唐玉祥,王全成,陈 娟,时应贵,熊德成,胥 超,陈仕东,杨智杰,*

1 福建师范大学地理科学学院,福州 350007 2 福建三明森林生态系统与全球变化野外科学观测站,三明 365002

可溶性有机碳(Dissolved organic carbon, DOC)是指能够通过0.45 μm滤膜的不同大小和结构的有机碳组分,能够在各个库之间快速迁移,是森林生态系统中最为活跃的组成部分[1—2]。在高温多雨的热带亚热带地区,丰富的降水通过对植被林冠层和凋落物层的淋溶作用产生大量的DOC[3—4],是土壤微生物主要的物质和能量来源[5—7],在湿润热带亚热带生态系统的生物地球化学过程中起着至关重要的作用[8—9]。

森林生态系统中,降雨对植物叶片和地表枯落物淋溶、根系及根系分泌物等是DOC产生的重要途径[10—13]。但是,目前有关DOC来源的研究大部分侧重于降雨对凋落物的淋溶作用,包括凋落物淋溶的DOC数量和质量特征、凋落物DOC输入的动态变化[8, 14—15],而有关新鲜叶片和细根等植物活体器官产生的DOC的数量和质量特征研究甚少。已有一些研究发现植物新鲜叶片输入的DOC含量高于凋落物[16],例如,康根丽发现芒萁(Dicranopterisdichotoma)新鲜叶片淋溶产生的DOC浓度高达20 g/kg,远高于凋落物在淋溶过程中产生的DOC[16]。并且凋落物产生的DOC大部分为化学结构复杂、分解速度缓慢的腐殖质[8, 17],而新鲜叶片淋溶的DOC的分子量相比凋落物更小、更容易被土壤微生物分解[18]。同时细根与新鲜叶片是生物量和养分库中重要的动态组成部分,在植物水分与养分的吸收和储存的功能上远大于其他器官,对植物生长尤其重要[19—20],其产生的较高数量与质量的DOC,将对森林碳库的运动变化和养分循环产生重要影响作用。

我国亚热带地区拥有世界上最典型并且面积最大的常绿阔叶林,其森林覆盖面积占全国森林总面积的45.56%,是我国最重要的森林基地之一。该区生物多样性丰富,适合喜温暖湿润的壳斗科、樟科、木兰科等树种为主的常绿阔叶林的生长。不同树种影响DOC的数量和质量,如热带豆科植物与非豆科植物的DOC特征存在着显著的差异,豆科植物DOC的分子量和芳香化程度更高[21],但是有关亚热带不同树种叶片与细根产生的DOC的数量与特征了解甚少。

因此,本研究选取福建省建瓯市万木林保护区内两年生树龄的13种典型树种幼苗为研究对象。采用去离子水浸提法分别提取叶片和细根,比较叶片和细根产生的DOC数量及化学组成的差异,分析亚热带典型树种鲜叶和细根之间产生DOC的数量差异和联系,为完善和补充亚热带常绿天然林碳循环研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样地设置

研究站点位于福建省建瓯市万木林自然保护区(27°02′28″—27°03′32″N, 118°08′22″—118°09′23″E),该区域位于武夷山东南侧,处于福建省建瓯市房道镇境内,最高峰的海拔为556 m,区内相对海拔高差322 m,面积189 hm2。气候属于东亚典型的中亚热带湿润季风气候,全年温暖湿润,年平均温度18.7 ℃,年均降雨量1670 mm,多年年均蒸发量1466 mm,空气的相对湿度为81%,无霜期长达277 d。地貌类型是我国东南地区典型的低山丘陵地貌,区内植被为典型的中亚热带常绿阔叶林,土壤是常绿阔叶林发育在花岗岩上的山地红壤,呈酸性。该保护区经过600多年封禁保护,森林覆盖率高达94.14%,蓄积量42814 m3,已经成为我国东南地区的顶级自然群落[22]。诸多植物群落共存于保护区内,温暖湿润的气候特征造成该区以壳斗科、樟科、木兰科等树种为乔木优势树种。

