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凋落物分解是连接地上和地下生态过程的重要纽带,也是森林生态系统中营养元素循环的关键环节[1-3]。凋落物分解是植物向土壤提供养分的基本生态过程,分解速率受凋落物C/N值、分解者群落和植被类型等的影响 [4-6]。伴随凋落物的分解,植物养分逐渐回归到土壤中,因而凋落物质量损失速率及分解过程在维持土壤肥力方面起着关键作用[7]。
土壤动物是生存在土壤中和凋落物叶下的各种动物的总称,是森林生态系统的重要组成部分,调控土壤生态过程重要的生物驱动因子,对生态系统功能和稳定性具有重要作用[8]。土壤动物通过其繁殖、生长等生命活动提高植物—土壤动物—土壤系统中营养物质的循环速率,在养分循环中非常关键[9]。土壤动物首先会对凋落物进行破碎、对植物残体进行粉碎由此增加碎屑表面积,其次通过摄食、分泌排泄物等方式改善土壤微环境,间接促进微生物的生长,以此直接、间接地促进凋落物的分解[10-11]。土壤动物促进植物凋落物分解的同时,其群落格局也受凋落物基质的变化而发生改变[12]。凋落物分解中不同体型土壤动物也发挥着不同作用,中小型土壤动物在植物凋落物破碎化和增加凋落物质量损失等方面具有重要作用;大型土壤动物则通过取食、排泄和掘穴等生命活动,促进养分元素的循环[13-14]。García-Palacios等[15]的研究结果表明,全球尺度上土壤动物平均可增加27%的凋落物质量损失;其中,热带旱生林和热带湿润雨林中分别增加了22%和32%,针叶林中增加了13%,落叶林中增加了21%,农业生态系统中增加了30%。以往关于森林凋落物分解的研究主要集中在北方长白山地区以及西部的四川地区等地[16-19]。近年来,关于我国喀斯特森林凋落物分解的研究有一些报道,但对土壤动物在其中作用的认识还不够深入。
本研究以黔中地区喀斯特森林优势植物为对象,开展土壤动物对凋落物分解的影响研究。将深入喀斯特森林养分循环、土壤动物多样性及其生态功能的认识。本研究拟采用凋落物袋分解法,调查木本植物(圆果化香树、翅荚香槐)、草本植物(白茅)及其混合凋落物的分解特征和土壤动物群落在其中的作用,拟重点解决以下问题:①黔中喀斯特森林不同C/N值凋落物的分解特征(质量损失率);②黔中喀斯特森林凋落物分解过程中土壤动物群落组成特征;③不同体型土壤动物对凋落物分解的贡献。
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试验小区位于中国科学院地球化学研究所普定喀斯特生态系统定位观测研究站附近(105°45′31″ E, 26°21′35″ N;海拔:1 197 m);属亚热带季风湿润气候,冬无严寒,夏无酷暑,全年气候温和,雨量充沛。年均日照时数1 164.9 h,无霜期301 d,年平均气温15.1 ℃,年平均降水1 378.2 mm。该区森林以次生常绿和落叶阔叶混交林为主。优势树种包括圆果化香树(Platycarya longipes Wu)、翅荚香槐(Cladrastis platycarpa (Maxim.) Makino)、云南鼠刺(Itea yunnanensis Franch.)和窄叶石栎(Lithocarpus onfinis Huang)等;草本主要有白茅(Imperata cylindrica (L.) Beauv.)、千里光(Senecio scandens Buch-Ham.)和矛叶荩草(Arthraxon lanceolatus (Roxb.) Hochst.)等[20-21]。
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2019年10月于样地附近收集新鲜凋落物。其中,木本植物圆果化香树和翅荚香槐采集新鲜凋落叶,草本植物白茅采集当年干枯的茎叶。将采集到的凋落物分装、带回实验室洗净风干。按表1设置草本植物凋落物、木本植物凋落物和混合凋落物处理,共5种。5种处理凋落物初始C/N值见表1。其中,草本植物白茅的茎C/N值为100.44±2.42、叶C/N值为33.61±1.53。按表1称取6.00 ± 0.01 g凋落物,装入尺寸15 cm × 20 cm、孔径分别为0.01 mm、2 mm、和4 mm的凋落物袋中(凋落物袋近地面孔径均为0.01 mm,大气接触面为上述相应孔径)。0.01 mm凋落物袋排除所有土壤动物;2 mm凋落物袋允许中小型土壤动物进入;4 mm凋落物袋允许大型、中小型土壤动物进入[22]。2020年1月在研究区域分别选取5个约100 m2,分布均匀、距离适中、养分光照等相似的样地(5次重复),将分装好的凋落物袋随机摆放在样地中,使其接近凋落物凋落后的自然环境。每样地中放置5种凋落物处理的3种孔径凋落物袋各5袋(总计:5次采样 × 5样地重复 × 5凋落物组合 × 3孔径=375袋),布设完样地后随即进行第一次采样,将第一次采集凋落物袋带回实验室计算路途损耗量。
