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红三叶草地土壤植物系统中矿质元素的数量特征(5)

已有 2647 次阅读 2011-12-21 12:21 |个人分类:植物化学元素生态|系统分类:论文交流|关键词:植物,元素| 植物, 元素

第四节 红三叶种群凋落物在分解过程中矿质元素的变化

   植物群落凋落物分解是草地生态系统物质循环的重要环节。红三叶的凋落物主要为叶片。叶片凋落后,由于受到物理、化学和微生物的作用,经过腐解释放,矿质元素逐渐归还给土壤。由于不同元素的溶解能力不同,所以表现出不同的变化特征。

   凋落物的养分对增加土壤肥力起重要作用。研究其分解过程,对探索草地植物群落与土壤的关系及其自肥机制,维护草地生态系统的功能,以及确保草地资源的永续利用都有重要意义。

   实验采用网袋法,尼龙网袋大小为20cm×20cm,网眼为2mm×2mm(赵吉,1992)。于l0月中旬采集生长后期的红三叶叶片,在65℃下烘干,称重。而后,每网袋装入样品l5g,共80袋;将其放在红三叶人工草地的地表。首次取样为翌年3l6日,其后大约每隔1个月取样1次,依次为4l3日、5l3日、6l2日、712日、8l2日、912日和l0l2日。每次取样l0袋,将其混合均匀,用作化学分析。

   凋落物在分解过程中,元素的变化可从其含量和重量二方面进行分析。元素含量用其占干物质的重量表示,单位为mgkg;叶片在分解过程中元素重量的变化用其残留率表示,计算式如下:

      ER(%)=[EC×DR÷l000]÷EP×100

式中,ERECDREP依次表示元素残留率(%)、元素含量(mgkg)、干物质残留量(g)和元素初始重量(mg)

1.红三叶矿质元素残留率与分解时间的函数关系

   由表5-18可见,红三叶不同矿质元素在释放过程中其残留率与时间的相关动态有所差别,可分为3种:降低型、升一降型和降一升型。前一种模式成指数方程式(y=ae-bt),其b<0;后两种模式属二次多项式(y=cx+bx+a),当b>0c<0时,呈升-降型;当b<0c>O时,为降-升型。bC绝对值愈大,表明元素残留率的升高或降低速度愈快。在22种元素中,呈指数降低型者,按其方程式中的b绝对值大小,依次为K>B>Mg>P>N CaNa>BaSr>Cu>Co>Mn。呈升-降型的元素者,按b绝对值依次为Pb>Al>Ti>Fe>Li>V>Zn;呈降-升型者依次为Cr>Ni>Moc绝对值的排序与b值基本一致。分析表明,上述元素的残留率与分解时间的相关系数均达到了显著水平。其中,Co为α=0.05ZnCr为α=0.01;其余元素均为α=0.001

18 红三叶叶片矿质元素残留率(%)与分解时间的函数关系

 

营养元素       N       P         K        Ca     Mg        Fe       Mn         Cu        Zn        B       Mo

函数类型     指数    指数     指数    指数     指数   多项式   指数      指数    多项式   指数  多项式

  a                 126.0    96.0       56.6    136.3       95.4      93.0        91.5      128.5      105.2     110.0       97.4

  b                -0.008   -0.009  -0.013  -0.008    -0.010    3.442     -0.003  -0.006    0.172   -0.0122     -0.577

  c                                                                                  -0.009                                  -0.001                     0.001

相关系数  0.975   0.997    0.973    0.945     0.950    0.920        0.905    0.923      0.848      0.981      0.934

其他元素   Na       Co         V           Sr          Ni            Pb           Al           Cr           Ba           Ti            Li

函数类型    指数    指数  多项式   指数    多项式  多项式   多项式 多项式  指数    多项式  多项式

  a                135.2   124.3      97.8     116.9      97.24        54.3       100.4     110.0      135.7       93.5        98.9

  b              -0.008   -0.005    0.174   -0.007     -0.591    18.507     5.965     -1.075     -0.007      3.862      2.615

  c                                         -0.001                  0.001    -0.046      -0.016      0.003                      -1.011   -0.007

相关系数 0.969    0.784      0.941   0.969       0.980      0.935       0.943      0.852     0.898        0.954     0.923

