唐玉祥,王全成,陳 娟,時應貴,熊德成,胥 超,陳仕東,楊智杰,*

1 福建師范大學地理科學學院,福州 350007 2 福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化野外科學觀測站,三明 365002

可溶性有機碳(Dissolved organic carbon, DOC)是指能夠通過0.45 μm濾膜的不同大小和結構的有機碳組分,能夠在各個庫之間快速遷移,是森林生態(tài)系統(tǒng)中最為活躍的組成部分[1—2]。在高溫多雨的熱帶亞熱帶地區(qū),豐富的降水通過對植被林冠層和凋落物層的淋溶作用產(chǎn)生大量的DOC[3—4],是土壤微生物主要的物質(zhì)和能量來源[5—7],在濕潤熱帶亞熱帶生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學過程中起著至關重要的作用[8—9]。

森林生態(tài)系統(tǒng)中,降雨對植物葉片和地表枯落物淋溶、根系及根系分泌物等是DOC產(chǎn)生的重要途徑[10—13]。但是,目前有關DOC來源的研究大部分側(cè)重于降雨對凋落物的淋溶作用,包括凋落物淋溶的DOC數(shù)量和質(zhì)量特征、凋落物DOC輸入的動態(tài)變化[8, 14—15],而有關新鮮葉片和細根等植物活體器官產(chǎn)生的DOC的數(shù)量和質(zhì)量特征研究甚少。已有一些研究發(fā)現(xiàn)植物新鮮葉片輸入的DOC含量高于凋落物[16],例如,康根麗發(fā)現(xiàn)芒萁(Dicranopterisdichotoma)新鮮葉片淋溶產(chǎn)生的DOC濃度高達20 g/kg,遠高于凋落物在淋溶過程中產(chǎn)生的DOC[16]。并且凋落物產(chǎn)生的DOC大部分為化學結構復雜、分解速度緩慢的腐殖質(zhì)[8, 17],而新鮮葉片淋溶的DOC的分子量相比凋落物更小、更容易被土壤微生物分解[18]。同時細根與新鮮葉片是生物量和養(yǎng)分庫中重要的動態(tài)組成部分,在植物水分與養(yǎng)分的吸收和儲存的功能上遠大于其他器官,對植物生長尤其重要[19—20],其產(chǎn)生的較高數(shù)量與質(zhì)量的DOC,將對森林碳庫的運動變化和養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生重要影響作用。

我國亞熱帶地區(qū)擁有世界上最典型并且面積最大的常綠闊葉林,其森林覆蓋面積占全國森林總面積的45.56%,是我國最重要的森林基地之一。該區(qū)生物多樣性豐富,適合喜溫暖濕潤的殼斗科、樟科、木蘭科等樹種為主的常綠闊葉林的生長。不同樹種影響DOC的數(shù)量和質(zhì)量,如熱帶豆科植物與非豆科植物的DOC特征存在著顯著的差異,豆科植物DOC的分子量和芳香化程度更高[21],但是有關亞熱帶不同樹種葉片與細根產(chǎn)生的DOC的數(shù)量與特征了解甚少。

因此,本研究選取福建省建甌市萬木林保護區(qū)內(nèi)兩年生樹齡的13種典型樹種幼苗為研究對象。采用去離子水浸提法分別提取葉片和細根,比較葉片和細根產(chǎn)生的DOC數(shù)量及化學組成的差異,分析亞熱帶典型樹種鮮葉和細根之間產(chǎn)生DOC的數(shù)量差異和聯(lián)系,為完善和補充亞熱帶常綠天然林碳循環(huán)研究提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地設置

研究站點位于福建省建甌市萬木林自然保護區(qū)(27°02′28″—27°03′32″N, 118°08′22″—118°09′23″E),該區(qū)域位于武夷山東南側(cè),處于福建省建甌市房道鎮(zhèn)境內(nèi),最高峰的海拔為556 m,區(qū)內(nèi)相對海拔高差322 m,面積189 hm2。氣候?qū)儆跂|亞典型的中亞熱帶濕潤季風氣候,全年溫暖濕潤,年平均溫度18.7 ℃,年均降雨量1670 mm,多年年均蒸發(fā)量1466 mm,空氣的相對濕度為81%,無霜期長達277 d。地貌類型是我國東南地區(qū)典型的低山丘陵地貌,區(qū)內(nèi)植被為典型的中亞熱帶常綠闊葉林,土壤是常綠闊葉林發(fā)育在花崗巖上的山地紅壤,呈酸性。該保護區(qū)經(jīng)過600多年封禁保護,森林覆蓋率高達94.14%,蓄積量42814 m3,已經(jīng)成為我國東南地區(qū)的頂級自然群落[22]。諸多植物群落共存于保護區(qū)內(nèi),溫暖濕潤的氣候特征造成該區(qū)以殼斗科、樟科、木蘭科等樹種為喬木優(yōu)勢樹種。

1.2 樣品采集

選擇萬木林內(nèi)13種典型樹種(分別為：杉科(Taxodiaceae)紅豆杉(Taxuschinensis)、木蘭科(Magnoliaceae)觀光木(Tsoongiodendronodorum)、木犀科(Oleaceae)八月桂(Osmanthusfragrans)、豆科(Leguminosae)木莢紅豆(Ormosiaxylocarpa)、蝶形花科(Papilionaceae)花櫚木(Ormosiahenryi)、冬青科(Aquifoliaceae)冬青(LIlexchinensis)、殼斗科(Fagaceae)羅浮栲(Castanopsisfaberi)、殼斗科(Fagaceae)絲栗栲(Castanopsisfargesii)、羅漢松科(Podocarpaceae)羅漢松(Podocarpusmacrophyllus)、羅漢松科(Podocarpaceae)竹柏(Podocarpusnagi)、樟科(Lauraceae)刨花楠(Machiluspauhoi)、樟科(Lauraceae)閩楠(Phoebebournei)、樟科(Lauraceae)浙江桂(Cinnamomumchekiangense))為研究對象,除了觀光木葉片為膜質(zhì),八月桂葉片為草質(zhì),其余樹種葉片均為革質(zhì)。于2017年4月在保護區(qū)育苗基地中選擇生長狀況良好、樹齡為2年的幼苗進行取樣。在供試幼苗的東、南、西、北4個方位和上、中、下3個位置分別采集對生長旺盛的典型枝條進行取樣,重復3株。將帶有葉片的枝條在現(xiàn)場按照每一種類同一個體所收集的新鮮葉片進行混合,混勻后再利用四分法抽取一定數(shù)量的葉片,放進自封袋保存。將一小半葉片樣品先于120 ℃下殺青2 h,并在80 ℃的溫度下烘干48 h以上,直到葉片質(zhì)量恒定,用球磨儀將烘干鮮葉粉碎,再將粉碎物放于1 mm篩內(nèi)過篩,將過篩物質(zhì)貯存在干燥箱中用于測定碳氮含量,其余葉片樣品用于淋溶實驗。

根系取樣采用全挖法,仔細地將根系周圍土屑去除直至可以辨認出根系分枝的結構,然后將其放至冰盒中以保持其活性?；氐綄嶒炇液?用低溫去離子水將細根表面上的雜質(zhì)和土壤清理干凈,對根系進行分級,分出0—1 mm細根、1—2 mm細根兩個徑級,然后裝入帶標記的自封袋并放入0 ℃儲存柜保存。將一小半不同徑級的細根在80 ℃烘箱里分開烘干48 h以上,直到細根質(zhì)量恒定,將烘干的細根粉碎并用1 mm篩進行過篩,然后將過篩的物資貯存在干燥箱中用于測定碳氮含量,其余樣品用于淋溶實驗。

1.3 指標測定

采用去離子水浸提法對各個樹種的葉片和細根進行DOC提取[16]。具體的步驟為：將3部分器官的樣品加入常溫去離子水(水樣比20∶1,質(zhì)量比),進行充分搖勻,浸泡靜置24 h后,在250 次/min的速度下振蕩30 min,再將液體離心10 min(4000 r/min),用0.45 μm濾膜對離心后的溶液過濾(壓力為—0.09 MPa),得到的濾液中含有的有機物[16]。采用有機碳分析儀(TOC—VCPH, Shimadzu, Kyoto, Japan)測定濾液中的DOC含量,提取DOC的當日將以上指標進行測定。稱取8—10 mg粉碎的樣品進行包樣,將包好的樣品放入樣盤待測,采用碳氮元素分析儀(Vario MAX CN, Germany)測定烘干葉片和細根待測樣品的C、N含量。

傅里葉紅外光譜測定：每個樹種各取1 mg混合冷凍之后的DOC干燥樣與400 mg干燥的KBr(光譜純)磨細混勻,在10 t/cm2的壓強下壓成薄片并維持1 min,用FTIR光譜儀(Nicolet Magna FTIR 550)分析紅外光譜,波譜掃描范圍為4000—400 cm-1,每個樣品掃描64次并記錄其光譜[23],紅外吸收峰的主要歸屬參照Kaise等的文獻[24]。

1.4 統(tǒng)計分析

使用單因素方差分析(ANOVA)和LSD的事后檢驗用于統(tǒng)計分析13種樹種以及它們植物器官(葉片,細根(0—1 mm)和細根(1—2 mm))的DOC濃度的差異。采用Pearson相關系數(shù)來評價分析不同因子之間的相關關系。采用SPSS 22.0軟件下進行統(tǒng)計分析,顯著性水平為α=0.05。相關圖表用Origin 9.0軟件制作完成。

2 結果

2.1 13種樹種葉片和細根(0—1 mm和1—2 mm)的碳氮含量

同一器官不同樹種之間的總碳含量存在顯著性差異(表1,P<0.05)。其中,浙江桂在葉片和細根(0—1 mm和1—2 mm)的總碳含量上最高,分別為492.70、507.21 g/kg和480.39 g/kg；竹柏在葉片和0—1 mm細根的總碳含量上最低,分別為414.37 g/kg和419.56 g/kg；觀光木在1—2 mm細根的總碳含量上最低,其值為430.30 g/kg。并且同一樹種不同器官之間的總碳含量也存在顯著性差異(表1,P<0.05)。細根(0—1 mm和1—2 mm)總碳含量高于葉片的樹種有紅豆杉、冬青、羅浮栲和竹柏；葉片總碳含量高于細根(0—1 mm和1—2 mm)的樹種有八月桂、花櫚木、絲栗栲和閩楠；0—1 mm細根總碳含量高于葉片和1—2 mm細根的樹種有觀光木、木莢紅豆、羅漢松、刨花楠和浙江桂。

表1 13樹種葉片和細根的總碳含量(平均值±標準誤差,n=3)/(g/kg)Table 1 Total carbon (TC) concentration in leaves and fine roots of 13 tree species (Mean±SE, n=3)

不同樹種同一器官之間的總氮含量存在顯著性差異(表2,P<0.05)。其中,花櫚木和羅漢松分別在葉片的總氮含量上為最高和最低,其值分別為25.35 g/kg和12.18 g/kg；木莢紅豆在0—1 mm細根的總氮含量上最高,觀光木在1—2 mm細根的總氮含量上最高,而冬青在細根(0—1 mm和1—2 mm)的總氮含量上最低,兩個徑級分別為4.02 g/kg和4.00 g/kg。并且同一樹種不同器官之間的總氮含量也存在顯著性差異(表2,P<0.05)。葉片總氮含量高于細根(0—1 mm和1—2 mm)的樹種有紅豆杉、觀光木、八月桂、花櫚木、冬青、羅浮栲、絲栗栲、羅漢松、竹柏、刨花楠和浙江桂；0—1 mm 細根總氮含量高于葉片和1—2 mm細根的樹種有木莢紅豆和閩楠。

表2 13樹種葉片和細根的總氮含量(平均值±標準誤差,n=3)/(g/kg)Table 2 Total nitrogen (TN) concentration in leaves and fine roots of 13 tree species (Mean±SE, n=3)

2.2 13種樹種葉片和細根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶產(chǎn)生的DOC濃度

同一器官不同樹種淋溶產(chǎn)生的DOC濃度存在顯著性差異(表3,P<0.05)。其中,刨花楠、閩楠和浙江桂等樟科樹種在葉片淋溶產(chǎn)生的DOC濃度上最高,分別為10.37、15.28、12.76 g/kg；羅漢松和竹柏等羅漢松科樹種在葉片淋溶產(chǎn)生的DOC濃度上最低,分別為0.87、0.54 g/kg；花櫚木和木莢紅豆等紅豆屬樹種在細根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶產(chǎn)生的DOC濃度上最高,在0—1 mm和1—2 mm兩個徑級分別為22.21、17.81 g/kg(花櫚木)和19.22、22.04 g/kg(木莢紅豆)；另外,八月桂在1—2 mm細根淋溶產(chǎn)生的DOC濃度上也較高,其值為21.41 g/kg；而刨花楠、閩楠和浙江桂等樟科樹種在細根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶產(chǎn)生的DOC濃度上最低,在0—1 mm和1—2 mm兩個徑級的濃度分別為3.52、7.74 g/kg(刨花楠)和4.41、4.91 g/kg(閩楠)和2.56、4.87 g/kg(浙江桂)。同一樹種不同器官之間淋溶產(chǎn)生的DOC濃度也存在顯著性差異(表3,P<0.05)。除了刨花楠、閩楠和浙江桂等樟科樹種以外,其余的樹種細根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶產(chǎn)生的DOC濃度均大于葉片。相關分析顯示,而葉片與細根(0—1 mm和1—2 mm)之間,淋溶產(chǎn)生的DOC濃度無顯著相關關系(圖1,P> 0.05)。

表3 13樹種葉片和細根的可溶性有機碳濃度(平均值±標準誤差,n=3)/(mg/kg)Table 3 Dissolved organic carbon (DOC) concentration in leaves and fine roots of 13 tree species (Mean±SE, n=3)

圖1 葉片與細根之間可溶性有機碳濃度相關分析Fig.1 Correlation analysis of dissolved organic carbon (DOC) concentration between leaves and fine roots

2.3 13種樹種葉片和細根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶產(chǎn)生DOC的紅外光譜特征

傅里葉紅外光譜通過有機物在不同波數(shù)的透射率(或者是吸收率)大小來反映有機物的不同官能團特征[23—24]。本研究13種樹種葉片和細根淋溶產(chǎn)生DOC的紅外光譜特征具有一定的相似性(圖2),都有6個吸收峰(對應圖中透射率極小值位置),有1個透射峰(對應圖中透射率極大值的位置),分別在(3400±50)、(2950±50)、(2000±150)、(1650±50)、(1400±50)、(1050±50)、(600±50) cm-1波數(shù)的位置。13種樹種葉片和細根淋溶產(chǎn)生DOC在(3400±50)、(1650±50)、(1050±50) cm-1波數(shù)的位置為較強的吸收峰,其中在(3400±50) cm-1波數(shù)的位置峰較寬,而在(1650±50)、(1050±50) cm-1波數(shù)的位置峰較窄,表明這些DOC中羧酸、醇類、苯酚、芳香族、糖類等有機物的含量較多。在(2950±50)、(1400±50)、(600±50) cm-1波數(shù)的位置為較弱的吸收峰,表明這些DOC中脂肪族、飽和的C—H結構、羧酸化合物中O—H結構和苯環(huán)C—H結構的含量較少。在(2000±150) cm-1波數(shù)有1個較強的透射峰,表明這些DOC中缺少C≡C結構和取代苯類物質(zhì)。但是同一器官淋溶產(chǎn)生的DOC在不同樹種之間的紅外光譜吸收率存在顯著差異(P< 0.05)。浙江桂葉片淋溶的DOC在各個波段的吸收率最高,冬青葉片最低；紅豆杉細根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶產(chǎn)生的DOC在各個波段吸收率最高,木莢紅豆0—1 mm細根最低,絲栗栲1—2 mm細根最低。同一樹種不同器官之間淋溶產(chǎn)生的DOC的紅外光譜也存在顯著差異(P< 0.05)。細根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶產(chǎn)生的DOC吸收率高于葉片的樹種有紅豆杉、觀光木、冬青、羅浮栲、絲栗栲、羅漢松和刨花楠；葉片淋溶產(chǎn)生的DOC吸收率高于細根(0—1 mm和1—2 mm)的有浙江桂；0—1 mm細根淋溶產(chǎn)生的DOC吸收率高于葉片和1—2 mm細根的樹種有八月桂、竹柏和閩楠；1—2 mm細根淋溶產(chǎn)生的DOC吸收率高于葉片和0—1 mm細根的樹種有木莢紅豆和花櫚木。

