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《福建农林大学》 2009年
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珍贵树种针叶分解对外源物质的响应及其机制的研究

林淑伟  
【摘要】: 凋落物的分解对生物地球化学循环起着重要的作用,是树木生长所需养分的重要来源,每年释放的营养可满足69%-87%的森林生长需要。长苞铁杉、南方铁杉、南方红豆杉、三尖杉、柳杉、水杉、福建柏都是起源古老的孑遗植物,为我国特有的国家级珍贵保护植物,现有资源甚少,具有重要的经济价值和研究价值。由于其生境特殊,一旦受到破坏,极难以恢复和更新,有沦为渐危状态的危险,其中凋落物难分解在一定程度上是限制种子发芽与幼苗生长的重要原因。可见,这7种针叶在其生态系统养分循环和自然更新中有着重要意义,因此,对其针叶分解进行探讨研究,建立针叶快速分解机制,促进营养物质的更新利用具有十分重大的意义。但目前仅零星见几篇柳杉、水杉和福建柏凋落物分解的报道,而对其他4种珍贵树种凋落物分解尚未见有关报道,而从内源物质和外源物质探讨凋落物分解的研究未见报道。 本文采用野外分解袋法来研究外源物质(N肥、烟草秸秆)对7种珍贵树种针叶分解的影响,分5个处理水平来施加外源物质,即CK(对照)、N1(2.5gN肥)、N2(5gN肥)、JG1(10g烟草秸秆)、JG2(20g烟草秸秆)处理。首次提出采用氨化、碱化理念促进这7种珍贵树种针叶的分解,探讨外源物质(N肥、烟草秸秆)对内源物质(木质素、全N等)含量的影响,进而影响针叶分解速率,建立针叶快速分解的机制;并首次对应用烟草秸秆来实现促进森林凋落物分解的影响进行探讨,为秸秆的综合利用开辟一条新途径。同时,本文也第一次尝试用起伏型时间序列模型来对针叶分解过程的养分含量动态进行模拟,应用神经网络法及支持向量机法对针叶分解率与基质质量关系进行模拟预测,应用柯布-道格拉斯生产函数来建立外源物质对珍贵树种针叶分解的促进机制并进行敏感性分析,模拟及预测的效果比较理想。 文章主要对7种珍贵树种的5个不同处理的针叶在13个月分解过程中的失重规律、养分动态和针叶分解与基质质量关系进行探讨,初步获得以下主要结果和结论: 1.外源物质的添加在一定程度上促进了针叶的分解 经过13个月的分解,长苞铁杉针失重率大小顺序为JG2JG1N2N1CK;南方铁杉针叶失重率大小顺序为JG2CKN1JG1N2;南方红豆杉针叶失重率大小顺序为JG2CKJG1N2N1;三尖杉针叶失重率排序为CKJG2N1JG1N2;水杉针叶失重率大小顺序为:JG2 N2JG1CKN1;柳杉针叶失重率大小顺序为JG1JG2N2CKN1;福建柏针叶失重率大小顺序为JG2JG1CKN1N2。从整个分解过程看,跟对照针叶相比,基本上烟草秸秆处理的对针叶的分解促进作用相对比N肥处理的要明显,但从研究过程的早期分析,N肥处理的在早期对针叶的分解有显著的促进分解作用。在早期,添加外源N使针叶的C/N等基质质量发生变化、影响微生物活性及N矿化速率及硝化速率等,从而影响针叶的分解;在分解后期,木质素/N比对针叶分解影响更为重要,添加烟草秸秆在分解后期与针叶产生木质素碱化效应从而促进其分解。 2.不同树种针叶基质质量不一样是导致相同处理针叶分解率不一样的主要原因 经过13个月的分解,CK处理的不同树种针叶分解率排序为:三尖杉南方铁杉柳杉水杉南方红豆杉福建柏长苞铁杉;N1处理的不同树种针叶分解率排序为:三尖杉柳杉南方铁杉水杉福建柏南方红豆杉长苞铁杉;N2处理的不同树种针叶分解率排序为:水杉柳杉三尖杉南方铁杉长苞铁杉南方红豆杉福建柏;JG1处理的不同树种针叶分解率排序为:柳杉水杉三尖杉南方铁杉福建柏南方红豆杉长苞铁杉;JG2处理的不同树种针叶分解率排序为:水杉南方铁杉福建柏三尖杉南方红豆杉柳杉长苞铁杉。