伍琪, 任世奇, 項東云, 陳健波, 鄧紫宇, 郭東強

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四種南方常見速生樹種凋落葉浸泡實驗研究

伍琪1,2,3, 任世奇1,3,*, 項東云1, 陳健波1, 鄧紫宇1, 郭東強1

1. 廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院, 南寧 530002 2. 廣西大學輕工與食品工程學院, 南寧 530004 3. 廣西南寧桉樹林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站, 南寧 530002

為了研究南方速生樹種凋落葉浸泡特性, 以松、杉、桉、紅錐為研究對象, 對比各凋落葉在浸泡過程中的水質(zhì)變化特征。結(jié)果顯示: 桉樹凋落葉浸泡液pH值比其他低、臭味強且持久, 色度開始較大, 但隨著浸泡時間的增加逐漸降低, 最終低于紅錐葉。四種凋落葉總氮、總磷、總鉀均呈現(xiàn)釋放、積累、釋放的波動過程, 差異不大。腐殖酸在一定程度上影響著pH值的大小, 而水質(zhì)顏色的深淺與臭味的強弱并沒有直接相關性。根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù), 其中桉樹凋落葉在水中浸泡最先引起水質(zhì)發(fā)黑, 這可能與桉樹人工林區(qū)偶有發(fā)生的黑水現(xiàn)象有關, 紅錐次之; 松樹與紅錐凋落葉最先引起水質(zhì)發(fā)臭, 但是強度逐漸降低, 只有桉樹凋落葉在127天內(nèi)一直保持強的臭味。

速生樹種; 桉樹; 凋落葉; 黑水

1 前言

至2015年底, 我國桉樹面積達到450萬hm2, 廣西約200萬hm2, 占全國總面積的44.4%。桉樹的大面積種植, 不僅給當?shù)剞r(nóng)民帶來了諸多好處, 對當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展也具有不容忽視的推動作用。松、杉、紅錐等其他速生樹種的種植面積在廣西區(qū)內(nèi)也逐年迅速增長。然而, 近年來對于大力發(fā)展速生樹種是否有害生態(tài)健康、是否對林區(qū)內(nèi)水資源產(chǎn)生不良影響等問題存在較大爭議。例如, 2016年, 我國楊鈣仁等[1]首次正式提出了桉樹林區(qū)偶發(fā)的黑水現(xiàn)象, 并通過氣象觀測探討了采伐跡地黑水發(fā)生的氣象條件, 這為進行桉樹林黑水的深入研究奠定了基礎。另外, 許多科研工作者在人工林凋落物分解[2–3]、水量平衡[4]、凋落物歸還[5]等方面做了許多研究, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 水分、溫度、酸度等是影響人工林凋落物分解速率的主要條件。但是, 以往的研究多采用網(wǎng)袋法在野外進行, 各種自然因素本來就差異較大, 導致實驗結(jié)果也會存在較多差異, 對于凋落葉對水質(zhì)的影響以及在水中分解特性無法直接了解。因此, 本文主要采用室內(nèi)培養(yǎng)的方法, 以凋落物基本性質(zhì)為主, 用蒸餾水進行浸泡, 研究凋落葉浸泡過程中水質(zhì)成分變化特征, 測定其色度、單寧酸、濁度、臭等多項指標, 對比桉樹、松樹、杉木、紅錐四種南方速生樹種凋落葉浸泡液是否具有獨特性質(zhì), 為進一步改善廣西地區(qū)人工林生態(tài)效應提供建議, 為今后桉樹等人工林科學發(fā)展規(guī)劃的制定提供依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

桉樹和松樹葉采自廣西國有七坡林場, 該林場位于東經(jīng)107°59’ —108°18’, 北緯22°28’ —22°46’, 處于北回歸線以南, 屬南亞熱帶氣候, 日照時間長, 全年日照時數(shù)在1800小時以上, 太陽輻射量在105—110 kal·cm-2年, 全年平均氣溫在21 ℃—22 ℃, 活動積溫7500℃。全年降雨量1200—1300 mm, 年蒸發(fā)量1600—1800 mm, 相對濕度79%左右。區(qū)域土壤以磚紅壤性紅壤(赤紅壤)為主, 有少量紫色土和棕色石灰土。土層較厚, 土壤酸度高; 土壤肥力中等。

