土壤酚類物質(zhì)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的響應(yīng)及其機(jī)制研究.pdf

1、酚類物質(zhì)是重要的植物次生代謝物質(zhì)之一。許多學(xué)者認(rèn)為地力衰退與酚類物質(zhì)在土壤中的積累有很大的關(guān)系。而一些學(xué)者認(rèn)為，酚類物質(zhì)并不是引起地力衰退的主要原因，相反，某些酚類物質(zhì)對(duì)植物的生長(zhǎng)具有保護(hù)作用。隨著研究的不斷深入，酚類物質(zhì)在森林生態(tài)系統(tǒng)中的作用也越來越受到人們的重視，就其對(duì)植物生長(zhǎng)起促進(jìn)作用還是會(huì)引起抑制作用的爭(zhēng)論也越來越激烈。從目前研究結(jié)果來看，植物體內(nèi)酚類物質(zhì)和酚類物質(zhì)對(duì)植物生長(zhǎng)的影響機(jī)理研究相對(duì)較多，而土壤中酚類物質(zhì)研究相對(duì)較薄弱

2、，尤其是對(duì)于酚類物質(zhì)在多代連栽林地土壤中是否存在著積累的現(xiàn)象，目前的事實(shí)證據(jù)仍不充分，還處于爭(zhēng)論之中。 森林生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換是森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)管理中的一個(gè)十分重要問題。在歷史上，中亞熱帶山地生態(tài)系統(tǒng)的自然植被基本上為天然常綠闊葉林，但由于人類的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)(如毀林開辟耕地、營(yíng)造人工林等)，大部分天然林已轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぴ耘嘤猛镜纳鷳B(tài)系統(tǒng)(如農(nóng)田、果園、茶園、經(jīng)濟(jì)林、人工林等)，呈現(xiàn)出多樣化的森林生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模式。特別是隨著我國(guó)人口的逐漸增加和

3、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，森林生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的速度和頻度越來越大，造成天然林資源急劇減少，森林生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重退化的現(xiàn)象，尤其是為了滿足木材的大量需求，人工林發(fā)展規(guī)模日益擴(kuò)大，人工林多代連栽的現(xiàn)象日益嚴(yán)重，已成為當(dāng)前森林生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模式的主要表現(xiàn)形式。 有鑒于此，本研究選擇了在南平西芹教學(xué)林場(chǎng)內(nèi)已建立的4種森林生態(tài)系統(tǒng)模式(包括天然更新常綠闊葉林模式、老齡杉木林模式、二代杉木萌芽天然更新林模式、二代杉木人工林模式)作為森林生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模式的

4、系列樣地，采用實(shí)地定位研究方法，著重對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過程中土壤酚類物質(zhì)含量、土壤多酚氧化酶活性、過氧化氫酶活性和土壤對(duì)酚類物質(zhì)的分解作用的時(shí)空變化規(guī)律，以及酚類物質(zhì)在各森林生態(tài)系統(tǒng)的喬木-灌木-草本-枯枝落葉層4個(gè)空間層次中的分布狀況進(jìn)行探討；同時(shí)采用人工模擬技術(shù)手段，對(duì)森林凋落物分解過程中酚類物質(zhì)含量的變化規(guī)律、外源酚類物質(zhì)對(duì)土壤硝化作用和酶活性的影響機(jī)理進(jìn)行深入研究，為揭示土壤酚類物質(zhì)在森林生態(tài)系統(tǒng)中的形成和作用機(jī)理、人工林地力衰

5、退機(jī)理和人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)管理提供科學(xué)的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。 具體研究結(jié)論如下： (1)在生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的4個(gè)系統(tǒng)的土壤中，酚類物質(zhì)的含量總體上表現(xiàn)出0～20cm層土壤的酚含量大于20～40cm層；且總酚的含量最大，范圍為278.400～3012.976μg·g-1，復(fù)合態(tài)酚次之，范圍為20.667～430.535μg·g-1，水溶性酚最小，范圍為0.363～6.006μg·g-1。隨著季節(jié)的變化，土壤的酚含量在不斷地變化，

6、四個(gè)季節(jié)總酚的大小順序?yàn)?月份>9月份>12月份>6月份，復(fù)合態(tài)酚的大小順序?yàn)?月份>9月份>6月份>12月份，總酚和復(fù)合態(tài)酚總體上呈現(xiàn)“高--低--高--低”變化趨勢(shì)；而水溶性酚含量則總體上呈現(xiàn)出隨著季節(jié)的變化逐漸降低的趨勢(shì)。通過方差分析結(jié)果表明季節(jié)之間土壤總酚、復(fù)合態(tài)酚和水溶性酚含量均存在極顯著差異，這說明土壤酚類物質(zhì)具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律。 (2)從土壤酚類物質(zhì)各指標(biāo)年均值來看，順著生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的方向，土壤中的酚類物質(zhì)(尤

