張慧玲,宋新章,哀建國,江 洪,余樹全
(浙江林學(xué)院 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院,浙江 臨安311300)
紫外線-B(UV-B,290~320 nm)輻射增強是全球環(huán)境變化中十分引人注目的熱點問題之一。大量研究已經(jīng)證實,不僅在地球的兩極,整個地球平流層的臭氧都在減少。若以1980年為基準(zhǔn),1997-2000年間南半球中緯度地區(qū)臭氧層每年減少6%,北半球中緯度地區(qū)冬春季臭氧層減少4%,夏秋季減少2%,全球年平均減少約3%[1]。臭氧層的削減導(dǎo)致了太陽紫外輻射,尤其是UV-B顯著增強。據(jù)估計,UV-B輻射增強的趨勢將會至少持續(xù)到2050年[2]。過度的UV-B輻射可破壞植物細胞內(nèi)的DNA和葉綠素,削弱其光合能力,影響植物一系列的分子生物學(xué)與生理生化過程[3-4],甚至改變植株器官的碳庫分配平衡[5-7]。UV-B輻射變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響引起科學(xué)家們的廣泛關(guān)注,有關(guān)UV-B輻射增強生物效應(yīng)方面的研究已成為全球變化研究中的一個重大科學(xué)問題,成為繼全球大氣二氧化碳濃度升高對植物影響的研究之后的又一熱點領(lǐng)域[8-9]。目前,有關(guān)UV-B輻射增強對植物影響的研究多從植株形態(tài)結(jié)構(gòu)、細胞結(jié)構(gòu)、光合與呼吸系統(tǒng)、細胞保護酶與抗氧化系統(tǒng)、內(nèi)源激素與多胺代謝系統(tǒng)、紫外線接收蛋白、信號傳導(dǎo)及其調(diào)控等方面展開,還很少有研究來評估UV-B輻射對植物凋落物分解的影響[10-12]。凋落物是植物在其生長發(fā)育過程中新陳代謝的產(chǎn)物,其分解是陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換的主要途徑[13-14],在維持土壤肥力,保證植物再生長養(yǎng)分的可利用性中起著重要作用,同時對生態(tài)系統(tǒng)的碳預(yù)算也具有重要的科學(xué)意義[15]。研究UV-B輻射變化對凋落物分解的影響,對于闡述生態(tài)系統(tǒng)中凋落物的周轉(zhuǎn)、生物地球化學(xué)循環(huán)和土壤營養(yǎng)動態(tài)是極其重要的,也是當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)對全球環(huán)境變化響應(yīng)的研究中必不可少的一個重要組成部分。筆者在查閱國內(nèi)外大量文獻資料的基礎(chǔ)上,綜述了UV-B輻射變化對凋落物分解影響研究的進展,以期為國內(nèi)開展該領(lǐng)域的研究提供參考。
凋落物分解過程受到分解時照射的UV-B的直接影響和植物生長時照射的UV-B的間接影響。UV-B輻射主要通過對凋落物基質(zhì)質(zhì)量和生物因素的影響而作用于凋落物分解過程。
UV-B輻射對凋落物分解過程的直接影響主要有2種機制:一種是非生物機制,即UV-B輻射通過增加對凋落物木質(zhì)素的光降解作用而促進分解[16]。植物木質(zhì)素是土壤中難分解有機質(zhì)的主要組分,是決定凋落物分解快慢的重要基質(zhì)因素。UV-B輻射對木質(zhì)素的光降解作用可加快凋落物的分解速率。如增強UV-B輻射可以促進篤斯越橘Vaccinium uliginosum葉片[17]和歐石南Calluna vulgaris灌叢中懸鉤子Rubus chamaemorus葉片[18]的光降解。Austin等[19]對半干旱生態(tài)系統(tǒng)凋落物分解的研究表明,光降解對凋落物的分解起著主要的控制作用,UV-B輻射的減弱導(dǎo)致凋落物分解降低了33%。UV-B輻射光解木質(zhì)素及有機化合物總體上包括3個起始階段:輻射能的吸收、自由基形成、自由基與氧聯(lián)合形成過氧自由基。然后,大量的光化學(xué)反應(yīng)會改變被分解物的性質(zhì),從而促進分解[20]。用CENTURY模型檢驗UV-B輻射對木質(zhì)素降解的直接影響發(fā)現(xiàn),木質(zhì)素周轉(zhuǎn)增加25%導(dǎo)致試驗結(jié)束時余留的植物殘體中木質(zhì)素和粗纖維的數(shù)量分別比對照低64%和32%[21]。可見,UV-B輻射通過加快植物殘體中木質(zhì)素的分解速率而促進了植物殘體周轉(zhuǎn)。