注:1.abc为方程式中的常数。

   2.样本数n=9,α0.001=0.898***,α0.01=0.798**,α0.05=0.666*

2.红三叶矿质元素含量与分解时间的函数关系

   从表5-19可以看出,红三叶矿质元素含量与分解时间关系的模式可分为4种:升高型、降低型、升-降型和降-升型。前两种模式为指数方程式。当b>0时,呈升高型;当b<0时,呈降低型;后两种模式属二次多项式,与残留率的动态模式相同。在叶片分解过程中,当某元素含量升高(或降低)时,表明该元素的释放速率小于(或大于)有机质的分解速率。

   研究表明,呈指数升高型者,按b绝对值大小依次有Pb>Al>FeTi>Li>VMn>Co>Ba;呈指数降低型的为B。呈升-降型的元素,按b绝对值大小均依次为N>Ca>Zn>Na>Cu;呈降-升型者,b绝对值依次为K>Mg>P>Ni>Mo>Crc绝对值的排序与b值基本一致。分析表明,在分解过程中,上述各元素含量与分解时间的相关系数均达到了显著水平(α0.05)。需要指出的是,FeCoVSrNiPbAlBaTiLi10种元素的最后一个(10月中旬)测值,明显下降。其原因,可能与此时大气和土壤环境的变化,造成上述元素溶解释放能力明显增强有关。因此,如将这一测值加入计算,其含量与分解时间便不成函数关系。

19 红三叶叶片矿质元素含量(mg/kg)与分解时间的函数关系

营养元素        N         P         K          Ca         Mg       Fe     Mn        Cu         Zn      B       Mo

函数类型 多项式 多项式  多项式 多项式 多项式  指数    指数   多项式  多项式  指数  多项式

  a                52637      3758       17534     21185     3273      272.9    92.0       13.0        46.9      29.1    0.426

  b                  99.5      -11.5       -123.3       87.0      -12.2     0.010    0.005    0.100        1.18    -0.005  -0.004

  c             -0.3590    0.0211     0.2262    -0.2564    0.0194                           -0.0002    -0.0025            0.00002

相关系数 0.867     0.969       0.986       0.766      0.809     0.957   0.944     0.727       0.684    0.926   0.960

其他元素   Na         Co        V         Sr           Ni           Pb       Al          Cr           Ba         Ti          Li

函数类型 多项式   指数   指数   指数    多项式   指数    指数    多项式    指数     指数     指数

  a                 131.9    0.654    2.03      36.7        7.16       15.1      194.5     0.202        35.4      5.05     0.294

  b                 0.337   0.004   0.005    0.001     -0.043     0.015      0.011   -0.006      0.002     0.010    0.009

  c                -0.0010                                        0.0002                              0.00003                

相关系数 0.782   0.958   0.988     0.945       0.988     0.933    0.930    0.836      0.954      0.939    0.953

注:1. abc为方程式中的常数。

   2.NPKCaMgMnCuZnBMoNaCr的样本数n=9,α0.001=0.898***,α0.01=0.798**,α0.05=0.666

     其余元素的样本数n=8,α0.001=0.925***,α0.01=0.834**,α0.05=0.707*

   下面进一步分析红三叶叶片在分解过程中,其元素残留率、元素含量与干物质残留率之间的相互关系。结果如表5-20所示。依据上述研究结果,可将红三叶叶片凋落物矿质元素的释放模式可归纳如下为3类:

   (1)以物理因子(淋溶为主)为主导型的释放模式。K属于此类。其特点为,该元素不是植物体有机物质的组分,也不是植物代谢过程中的中间产物,而是呈离子状态存在,为水溶性元素[邹邦基,1985];与微生物的分解作用关系不大。因此,红池坝地区丰富的降水和良好的土壤水分,对K这种以淋溶为主要转移方式的元素起了决定性的作用。故在矿质养元素中,K的残留量随分解时间而下降的速率最快。这与有关学者的研究结果是一致的。(Bockheim J G1986;黄建辉,1998

   (2)以生物因子(微生物为主)为主导型的模式。其特点为,此类中的营养元素通常是植物体的组分,如NPCaMgMnCuBMo。在分解过程中,元素残留率不仅随着时间的推移而降低,而且与干物质残留率成线性正相关。其他元素NaCoNiBaSr亦属此类。其中,BMgP,在分解过程中其含量与干物质残留量亦呈显著线性正相关。这表明其释放率大于有机物质的分解率,说明这3种元素易于移动,在释放中除微生物之外,淋溶亦起着重要作用。

   关于Mg释放的主导因子,在文献中有不同见解,有的学者认为主要与淋溶有关(Dziadowiec H (1987);有的认为主要是微生物起作用(Staaf H.1982)。此外,在上述研究结果中,与Lousier et al.1978)认为Ca的释放主要是微生物起作用的研究结果相一致;但与Gosz J R1973)认为引起Cu释放的主要因子为淋溶的观点有所不同。形成上述不同看法的原因可能与实验环境条件有关。