7、其是總酚和復(fù)合態(tài)酚)會(huì)出現(xiàn)一定的積累現(xiàn)象；隨著杉木林人工栽植代數(shù)的增加，土壤中的酚類物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一定的積累趨勢(shì)，且各系統(tǒng)之間土壤總酚和復(fù)合態(tài)酚含量均存在顯著或極顯著差異，但從具體某一個(gè)季節(jié)土壤酚類物質(zhì)各指標(biāo)來看，并不一定會(huì)呈現(xiàn)這種規(guī)律性。這可能與土壤酚類物質(zhì)各指標(biāo)的季節(jié)變化較為明顯有關(guān)。這說明具體某一個(gè)季節(jié)土壤酚類物質(zhì)各指標(biāo)測(cè)定值并不能全面反映出土壤酚類物質(zhì)的實(shí)際狀況。因此，如果要全面和科學(xué)地反映出土壤酚類物質(zhì)的實(shí)際狀況必須采用多季節(jié)采樣

8、分析測(cè)定。 (3)從研究結(jié)果來看，各系統(tǒng)中能被植物所吸收的水溶性酚的濃度均較低，范圍為0.364～6.006μg·g-1，并未達(dá)到能使杉木中毒的濃度(50μg·g-1)。這說明雖然多代連栽會(huì)在一定程度上造成酚類物質(zhì)(尤其是總酚和復(fù)合態(tài)酚)在杉木土壤中的積累，但并不會(huì)使杉木產(chǎn)生中毒的現(xiàn)象或者說連栽造成杉木中毒的可能性很小。 (4)從年均值來看，多酚氧化酶與過氧化氫酶的活性在生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的過程中表現(xiàn)出“高--低--高”的趨勢(shì)

9、。隨著季節(jié)的變化，多酚氧化酶的活性逐漸升高，而過氧化氫酶的活性表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，其最高值出現(xiàn)在12月份，最低值出現(xiàn)在6月份。 (5)6個(gè)酚類物質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果表明，總酚、復(fù)合態(tài)酚與水溶性酚三者之間呈顯著的正相關(guān)；多酚氧化酶活性與三種酚呈負(fù)相關(guān)，其中與水溶性酚的相關(guān)性達(dá)到了顯著水平；土壤對(duì)酚的分解作用強(qiáng)度與復(fù)合態(tài)酚、多酚氧化酶活性、過氧化氫酶活性呈顯著的正相關(guān)。根據(jù)主成分分析結(jié)果，大致可以把4種系統(tǒng)分成3類，第一類為

10、天然更新常綠闊葉林，其土壤酚含量低；第二類為老齡杉木林和二代杉木萌芽天然更新林，其土壤酚含量較高；第三類為二代杉木人工林，其土壤酚含量最高。說明順著生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的方向，或者隨著杉木人工栽植代數(shù)的增加，土壤的酚類物質(zhì)出現(xiàn)了一定的積累現(xiàn)象。 (6)對(duì)4個(gè)系統(tǒng)的土壤進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，土壤中有對(duì)羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸的存在，而肉桂酸不存在。其中對(duì)羥基苯甲酸含量最大，大小范圍為2.233～19.589μg·g-1，其中只有二代杉木人工林的

11、20～40cm層土壤的酚含量小于5，其他的都大于5；香草酸次之，大小范圍為0.912～5.683μg·g-1，其中只有天然更新常綠闊葉林的酚含量大于5，其他的都小于5；阿魏酸含量最小，大小范圍為0.496～12.566μg·g-1，其中老齡杉木林的0～20cm和20～40cm層土壤的酚含量大于5，其他的都小于5。各系統(tǒng)土壤總體上表現(xiàn)出0～20cm層土壤中三種酚含量大于20～40cm層。順著生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的方向。在0～20cm和20～40c

12、m層土壤中，對(duì)羥基苯甲酸、阿魏酸和香草酸含量變化規(guī)律較為復(fù)雜，沒有明顯的一致規(guī)律性。 (7)隨著季節(jié)的變化，土壤對(duì)酚的分解作用強(qiáng)度表現(xiàn)出先下降再上升的趨勢(shì)，其中最高值出現(xiàn)在12月份，最低值出現(xiàn)在6月份，與多酚氧化酶和過氧化氫酶的活性表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)，這是由于酚類物質(zhì)的分解作用是在酶的參與下完成的，酶的活性高，土壤對(duì)酚的分解作用強(qiáng)度就大。 (8)各系統(tǒng)喬木層的水溶性酚主要分布在枝葉上，其中天然更新常綠闊葉林根的水溶性酚含