1.2 样品采集

选择万木林内13种典型树种(分别为：杉科(Taxodiaceae)红豆杉(Taxuschinensis)、木兰科(Magnoliaceae)观光木(Tsoongiodendronodorum)、木犀科(Oleaceae)八月桂(Osmanthusfragrans)、豆科(Leguminosae)木荚红豆(Ormosiaxylocarpa)、蝶形花科(Papilionaceae)花榈木(Ormosiahenryi)、冬青科(Aquifoliaceae)冬青(LIlexchinensis)、壳斗科(Fagaceae)罗浮栲(Castanopsisfaberi)、壳斗科(Fagaceae)丝栗栲(Castanopsisfargesii)、罗汉松科(Podocarpaceae)罗汉松(Podocarpusmacrophyllus)、罗汉松科(Podocarpaceae)竹柏(Podocarpusnagi)、樟科(Lauraceae)刨花楠(Machiluspauhoi)、樟科(Lauraceae)闽楠(Phoebebournei)、樟科(Lauraceae)浙江桂(Cinnamomumchekiangense))为研究对象,除了观光木叶片为膜质,八月桂叶片为草质,其余树种叶片均为革质。于2017年4月在保护区育苗基地中选择生长状况良好、树龄为2年的幼苗进行取样。在供试幼苗的东、南、西、北4个方位和上、中、下3个位置分别采集对生长旺盛的典型枝条进行取样,重复3株。将带有叶片的枝条在现场按照每一种类同一个体所收集的新鲜叶片进行混合,混匀后再利用四分法抽取一定数量的叶片,放进自封袋保存。将一小半叶片样品先于120 ℃下杀青2 h,并在80 ℃的温度下烘干48 h以上,直到叶片质量恒定,用球磨仪将烘干鲜叶粉碎,再将粉碎物放于1 mm筛内过筛,将过筛物质贮存在干燥箱中用于测定碳氮含量,其余叶片样品用于淋溶实验。

根系取样采用全挖法,仔细地将根系周围土屑去除直至可以辨认出根系分枝的结构,然后将其放至冰盒中以保持其活性。回到实验室后,用低温去离子水将细根表面上的杂质和土壤清理干净,对根系进行分级,分出0—1 mm细根、1—2 mm细根两个径级,然后装入带标记的自封袋并放入0 ℃储存柜保存。将一小半不同径级的细根在80 ℃烘箱里分开烘干48 h以上,直到细根质量恒定,将烘干的细根粉碎并用1 mm筛进行过筛,然后将过筛的物资贮存在干燥箱中用于测定碳氮含量,其余样品用于淋溶实验。

1.3 指标测定

采用去离子水浸提法对各个树种的叶片和细根进行DOC提取[16]。具体的步骤为：将3部分器官的样品加入常温去离子水(水样比20∶1,质量比),进行充分摇匀,浸泡静置24 h后,在250 次/min的速度下振荡30 min,再将液体离心10 min(4000 r/min),用0.45 μm滤膜对离心后的溶液过滤(压力为—0.09 MPa),得到的滤液中含有的有机物[16]。采用有机碳分析仪(TOC—VCPH, Shimadzu, Kyoto, Japan)测定滤液中的DOC含量,提取DOC的当日将以上指标进行测定。称取8—10 mg粉碎的样品进行包样,将包好的样品放入样盘待测,采用碳氮元素分析仪(Vario MAX CN, Germany)测定烘干叶片和细根待测样品的C、N含量。

傅里叶红外光谱测定：每个树种各取1 mg混合冷冻之后的DOC干燥样与400 mg干燥的KBr(光谱纯)磨细混匀,在10 t/cm2的压强下压成薄片并维持1 min,用FTIR光谱仪(Nicolet Magna FTIR 550)分析红外光谱,波谱扫描范围为4000—400 cm-1,每个样品扫描64次并记录其光谱[23],红外吸收峰的主要归属参照Kaise等的文献[24]。

1.4 统计分析

使用单因素方差分析(ANOVA)和LSD的事后检验用于统计分析13种树种以及它们植物器官(叶片,细根(0—1 mm)和细根(1—2 mm))的DOC浓度的差异。采用Pearson相关系数来评价分析不同因子之间的相关关系。采用SPSS 22.0软件下进行统计分析,显著性水平为α=0.05。相关图表用Origin 9.0软件制作完成。