3 討論

3.1 13種樹種葉片和細根淋溶產(chǎn)生DOC的數(shù)量特征

樹種差異是影響DOC數(shù)量的重要因素[3, 25],這與Michalzik等溫帶森林的研究結果相一致[26]。本研究中,刨花楠、閩楠和浙江桂等樟科樹種在葉片淋溶的DOC濃度上最高,而羅漢松和竹柏等羅漢松科樹種在葉片淋溶產(chǎn)生的DOC濃度上最低,這可能與二者之間葉片的不同結構組成和物質(zhì)含量有關,同時相關分析結果顯示葉片淋溶產(chǎn)生的DOC濃度與總碳含量呈顯著正相關(P<0.05)。刨花楠、閩楠和浙江桂等樟科樹種在葉片總碳含量上較高,可以為DOC的淋溶產(chǎn)生提供基礎物質(zhì),此外,樟科樹種葉片的氣孔導度良好,能夠通過氣孔會發(fā)出一些芳香性有機化合物,在淋溶實驗中可能產(chǎn)生更多數(shù)量的DOC[27]。而羅漢松和竹柏等羅漢松科樹種葉片不僅碳、氮含量低,且葉片的氣孔導度差,因此不利于DOC的淋溶產(chǎn)生?？蹈惖葘Ρ锐R尾松(Pinusmassoniana)和芒萁(Dicranopterisdichotoma)新鮮葉片淋溶實驗發(fā)現(xiàn)芒萁葉片淋溶產(chǎn)生的DOC濃度顯著高于馬尾松,葉片的結構特征差異是影響其淋溶產(chǎn)生DOC濃度的重要因素[16]。另外,樟科樹種生長較快,屬于競爭型樹種,能夠快速吸收養(yǎng)分維持自身生長,因此在生長過程中將大量養(yǎng)分以淋溶作用歸還至土壤中,從而增加DOC的產(chǎn)生,而羅漢松科植物生長緩慢,屬于忍耐型樹種,其主要的養(yǎng)分用于自身的生長和器官的構建,因此淋溶產(chǎn)生的DOC濃度較少。

在本研究中,除了刨花楠、閩楠和浙江桂等樟科樹種細根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶產(chǎn)生的DOC濃度低于葉片以外,其余樹種細根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶產(chǎn)生的DOC濃度均高于葉片,同時相關分析顯示葉片淋溶產(chǎn)生的DOC濃度與細根(0—1 mm和1—2 mm)之間相關性較弱(圖1,P>0.05),表明植物不同器官會影響其DOC濃度,并且地上器官與地下器官在養(yǎng)分釋放的聯(lián)系上不緊密,這可能與兩種器官自身的結構組成和執(zhí)行功能的差異有關,細根是植物主要吸收養(yǎng)分的器官,大量的光合產(chǎn)物通過根系分泌物向土壤輸入大量的碳水化合物,從而增加DOC的濃度[20]；而葉片是植物重要儲存養(yǎng)分的器官,也是植物光合作用的場所,葉片通過光合作用形成碳水化合物更多用于儲存和轉(zhuǎn)化[28],因此大多數(shù)樹種淋溶的DOC的濃度會低于細根。而刨花楠、閩楠和浙江桂等樟科樹種細根(0—1 mm和1—2 mm)的總碳濃度較高,但是淋溶產(chǎn)生的DOC濃度最低,也低于其葉片淋溶產(chǎn)生的DOC濃度,其原因可能是樟科樹種根系結構較為堅硬,質(zhì)地較為致密[29],含有的C組分大部分為結構性的難溶解高分子化合物,孔隙較少,不利于DOC的淋溶釋放,因此細根淋溶產(chǎn)生的DOC濃度最低。

3.2 13種樹種葉片和細根淋溶產(chǎn)生DOC的結構特征

通常而言,DOC是一系列復雜的有機分子混合體,除了含有分子量較低的有機酸、糖類和氨基酸等分子量較低的有機物,還包括脂肪類、芳香類等分子量較高的有機結構[30]。DOC除了在分子量上的差別以外,在不同的樹種和器官下淋溶產(chǎn)生的DOC組成結構和可降解性也有所不同[31—32],但是不同的樹種和器官之間DOC含有的基本信息仍然具有一定的相似性[24, 33—34],這與本研究發(fā)現(xiàn)13種樹種葉片和細根(0—1 mm和1—2 mm)紅外光譜表現(xiàn)具有6個明顯吸收峰的結果一致(圖2)。

傅里葉紅外光譜的結果發(fā)現(xiàn)浙江桂葉片淋溶產(chǎn)生的DOC吸收率在各個波段是13種樹種里面最高,在(3400±50)、(2950±50)、(1650±50)、(1400±50)、(1050±50)、(600±50) cm-1波數(shù)的位置的吸收率能分別高至91%、81%、90%、83%、94%、和83%,說明葉片含有較為豐富的芳香類、脂肪類、酚類等具有大分子量官能團的疏水性有機質(zhì),同時羧酸,醇類物質(zhì)含量也較高,這可能是因為浙江桂葉片的碳含量和淋溶產(chǎn)生的DOC濃度最高以及樟科樹種易揮發(fā)出的高芳香性大分子物質(zhì)的特征有關,這些較難降解的DOC更容易被吸附到土壤中達到穩(wěn)定和緩慢降解[35—37],從而促進土壤有機碳的積累[38]。而冬青葉片淋溶產(chǎn)生的DOC的吸收率在各個波段最低,表明葉片含有糖類、氨基酸等小分子物質(zhì)相對較多,分子結構相對簡單,其原因可能是淋溶產(chǎn)生的DOC濃度較低,而高分子量的DOC不容易淋溶釋放。此外,羅漢松和竹柏等羅漢松科葉片淋溶產(chǎn)生的DOC的吸收率在各個波段也較低,表明其DOC主要是一些結構簡單小分子有機物組成,原因可能是羅漢松科樹種的養(yǎng)分吸收能力較弱,葉片的碳氮含量及其淋溶的DOC濃度幾乎最低,葉片儲存的養(yǎng)分更多為一些小分子有機物。紅豆杉細根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶產(chǎn)生的DOC在各個波段吸收率最高,其DOC濃度也較高,而絲栗栲1—2 mm細根淋溶產(chǎn)生的DOC在各個波段的吸收率最低,其DOC濃度也較低,這些結果說明高分子量的有機化合物是DOC主體,貢獻了DOC濃度的大部分。但是,木莢紅豆0—1 mm細根淋溶產(chǎn)生的DOC在各個波段吸收率最低,但其總碳、總氮以及淋溶產(chǎn)生的DOC濃度卻高于大部分樹種,其原因可能跟木莢紅豆根系的根瘤菌固氮形成大量的氨基酸有關[39],而氨基酸的分子結構相對簡單,因此可能在淋溶過程中較多的氨基酸等小分子釋放,因此在紅外光譜中更容易透射。

4 結論

本研究通過對中亞熱帶13種典型樹種葉片和細根(0—1 mm和1—2 mm)的淋溶產(chǎn)生的DOC數(shù)量特征和結構特征差異分析。葉片淋溶產(chǎn)生的DOC濃度與其碳含量呈正相關,葉片的結構特征(例如氣孔導度和葉片材質(zhì))可能是影響DOC濃度的重要性質(zhì)。大部分細根淋溶產(chǎn)生的DOC濃度高于葉片,但是葉片和細根在DOC淋溶的數(shù)量特征無明顯的聯(lián)系,這可能是地上器官與地下器官各自執(zhí)行的不同功能有關。DOC的結構特征也會受到樹種的差異而改變,這與樹種之間吸收養(yǎng)分的能力和特有結構密切相關。因此,未來研究中應關注樹種差異以及植物不同部位產(chǎn)生的DOC對亞熱帶森林土壤生物地球化學循環(huán)的影響。