另一種是生物機制,即通過改變生物分解者的群落組成和數(shù)量而直接降低了凋落物的分解速率[22-23]。大型土壤動物在生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)循環(huán)與轉(zhuǎn)化中起著重要作用。土壤動物種類、數(shù)量和生物量均與土壤中凋落物數(shù)量、含水率、pH值、有機質(zhì)含量和營養(yǎng)元素含量顯著相關(guān)[24-25]。如蚯蚓Pheretima可促進植物凋落物與土壤混合,在植物凋落物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的過程中,也發(fā)揮著重要作用。UV-B輻射可使麥田中大型土壤動物的種類和數(shù)量降低,特別是蚯蚓數(shù)量顯著下降[26]。微生物作為生態(tài)系統(tǒng)中的分解者,在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及物質(zhì)循環(huán)和能量流動中發(fā)揮著不可或缺的重要作用,尤其在土壤礦質(zhì)養(yǎng)分的循環(huán)、轉(zhuǎn)化、利用以及葉片分解方面的作用十分突出。UV-B輻射將導(dǎo)致春小麥Triticum aestivum根際土壤細菌、真菌和放線菌的數(shù)量下降并使得土壤微生物多樣性增加[27-28]。增強UV-B輻射還會直接影響到植物葉片分解真菌的生長,使篤斯越橘葉片的真菌活動顯著下降,凍土毛霉Mucor hiemalis和Truncatella truncate的移殖率明顯降低[29]。Pancotto等[23]發(fā)現(xiàn),UV-B輻射對真菌群落組成和移殖的作用所導(dǎo)致的對凋落物分解的影響顯得比光降解作用更重要。由于UV-B輻射對土壤的穿透能力通常不超過5 mm,其對土壤中分解者的影響途徑之一可能是通過對地上植物生理代謝產(chǎn)物如類黃酮、丹寧及其他根系分泌物的作用而實現(xiàn)的,但具體情形尚不清楚。
事實上,UV-B輻射影響凋落物分解過程的這2種機制的作用效果可能是相反的,因為增強的UV-B輻射加大了光降解作用但卻削弱了分解者的生物活性。而且,這2種機制作用的大小還受到凋落物品質(zhì)的調(diào)節(jié),低品質(zhì)的凋落物限制了微生物的活性,使得分解過程主要由非生物因子來驅(qū)動[23]。
在植物生長過程中,UV-B輻射能夠引起植物各部分次生化學(xué)組成和形態(tài)特征的改變,包括增加葉片的α纖維素[16]和類黃酮[30]含量、減少可溶性碳水化合物而增加可溶性氮含量[31],改變?nèi)~片厚度和面積等[17,32],進而間接地影響到其凋落后的分解過程,使分解加快或減緩。生長期接受UV-B輻射的篤斯越橘葉片的可溶性糖、鞣酸、氨、丹寧含量增加,而纖維素以及纖維素與木質(zhì)素之比降低,其中丹寧增加了9%,纖維素減少了8%[17,29],使其后的分解速率下降,這與粗纖維易被微生物分解而木質(zhì)素和丹寧等很難被微生物分解有關(guān)。增強的UV-B輻射使沙丘草地拂子茅Calamagrostis epigejos葉片的木質(zhì)素含量增加,分解速率下降[16]。Newsham等[33]將在增強UV-B輻射環(huán)境下生長了8個月的英國櫟Robur ornament的凋落葉放在自然狀態(tài)下分解了4 a,結(jié)果發(fā)現(xiàn)質(zhì)量損失率增加了17%。盡管都觀測到生長在增強UV-B輻射下的植物的凋落物具有更高的木質(zhì)素/氮比,但Cybulski等[34]發(fā)現(xiàn)這類凋落物分解得更快,而Pancotto等[10]則發(fā)現(xiàn)這類凋落物分解得更慢。