结果表明,不同树种针叶的分解率是不一样的,这与各树种针叶本身的基质质量有很大的关系;添加不同水平的外源物质对针叶分解的影响程度各不相同;但不同处理的分解率结果都表明,长苞铁杉针叶的分解率都是最低的,这与长苞铁杉针叶的质地有很大关系。 3.除水热等环境条件对针叶分解有重要影响外,其他因素对针叶分解也起重要作用 从月失重率分析,在分解的不同月份(2008年1月-12月)都出现过月失重率的高峰值,对大部分树种和处理而言,5-11月份出现月失重率的高峰值比较多,此时正值研究区研究期的高温多雨天气,说明分解过程中水热等环境条件对不同树种针叶的分解有很大程度的影响;但在取样的不同月份不同树种、不同处理也出现过月失重率的最低值,说明影响针叶分解的除水热条件外还有其他影响因子。另外,在分解的第6-9个月即2008年的5-8月份在分解袋里发现较大型的土壤动物蚯蚓、蚂蚁等,很显然土壤动物及微生物对针叶的分解也相当程度的影响。 4.不同处理不同树种的分解率在分解过程中总体差异显著 对不同处理不同树种的分解率动态进行方差分析,结果表明,不同树种间、不同外源水平处理间、不同时间的分解率差异都比较显著,且不同树种与处理间、树种与时间间、处理与时间间的交互作用的分解率方差分析差异也显著,说明不同树种的分解速率是不一样的,不同水平的外源物质对针叶分解的影响也是不同而且效果显著,分解速率随时间变化是明显的,而且不同树种与处理间、树种与时间间、处理与时间间的交互作用对针叶的分解影响也是显著的。分析结果也进一步表明可以利用外源N肥和烟草秸秆来促进珍贵树种针叶分解,对珍贵树种针叶物质营养循环、更新利用和珍贵树种生产力的长期维护以及烟草秸秆的利用具有一定的实践意义。 5.在分解过程中,不同养分含量变化规律不同,同一元素在不同树种针叶和不同处理间的含量变化也不一致 对7种珍贵树种针叶的5个不同处理的分解过程的C、N、P、K、Na、Ca、Mg、Zn和Mn和木质素进行研究分析,分析结果显示,不同养分含量、释放量、净释放量、残留率及净释放率在整个分解过程基本上都呈升-降-升-降的起伏型变化趋势。其中,N、Mn经过13个月的分解含量都比初始高,呈富集状态,K、Na的含量基本呈持续下降趋势,其他元素在分解过程及经过13个月的分解时都出现不同程度的释放和富集。 经过13个月的分解,除长苞铁杉和南方铁杉针叶外,其他5种针叶的不同处理的C含量都出现下降;不同处理的P含量在长苞铁杉、南方红豆杉、水杉和福建柏针叶分解过程呈下降趋势;不同处理的Ca含量在长苞铁杉、南方铁杉和水杉针叶经过13个月分解呈富集状态;不同处理的Mg含量在长苞铁杉和南方铁杉针叶经过13个月分解呈富集状态,在水杉针叶中呈释放状态;不同处理的Zn含量除福建柏针叶外都呈富集状态。 经过13个月的分解,基本上,在长苞铁杉、南方铁杉和三尖杉针叶中,外源处理的C含量都比CK处理要高,除三尖杉针叶外,N肥处理的C含量比烟草秸秆处理的高;南方红豆杉针叶的C含量:烟草秸秆处理CK处理N肥处理;水杉、柳杉、福建柏针叶中,CK处理的C含量比外源处理的要高,烟草秸秆处理的含量高于N肥处理的。在长苞铁杉、南方铁杉、三尖杉和水杉针叶中,外源处理的N含量都比对照要高,除长苞铁杉针叶外,N肥处理的N含量比烟草秸秆处理的高;南方红豆杉和福建柏针叶中CK处理的N含量比外源处理的高;柳杉针叶的N含量:N肥处理CK处理烟草秸秆处理。7种针叶的P含量CK处理的含量都高于外源处理的,长苞铁杉、南方铁杉、水杉、柳杉针叶N肥处理的P含量比烟草秸秆处理的高。 经过13个月的分解,基本上,除三尖杉针叶的K含量为:烟草秸秆处理CKN肥处理外,其他针叶的K含量CK处理大于外源处理。Na含量,N肥处理的高于烟草秸秆处理的,CK处理的居中。Ca含量烟草秸秆处理的含量高于N肥处理的,南方红豆杉、三尖杉和福建柏针叶CK处理的含量高于外源处理的,水杉针叶CK处理的含量低于外源处理,而其他针叶CK处理含量居中。长苞铁杉、南方铁杉和柳杉针叶的Mg含量CK处理大于外源处理,其他针叶CK处理的Mg含量居中,且基本上烟草秸秆处理的Mg含量大于N肥处理的。 