氮添加对亚热带森林粗木质残体五年分解过程的影响：树种差异与碳循环调控机制

《Forest Ecology and Management》：Five-year decomposition of coarse woody debris in a subtropical forest: Effects of tree species and nitrogen addition

本研究针对全球气候变化背景下树木死亡率上升导致森林粗木质残体(CWD)大量积累的科学问题，通过五年野外控制实验，揭示了亚热带森林中五种优势树种CWD分解的物种特异性差异及其对氮(N)添加的响应规律。研究发现阔叶树种分解速率最快(k=0.247-0.278 year-1)，毛竹次之(0.217 year-1)，针叶树最慢(0.016-0.062 year-1)；N添加仅对初始氮含量最低的木荷(SS)产生轻微促进作用。特别值得注意的是，仅毛竹CWD分解能显著提升土壤有机碳(SOC)储量，这对评估竹林扩张的碳循环效应具有重要科学意义。

　　

在全球气候变化导致极端气候事件频发的背景下，森林树木死亡率显著上升，产生了大量粗木质残体（Coarse Woody Debris, CWD）。这些直径大于10厘米的枯落物作为森林生态系统长期碳库的重要组成部分（占比5-18%），在碳循环和养分循环中扮演着关键角色。然而，不同树种CWD的分解速率存在显著差异，加之人类活动导致的大气氮沉降持续增加，使得准确预测CWD分解过程及其对森林碳平衡的影响成为当前生态学研究的重要挑战。

亚热带常绿阔叶林是中国主要的森林类型之一，而毛竹作为短生命周期（通常少于60年）的木质单子叶植物，其扩张趋势日益明显，导致大量枯竹秆积累林内。与此同时，中国亚热带地区是全球氮沉降的高值区，预计到2030年氮沉降量将达到63.53 kg ha^-1year^-1。在这一背景下，深入研究不同树种CWD分解过程对氮添加的响应，对于准确评估森林碳收支和制定科学管理策略具有紧迫的现实意义。

为解决上述问题，王小雨等研究人员在《Forest Ecology and Management》上发表了题为"Five-year decomposition of coarse woody debris in a subtropical forest: Effects of tree species and nitrogen addition"的研究论文。该研究通过为期五年的野外控制实验，系统探究了亚热带森林中五种优势树种（包括两种针叶树、两种阔叶树和毛竹）的CWD分解动态，及其对氮添加的响应机制。

研究团队在浙江乌石国家森林公园建立了随机控制实验，选取了马尾松(PM)、杉木(CL)、青冈(QG)、木荷(SS)和毛竹(PE)五种树种的枯落木，设置了对照（环境本底氮沉降25 kg ha^-1year^-1）和氮添加（额外添加50 kg ha^-1year^-1）两种处理。通过定期采样测定木材密度变化、木质素纤维素组分动态、土壤有机碳(SOC)和溶解性有机碳(DOC)含量等指标，系统评估了树种和氮添加对CWD分解过程的影响。

关键技术方法包括：采用水置换法测定木材密度变化；运用乙酰化法测定木质素含量，蒽酮比色法测定纤维素，酸水解法测定半纤维素；通过钾 dichromate 氧化外加热法测定碳含量，半微量凯氏定氮法测定氮含量；使用Li-Cor 8100自动土壤CO₂通量系统监测枯落木呼吸速率；并采用三因素方差分析、线性混合效应模型和主成分分析等统计方法处理数据。

3.1. 树种和氮处理对木材分解的影响

研究发现，经过五年分解，两种阔叶树（青冈和木荷）的质量损失率分别达到42.4%和40.3%，毛竹为23.3%，而两种针叶树（马尾松和杉木）的质量损失率均低于10%。分解速率常数(k值)表现为木荷(0.278 year^-1) > 青冈(0.247 year^-1) > 毛竹(0.217 year^-1) > 马尾松(0.062 year^-1) > 杉木(0.016 year^-1)。氮添加仅对木荷的分解产生轻微促进作用，对其他树种的分解速率无显著影响。

3.2. 初始木材基质质量对分解速率常数的影响

主成分分析表明，分解速率较快的树种（木荷、青冈和毛竹）具有较高的易分解木质纤维素（主要是半纤维素）和磷含量，而木质素含量和木质素磷比相对较低。木荷的初始氮含量最低（1.480 mg/g），木质素含量也最低（179.5 mg/g）；杉木的木质素含量最高（307.6 mg/g），分解速率最慢。

3.3. 分解过程中木质纤维素动态

CWD的分解主要发生在纤维素和半纤维素组分中，木质素组分几乎不分解。木荷和毛竹的纤维素分解速率最快(k=0.191-0.197 year^-1)，木荷和青冈的半纤维素分解速率最快(k=0.154-0.161 year^-1)。氮添加对所有树种的木质纤维素分解模式均无显著影响。

3.4. 木材分解对土壤SOC和DOC的影响

研究发现，仅毛竹CWD分解能显著提高土壤有机碳含量。氮添加普遍降低了土壤溶解性有机碳含量，但对土壤有机碳的影响因树种而异：氮添加显著降低了杉木下的SOC，却提高了马尾松下的SOC。

研究结论表明，树种特性（基质质量）是影响CWD分解的主要因素，而氮添加的促进作用有限且具有物种特异性。特别值得注意的是，尽管毛竹的分解速率介于阔叶树和针叶树之间，但其分解过程中碳释放以土壤碳积累为主，而非CO_{2排放，这一发现对评估竹林扩张的碳循环效应具有重要意义。}

讨论部分进一步阐明了树种间分解速率差异的机制：阔叶树分解较快源于其较高的氮磷含量、较低的木质素含量以及具有大直径导管的结构特征；而针叶树分解缓慢则与其含有较高浓度的萜烯类化合物和更致密的木质素结构有关。氮添加对分解影响有限的原因可能是亚热带森林生态系统已适应较高的本底氮沉降水平，或者高氮供应抑制了木质素降解酶的活性。

该研究的创新性在于首次系统比较了亚热带森林中针叶树、阔叶树和毛竹CWD分解的差异，并揭示了氮添加对这些过程的调控作用。研究结果为进一步完善区域尺度森林碳循环模型提供了重要参数，也为制定基于自然的气候变化解决方案（如通过树种配置优化森林碳汇功能）提供了科学依据。特别是在全球竹林面积持续扩张的背景下，明确毛竹CWD分解的碳循环特征，对于评估竹林生态系统的碳平衡和可持续管理具有重要的指导价值。