增強UV-B輻射還使Populus kangdingensis葉片中吸收UV-B的化合物含量及Populus cathayana葉片中超氧化物歧化酶的活性顯著增加[35]。Zu等[36]發(fā)現(xiàn)生長在增強UV-B輻射環(huán)境下的10種小麥中有5種小麥的蛋白質(zhì)含量顯著增加,2種小麥的糖類含量顯著增加而另2種顯著降低。對增強環(huán)境下生長的春小麥的分解試驗表明,春小麥莖、根和穗的氮含量顯著增加,葉片中鎂、鐵、鋅的含量顯著增加,在其后的分解過程中,葉和莖的分解速率加快,且與難分解的可溶性蛋白含量呈顯著負相關(guān),而與易分解的可溶性蛋白和粗纖維含量呈顯著正相關(guān)[26,31,37]。張瑞恒等[38]也觀測到增強 UV-B 輻射增加了反枝莧 Amaranthus retroflexus 葉片和根莖中的木質(zhì)素和纖維素的含量。UV-B輻射還會影響到葉片的形態(tài)特征。如使落葉樹種的葉片變薄而使常綠樹種的葉片變厚[17],增加比葉質(zhì)量和葉片長度,增加葉表皮和葉肉的厚度,改變?nèi)~表面氣孔密度等[39],進而影響到其后的分解過程。
也有一些研究發(fā)現(xiàn)植物生長期間接受的UV-B輻射對凋落物的化學(xué)組成和分解沒有影響。如在UV-B輻射增強30%的環(huán)境下生長了2個生長季的蘇格蘭松Pinus sylvestris和3個生長季的挪威云杉Picea abies,其針葉中的酚醛等次生化合物含量沒有受到影響[40]。對增強UV-B輻射環(huán)境下生長了3個生長季的2種沙丘草地植物Carex arenaria和拂子茅的凋落葉歷時2 a的分解研究也表明,UV-B輻射對2種植物凋落葉的化學(xué)組成及其分解均沒有顯著影響[41]。增強UV-B輻射對歐洲越橘Vaccinium myrtillus和歐石南葉片的氮、磷、鉀含量[42]和歐石南灌叢中懸鉤子[18]葉片的分解均沒有顯著影響,對英國櫟凋落葉化學(xué)成分的影響也可以忽略不計[43]。上述研究結(jié)果之間的差異可能與試驗材料、試驗方法及試驗時間的不同有關(guān)。
UV-B輻射引起的植物各部分化學(xué)組成和形態(tài)特征的改變還將影響到其凋落后分解時分解者的群落組成和數(shù)量,進而影響其分解過程。其作用機制可能在于,增強UV-B輻射使植物體內(nèi)類苯丙氨酸氨裂解酶和苯基苯乙烯酮合成酶活性增強,導(dǎo)致類黃酮、丹寧、木質(zhì)素等次生代謝產(chǎn)物合成的量增加,這些次生代謝產(chǎn)物通過根系排出的數(shù)量可能增加,從而影響了植物與菌根和固氮細菌等根際微生物之間的共生關(guān)系,也可能對大型土壤動物的種類和數(shù)量動態(tài)產(chǎn)生重要影響[16]。Newsham等[44]觀察到英國櫟凋落葉的分解速率同葉片上的真菌數(shù)量呈密切正相關(guān),生長在增強UV-B輻射環(huán)境下的英國櫟凋落葉上發(fā)生真菌移殖的頻率大大提高了,導(dǎo)致凋落葉分解的更快,并認為這可能是由于UV-B輻射降低了葉片細胞壁中碳水化合物的活性造成的[3]。Johanson等[17]發(fā)現(xiàn),生長期接受UV-B輻射的篤斯越橘葉片,凍土毛霉移殖率降低65%,使分解速率下降。李元等[45]對生長在增強UV-B輻射環(huán)境下植物葉片上5種真菌的移殖進行了研究,結(jié)果表明5種真菌的移殖率均發(fā)生了顯著變化,其中赭綠青霉Penicillium ochroclloren和黑曲霉Aspergillus niger的移殖率隨UV-B輻射而變化的趨勢與葉、莖分解速率是一致的。但也有學(xué)者觀察到生長期接受UV-B輻射雖然降低了橡樹Quercus palustris葉片的分解速率,但對分解真菌的群落組成并無明顯影響[46]。這可能與試驗真菌種類的敏感性有關(guān)。
可見,UV-B輻射對植物凋落物分解的間接影響是通過改變凋落物的基質(zhì)品質(zhì)和物理特性,影響分解者的種類組成和活性而間接完成的。但UV-B輻射能否引起植物凋落物化學(xué)成分的變化以及變化程度大小,并進而如何影響凋落物的分解過程同凋落物的種類和分解者群落的組成有關(guān),不同的植物種類和分解者類群對UV-B輻射的敏感性和響應(yīng)程度也不同,其作用機制尚不清楚,有待于進一步研究。
在生態(tài)系統(tǒng)中,UV-B輻射影響分解過程的生態(tài)學(xué)意義在于它與營養(yǎng)周轉(zhuǎn)、土壤庫中營養(yǎng)儲量和土壤肥力有密切的聯(lián)系。UV-B輻射通過對凋落物分解的直接作用和間接作用而影響到生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)循環(huán)、初級生產(chǎn)力、碳儲量以及土壤與大氣間的碳通量[47-48]。Pancotto等[10]發(fā)現(xiàn),生長在增強UV-B輻射環(huán)境下的植物的凋落物氮的釋放減少,但磷的釋放加快了。增強UV-B輻射也顯著加快了干旱草原凋落物氮的釋放[19]。李元等[45]觀測到增強UV-B輻射環(huán)境下,麥田生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)周轉(zhuǎn)加快,并認為這可能是由小麥植株化學(xué)成分和真菌移殖率改變及分解率增加導(dǎo)致的。Moorhead等[21]對篤斯越橘的研究表明,UV-B輻射誘導(dǎo)的葉化學(xué)組分的變化以及對微生物的直接影響的聯(lián)合,將導(dǎo)致分解速率和營養(yǎng)周轉(zhuǎn)減慢,從而影響土壤肥力。這對營養(yǎng)有限的生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力的限制比UV-B輻射的直接影響更重要。在UV-B輻射下,大型土壤動物種群和根際微生物數(shù)量的降低,必然會影響到它們在物質(zhì)分解和營養(yǎng)形態(tài)轉(zhuǎn)化方面的功能,影響到植物營養(yǎng)有效性,特別是氮和磷的有效性,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)的改變,并可能間接影響到土壤有效營養(yǎng)含量及儲量[16,49]。如UV-B輻射可以降低稻田中藍菌和根瘤菌的固氮作用和熱帶豆科作物的固氮作用,抑制煙草Nicotiana tabacum,黑麥Secale cereale和大豆Glycine max對氮的吸收,增加麥田土壤有效氮、磷、鉀、鐵和交換性鎂的含量[50]。UV-B輻射還能破壞麥田系統(tǒng)中植物—土壤系統(tǒng)的輸入/輸出平衡,導(dǎo)致植物體內(nèi)氮、磷、鉀、鐵、錳、鋅等營養(yǎng)元素的積累量下降[37,51-53]。Ernst等[54]還發(fā)現(xiàn) UV-B 輻射阻礙草原灌木 Acacia tortilis 中鐵、 鎂和錳從子葉向幼苗移動以及錳、磷從老葉向幼葉運轉(zhuǎn)。
地表凋落物層對UV-B輻射的敏感性會影響它們的碳含量,并通過改變隔熱作用而提高土壤溫度,導(dǎo)致微生物活動量增加并排放更多的二氧化碳到大氣中。在增強UV-B輻射下生長的石南灌叢中篤斯越橘的葉片與取自實驗地的土壤相混使分解速率下降,分解時二氧化碳釋放量和質(zhì)量損失分別減少35%和56%[17]。由于高緯度地區(qū)的太陽UV-B輻射增加較多,這種壓力會導(dǎo)致森林增加瞬時碳排放量[55]。截至目前,關(guān)于UV-B增強對凋落物分解過程中養(yǎng)分釋放和碳循環(huán)的影響研究的很少,這方面的認識積累的不多。在今后的研究中應(yīng)重點加強這方面的研究,以更好地認識UV-B輻射變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的影響。
UV-B輻射主要通過對凋落物的直接光降解作用,對分解者種類組成、數(shù)量和活性的影響,對植物生長期間葉、莖等器官化學(xué)成分和形態(tài)的改變等途徑綜合作用于凋落物的分解過程,進而影響到生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)循環(huán)和碳平衡。