2 结果

2.1 13种树种叶片和细根(0—1 mm和1—2 mm)的碳氮含量

同一器官不同树种之间的总碳含量存在显著性差异(表1,P<0.05)。其中,浙江桂在叶片和细根(0—1 mm和1—2 mm)的总碳含量上最高,分别为492.70、507.21 g/kg和480.39 g/kg；竹柏在叶片和0—1 mm细根的总碳含量上最低,分别为414.37 g/kg和419.56 g/kg；观光木在1—2 mm细根的总碳含量上最低,其值为430.30 g/kg。并且同一树种不同器官之间的总碳含量也存在显著性差异(表1,P<0.05)。细根(0—1 mm和1—2 mm)总碳含量高于叶片的树种有红豆杉、冬青、罗浮栲和竹柏；叶片总碳含量高于细根(0—1 mm和1—2 mm)的树种有八月桂、花榈木、丝栗栲和闽楠；0—1 mm细根总碳含量高于叶片和1—2 mm细根的树种有观光木、木荚红豆、罗汉松、刨花楠和浙江桂。

表1 13树种叶片和细根的总碳含量(平均值±标准误差,n=3)/(g/kg)Table 1 Total carbon (TC) concentration in leaves and fine roots of 13 tree species (Mean±SE, n=3)

不同树种同一器官之间的总氮含量存在显著性差异(表2,P<0.05)。其中,花榈木和罗汉松分别在叶片的总氮含量上为最高和最低,其值分别为25.35 g/kg和12.18 g/kg；木荚红豆在0—1 mm细根的总氮含量上最高,观光木在1—2 mm细根的总氮含量上最高,而冬青在细根(0—1 mm和1—2 mm)的总氮含量上最低,两个径级分别为4.02 g/kg和4.00 g/kg。并且同一树种不同器官之间的总氮含量也存在显著性差异(表2,P<0.05)。叶片总氮含量高于细根(0—1 mm和1—2 mm)的树种有红豆杉、观光木、八月桂、花榈木、冬青、罗浮栲、丝栗栲、罗汉松、竹柏、刨花楠和浙江桂；0—1 mm 细根总氮含量高于叶片和1—2 mm细根的树种有木荚红豆和闽楠。

表2 13树种叶片和细根的总氮含量(平均值±标准误差,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种树种叶片和细根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶产生的DOC浓度

同一器官不同树种淋溶产生的DOC浓度存在显著性差异(表3,P<0.05)。其中,刨花楠、闽楠和浙江桂等樟科树种在叶片淋溶产生的DOC浓度上最高,分别为10.37、15.28、12.76 g/kg；罗汉松和竹柏等罗汉松科树种在叶片淋溶产生的DOC浓度上最低,分别为0.87、0.54 g/kg；花榈木和木荚红豆等红豆属树种在细根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶产生的DOC浓度上最高,在0—1 mm和1—2 mm两个径级分别为22.21、17.81 g/kg(花榈木)和19.22、22.04 g/kg(木荚红豆)；另外,八月桂在1—2 mm细根淋溶产生的DOC浓度上也较高,其值为21.41 g/kg；而刨花楠、闽楠和浙江桂等樟科树种在细根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶产生的DOC浓度上最低,在0—1 mm和1—2 mm两个径级的浓度分别为3.52、7.74 g/kg(刨花楠)和4.41、4.91 g/kg(闽楠)和2.56、4.87 g/kg(浙江桂)。同一树种不同器官之间淋溶产生的DOC浓度也存在显著性差异(表3,P<0.05)。除了刨花楠、闽楠和浙江桂等樟科树种以外,其余的树种细根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶产生的DOC浓度均大于叶片。相关分析显示,而叶片与细根(0—1 mm和1—2 mm)之间,淋溶产生的DOC浓度无显著相关关系(图1,P> 0.05)。

表3 13树种叶片和细根的可溶性有机碳浓度(平均值±标准误差,n=3)/(mg/kg)Table 3 Dissolved organic carbon (DOC) concentration in leaves and fine roots of 13 tree species (Mean±SE, n=3)

图1 叶片与细根之间可溶性有机碳浓度相关分析Fig.1 Correlation analysis of dissolved organic carbon (DOC) concentration between leaves and fine roots

