溪流、河岸带及林下4生境和物种对冬季不同阶段凋落叶水溶性碳、可溶性组分及水溶性碳和可溶性组分比值影响的双因素方差分析

 

  3.4 可溶性组分含量

  水流显著影响着高山森林冬季可溶性组分含量,但不同物种对水流的响应存在明显差异(表 4).经过一个冬季的分解,4种凋落叶可溶性组分含量在各关键时期大致表现为河流<溪流<河岸带<林下,同时,除四川红杉以外,其余3种高山森林凋落叶在水流影响下可溶性组分含量在河流和溪流中均呈现显著降低的变化趋势(图 3).与初始含量相比,林下生境中高山杜鹃可溶性组分含量有少量增加,方枝柏与四川红杉几乎保持不变.冻结初期,相较于河岸带和林下,除四川红杉以外,其余3种凋落叶可溶性组分含量在河流与溪流中减少量较大,阔叶树种(康定柳和高山杜鹃)水溶性组分含量河流<溪流,针叶树种(方枝柏和四川红杉)河流>溪流.与初始值相比,方枝柏和高山杜鹃林下可溶性组分含量有所增加.这一时期,除四川红杉以外,其余3种 凋落叶可溶性组分含量在水流影响下差异显著.

 

图3 冬季不同时期4种凋落叶可溶性组分含量动态变化(平均值±标准偏差,n=3)

  结期,4种凋落叶可溶性组分含量都分别在林下和河流达到这一时期的最大值和最小值,总体表现为林下>河岸带>溪流>河流.四川红杉凋落叶可溶性组分含量在冻结初期的基础上有所降低,但不同生境下降低程度不一,且4种生境下四川红杉凋落叶可溶性组分含量并无显著差异.与冻结初期相比,针叶树种(方枝柏和四川红杉)林下可溶性组分含量降低,阔叶树种(康定柳和高山杜鹃)林下含量升高.融化期,除四川红杉可溶性组分含量河流>河岸带>溪流以外,其余3种凋落叶均符合河流<溪流<河岸带<林下的规律,在水流的影响下,凋落叶可溶性组分含量在水环境中与林下生境差异显著.与冻结期相比,四川红杉可溶性组分含量呈上升趋势,河流增加量最大,其次为林下,河岸带增加量最小.

  3.5 水溶性碳含量与可溶性组分含量的比值

  水流显著影响着高山森林冬季凋落叶TDC/WSC,但不同物种对水流响应存在明显差异(表 4).针叶树种(方枝柏和四川红杉)具有相同变化趋势,即TDC/WSC在冻结初期降低,冻结期增加而在融化期降低;阔叶树种(康定柳和高山杜鹃)凋落叶TDC/WSC则呈现出在冻结初期和冻结期持续降低,而在融化期增加的趋势(图 4).冻结初期,除林下四川红杉、河岸带康定柳以及林下高山杜鹃TDC/WSC增加外,其余各生境下凋落叶TDC/WSC都降低,且在河流和溪流中减小量最大.除四川红杉以外,其余3种凋落叶TDC/WSC在水流影响下差异不显著.四川红杉和高山杜鹃凋落叶TDC/WSC均表现为河流<溪流<河岸带<林下.冻结期,方枝柏和四川红杉凋落叶TDC/WSC在河流与溪流中相较于前一时期有所增加,而康定柳和高山杜鹃TDC/WSC在河流、溪流及河岸带均降低,且河岸带减少量最大.这一时期,四川红杉及高山杜鹃林下TDC/WSC相对于初始值均有少量增加.融化期,除康定柳以外,其余3种凋落叶TDC/WSC的最大值均出现在林下,且这4种凋落叶林下TDC/WSC均小于初始值.方枝柏和高山杜鹃凋落叶TDC/WSC在水环境中与林下差异显著.与冻结期相比,康定柳和高山杜鹃TDC/WSC在融化期有少量增加,但仍小于冻结初期.

 

图4 冬季不同时期4种凋落叶水溶性碳与可溶性组分比值(TDC/WSC)的动态变化(平均值±标准偏差,n=3)

  4 讨论

  凋落物的输入是森林溪流生态系统主要的物质与能量来源之一,溪流源头的物质输入将直接影响到下游生态系统的水质环境、营养水平及能量在食物链中的传递和储存(Vannote et al., 1980;蔡庆华等,2003).可溶性组分是凋落物的重要易流失成分,森林溪流凋落物分解中水溶性碳的动态更是森林生态系统物质与能量流动的重要组成内容.本项研究表明,经过一个冬季的分解,凋落物水溶性碳含量除林下外均显著降低,且林下含量显著高于水流较大的河流与溪流;除四川红杉外,其余3种凋落物可溶性组分含量也均在河流和溪流减少量最大,显著低于林下生境,表明水体流动对可溶性组分及水溶性碳的流失有较大影响.这与Petersen和Cummins(1974)的研究结果相符,这些结果充分说明了凋落叶水溶性碳在高山森林河流与溪流中表现出明显的输出特征,对下游生态系统具有潜在的影响.

  4.1 冻结初期4种凋落叶水溶性碳与可溶性组分的变化

  水溶性碳以凋落物为载体从陆地向溪流输入是陆地与水域生态系统的重要连接方式.初冬季节,大量叶片凋落,部分新鲜凋落物输入溪流,此时凋落叶中易分解组分含量最为丰富.相对于河岸带和林下,河流和溪流中凋落物水溶性碳和可溶性组分含量减少量最大.高山森林冻结初期温度波动大,林下及水体环境都发生了强烈改变,冻结作用、冻融循环以及淋溶作用使得凋落物更易破碎化,有利于新鲜凋落物释放可溶性物质(于小舟等,2010;迟国梁和童晓立,2010).与林下及河岸带生境相比,河流与溪流水量较大,对凋落物的冲刷作用使得叶片物理破碎更加剧烈.有研究表明,水溶性组分是凋落物最易分解的组分,且在水环境中经历了强烈的淋溶作用,使凋落物短期内释放大量的溶解性物质,水溶性碳含量显著降低,表明不稳定的水溶性碳在流水环境中快速分解,一部分通过水生生物的取食进入食物链,剩余部分则随水流向下游转移,为下游提供物质和能量.河岸带中水流缓慢,凋落物所受的冲刷作用没有河流和溪流强烈,因此凋落物水溶性碳含量在河流与溪流中减小程度最为明显.

  4.2 冻结期4种凋落叶水溶性碳与可溶性组分的变化

  随着温度的持续下降,冻结期森林地表土壤冻结,水流流速缓慢的河岸带表层水面已结冰,但各生境下凋落物的分解还在继续进行.与冻结初期相比,水溶性碳含量略有降低,但整体变化不大;方枝柏和四川红杉可溶性组分含量有所降低,康定柳与高山杜鹃变化不大.相关分析表明,水溶性碳含量与平均温度、正积温和负积温均呈极显著(p<0.01)相关关系(表 3).这一方面表明温度及其驱动的冻结、冻融循环以及淋溶物理作用对凋落叶可溶性碳的持续影响;另一方面也意味着经历了冻结初期强烈的淋溶作用之后,可溶性物质大量流失,并向下游水体转移,剩余组分的分解主要依靠分解者生物,部分稳定有机碳也逐步开始分解.虽然水溶性碳可以被细菌和微生物作为食物加以利用,但随着温度的降低,微生物活性也受到影响,此时凋落物的分解趋于缓慢,导致冻结期水环境中凋落物水溶性碳含量与冻结初期差异不大.林下生境出现了水溶性碳含量增加,甚至高于初始含量的情况.可能的原因是:首先,因为凋落物其他组分如有机溶性组分等易分解成可溶性碳;其次,林下土壤冻融循环加剧了凋落物的物理破碎,有助于大分子物质的分解,产生一些小分子水溶性物质,使可溶性组分的总量得以补充;此外,凋落物中水溶性碳的含量变化是一个动态过程,凋落物自身固有的水溶性碳在逐渐减少,但外源水溶性碳可能被微生物利用进入凋落物.

  4.3 融化期4种凋落叶水溶性碳与可溶性组分的变化

  融化期,温度回升,冰雪逐渐消融.除四川红杉以外,其余3种凋落物在河流、溪流以及河岸带中水溶性碳和可溶性组分含量与上一时期相比变化不大,林下生境水溶性碳和可溶性组分含量都有所降低,但依然显著高于其他生境.由于水溶性碳含量与流速呈极显著(p<0.01)负相关关系(表 3),冰雪融化造成河流、溪流和河岸带水量增加,加剧水溶性碳的流失.然而,随着温度上升,分解者生物的活性也逐渐增加(Martínez et al., 2014),此时除易分解的可溶性组分外,其余组分的分解也在持续进行,凋落物质量减小,因此导致凋落物水溶性碳的相对含量较冻结期并无显著变化.已有研究表明高山地区雪融水对凋落物可溶性组分及水溶性碳的含量具有较大的影响(Schelker et al., 2011).林下生境中,雪融水使大量包括水溶性碳在内的可溶性物质浸出流失(Tomaselli,1991),尽管此时林下水溶性碳含量降低,但林下雪水的淋溶不如水环境中水流的持续冲刷强烈,导致林下水溶性碳含量始终高于河流、溪流和河岸带.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

  5 结论

  综上所述,经过一个冬季的分解,4种凋落物水溶性碳含量表现出大体一致的动态变化特征.冻结初期河流与溪流中水溶性碳含量均显著降低,而冻结期和融化期与冻结初期相比无显著变化.除四川红杉外,其余3种凋落物可溶性组分含量的变化规律与水溶性碳一致,而四川红杉可溶性组分含量在冬季先降低再增加.冬季各关键时期,水溶性碳和可溶性组分含量表现为从河流、溪流、河岸带至林下逐渐增加的变化趋势.同时,温度及其他水环境特征均会明显影响凋落物水溶性碳及可溶性组分含量的变化过程.此外,森林向溪流输入凋落物是森林-水体连续体重要的物质循环和能量流动途径,实验结果表明,水溶性碳在河流与溪流等水体的冲刷作用下更容易流失,说明水环境有助于森林生态系统物质的输出及能量通过食物链和流水自上游至下游生态系统的传递,这可能导致高山森林生态系统碳亏损,甚至影响下游水体环境,这些结果为深入认识高山森林物质与能量流动过程以及森林-流域间的生态联系提供了一定的理论依据.

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