   (3)以化学因子为主导型的模式。属于这一类的有FeZnVPbAlTiLi其特点是,元素残留率与有机质分解时间的关系为升-降型,即分解前期元素残留率有所升高;而且,元素含量不随分解时间的后移而降低,通常呈指数升高型。其升高原因,可能是由于在分解过程中有些腐植质成分强烈结合金属元素的离子,形成稳定型很大的金属-有机复合物(螯合物),而使之成为有机环状结构的一部分所致。(袁可能1983詹尼 H1988

20 红三叶叶片在分解过程中元素含量、元素残留率与干物质残留率之间的相关性

        元素含量与元素残留率              元素含量与干物质残留率            元素残留率与干物质残留率

         函数类型 相关线类型      R        函数类型 相关线类型       R         函数类型   相关线类型      R

N       多项式      -降型     0.782*      多项式        -降型        0.725*        线性           降低型     .999***

P         线性          降低型    0.943***     线性           降低型     0.920***        线性           降低型    0.993***

K        线性          降低型    1.000***     线性            降低型      0.951***       线性           降低型      0.951

Ca    多项式      -降型      0.705*      不相关                                                    线性           降低型    0.994***

Mg     线性         降低型    0.862**        线性            降低型       0.817**        线性            降低型    0.980***

Fe     多项式     -降型    0.767*        不相关                                                 多项式          -降型    0.832**

Mn   不相关                                            乘幂             升高型    -0.965***       线性            降低型     0.966***

Zn    不相关                                            不相关                                                多项式         -降型    0.879**

Cu   多项式    -降型   0.724*           线性            升高型       -0.702*         线性            降低型    0.962***

B       线性           降低型   0.959***     线性             降低型    0.973***         线性            降低型    0.979***

Mo  不相关                                             对数             升高型     0.810**          线性             降低型    0.887**

Na   多项式       -降型   0.863**      多项式        -降型   0.817**          线性             降低型    0.982***

Co   不相关                                           不相关                                                    线性             降低型    0.929***

V    多项式       -降型  0.900***    不相关                                                   多项式          -降型   0.883**

Sr   不相关                                           不相关                                                     线性             降低型    0.997***

Ni   不相关                                           不相关                                                    线性              降低型    0.974***

Pb   指数           降低型    0.753*        线性           升高型        0.696*          多项式           -降型   0.854**

Al   多项式    -降型  0.847**    不相关                                                   多项式            -降型   0.887**

Cr   线性            降低型   0.840**    多项式     -升型       0.691*          多项式             -升型   0.671*

Ba  不相关                                        不相关                                                     线性                降低型    0.984***

Ti   多项式       -降型   0.813**   不相关                                                    多项式           -降型   0.870**

Li   多项式       -降型    0.731*    不相关                                                    多项式            -降型   0.859**

     以微生物分解占主导因子的营养元素,即NPCaMgMnCuBMo,通常用C与元素含量的比值作为元素释放的阈值。有关研究表明,在不同地区,利用不同植物进行研究,其C/元素含量比的阈值不同(Gosz J R,1973Lousier J D et al1978WANG Li-Xin et al2003)。利用拟合公式的计算结果指出,红三叶的CNCPCCaCMgCMnCBCMo的阈值依次为Il1883735181866100l079700,均大于其相应的初始值。因此,在实验之初,便开始释放,所以其相关线类型便形成了指数降低型或降-升型。

3.红三叶叶片在分解过程中矿质元素之间的相关矩阵

3.1红三叶叶片在分解过程中矿质元素残留率的相关矩阵

   由表5-21可知,在231对元素中,有115对相关性显著,占总元素对的49.8%。其中,极显著显著(α0.001)者占37.2%,相当显著(α=0.01)者占9.1%,较显著(α=0.05)者占3.5%。在呈显著相关的115对的元素中,有110对为正相关,其中,与NPKCaMgMnCuBMoNaCoSrNiBa相关者较多,在13对以上;与FeZnVPbAlTiLi相关者较少,在6对以下。呈显著负相关者只有5对,皆与Cr有关。虽然FePbAlTiLi与多数元素也成负相关,但大都不显著。