2.3 13种树种叶片和细根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶产生DOC的红外光谱特征

傅里叶红外光谱通过有机物在不同波数的透射率(或者是吸收率)大小来反映有机物的不同官能团特征[23—24]。本研究13种树种叶片和细根淋溶产生DOC的红外光谱特征具有一定的相似性(图2),都有6个吸收峰(对应图中透射率极小值位置),有1个透射峰(对应图中透射率极大值的位置),分别在(3400±50)、(2950±50)、(2000±150)、(1650±50)、(1400±50)、(1050±50)、(600±50) cm-1波数的位置。13种树种叶片和细根淋溶产生DOC在(3400±50)、(1650±50)、(1050±50) cm-1波数的位置为较强的吸收峰,其中在(3400±50) cm-1波数的位置峰较宽,而在(1650±50)、(1050±50) cm-1波数的位置峰较窄,表明这些DOC中羧酸、醇类、苯酚、芳香族、糖类等有机物的含量较多。在(2950±50)、(1400±50)、(600±50) cm-1波数的位置为较弱的吸收峰,表明这些DOC中脂肪族、饱和的C—H结构、羧酸化合物中O—H结构和苯环C—H结构的含量较少。在(2000±150) cm-1波数有1个较强的透射峰,表明这些DOC中缺少C≡C结构和取代苯类物质。但是同一器官淋溶产生的DOC在不同树种之间的红外光谱吸收率存在显著差异(P< 0.05)。浙江桂叶片淋溶的DOC在各个波段的吸收率最高,冬青叶片最低；红豆杉细根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶产生的DOC在各个波段吸收率最高,木荚红豆0—1 mm细根最低,丝栗栲1—2 mm细根最低。同一树种不同器官之间淋溶产生的DOC的红外光谱也存在显著差异(P< 0.05)。细根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶产生的DOC吸收率高于叶片的树种有红豆杉、观光木、冬青、罗浮栲、丝栗栲、罗汉松和刨花楠；叶片淋溶产生的DOC吸收率高于细根(0—1 mm和1—2 mm)的有浙江桂；0—1 mm细根淋溶产生的DOC吸收率高于叶片和1—2 mm细根的树种有八月桂、竹柏和闽楠；1—2 mm细根淋溶产生的DOC吸收率高于叶片和0—1 mm细根的树种有木荚红豆和花榈木。

3 讨论

3.1 13种树种叶片和细根淋溶产生DOC的数量特征

树种差异是影响DOC数量的重要因素[3, 25],这与Michalzik等温带森林的研究结果相一致[26]。本研究中,刨花楠、闽楠和浙江桂等樟科树种在叶片淋溶的DOC浓度上最高,而罗汉松和竹柏等罗汉松科树种在叶片淋溶产生的DOC浓度上最低,这可能与二者之间叶片的不同结构组成和物质含量有关,同时相关分析结果显示叶片淋溶产生的DOC浓度与总碳含量呈显著正相关(P<0.05)。刨花楠、闽楠和浙江桂等樟科树种在叶片总碳含量上较高,可以为DOC的淋溶产生提供基础物质,此外,樟科树种叶片的气孔导度良好,能够通过气孔会发出一些芳香性有机化合物,在淋溶实验中可能产生更多数量的DOC[27]。而罗汉松和竹柏等罗汉松科树种叶片不仅碳、氮含量低,且叶片的气孔导度差,因此不利于DOC的淋溶产生。康根丽等对比马尾松(Pinusmassoniana)和芒萁(Dicranopterisdichotoma)新鲜叶片淋溶实验发现芒萁叶片淋溶产生的DOC浓度显著高于马尾松,叶片的结构特征差异是影响其淋溶产生DOC浓度的重要因素[16]。另外,樟科树种生长较快,属于竞争型树种,能够快速吸收养分维持自身生长,因此在生长过程中将大量养分以淋溶作用归还至土壤中,从而增加DOC的产生,而罗汉松科植物生长缓慢,属于忍耐型树种,其主要的养分用于自身的生长和器官的构建,因此淋溶产生的DOC浓度较少。

在本研究中,除了刨花楠、闽楠和浙江桂等樟科树种细根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶产生的DOC浓度低于叶片以外,其余树种细根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶产生的DOC浓度均高于叶片,同时相关分析显示叶片淋溶产生的DOC浓度与细根(0—1 mm和1—2 mm)之间相关性较弱(图1,P>0.05),表明植物不同器官会影响其DOC浓度,并且地上器官与地下器官在养分释放的联系上不紧密,这可能与两种器官自身的结构组成和执行功能的差异有关,细根是植物主要吸收养分的器官,大量的光合产物通过根系分泌物向土壤输入大量的碳水化合物,从而增加DOC的浓度[20]；而叶片是植物重要储存养分的器官,也是植物光合作用的场所,叶片通过光合作用形成碳水化合物更多用于储存和转化[28],因此大多数树种淋溶的DOC的浓度会低于细根。而刨花楠、闽楠和浙江桂等樟科树种细根(0—1 mm和1—2 mm)的总碳浓度较高,但是淋溶产生的DOC浓度最低,也低于其叶片淋溶产生的DOC浓度,其原因可能是樟科树种根系结构较为坚硬,质地较为致密[29],含有的C组分大部分为结构性的难溶解高分子化合物,孔隙较少,不利于DOC的淋溶释放,因此细根淋溶产生的DOC浓度最低。