经过13个月的分解,基本上,Zn含量在长苞铁杉、南方铁杉、南方红豆杉和柳杉针叶中,CK处理的大于外源处理的,在三尖杉针叶中,CK处理的Zn含量居中,且基本上都是N肥处理的高于烟草秸秆处理的;在水杉和福建柏针叶中,外源处理的含量大于CK处理的,烟草秸秆处理的含量高于N肥处理的。Mn含量在长苞铁杉、三尖杉和福建柏针叶中,外源处理的含量大于CK处理的,南方铁杉、南方红豆杉和柳杉针叶中,CK处理的大于外源处理的,水杉针叶中,CK处理的含量居中,除南方铁杉和柳杉针叶外基本上都是烟草秸秆处理的含量高于N肥处理的。 经过13个月的分解,基本上,木质素含量在长苞铁杉和南方红豆杉针叶中,CK处理的大于外源处理的,而在其他针叶中基本上都是外源处理的含量大于CK处理的,且在南方红豆杉、三尖杉和福建柏针叶中,烟草秸秆处理的含量高于N肥处理的。 可见,添加外源物质对不同针叶、不同元素的含量变化的影响是不同的。 6.不同针叶的分解率与不同基质质量指标关系不同,但基本上与N含量呈线性正相关,与C/N比、木质素/N呈线性负相关 长苞铁杉针叶的分解速率与N含量、C/P比、Ca含量呈线性正相关,与P含量、C/N比、木质素/N呈线性负相关。南方铁杉针叶的分解速率与N含量、P含量呈线性正相关,与C/N比、C/P比、木质素/N比和Ca含量呈线性负相关。南方红豆杉针叶的分解速率与N含量、C/P比、木质素、Ca含量呈线性正相关,与C/N比、P含量、木质素/N比呈线性负相关。三尖杉针叶的分解速率与N含量、木质素含量呈线性正相关,与C/N比、木质素/N比呈线性负相关。水杉针叶的分解速率与N含量、Ca含量呈线性正相关,与C/N比、P含量和木质素/N比呈线性负相关。柳杉针叶分解率与N含量呈非常显著的线性正相关,与C/N比呈非常显著的线性负相;与N1处理的P含量呈显著的线性正相关,与JG2处理的P含量呈非常显著的线性负相关;与JG1处理的C/P呈显著的线性负相关,与JG2处理的C/P呈显著线性正相关;与木质素含量呈线性正相关;柳杉针叶分解率与木质素/N呈线性负相关。福建柏针叶分解速率与N含量、C/P、Ca含量呈线性正相关,与C/N比、P含量和木质素/N比呈线性负相关。 对7种珍贵树种针叶的分解率(y)与基质质量(C、N、P、木质素、Ca含量)进行多元线性回归分析,分析结果表明,无论是对5个不同处理的7种珍贵树种针叶的分解率与基质质量的多元线性回归还是不分处理对总体所进行的多元线性回归分析,结果都表明,所建立的多元线性回归模型比较理想,相关系数较高且线性相关性都非常显著(p0.01),7种珍贵树种针叶的分解率都与C和P含量呈负相关,与N、木质素和Ca含量呈线性正相关。 CK处理的7种树种针叶的分解常数(k)与初始C、N、P、K、Na、Ca和Mg含量呈正相关,与初始Zn、Mn、木质素含量和木质素/N、C/N及C/P比呈负相关。其中,分解常数与木质素含量呈显著线性负相关(P=0.022010.05),与木质素/N比呈非常显著线性负相关(P=0.00860.01)。 7.建立的外源物质对珍贵树种针叶分解的促进机制表明,减少外源N肥的施加量或增加烟草秸秆的施加量都能促进针叶的分解 以7个树种为总体,应用多元线性回归模型和柯布-道格拉斯生产函数来建立分解常数与外源物质之间的关系,即,外源物质对珍贵树种针叶分解的促进机制,结果表明,不同树种针叶分解常数与外源N呈非常显著线性负相关,与外源烟草秸秆呈非常显著线性正相关,即减少外源N肥的施加量或增加烟草秸秆的施加量都能促进针叶的分解,这与研究期结束时不同树种不同处理的分解率结果基本相符;柯布-道格拉斯生产函数边际效应分析表明,在现有条件下,当其他条件不变,每增加1gN肥,针叶分解常数就减少0.0034;每增加1g烟草秸秆,针叶分解常数就增加0.0025。但在研究过程中,对不同处理的针叶分解率的分析表明,施加N肥对早期针叶的分解也起到积极的促进分解的作用。
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