杉木和紅錐葉采自廣西國有高峰林場, 該林場位于東經(jīng)108°08’ —108°53’, 北緯22°49’ —23°15’之間。屬于南亞熱帶氣候, 年平均氣溫21 ℃左右, 大于或等于10 ℃活動積溫7500 ℃左右, 極端最高氣溫40 ℃, 極端最低氣溫-2 ℃。年降雨量1200—1500 mm, 多集中在6—9月, 年蒸發(fā)量1250—1620 mm, 蒸發(fā)量稍大于降雨量。林地以赤紅壤為主, 在垂直分布上有山地紅壤和山地黃壤。海拔300 m以下的土壤絕大部分是赤紅壤, 質(zhì)地為中壤至輕壤, 保水保肥尚好。

據(jù)野外調(diào)查, 4—5月是樹葉凋落的高峰期, 試驗選擇2016年5月收集新近的凋落葉作為原始樣品。用干凈抹布清潔粘附在葉面的泥土等雜物, 自然風干, 待用。

蒸餾水用ZLSC-5型不銹鋼電熱重蒸餾水器制得。

2.2 試驗設計

本實驗采用改進的凋落物對淋溶水質(zhì)分解影響的設計方法[6], 將待用的凋落葉洗凈、自然風干, 剪碎成1—2 cm, 分別以樹葉: 蒸餾水=1:10的質(zhì)量, 即樹葉各取4 g, 分別加入40 g蒸餾水進行常溫浸泡。所用容器為直徑67 cm的塑料盆。每種葉子做兩個平衡樣, 所取數(shù)值為兩個樣的平均值。記錄并標出實際水位, 因蒸發(fā)或取樣等其他原因損失的水分及時補足, 使浸泡液水位保持在標線位置。每天定時攪拌, 保持葉水混合均勻。連續(xù)監(jiān)測4個月以上, 觀察浸泡液顏色變化情況, 不定時取樣測定氮、磷、鉀、腐殖酸、單寧酸、濁度等指標。取樣時用紗網(wǎng)濾去大片雜質(zhì), 留過濾后液體進行測定。

2.3 測定指標及方法

色度: GB/T 11903—1989《水質(zhì)色度的測定》; pH值: GB/T 6920—1986《水質(zhì) pH值的測定玻璃電極法》; 臭和味: 文字描述法《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)國家環(huán)?？偩?002年; 總氮含量: GB 11891—1989《水質(zhì)凱氏氮的測定》; 總磷含量: GB 11893—1989《水質(zhì)總磷的測定鉬酸銨分光光度法》; 鉀含量: GB 11904—1989《水質(zhì)鉀和鈉的測定火焰原子吸收分光光度法》; 濁度: GB/T 13200—1991《水質(zhì)濁度的測定1992-6-1》; 腐殖酸: NYT 1971—2010《水溶肥料腐殖酸含量的測定》; 單寧酸: NY-T 1600-2008《水果、蔬菜及其制品中單寧含量的測定分光光度法》。

3 結(jié)果與分析

3.1 pH值變化情況

從圖1可以看出, 四種凋落葉在蒸餾水中浸泡至第12 d時, 水質(zhì)均呈現(xiàn)酸性狀態(tài)。隨著浸泡時間的增加, pH值逐漸升高。浸泡至第127 d時, 杉木葉浸提液呈現(xiàn)略堿性狀態(tài), 其他三種雖然pH值有所升高, 但仍處于酸性范圍內(nèi)。對比發(fā)現(xiàn), 桉樹葉浸泡液酸度最高。

3.2 氧化還原電位值變化情況

隨著葉片浸泡時間的增加, 浸提液的氧化還原電位值逐漸降低。根據(jù)圖2可知, 在浸泡第12 d時, 四種葉浸提液的平均ORP值均在130 mv左右。當浸泡至第92 d時, 松樹葉和杉木葉浸提液降為負值, 到第127 d時杉木葉仍然降低, 而松樹葉略有回升。整個過程中桉樹葉浸提液下降最慢。這些與pH值的變化過程相對應。