3.2红三叶叶片在分解过程中矿质元素含量的相关矩阵

   由表5-22可见,在231对元素中,有85对相关性显著,占总元素对的36.8%。其中,极显著(α0.001)者占21.2%,相当显著(α=0.01)者占6.5%,较显著(α=0.05)者占9.1%。在呈显著相关的85对的元素中,有73对为正相关,其中,与FeCuZnCoVSrPbAlBaTiLi相关者较多,在10对以上;与NPKCaMgMoBMoNaNiCr相关者较少,在6对以下。呈显著负相关者有12对,其中,与P相关者最多,为7对,其次为N,3对。虽然KMnBCr与多数元素亦成负相关,但一般不显著。

21 红三叶叶片分解过程中矿质元素残留率的相关矩阵

     N       P      K     Ca     Mg     Fe    Mn     Cu     Zn     B     Mo     Na    Co     V     Sr     Ni    Pb   Al   Cr    Ba     Ti    Li

N   1.000    ***    ***   ***    ***          ***    ***           ***    **    ***    ***         ***     ***                   ***    

P   0.986  1.000   ***   ***    ***          ***     ***          ***    ***   ***    ***         ***     ***                   ***

K   0.938   0.979  1.000  ***    ***          ***     **           ***    ***   **     **          ***     ***   *               ***

Ca  0.998   0.974  0.915 1.000   ***          ***     ***          ***     **   ***    ***    *    ***     ***                   ***

Mg  0.971   0.996  0.991 0.955  1.000         ***     ***          ***    ***   ***    **          ***     ***                   ***

Fe  -0.230 -0.367 -0.491 -0.168 -0.396 1.000                                                                     ***  ***  -***        ***    ***

Mn  0.961   0.961  0.905  0.955  0.939 -0.336 1.000   ***          ***    **    ***    **           ***     ***                  ***

Cu  0.972   0.924  0.841  0.984  0.895 -0.026  0.908 1.000   *      **     *    ***    ***    *     ***     ***                  ***

Zn  0.590   0.485  0.322  0.632  0.439  0.500  0.592 0.690 1.000                 *           **                                                  

B   0.970   0.995  0.994  0.954  0.999 -0.414  0.939 0.892 0.418  1.000   ***   ***    **           ***     ***                  ***  

Mo  0.867   0.922  0.954  0.848  0.946 -0.466  0.855 0.766 0.284  0.954  1.000   **    **           **      ***                 **  

Na  0.986   0.958  0.882  0.991  0.933 -0.143  0.969  0.979 0.690 0.928  0.826 1.000   ***    *     ***     ***                  ***

Co  0.938   0.901  0.845  0.951  0.893  0.037  0.842  0.959  0.652 0.886 0.827 0.933  1.000   **    ***     ***                   ***  

V   0.641   0.524  0.391  0.688  0.490  0.594  0.524  0.780  0.854  0.476 0.371 0.698 0.814  1.000                                 *

Sr  0.999   0.982  0.932  0.999  0.967 -0.200  0.955  0.977  0.607  0.965 0.861  0.986 0.947 0.664 1.000    ***                   ***

Ni  0.966   0.989  0.990  0.952  0.996 -0.369  0.917  0.898  0.416  0.996 0.951  0.923 0.911 0.512 0.964  1.000                  ***    

Pb  -0.462  -0.582-0.677 -0.406 -0.608  0.921 -0.573 -0.250  0.187 -0.622 -0.640 -0.390-0.201  0.349 -0.436 -0.571 1.000 *** -**      ***  **

Al  -0.244 -0.386 -0.523 -0.181 -0.424  0.991 -0.327 -0.037  0.517 -0.440 -0.499 -0.144 0.002 0.577 -0.217 -0.403 0.911 1.000 -**      ***  ***

Cr 0.143 0.265  0.352 0.085 0.279 -0.898  0.285 -0.045 -0.385  0.293  0.321 0.100 -0.136 -0.592 0.111  0.235 -0.874 -0.855 1.000     -**    -**

Ba 0.990  0.961 0.898 0.996 0.943 -0.103  0.937  0.987 0.663  0.940 0.842  0.987  0.971 0.737 0.994  0.944 -0.352 -0.119 0.023 1.000

Ta -0.191 -0.336 -0.469 -0.127 -0.373 0.987 -0.288 0.019 0.511 -0.386 -0.437 -0.099 0.069 0.625 -0.164 -0.344 0.912 0.991-0.893 -0.063 1.000 ***

Li-0.139 -0.281 -0.423 -0.075 -0.317 0.991 -0.228 0.067 0.600 -0.336 -0.398 -0.038 0.114 0.661 -0.109 -0.297 0.882 0.991 -0.872 -0.011 0.987 1.000

