佳文赏析 | 光降解对温带林窗和林下凋落物分解的贡献

导读

凋落物分解决定了碳（C）向大气的回流和生态系统养分循环，是陆地生态系统中的碳平衡的关键一环。太阳为光合作用提供了能量，以支持大多数陆地生态系统中的生态系统功能。除此之外，太阳辐射还可以通过复杂的大分子（如，木质素）的光化学矿化作用直接分解有机物，这些大分子能够吸收紫外线（UV）和短波长可见光，从而产生较小的有机化合物，即光降解作用。为了量化这种变化的影响，作者使用光谱衰减过滤器处理方法在温带落叶林内及其林窗下进行了凋落物分解实验。

本文编辑：徐侠课题组徐侠 | 南京林业大学，教授，Global Change Biology编委（2017-2020）研究方向：全球变化生物学、土壤生态学、生物地球化学

▉  原文信息

▉  正文

实验在林窗和林下两种场地中进行，通过制作具有不同滤光片的凋落物分解盒对选取的12种物种进行了6种不同的光降解处理（图1a）。作者通过不同的滤光片来控制光的输入，一共进行了6种滤光处理：（1）全光谱，（2）无中波紫外线（No-UV-B）；（3）无紫外线（No-UV）；（4）无紫外线/蓝光；（5）无紫外线/蓝绿光；（6）黑暗。通过对太阳光谱的过滤处理，从而量化主要的光谱分区（中波紫外线（UV-B）、长波紫外线（UV-A）、蓝光、绿光和红光）在光降解作用中的贡献。作者假设：光降解加速了温带森林生态系统中凋落物的分解；（1）光降解的作用在林窗中比在林下更大，在林下由于夏季林冠遮蔽，累积辐照度低得多；（2）短波可见光中被小分子强烈吸收并对光谱辐照度贡献最大的那些区域（即蓝光和绿光）将主要驱动光降解；（3）凋落物的初始特性，如木质素和酚类物质的含量，可以预测不同物种间光降解的差异。

图1 野外试验旨在测试光降解对温带落叶林凋落物分解的重要性。（a）林下和（b）林隙样地照片；（c）不同辐射处理的定制凋落物箱中，2018年6月3日正午晴空光谱光辐照比较：(1) > 280nm（全光谱）；(2) > 315 nm（无短波紫外线）；(3) > 400nm（无紫外线）；(4) > 500 nm（无紫外/蓝光）；(5) > 580 nm（无紫外线/蓝光、绿光）；(6)无光（暗）；（d）林下和（e）林隙的累积辐照度，超过8个月的分解实验（2018年4-12月）；（f）在8个月的时间里，每一次滤光处理的一个研究物种的清洁的、风干的凋落物照片。

▉  结果

实验结果表明，在温带森林生态系统中，光降解在驱动表面凋落物分解中起着关键作用。各光谱区域的相对重要性严格依赖于冠层的开放程度，这也直接决定了到达凋落物表面的辐射量。所有处理的平均质量损失在林窗中为58%，在林下为53%（图2a），在林窗中，接收全光谱的凋落物质量损失最快（图2b）。作者计算了每次取样时质量损失的光谱响应比，以量化光谱区域对光降解的相对影响。结果表明，光降解对质量损失的影响在林下很小，但在林窗中很明显（图2c）。并且，与其他光谱区域相比，蓝光的影响很大。

图2 太阳光谱区驱动森林林窗和林下凋落物质量损失的差异。（a）在森林下层和林窗的六个过滤处理中，暴露于太阳辐射的12个物种（集合）的叶凋落物的有机质量损失。（b）林下和林窗内12种植物凋落叶对过滤处理的有机干物质损失的成对比较。（c）质量损失RR（质量损失）对光谱区域（全光谱、UV-B、UV-A、蓝色、绿色、红色）的响应比，计算为8个月分解期间成对光谱处理之间的质量损失比。

在林隙中，暴露在全光谱的阳光下，各种物种的凋落物分解率接近120%（图3c），这一结果表明当森林覆盖面积的减少使凋落物暴露在更强的太阳辐照下时，光降解有可能在更大的林窗出现后增加森林地面的落叶周转（图5）。

图3 冠层开放度和植物生长形式改变了太阳辐射对分解速率的重要性。（a）每种光处理的林下和林窗之间的1:1k值线。（b）k值RR（k）对光谱区域的响应比率，计算为功能组级别的成对光谱处理之间的k值比率。（c）样地水平下的RR（k）。

凋落物中木质素和酚类化合物的初始含量被认为是光降解对分解相对影响的最强预测因子。研究发现初始木质素含量是林窗中光降解的最强预测因子，但在林下则不是。这种关系存在于除UV-B和红光以外的所有光谱区的林隙中，这表明木质素含量高的凋落物最容易被UV-A、蓝光和绿光降解（图4a）。

图4 凋落物的初始木质素和总酚含量预测光降解。（a）初始木质素含量与林隙中光谱对比度的k值响应率之间的相关性。（b）初始总酚含量与林下和林窗中k值对UV-B的响应比之间的正相关和负相关。

图5 当林窗产生时，光降解在生态系统水平上增加了分解叶凋落物释放的碳量。年凋落物量（绿色），在有（黄色）或无（灰色）光降解效应的情况下，模拟了1年腐烂后落叶碳的损失量。

酚类物质也可能具有影响凋落物分解的双重作用，它们在林下和林窗中UV-B的光降解作用呈现了相反的关系（图4）。在生态系统水平上，凋落物在林窗内暴露了一年显著的减少了森林土壤的C保留和再循环利用（图5）。我们的结果表明，当林冠中的间隙打开时，光降解作用超过了温度和湿度的作用，成为树叶凋落物分解的驱动力。我们的研究强调了光降解的相关作用，这可能解释了为什么全球陆地生态系统中的经验模型低估了碳和养分循环。因此，更好地理解阳光如何控制各种生态系统中的碳和养分动态，对于准确评估生物地球化学循环如何应对气候变化至关重要。

▉  结论

研究表明，受凋落物质量调节的光降解是分解的重要驱动力，并且这种现象不仅在干旱地区出现，而且在温带生态系统，如林窗开放后的温带落叶森林。

转载自Wiley生态环境

经原公众号授权转载

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原文标题：New Phytologist | 光降解对温带林窗和林下凋落物分解的贡献

图文编辑：胡木兰

责任编辑：张英浩

审编：鲁嘉颐 

终审： 顾伟男   田巍   梁龙武

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