3.2 13种树种叶片和细根淋溶产生DOC的结构特征

通常而言,DOC是一系列复杂的有机分子混合体,除了含有分子量较低的有机酸、糖类和氨基酸等分子量较低的有机物,还包括脂肪类、芳香类等分子量较高的有机结构[30]。DOC除了在分子量上的差别以外,在不同的树种和器官下淋溶产生的DOC组成结构和可降解性也有所不同[31—32],但是不同的树种和器官之间DOC含有的基本信息仍然具有一定的相似性[24, 33—34],这与本研究发现13种树种叶片和细根(0—1 mm和1—2 mm)红外光谱表现具有6个明显吸收峰的结果一致(图2)。

傅里叶红外光谱的结果发现浙江桂叶片淋溶产生的DOC吸收率在各个波段是13种树种里面最高,在(3400±50)、(2950±50)、(1650±50)、(1400±50)、(1050±50)、(600±50) cm-1波数的位置的吸收率能分别高至91%、81%、90%、83%、94%、和83%,说明叶片含有较为丰富的芳香类、脂肪类、酚类等具有大分子量官能团的疏水性有机质,同时羧酸,醇类物质含量也较高,这可能是因为浙江桂叶片的碳含量和淋溶产生的DOC浓度最高以及樟科树种易挥发出的高芳香性大分子物质的特征有关,这些较难降解的DOC更容易被吸附到土壤中达到稳定和缓慢降解[35—37],从而促进土壤有机碳的积累[38]。而冬青叶片淋溶产生的DOC的吸收率在各个波段最低,表明叶片含有糖类、氨基酸等小分子物质相对较多,分子结构相对简单,其原因可能是淋溶产生的DOC浓度较低,而高分子量的DOC不容易淋溶释放。此外,罗汉松和竹柏等罗汉松科叶片淋溶产生的DOC的吸收率在各个波段也较低,表明其DOC主要是一些结构简单小分子有机物组成,原因可能是罗汉松科树种的养分吸收能力较弱,叶片的碳氮含量及其淋溶的DOC浓度几乎最低,叶片储存的养分更多为一些小分子有机物。红豆杉细根(0—1 mm和1—2 mm)淋溶产生的DOC在各个波段吸收率最高,其DOC浓度也较高,而丝栗栲1—2 mm细根淋溶产生的DOC在各个波段的吸收率最低,其DOC浓度也较低,这些结果说明高分子量的有机化合物是DOC主体,贡献了DOC浓度的大部分。但是,木荚红豆0—1 mm细根淋溶产生的DOC在各个波段吸收率最低,但其总碳、总氮以及淋溶产生的DOC浓度却高于大部分树种,其原因可能跟木荚红豆根系的根瘤菌固氮形成大量的氨基酸有关[39],而氨基酸的分子结构相对简单,因此可能在淋溶过程中较多的氨基酸等小分子释放,因此在红外光谱中更容易透射。

4 结论

本研究通过对中亚热带13种典型树种叶片和细根(0—1 mm和1—2 mm)的淋溶产生的DOC数量特征和结构特征差异分析。叶片淋溶产生的DOC浓度与其碳含量呈正相关,叶片的结构特征(例如气孔导度和叶片材质)可能是影响DOC浓度的重要性质。大部分细根淋溶产生的DOC浓度高于叶片,但是叶片和细根在DOC淋溶的数量特征无明显的联系,这可能是地上器官与地下器官各自执行的不同功能有关。DOC的结构特征也会受到树种的差异而改变,这与树种之间吸收养分的能力和特有结构密切相关。因此,未来研究中应关注树种差异以及植物不同部位产生的DOC对亚热带森林土壤生物地球化学循环的影响。