3.3 電導率變化情況

電導率EC值反映的是浸提液中可溶性鹽的含量。從圖3可以看出松樹和紅錐葉浸提液的電導率值大致呈下降趨勢,桉樹葉浸提液隨著時間的增加先下降再上升, 而杉木無明顯規(guī)律變化。

3.4 色度和臭變化情況

隨著浸泡時間的增加, 浸提液色度變化如圖4所示。在同等質(zhì)量同樣比例條件下浸泡凋落葉, 桉樹葉浸提液色度最大, 但整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢: 紅錐葉和松樹葉浸提液色度變化較慢, 大致呈上升趨勢; 杉木葉在較短時間內(nèi)就達到最大值, 即第12 d時色度已最高, 之后隨著時間的增加色度值降低并穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。

圖1 pH值變化情況

圖2 氧化還原電位變化情況

圖3 電導率變化情況

圖4 色度變化情況

四種凋落葉浸泡后臭變化情況如表1所示。桉樹葉在浸泡至第127 d時, 浸提液仍然有明顯的臭味, 整個過程臭味持續(xù)強烈; 而松樹葉和紅錐葉在浸泡過程中雖然一開始臭味很強, 且超過桉樹和杉木, 但是隨著浸泡時間的增加, 臭味減弱明顯, 至第127 d時臭度等級已經(jīng)降為3; 杉木葉浸提液也是呈現(xiàn)由強到弱的趨勢。結(jié)合圖4和表1得知, 凋落葉浸泡在水中, 水質(zhì)顏色的深淺與臭味的強弱并沒有直接相關性。

表1 臭變化情況

注: 臭強度等級: 0-無, 無任何氣味; 1-微弱, 一般飲用者難于察覺, 嗅覺敏感者可以察覺; 2-弱, 一般飲用者剛能察覺; 3-明顯, 已能明顯察覺, 不加處理, 不能飲用; 4-強, 有明顯的臭味; 5-很強, 有強烈的惡臭。

3.5 氮、磷、鉀含量變化情況

凋落葉分解既有物理過程, 又有生化過程。物理過程是指樣品通過機械或動物作用成為碎片; 生化過程指微生物使凋落葉分解的過程, 分解過程中凋落物養(yǎng)分含量的變化, 反映了樣品在分解過程中的生化過程[7]。圖5、圖6和圖7是四種凋落葉浸泡127 d時, 浸泡液中氮、磷、鉀變化情況。由圖5和圖6可以看出, 氮、磷的動態(tài)變化大致分為釋放、吸收、釋放三個階段[8], 凋落葉浸提液中氮含量在第12d迅速升高, 隨后因葉片對N的吸收作用, 使得浸提液中N含量降低, 在第92 d又出現(xiàn)升高現(xiàn)象; 而磷含量, 在第12 d之前是葉片中磷釋放到水中的過程, 水中磷含量增加, 到第34d水中磷相對減少, 說明凋落葉呈現(xiàn)磷積累狀態(tài), 接著第58 d, 磷釋放, 再次增加, 這種波浪型的變化規(guī)律與以往的研究結(jié)論基本一致。水中氮、磷的變化量可能與外界環(huán)境和植物體本身因素有關[8]。有研究者認為是水中微生物等附著在落葉中, 吸收N元素, 從而導致落葉在分解過程中含氮量反而出現(xiàn)增加[9]，而劉昕[10]等研究也發(fā)現(xiàn)了葉片凋落物分解過程中磷含量的這種復雜變化特征。由圖7可知松樹凋落葉浸泡液總鉀含量從第12 d開始逐漸降低, 其他三種均呈波浪式變化。

