土壤酚类物质对森林生态系统转换的响应及其机制研究

来源 :福建农林大学 | 被引量 : 17次 | 上传用户:kinter1113
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酚类物质是重要的植物次生代谢物质之一。近些年来,林木连栽、作物连作而引起的地力衰退问题已成为农林工作者研究的热点,许多学者认为地力衰退与酚类物质在土壤中的积累有很大的关系。而一些学者认为,酚类物质并不是引起地力衰退的主要原因,相反,某些酚类物质对植物的生长具有保护作用。随着研究的不断深入,酚类物质在森林生态系统中的作用也越来越受到人们的重视,就其对植物生长起促进作用还是会引起抑制作用的争论也越来越激烈。从目前研究结果来看,植物体内酚类物质和酚类物质对植物生长的影响机理研究相对较多,而土壤中酚类物质研究相对较薄弱,尤其是对于酚类物质在多代连栽林地土壤中是否存在着积累的现象,目前的事实证据仍不充分,还处于争论之中。森林生态系统转换是森林生态系统经营管理中的一个十分重要问题。在历史上,中亚热带山地生态系统的自然植被基本上为天然常绿阔叶林,但由于人类的经营活动(如毁林开辟耕地、营造人工林等),大部分天然林已转变为人工栽培用途的生态系统(如农田、果园、茶园、经济林、人工林等),呈现出多样化的森林生态系统转换模式。特别是随着我国人口的逐渐增加和经济的快速发展,森林生态系统转换的速度和频度越来越大,造成天然林资源急剧减少,森林生态系统出现严重退化的现象,尤其是为了满足木材的大量需求,人工林发展规模日益扩大,人工林多代连栽的现象日益严重,已成为当前森林生态系统转换模式的主要表现形式。有鉴于此,本研究选择了在南平西芹教学林场内已建立的4种森林生态系统模式(包括天然更新常绿阔叶林模式、老龄杉木林模式、二代杉木萌芽天然更新林模式、二代杉木人工林模式)作为森林生态系统转换模式的系列样地,采用实地定位研究方法,着重对森林生态系统转换过程中土壤酚类物质含量、土壤多酚氧化酶活性、过氧化氢酶活性和土壤对酚类物质的分解作用的时空变化规律,以及酚类物质在各森林生态系统的乔木-灌木-草本-枯枝落叶层4个空间层次中的分布状况进行探讨;同时采用人工模拟技术手段,对森林凋落物分解过程中酚类物质含量的变化规律、外源酚类物质对土壤硝化作用和酶活性的影响机理进行深入研究,为揭示土壤酚类物质在森林生态系统中的形成和作用机理、人工林地力衰退机理和人工林可持续经营管理提供科学的理论依据和实践指导。具体研究结论如下:(1)在生态系统转换的4个系统的土壤中,酚类物质的含量总体上表现出0~20cm层土壤的酚含量大于20~40cm层;且总酚的含量最大,范围为278.400~3012.976μg·g-1,复合态酚次之,范围为20.667~430.535μg·g-1,水溶性酚最小,范围为0.363~6.006μg·g-1。随着季节的变化,土壤的酚含量在不断地变化,四个季节总酚的大小顺序为3月份>9月份>12月份>6月份,复合态酚的大小顺序为3月份>9月份>6月份>12月份,总酚和复合态酚总体上呈现“高——低——高——低”变化趋势;而水溶性酚含量则总体上呈现出随着季节的变化逐渐降低的趋势。通过方差分析结果表明季节之间土壤总酚、复合态酚和水溶性酚含量均存在极显著差异,这说明土壤酚类物质具有明显的季节变化规律。(2)从土壤酚类物质各指标年均值来看,顺着生态系统转换的方向,土壤中的酚类物质(尤其是总酚和复合态酚)会出现一定的积累现象;随着杉木林人工栽植代数的增加,土壤中的酚类物质会产生一定的积累趋势,且各系统之间土壤总酚和复合态酚含量均存在显著或极显著差异,但从具体某一个季节土壤酚类物质各指标来看,并不一定会呈现这种规律性。这可能与土壤酚类物质各指标的季节变化较为明显有关。这说明具体某一个季节土壤酚类物质各指标测定值并不能全面反映出土壤酚类物质的实际状况。因此,如果要全面和科学地反映出土壤酚类物质的实际状况必须采用多季节采样分析测定。(3)从研究结果来看,各系统中能被植物所吸收的水溶性酚的浓度均较低,范围为0.364~6.006μg·g-1,并未达到能使杉木中毒的浓度(50μg·g-1)。这说明虽然多代连栽会在一定程度上造成酚类物质(尤其是总酚和复合态酚)在杉木土壤中的积累,但并不会使杉木产生中毒的现象或者说连栽造成杉木中毒的可能性很小。(4)从年均值来看,多酚氧化酶与过氧化氢酶的活性在生态系统转换的过程中表现出“高——低——高”的趋势。随着季节的变化,多酚氧化酶的活性逐渐升高,而过氧化氢酶的活性表现出先降低后升高的趋势,其最高值出现在12月份,最低值出现在6月份。(5)6个酚类物质指标的相关性分析结果表明,总酚、复合态酚与水溶性酚三者之间呈显著的正相关;多酚氧化酶活性与三种酚呈负相关,其中与水溶性酚的相关性达到了显著水平;土壤对酚的分解作用强度与复合态酚、多酚氧化酶活性、过氧化氢酶活性呈显著的正相关。