注:样本数n=9,α0.001=0.0.898***,α0.01=0.798**,α0.05=0.666*

22 红三叶叶片分解过程中矿质元素含量的相关矩阵

    N      P      K      Ca    Mg     Fe    Mn    Cu    Zn    B    Mo     Na     Co     V     Sr     Ni    Pb     Al    Cr    Ba    Ti     Li

N  1.000                  ***               -***                   -**      *                                           -***

P -0.035  1.000   ***           *      -*          -*          **                       -*                  -*     -*                -*      -*

K  0.093 0.923 1.000          **                             ***

Ca 0.911 -0.328 -0.182 1.000                -*            *                 *                   *                        -**   **     *

Mg0.380   0.745  0.845 0.238  1.000                            **

Fe0.294  -0.688 -0.547 0.617 -0.086  1.000         ***    ***                      ***   ***   ***          ***     ***         ***  ***    ***

Mn-0.918 -0.321 -0.422-0.732 -0.605  0.016 1.000                *     ***                                                 ***

Cu 0.179 -0.743 -0.646 0.503 -0.244  0.955 0.130 1.000    *                        ***   ***    ***          ***     ***       **    ***    ***

Zn 0.383 -0.623 -0.609 0.668 -0.129  0.850-0.067 0.744 1.000                        *     **    **            *      **        **     **     **

B  0.396  0.845  0.929 0.117  0.867 -0.467 0.682 -0.621 -0.415 1.000

Mo-0.822 -0.281 -0.282-0.558 -0.304  0.266 0.885 0.309  0.070 -0.538 1.000                                                  *

Na 0.679 -0.123 -0.236 0.707  0.128 0.309 -0.595 0.224  0.591  0.080 -0.532 1.000

Co 0.182 -0.590 -0.426 0.509 0.011 0.974  0.078 0.926  0.750 -0.400  0.392 0.196 1.000 ***   ***      *    ***     ***        **    ***   ***

V 0.325 -0.687 -0.533 0.641 -0.074 0.997 -0.020  0.944  0.844 -0.439  0.241  0.333  0.974 1.000 ***          ***    ***         ***   ***   ***

Sr0.432 -0.593 -0.450 0.711  0.011 0.958 -0.126 0.906  0.848 -0.341 0.087 0.338 0.910 0.952 1.000        **     ***        ***   ***  ***

Ni0.143 0.019  0.225  0.325 0.572  0.651 -0.107  0.556  0.345  0.160  0.324 -0.027  0.776 0.653 0.635 1.000

Pb0.086-0.715 -0.596 0.442 -0.191  0.960 0.203 0.979  0.737  -0.601   0.430  0.130  0.956 0.946 0.889 0.634 1.000   ***          *   ***   ***

Al0.342 -0.714 -0.578 0.652-0.117  0.995-0.022 0.944 0.868 -0.470  0.214  0.373  0.957  0.997 0.949  0.600  0.937 1.000         ***  ***   ***

Cr-0.942-0.052 -0.190-0.895-0.491 -0.247 0.930-0.116-0.334 -0.482  0.768 -0.640 -0.162 -0.277-0.374 -0.209 -0.071-0.278 1.000

Ba0.615 -0.536 -0.355 0.850 0.131 0.917 -0.353 0.805 0.835 -0.160 -0.070  0.528  0.874  0.935 0.927  0.628 0.788 0.934 -0.574  .000   ***   ***

Ta0.379 -0.731-0.573  0.692-0.116 0.987-0.065 0.928  0.859 -0.447 0.178  0.376  0.945  0.993  0.942 0.586  0.926 0.994-0.335  0.947 1.000 ***

Li0.317-0.693 -0.562  0.639-0.092 0.999-0.006 0.949 0.871 -0.466  0.240 0.355  0.966  0.997  0.956 0.628  0.950 0.997 -0.269 0.927 0.991  1.000

注:样本数n=9,α0.001=0.0.898***,α0.01=0.798**,α0.05=0.666*


参考文献

[1]黄建辉,陈灵芝,韩建国.辽东栎枝条分解过程中几种主要营养元素的变化[J].植物生态学报,1998 22 (5)398-    402

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[3]赵吉,廖仰南,张桂枝.羊草和大针茅不同物候期植株的分解及其主要营养元素的转化[A].草原生态系统研究

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[10]WANG Li-XinWANG Jin and HUANG Jian-HuiComparison of major nutrient release patterns of Quercus liaotungensis leaf litter decomposition in different climatic zones[J]Acta Botanica Sinica200345(4)399-407

(参加本项研究工作的还有:钟华平、孙庆国、李继由)



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