在自然生態(tài)系統(tǒng)中,植物種類的多樣性、植物與動物、植物與微生物以及生物與環(huán)境之間相互關(guān)系的復(fù)雜性,決定了植物凋落物分解對UV-B輻射響應(yīng)的復(fù)雜性,目前,尚觀測不到一致的響應(yīng)模式。從已有文獻來看,已有研究結(jié)果之間的可比性較差,甚至常常相互矛盾。這些研究結(jié)果之間的差異可能與試驗材料、試驗方法、試驗時的環(huán)境狀況、模擬UV-B輻射的強度及持續(xù)時間不同等方面有關(guān)。
植物凋落物的分解是一個長期的物理與化學(xué)綜合作用的過程,其分解規(guī)律在短期內(nèi)難以表現(xiàn)出來。已有的關(guān)于UV-B輻射對凋落物分解影響的研究時間大多是短時間尺度的,一般在2 a之內(nèi),有的甚至只有幾十天,其結(jié)果的準(zhǔn)確可靠程度尚存在不確定性,需要更長時間的試驗來檢驗。為了深入認識自然生態(tài)系統(tǒng)中UV-B輻射增強對凋落物化學(xué)組成以及之后分解的影響,在設(shè)計試驗時應(yīng)選用長期接受真實UV-B輻射劑量處理的材料,在自然的野外狀況下進行長期分解試驗。然而,從目前出版的文獻來看,還很少有研究將上述因素綜合考慮進去[41]。
土壤動物、微生物和土壤酶等分解者對凋落物的分解快慢有著重要作用。已有的研究多集中在UV-B輻射對凋落物的光降解和化學(xué)成分的改變方面,對于分解者特別是土壤酶的影響研究的很少。由于UV-B輻射穿透土壤的能力較弱,其對土壤中凋落物分解者的影響程度及作用機制仍不清楚。加強這方面的研究將有助于我們從內(nèi)在機制上闡明UV-B輻射對植物凋落物分解的影響,同時也是生態(tài)系統(tǒng)對UV-B輻射響應(yīng)的研究中不可缺少的一部分。
增強UV-B輻射的生物學(xué)效應(yīng)也開始引起中國學(xué)者的重視。西北大學(xué)的岳明等[31]、云南農(nóng)業(yè)大學(xué)的李元等[51-53]、南京信息工程大學(xué)的鄭有飛等[56]較早開始了這方面的研究。受多種因素制約,上述研究主要集中在 UV-B 輻射對農(nóng)作物如小麥[51-53]、 水稻 Oryza sativa[57-58]、 玉米 Zea mays[59]、 豆類[60]、 蔬菜[61]等的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化、代謝調(diào)控以及基因表達等方面的影響上,雖然也涉及到對部分農(nóng)作物殘體的分解和土壤動物、微生物組成及活性的影響[28,45],但總體來看還遠遠不夠,UV-B輻射對凋落物分解的影響尚未引起足夠的關(guān)注。而另一方面,中國雖然已對不同森林類型凋落物的產(chǎn)量動態(tài)及其化學(xué)組成、凋落物的分解過程及養(yǎng)分釋放等進行了較為全面的研究,基本摸清了中國主要森林類型及主要樹種的凋落物產(chǎn)量及其分解[62],也進行了一些全球環(huán)境變化如氮沉降對森林凋落物分解影響方面的試驗[63-65],但UV-B輻射對森林凋落物分解影響的研究工作還沒有開展。在未來UV-B輻射增強的全球變化背景下,中國森林生態(tài)系統(tǒng)的凋落物分解及營養(yǎng)循環(huán)將產(chǎn)生怎樣的響應(yīng),這種響應(yīng)進而會對植被的生產(chǎn)力及其碳儲量帶來怎樣的影響,對此我們還知之甚少。因此,今后應(yīng)加強UV-B輻射變化對中國植物凋落物的化學(xué)性質(zhì)及其分解、養(yǎng)分循環(huán)等方面的影響和作用機制的研究,評估UV-B輻射增強影響生態(tài)系統(tǒng)的后果,探討UV-B輻射增強背景下凋落物分解模式的改變對中國生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育、恢復(fù)和演替以及碳平衡和養(yǎng)分循環(huán)的深遠影響,為全面、深刻理解并準(zhǔn)確預(yù)估中國生態(tài)系統(tǒng)對UV-B輻射變化的響應(yīng)提供基礎(chǔ)支撐。
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