处理
Treatment物种名称
Species name质量
Mass/gC/N值
C/N ratioI 白茅(IC) 6.00 70.05±2.04 II 圆果化香树(PL) 6.00 37.40±0.91 III 翅荚香槐(CP) 6.00 39.61±1.98 IV 圆果化香树 + 翅荚香槐(PL + CP) 3.00 + 3.00 39.10±0.75 V 圆果化香树 + 翅荚香槐 + 白茅(PL + CP + IC) 2.00 + 2.00 + 2.00 50.23±3.82 (注:表中数值为平均值±标准误,n=5;各类型组合均为完整叶放入凋落物袋混合) Table 1. Experimental treatments
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分别于2020年的1月2日、4月15日、7月27日、10月10日,2021年1月13日将凋落物样品取回。每次采样,分别在5个重复样地中取3种网孔5种凋落物组合的凋落物袋各一袋(5凋落物组合 × 3孔径 × 5重复=75袋)。采用Tullgren干漏斗法分离中小型土壤动物,手捡法采集大型土壤动物。参考《中国土壤动物检索图鉴》[23],鉴定到目或科水平并计数;在土壤动物分离完成后,将凋落物样品置于60 ℃恒温烘箱,烘干至恒质量并记录。
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根据各类群土壤动物个体数量占总数量的百分比来划分数量等级,个体数占总数10.0%以上的土壤动物为优势类群,1.0%~10.0%土壤动物为常见类群,1.0%以下土壤动物为稀有类群[23]。
凋落物质量损失率Lc(%)、土壤动物对凋落物质量损失的贡献率Cf(%)等计算公式如下:
式中,Lc为质量损失率,M0为初始凋落物质量(g),Mt为经时间t后的凋落物残留量(g);Cf为土壤动物贡献率;Lf为土壤动物引起的凋落物质量损失(所有土壤动物时,4 mm孔径内与0.01 mm孔径内凋落物质量损失之差;中小型土壤动物时,2 mm孔径内与0.01 mm孔径内凋落物质量损失之差);Lt为全部质量损失(所有土壤动物时,即为4 mm孔径内凋落物质量损失;中小型土壤动物时,即为2 mm孔径内凋落物质量损失);Cfb为大型土壤动物贡献率,Cfa为所有土壤动物贡献率,Cfm为中小型土壤动物贡献率。
采用单因素方差分析及最小显著差异法比较不同分解期内各孔径凋落物袋内的凋落物质量损失率、中小型和大型土壤动物对黔中地区喀斯特森林凋落物质量损失率的贡献,采用主坐标分析(PCoA)研究不同孔径凋落物袋土壤动物群落结构特征。使用随机森林模型(Random forest)评估土壤动物不同类群对凋落物质量损失贡献的重要程度及其显著性。数据统计分析与作图采用R语言,“multicomp”“rfPermute”“ggplot2”等程序包完成。
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5种处理凋落物质量损失率均随分解时间延长逐渐升高(图1)。分解初期(1月至4月)与分解末期(10月至次年1月)各处理凋落物质量损失率增长幅度均相对平缓,分解中期(4月至7月、7月至10月)凋落物质量损失率增长幅度较大。在4次采样中,不同处理间凋落物分解速率均表现出显著差异(P < 0.05,图1)。原位分解1年后,草本植物白茅凋落物质量损失率最高(处理I,50.58%),草本、木本植物混合凋落物损失率居中(处理V,39.04%),木本植物凋落物翅荚香槐损失率最低(处理III,38.15%);凋落物分解速率总体表现为草本植物凋落物较木本植物凋落物分解快(图1)。
Figure 1. Litter mass loss rate. I, Imperata cylindrica (IC); II, Platycarya longipes (PL); III, Cladrastis platycarpa (CP); IV, PL + CP; V, IC + PL + CP.