13、量也很大，與枝葉接近。大部分系統(tǒng)灌木層的水溶性酚含量隨著植物器官離地面高度的增加逐漸加大，其中二代杉木人工林表現(xiàn)出與其他系統(tǒng)相反的趨勢(shì)，其灌木層水溶性酚含量隨著植物器官離地面高度的增加逐漸減小，這可能與二代杉木人工林的灌木層植物組成與其他系統(tǒng)不同有關(guān)。草本層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達(dá)到地下部分的2倍以上。枯枝落葉層葉部分的水溶性酚量比枝部分的高，且葉部分的水溶性酚含量達(dá)到枝部分的2倍以上，二代杉木萌芽天然更

14、新林的闊葉樹葉部分水溶性酚含量甚至達(dá)到了枝部分的9倍。 (9)對(duì)杉木、楠木、木荷、格氏栲樹葉凋落物單獨(dú)分解60天后的水溶性酚含量研究發(fā)現(xiàn)，楠木的水溶性酚含量最小，為64.264μg·g-1，木荷的酚含量最大，達(dá)到877.551μg·g-1，杉木和格氏栲則居中，其水溶性含量分別為271.357μg·g-1、465.856μg·g-1。從杉木、楠木、木荷、格氏栲樹葉凋落物的單獨(dú)分解情況看，楠木的水溶性酚消減率最大，分解60天后，其水

15、溶性酚的消減率達(dá)到85.104％。從楠木、木荷、格氏栲的樹葉凋落物與杉木葉凋落物混合分解研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)杉木與楠木的混合比例為1：3時(shí)，其分解后的水溶性酚含量明顯低于純杉木，說明用此種比例的杉木與楠木混合種植經(jīng)營(yíng)可有效地降低凋落物中水溶性酚的含量，從而達(dá)到降低土壤水溶性酚的含量。但是3種闊葉樹與杉木混合分解之間基本上不存在顯著的相互作用，其混合分解對(duì)水溶性酚不能起到有效的消減作用。 (10)對(duì)常溫與冷藏兩種溫度狀態(tài)下土壤酚的自然消解

16、速率進(jìn)行研究，隨著時(shí)間的推移，不管是在常溫或是冷藏狀態(tài)下，各系統(tǒng)土壤總酚、復(fù)合態(tài)酚和水溶性酚含量基本上呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，說明在缺乏土壤酚類物質(zhì)來源的情況下，土壤酚類物質(zhì)一直處于不斷分解轉(zhuǎn)化的過程中。在冷藏狀態(tài)下，土壤總酚的自然消解速率會(huì)比在常溫狀態(tài)的土壤低，說明低溫抑制了土壤總酚的自然消解作用，且其與常溫狀態(tài)的差異達(dá)到了顯著水平；溫度對(duì)土壤復(fù)合態(tài)酚與水溶性酚的自然消解速率的影響不明顯。不同系統(tǒng)土壤總酚和復(fù)合態(tài)酚的自然消解速率不同，且存

17、在著顯著的差異，而水溶性酚卻不存在著顯著的差異。初始總酚含量大的土壤其自然消解率也大，可以推想，如果沒有另外的酚繼續(xù)加入，即使原有的酚含量很高，也會(huì)很快降下來。 (11)隨著添加的對(duì)羥基苯甲酸、原兒茶酸濃度的增加，土壤的硝化作用表現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)，說明低濃度的對(duì)羥基苯甲酸、原兒茶酸會(huì)促進(jìn)土壤的硝化作用，高濃度會(huì)抑制土壤硝化作用，當(dāng)添加對(duì)羥基苯甲酸的濃度達(dá)到2.4μmol·ml-1、添加原兒茶酸的濃度達(dá)到0.8μmol·ml

18、-1時(shí)，土壤的硝化作用達(dá)到最大。往土壤中添加1.6μmol·ml-1的肉桂酸、阿魏酸，會(huì)對(duì)土壤的硝化作用產(chǎn)生抑制的效果，且此濃度的對(duì)羥基苯甲酸、肉棒酸、阿魏酸的混合物會(huì)增強(qiáng)對(duì)土壤硝化作用的抑制效果，說明三種酚酸的混合物對(duì)土壤硝化作用的抑制呈現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)；添加1.6μmol·ml-1的對(duì)羥基苯甲酸、肉桂酸、阿魏酸、原兒茶酸會(huì)降低土壤多酚氧化酶和過氧化氫酶的活性，而此濃度的對(duì)羥基苯甲酸、肉桂酸、阿魏酸的混合物對(duì)土壤兩種酶的抑制作用不會(huì)呈現(xiàn)協(xié)