臭氧浓度升高对沈阳市主要树种混合凋落叶分解的生态化学计量特征影响研究

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全球气候变化背景下城市区域内近地层臭氧(O3)浓度升高已日益受到人们的关注。研究表明O3浓度升高对植物生长和养分循环有潜在影响,但是对O3浓度升高下城市植物凋落物分解特征研究却结果不一,尚未有可循的规律。银杏(Ginkgo biloba)、蒙古栎(Quercus mongolica)和油松(Pinus tabuliformis)不仅是沈阳地区广泛种植的树种,其叶片抗氧化系统、次生代谢物等敏感性对高浓度O3的响应也存在差异。沈阳市区夏季O3浓度很高(约80nmol·mol-1)。本研究利用开顶箱(OTCs,Open-top chambers)模拟,采用尼龙袋分解法开展了对照(AA,背景大气)和O3浓度升高(EO,约120nmol·mol-1)下沈阳城市森林自然环境中生长的银杏、蒙古栎和油松的凋落叶按照1∶1两两混合后进行150d的分解速率及化学计量学特征的影响研究。主要结果如下:  (1)本研究中各树种凋落叶分解速率可以用负指数衰减模型较好地拟合。在分解初期(30d),O3浓度升高抑制银杏凋落叶的分解速率。而随着分解时间的延长,处理组凋落叶分解速率加快。分解结束时,O3处理促进蒙古栎、油松凋落叶的分解,干重剩余率分别显著降低9.5%和5.6%(P<0.05),半分解时间分别减少0.45a和1.91a。高浓度O3对3种混合凋落叶分解速率无显著影响(P>0.05)。与处理组相比,对照环境中凋落叶混合促进分解,表现为正效应,而在O3环境中表现为负效应。  (2)相同处理下不同树种凋落叶单独或混合分解速率存在差异。分解结束时,3个树种凋落叶的分解速率表现为银杏>蒙古栎>油松(P<0.05)。蒙古栎与油松混合凋落叶分解速率均显著低于银杏与蒙古栎和银杏与油松混合凋落叶。这种差异主要取决于凋落叶基质质量。  (3)O3浓度升高对不同树种分解过程中养分释放及化学计量学性状动态变化不一。分解结束时,O3处理促进银杏凋落叶的P、可溶性糖含量释放,C/P和N/P比值更大(P<0.05);显著降低蒙古栎凋落叶K含量,促进K的释放(P<0.05);而显著抑制油松凋落叶K的释放,抑制总酚的富集(P<0.05)。O3浓度升高对3个树种的C、N和木质素含量无明显影响。分解结束时,O3处理下促进银杏与蒙古栎混合凋落叶P、K含量释放,C/P和N/P比值更大(P<0.05);而抑制银杏与油松混合凋落叶P元素的富集(P<0.05);抑制蒙古栎与油松混合凋落叶K和缩合单宁的释放,促进总酚的富集(P<0.05)。O3浓度升高对混合凋落叶C、N和木质素含量的影响不显著。分解时间和O3交互作用对3个树种单独或混合分解的化学计量学特征均有显著影响。  (4)银杏和蒙古栎凋落叶分解速率与C、P含量、C/N比值呈负相关,与N/P比值呈正相关。油松凋落叶分解速率与C、N含量呈负相关,与P含量、C/N、C/P和N/P比值无相关性。银杏与蒙古栎和蒙古栎与油松混合凋落叶的分解速率与C、P含量、C/N比值呈负相关,与N/P比值呈正相关。银杏与油松混合凋落叶与C、N含量、C/N、C/P和N/P比值呈负相关。  (5)从不同树种凋落叶相同处理来看,分解结束时,银杏、蒙古栎凋落叶的N含量显著升高(P<0.05),而油松凋落叶的N含量变化不明显,但P含量升高,C/P和N/P比值降低(P<0.05),银杏、蒙古栎凋落叶的P净释放。银杏凋落叶的总酚含量降低,而蒙古栎和油松凋落叶的增大,其中油松的对照和处理组增幅最大分别为363.98%和345.70%。从不同混合凋落叶相同处理下来看,分解结束时,银杏与蒙古栎混合凋落叶的P含量显著升高,C/P和N/P比值降低(P<0.05)。  (6)本研究中凋落叶混合存在交互作用。银杏、蒙古栎和油松凋落叶分别按照1∶1两两混合后抑制K的释放。银杏和油松凋落叶混合后促进P元素的富集,而蒙古栎和油松凋落叶混合促进P的释放。银杏和油松凋落叶混合、蒙古栎和油松凋落叶混合促进可溶性糖和缩合单宁的释放,但对木质素的分解有一定的抑制作用。  总之,在150d的分解时间内,高浓度O3对3种混合凋落叶的分解速率无明显影响,但促进银杏、蒙古栎和油松凋落叶单独分解时的速率,不同树种间分解速率的差异主要取决于凋落叶基质质量。这将在一定程度上促进凋落物C循环。同时也会改变凋落叶分解过程中P、K等元素动态变化,改变化学计量学的C/P、N/P比值。这些研究将有助于了解全球气候变化背景下城市植物凋落物的分解过程与植物特性的关系,完善城市森林生态系统的C、N等物质循环数据,为研究城市森林生态系统物质循环过程等提供数据支持,也是当前森林生态系统对全球气候变化响应研究的重要内容。
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