凋落物的C/N与其质量损失率的回归分析结果显示,凋落物质量损失率与凋落物初始C/N正相关(图2)。排除含草本(白茅)凋落物的处理(处理I、处理V)进一步分析结果显示,凋落物质量损失率与其初始C/N值显著负相关(P < 0.01):损失率在碳氮比为37.40的处理II圆果化香树时最高,达43.99%;损失率在碳氮比为39.61的处理III翅荚香槐时最低,为38.15%(图3)。
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试验期凋落物袋内,共捕获到土壤动物13 733头,隶属于21个类群。其中,2 mm网孔凋落物袋中共收集到土壤动物6 840头,隶属于21个类群,优势类群为前气门亚目、中气门亚目、甲螨亚目以及长角䖴目,共占总个体数的87.79%;常见类群为膜翅目、鞘翅目和环总科,共占总个体数的7.19%;稀有类群14类,共占总个体数的5.01%(表2)。4 mm网孔凋落物袋中共收集到土壤动物6 893头,隶属于21个类群,其中优势类群为前气门亚目、中气门亚目、甲螨亚目和长角䖴目,共占总个体数的85.97%;常见类群为膜翅目、鞘翅目、蜘蛛目和环总科,共占总个体数的9.52%;稀有类群13类,共占总个体数的4.51%(表2)。
土壤动物
名称
Soil fauna
species
name白茅
Imperata cylindrica圆果化香树
Platycarya longipes翅荚香槐
Cladrastis platycarpa圆+翅
PL+CP白+圆+翅
IC+PL+CP汇总
Individual number多度
Abundance2 mm 4 mm 2 mm 4 mm 2 mm 4 mm 2 mm 4 mm 2 mm 4 mm 2 mm 4 mm 2 mm 4 mm 个体
数个体
数个体
数个体
数个体
数个体
数个体
数个体
数个体
数个体
数个体
数百分
比%个体
数百分
比%前气门亚目
Prostigmata457 375 392 363 546 438 537 602 431 481 2 363 34.55 2 259 32.77 +++ +++ 中气门亚目
Mesostig-
mata236 363 281 268 495 344 350 421 420 435 1 782 26.05 1 831 26.56 +++ +++ 甲螨亚目
Oribatida145 76 121 148 234 234 202 245 180 192 882 12.89 895 12.98 +++ +++ 愈腹亚目
Symphy-
pleona11 9 8 3 6 9 20 6 8 16 53 0.77 43 0.62 + + 长角䖴目
Entomo-
bryomorpha115 158 179 184 318 226 199 211 167 162 978 14.30 941 13.65 +++ +++ 短角䖴目
Neelipleona3 9 20 3 17 19 17 6 7 27 64 0.94 64 0.93 + + 等足目
Isopoda0 0 2 0 4 6 10 7 1 2 17 0.25 15 0.22 + + 锯谷盗科
Silvanidae3 1 5 5 4 8 8 1 3 2 23 0.34 17 0.25 + + 双翅目幼虫
Diptera-
larvae7 13 10 10 13 7 11 16 11 13 52 0.76 59 0.86 + + 膜翅目
Hymeno-
ptera15 9 57 142 16 12 163 171 34 67 285 4.17 401 5.82 ++ ++ 鞘翅目
Coleoptera36 14 11 17 29 25 23 21 21 23 120 1.75 100 1.45 ++ ++ 伪蝎目
Pseudoscor-
piones3 9 1 2 6 4 5 5 4 7 19 0.28 27 0.39 + + 蜈蚣目
Scolopen-
dromorpha0 0 0 2 1 3 2 0 0 1 3 0.04 6 0.09 + + 叶甲科
Chrysome-
lidae1 0 2 4 2 1 0 1 3 1 8 0.12 7 0.10 + + 幺蚣科
Scolopen-
drelidae0 3 0 1 2 2 3 2 1 2 6 0.09 10 0.15 + + 鳞翅目幼虫
Lepidoptera-
larvae1 2 2 1 1 3 0 1 8 7 12 0.18 14 0.20 + + 蜘蛛目
Araneae7 10 14 20 14 9 15 20 8 10 58 0.85 69 1.00 + ++ 姬马陆目
Julida0 5 5 4 6 6 3 6 1 4 15 0.22 25 0.36 + + 环总科
Cricone-
matoidea5 22 1 12 25 12 45 20 11 20 87 1.27 86 1.25 ++ ++ 蚁甲科
Pselaphidae1 2 0 2 1 0 0 1 3 1 5 0.07 6 0.09 + + 螱科