圖5 總氮含量變化

圖6 總磷含量變化

3.6 單寧酸、濁度、腐植酸變化情況

從表2中單寧酸變化情況可以看出, 四種凋落葉浸泡, 在前92 d桉樹葉浸泡液單寧酸含量最大, 這是由于桉樹凋落葉中單寧含量本來就較高[12],單寧的大量存在, 使得凋落葉分解中間產(chǎn)物不易于礦化, 導致浸泡液pH值低、色度高[1]。紅錐和桉樹的變化趨勢相同, 都是先升高再下降, 升高是因為葉片中的單寧溶解到水中, 到第127 d浸泡液中單寧酸含量降低, 可能是因為單寧發(fā)生降解作用, 此時紅錐葉浸泡液中單寧酸含量高于桉樹葉, 說明桉樹葉浸泡液中單寧酸降解速度更快。松樹葉和杉木葉浸泡液中單寧酸含量相對較低。浸泡液濁度變化過程中, 桉樹葉和紅錐葉由于可溶性物質(zhì)較多, 隨著浸泡時間的增長, 濁度逐漸增大, 溶解性達到最大值后濁度開始變小; 松樹葉和杉木葉在第12 d之前溶出率就已達到最高, 隨著浸泡時間的增加, 濁度值隨之變小。對比四種凋落葉分別浸泡至第127 d時, 桉樹葉的濁度最大, 但是有減小的趨勢。腐殖酸主要是指凋落葉在微生物作用下在水中形成的親水性酸性物質(zhì)。腐殖酸百分含量在一定程度上影響著pH值的大小。

圖7 總鉀含量變化

4 討論

凋落葉在水中分解過程大致有兩個階段: 第一階段是易溶復合物的迅速溶解, 屬于物理過程; 第二階段是凋落葉的緩慢分解, 屬于分解作用[9]。以浸提液中N、P變化為例, 四種凋落葉在浸泡第12 d時, 浸提液中N、P含量迅速升高, 這是由于葉片中不穩(wěn)定N、P在淋溶階段的快速釋放, 其中松樹葉N溶出量最高, 桉樹葉P溶出量最高, 杉木葉次之。隨著第一階段物理溶解過程的結(jié)束, 開始進入分解階段。即葉片和水中的微生物開始強烈活動, 從而引起水中養(yǎng)分向凋落葉的轉(zhuǎn)移[10]。在這個過程中, 凋落葉養(yǎng)分含量的多少直接影響著凋落葉的分解速率[11], 因此四種凋落葉浸提液中養(yǎng)分含量動態(tài)變化存在差異。影響凋落葉分解的因素通常包括: 水中微生物、溫度、樹葉種類、葉片化學成分含量、水流速度等[12]。本文為了排除干擾因素, 采用蒸餾水對葉片進行浸泡, 對比四種葉浸泡液成分差異。相同實驗條件下, 桉樹葉在水中分解會釋放比松樹葉、杉木葉、紅錐葉顏色更深的分解產(chǎn)物, 但隨著浸泡時間的增加, 即到第96 d時, 這種差距會逐漸減小, 當浸泡到第127 d時, 紅錐浸泡液色度已經(jīng)超過桉樹葉。在整個浸泡過程中, 桉樹葉浸泡液pH值幾乎都比其他三個樹種低, 臭度也始終處于強的范圍, 但是色度從第34 d開始減小, 在第127 d時比紅錐葉浸泡液更低。這可能是因為桉樹葉在分解過程中產(chǎn)生了大量的有機物質(zhì)(分解中間產(chǎn)物如有機酸), 而有機酸又可能以腐殖酸為主[1], 這剛好與樹葉浸泡液中腐殖酸的測定結(jié)果相統(tǒng)一。有研究顯示植物多酚能夠減緩水中可溶性有機碳的礦化[13], 由于桉樹凋落葉中單寧酸含量較高[14], 多酚(主要是單寧)的大量存在, 使桉樹凋落物分解中間產(chǎn)物不易于礦化, 導致其液體色度高、pH值較低, 這與以往[15]的研究結(jié)果一致。氮磷鉀的含量變化基本呈現(xiàn)釋放、吸收、釋放的規(guī)律, 但整體來看還是以釋放為主。

表2 單寧酸變化情況

表3 濁度變化情況

表4 腐殖酸變化情況

5 結(jié)論

1)綜上所述, 本實驗測定的浸泡液相關指標, 在浸泡初期桉樹葉與其他三種相比確實顏色較黑、酸度較低, 但是浸泡末期紅錐葉的色度已經(jīng)遠遠超過桉樹葉; 從浸提液氮磷鉀含量變化來看, 到第127d, 除杉木葉外, 其他三種人工林凋落葉并無太大差別。如果桉樹凋落葉在一定條件下浸泡是形成桉樹人工林區(qū)黑水的原因之一, 那么這種現(xiàn)象就并不是桉樹人工林所特有的, 紅錐葉浸泡液的色度在后期已經(jīng)高于桉樹葉。當然凋落葉分解本身就是一個復雜的生物化學過程, 在特定的環(huán)境條件下, 分解中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物, 或者被分解者所利用, 或者重新合成新的化合物[13]。因此, 在一個復雜的基質(zhì)內(nèi), 總有一些物質(zhì)分解的快, 有一部分分解的慢, 分解過程中, 有些物質(zhì)可能發(fā)生著相互變化[17]。本文主要進行的是室內(nèi)凋落葉浸提試驗, 而這與自然環(huán)境降水中凋落葉的分解存在一定的差距[18]。要弄清凋落葉在不同溫度[19]、濕度、酸雨[20-21]等環(huán)境因素影響下, 會不會對人工林區(qū)坡面徑流水質(zhì)產(chǎn)生不利影響, 還需進一步研究, 這也是本實驗室正在進行的課題。

2)桉樹葉和紅錐葉浸泡后都具有使水質(zhì)發(fā)黑的特征且單寧酸含量較高, 而桉樹葉分解使水質(zhì)pH值較低, 這些都是人工林對區(qū)域水資源存在潛在威脅的影響因素。因此, 避免區(qū)域過度集中種植桉樹及紅錐、減小人工林連片單一種植面積、避免雨季大量采伐使凋落物過量堆積, 對于防控和保護人工林區(qū)域水資源安全具有一定的指導意義。

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Comparative study on soak characteristic of litters in four different southern fast-growing tree species

WU Qi1,2,3, REN Shiqi1,3,*, XIANG Dongyun1, CHEN Jianbo1, DENG Ziyu1, GUO Dongqiang1

1. Guangxi Forestry Reasearch Institute, Nanning 530002, China 2. Light Industry and Food Engineering College, Guangxi University, Nanning 530004, China 3.Nanning Forest Ecosystem Observation and Research Station for Guangxi, Nanning 530002, China

In order to investigate the soak characteristic of litters in southern fast-growing tree species, this experiment used pine, China fir, eucalyptus andto study the water quality alteration of them. The results showed that pH value of soak solution of eucalyptus was lower than others, and odour was stronger and more durable. Meanwhile the chromaticity color was very high in the beginning of the immersion, but decreased with the increase of soaking time, in the end lower than soak solution ofleaves. The values of TN, TP and TK were all followed the same rules as release-accumulation-release, with no significant difference. In addition, humic acid content affected the value of pH to a certain extent, but did not directly related to chromaticity color or odour. The immersion fluid soon turned black due to soak eucalyptus leaves in the water. This may explain why eucalyptus artificial forests occur black water pollution by accident. On the other hand, soak solutions of pine andsmell firstly, but the intensity gradually decreases. Only the odour of soak solution of eucalyptus has remained constant during the experiment.

quick growing species of trees ; eucalyptus; leaf litter; water black

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.06.008

S719

A

1008-8873(2018)06-060-07

2017-10-12;

2017-11-14

廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室自主課題(16-A-04-03); 廣西林科院基本科研業(yè)務費項目(林科201604號); 廣西林業(yè)科技項目(桂林科字[2016]第30號)

伍琪(1986—), 女, 陜西寶雞人, 在讀博士, 工程師, 主要從事環(huán)境生態(tài)技術研究, E-mail: 549391722@qq.com

任世奇(1984—), 男, 博士, 高級工程師, 主要從事森林生態(tài)研究, E-mail:592566935@qq.com

伍琪, 任世奇, 項東云, 等. 四種南方常見速生樹種凋落葉浸泡實驗研究[J]. 生態(tài)科學, 2018, 37(6): 60-66.

WU Qi, REN Shiqi, XIANG Dongyun, et al. Comparative study on soak characteristic of litters in four different southern fast-growing tree species[J]. Ecological Science, 2018, 37(6): 60-66.