根据主成分分析结果,大致可以把4种系统分成3类,第一类为天然更新常绿阔叶林,其土壤酚含量低;第二类为老龄杉木林和二代杉木萌芽天然更新林,其土壤酚含量较高;第三类为二代杉木人工林,其土壤酚含量最高。说明顺着生态系统转换的方向,或者随着杉木人工栽植代数的增加,土壤的酚类物质出现了一定的积累现象。(6)对4个系统的土壤进行检测发现,土壤中有对羟基苯甲酸、香草酸、阿魏酸的存在,而肉桂酸不存在。其中对羟基苯甲酸含量最大,大小范围为2.233~19.589μg·g-1,其中只有二代杉木人工林的20~40cm层土壤的酚含量小于5,其他的都大于5;香草酸次之,大小范围为0.912~5.683μg·g-1,其中只有天然更新常绿阔叶林的酚含量大于5,其他的都小于5;阿魏酸含量最小,大小范围为0.496~12.566μg·g-1,其中老龄杉木林的0~20cm和20~40cm层土壤的酚含量大于5,其他的都小于5。各系统土壤总体上表现出0~20cm层土壤中三种酚含量大于20~40cm层。顺着生态系统转换的方向,在0~20cm和20~40cm层土壤中,对羟基苯甲酸、阿魏酸和香草酸含量变化规律较为复杂,没有明显的一致规律性。(7)随着季节的变化,土壤对酚的分解作用强度表现出先下降再上升的趋势,其中最高值出现在12月份,最低值出现在6月份,与多酚氧化酶和过氧化氢酶的活性表现出显著的正相关,这是由于酚类物质的分解作用是在酶的参与下完成的,酶的活性高,土壤对酚的分解作用强度就大。(8)各系统乔木层的水溶性酚主要分布在枝叶上,其中天然更新常绿阔叶林根的水溶性酚含量也很大,与枝叶接近。大部分系统灌木层的水溶性酚含量随着植物器官离地面高度的增加逐渐加大,其中二代杉木人工林表现出与其他系统相反的趋势,其灌木层水溶性酚含量随着植物器官离地面高度的增加逐渐减小,这可能与二代杉木人工林的灌木层植物组成与其他系统不同有关。草本层的水溶性酚主要分布在地上部分,且地上部分的水溶性酚含量达到地下部分的2倍以上。枯枝落叶层叶部分的水溶性酚量比枝部分的高,且叶部分的水溶性酚含量达到枝部分的2倍以上,二代杉木萌芽天然更新林的阔叶树叶部分水溶性酚含量甚至达到了枝部分的9倍。(9)对杉木、楠木、木荷、格氏栲树叶凋落物单独分解60天后的水溶性酚含量研究发现,楠木的水溶性酚含量最小,为64.264μg·g-1,木荷的酚含量最大,达到877.551μg·g-1,杉木和格氏栲则居中,其水溶性含量分别为271.357μg·g-1、465.856μg·g-1。从杉木、楠木、木荷、格氏栲树叶凋落物的单独分解情况看,楠木的水溶性酚消减率最大,分解60天后,其水溶性酚的消减率达到85.104%。从楠木、木荷、格氏栲的树叶凋落物与杉木叶凋落物混合分解研究发现,当杉木与楠木的混合比例为1:3时,其分解后的水溶性酚含量明显低于纯杉木,说明用此种比例的杉木与楠木混合种植经营可有效地降低凋落物中水溶性酚的含量,从而达到降低土壤水溶性酚的含量。但是3种阔叶树与杉木混合分解之间基本上不存在显著的相互作用,其混合分解对水溶性酚不能起到有效的消减作用。(10)对常温与冷藏两种温度状态下土壤酚的自然消解速率进行研究,随着时间的推移,不管是在常温或是冷藏状态下,各系统土壤总酚、复合态酚和水溶性酚含量基本上呈现逐渐降低的趋势,说明在缺乏土壤酚类物质来源的情况下,土壤酚类物质一直处于不断分解转化的过程中。在冷藏状态下,土壤总酚的自然消解速率会比在常温状态的土壤低,说明低温抑制了土壤总酚的自然消解作用,且其与常温状态的差异达到了显著水平;温度对土壤复合态酚与水溶性酚的自然消解速率的影响不明显。不同系统土壤总酚和复合态酚的自然消解速率不同,且存在着显著的差异,而水溶性酚却不存在着显著的差异。初始总酚含量大的土壤其自然消解率也大,可以推想,如果没有另外的酚继续加入,即使原有的酚含量很高,也会很快降下来。(11)随着添加的对羟基苯甲酸、原儿茶酸浓度的增加,土壤的硝化作用表现出先增强后减弱的趋势,说明低浓度的对羟基苯甲酸、原儿茶酸会促进土壤的硝化作用,高浓度会抑制土壤硝化作用,当添加对羟基苯甲酸的浓度达到2.4μmol·ml-1、添加原儿茶酸的浓度达到0.8μmol·ml-1时,土壤的硝化作用达到最大。往土壤中添加1.6μmol·ml-1的肉桂酸、阿魏酸,会对土壤的硝化作用产生抑制的效果,且此浓度的对羟基苯甲酸、肉桂酸、阿魏酸的混合物会增强对土壤硝化作用的抑制效果,说明三种酚酸的混合物对土壤硝化作用的抑制呈现出协同效应;添加1.6μmol·ml-1的对羟基苯甲酸、肉桂酸、阿魏酸、原儿茶酸会降低土壤多酚氧化酶和过氧化氢酶的活性,而此浓度的对羟基苯甲酸、肉桂酸、阿魏酸的混合物对土壤两种酶的抑制作用不会呈现协同效应。
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