Termitidae3 1 1 3 1 7 0 0 3 7 8 0.12 18 0.26 + + 1 049 1 081 1 112 1 194 1 741 1 375 1 613 1 763 1 325 1 480 6 840 100 6 893 100.00 (表中土壤动物为所有分解阶段的总个体数;+++优势类群,占总数的10%以上;++常见类群,占总数的 1%~10%; + 稀有类群,占总数的 1%以下) Table 2. Composition of groups and individuals of soil fauna in different-sized meshes during litter decomposition
PCoA分析结果显示(图4):凋落物分解袋内,土壤动物群落结构仅在不同采样时期(即,凋落物分解不同阶段)具有显著差异(P < 0.01),而不同孔径和不同凋落物处理的凋落物袋中,土壤动物群落结构差异不显著(P > 0.05)。土壤动物个体数在不同孔径凋落物袋中的差异不显著(P > 0.05),在不同取样时间(不同分解阶段)差异显著(P < 0.01,表3);土壤动物类群数在不同孔径凋落物袋和不同取样时间中的差异均不显著(P > 0.05,表4)。
变异来源
Source of variationp 白茅
Imperata cylindrica圆果化香树
Platycarya longipes翅荚香槐
Cladrastis platycarpa圆+翅
PL+CP白+圆+翅
IC+PL+CP孔径 Mesh 0.018 0.950 0.559 0.953 0.484 取样日期 Sampling time 0.011 0.005 0.183 <0.001 <0.001 孔径×取样日期 Mesh×Sampling time 0.100 0.381 0.104 0.751 0.979 Table 3. Statistic results of soil fauna individuals under different mesh size litterbags and sampling time
变异来源
Source ofvariationp 白茅
Imperata cylindrica圆果化香树
Platycarya longipes翅荚香槐
Cladrastis platycarpa圆+翅
PL+CP白+圆+翅
IC+PL+CP孔径 Mesh 0.518 0.031 0.376 0.977 0.187 取样日期 Sampling time 0.095 0.496 0.254 0.747 0.278 孔径×取样日期 Mesh×Sampling time 0.736 0.506 0.512 0.258 0.762 Table 4. Statistic results of soil fauna group numbers under different mesh size litterbags and sampling time
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经1年原位分解,0.01 mm、 2 mm和4 mm孔径凋落物袋内的凋落物质量损失率分别为38.56%、 41.36%和47.14%,差异显著(P < 0.05,图5),土壤动物作用显著。土壤动物对凋落物质量损失率的贡献为24.89%;其中,中小型土壤动物对凋落物质量损失的贡献率平均为15.34% (11.41%~17.59%),大型土壤动物对植物凋落物质量损失贡献率平均为9.55% (6.83%~13.39%)(图6)。在4月的样品采集中,中小型土壤动物对5种凋落物质量损失率的贡献显著大于大型土壤动物的贡献(P < 0.05);另外3次的样品采集中,中小型土壤动物与大型土壤动物对凋落物质量损失率的贡献无显著差异(P > 0.05);总体上,土壤动物对凋落物分解的贡献率在分解前期较后期大(图6)。
Figure 6. Contribution of soil fauna to litter decomposition. I, Imperata cylindrica (IC); II, Platycarya longipes (PL); III, Cladrastis platycarpa (CP); IV, PL + CP; V, IC + PL + CP.
随机森林模型结果显示:前气门亚目、长角䖴目、短角䖴目、伪蝎目、中气门亚目和蚁甲科等6个类群依次在黔中地区喀斯特森林凋落物的分解中起重要作用(图7, P < 0.05)。
Influence of Soil Fauna on Litter Decomposition in Central Guizhou Karst Forest
- Received Date: 2021-12-16
- Accepted Date: 2021-12-23
- Available Online: 2022-06-20
Abstract: