連作楊樹人工林地力衰退研究：酚酸的累積及其化感效應(yīng).pdf

1、連作人工林地力衰退是一個(gè)世界性的問題。中國(guó)是世界上人工林發(fā)展最為迅速的國(guó)家，人工林面積居世界首位，許多樹種的工業(yè)人工林由于多代連作均導(dǎo)致了嚴(yán)重的地力衰退，已經(jīng)嚴(yán)重影響到人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。人工林地力衰退機(jī)理及長(zhǎng)期生產(chǎn)力維持技術(shù)一直是林學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。近幾年，隨著化學(xué)生態(tài)學(xué)、生態(tài)毒理學(xué)、環(huán)境科學(xué)的理論和技術(shù)在人工林研究中的應(yīng)用，尤其是化感效應(yīng)研究的逐步深入，人工林化感效應(yīng)研究成為在人工林地力衰退機(jī)理研究領(lǐng)域中的新熱點(diǎn)，但仍有許多問題

2、有待于進(jìn)一步深入闡述。其中，有關(guān)化感物質(zhì)在土壤中的環(huán)境行為及其累積機(jī)制、化感物質(zhì)的產(chǎn)生條件及其逆境誘導(dǎo)機(jī)制、化感物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境后對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響等等都是亟待深入研究的問題。
　　 本研究首先針對(duì)楊樹人工林在不同連作經(jīng)營(yíng)模式下的根際效應(yīng)進(jìn)行了比較研究，發(fā)現(xiàn)楊樹人工林存在明顯的根際效應(yīng)。對(duì)楊樹人工林根際和非根際土壤的GC-MS指紋圖譜指示的有機(jī)組分進(jìn)行檢測(cè)，分別獲得96種和40種組分。在根際和非根際土壤含有的有機(jī)組分中，烷烴類最多

3、，占50％以上；其次為直鏈酸酯類，芳香族類位居第三。但根際土壤和非根際土壤有機(jī)組分的組成類別差異較大，其中芳香族類化合物的差異最大，在根際土壤中共檢測(cè)出7種芳香族化合物，而在非根際土壤中僅有2種。對(duì)楊樹根際土壤提取液進(jìn)行HPLC分析，在楊樹人工林根際土壤中共檢測(cè)到5種酚酸類物質(zhì)，酚酸總含量均高于一代林，可見酚酸物質(zhì)在連作楊樹人工林土壤中呈現(xiàn)累積趨勢(shì)。這為進(jìn)一步研究連作楊樹人工林地力衰退化感效應(yīng)問題奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。
　　 本研究針

4、對(duì)楊樹連作人工林根際土壤中5種酚酸，通過外源添加結(jié)合HPLC追蹤監(jiān)測(cè)，分析了酚酸在楊樹人工林土壤中的吸附、解吸附、滯留等環(huán)境行為學(xué)特性。結(jié)果表明，酚酸在楊樹人工林土壤中均具有較強(qiáng)的吸附能力，其中香草醛（最大吸附量Ymax=3267.85μg·g-1）、阿魏酸（Ymax=3281.581μg·g-1）和肉桂酸（Ymax=3211.80μg·g-1的吸附明顯強(qiáng)于對(duì)羥基苯甲酸（Ymax=3003.60μg·g-1和苯甲酸（Ymax=1771.

5、151μg·g-1）。在吸附初期酚酸的吸附量大，隨著土壤膠體表面吸附的酚酸分子數(shù)量的增加，吸附量隨之減少。酚酸在楊樹人工林土壤中的吸附均屬于物理吸附，在外界因素影響下可發(fā)生解吸附，香草醛、阿魏酸和肉桂酸的解吸率在90％以上而苯甲酸幾乎不能發(fā)生解吸。上述結(jié)論的獲得在一定程度上可以較好解釋酚酸在楊樹根際微域的累積機(jī)制，即對(duì)羥基苯甲酸、香草醛、阿魏酸和肉桂酸在楊樹根際土壤中較容易被吸附，且該吸附屬于可逆吸附，當(dāng)遭受淋溶后能迅速增加土壤中自由態(tài)

6、的含量，同時(shí)增加了其在土壤中的化感潛能；而苯甲酸被土壤膠體吸附后很難進(jìn)行解吸附，使其在土壤中大多以束縛態(tài)形式存在，降低了土壤中具有化感潛能的自由態(tài)的含量。此外，而由于香草醛（降解半衰期T1/2=1.66d）、阿魏酸（T1/2=1.12d）和肉桂酸（T1/2=1.29d）的易降解特性使其在土壤中的保留時(shí)間大大小于對(duì)羥基苯甲酸（T1/2=4.24d）和苯甲酸（T1/2=2.61d）。因此，應(yīng)用常規(guī)HPLC法對(duì)不同代數(shù)楊樹根際土進(jìn)行檢測(cè)時(shí)會(huì)發(fā)

7、現(xiàn)對(duì)羥基苯甲酸的含量明顯高于苯甲酸、香草醛、阿魏酸和肉桂酸。隨時(shí)間進(jìn)程酚酸在人工林地土壤中的滯留量逐漸減少，環(huán)境中的酚酸將在生物或者非生物的作用下被迅速降解，土壤中的酚酸是不能長(zhǎng)期穩(wěn)定存在的。這為進(jìn)一步探索楊樹根系分泌酚酸的機(jī)制提供了線索。
　　 本研究以水培楊樹（Populus deltoids）幼苗為試材，通過構(gòu)建N、P缺乏營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，利用大孔吸附樹脂和循環(huán)收集裝置對(duì)楊樹幼苗根系分泌物進(jìn)行了收集，對(duì)營(yíng)養(yǎng)脅迫下楊樹幼苗分泌酚酸的

8、動(dòng)態(tài)進(jìn)行了定量監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，缺N條件下楊樹根系分泌物中各酚酸的含量分別比正常培養(yǎng)條件下明顯增加，其中對(duì)羥基苯甲酸增加了125％～263％，香草醛增加了201％～316％、苯甲酸增加了230％?～332％、肉桂酸增加了138％～188％；且隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，根系分泌的各酚酸量也呈明顯增加趨勢(shì)。缺P培養(yǎng)條件下，楊樹幼苗根系分泌酚酸的量亦明顯增加，對(duì)羥基苯甲酸（25.059～29.715 ug）較正常培養(yǎng)高出96％～124％，香草醛（4.

9、67～9.172 ug）較正常高出58％～156％；苯甲酸（6.2～13.448 ug）較正常高出222％～734％；肉桂酸（6.167～13.518ug）高出正常培養(yǎng)99～328％；隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，苯甲酸和香草醛的分泌量呈明顯增加的趨勢(shì)，而苯甲酸和肉桂酸呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。這說明酚酸的釋放速率與植物面臨的營(yíng)養(yǎng)逆境密切相關(guān)，逆境脅迫具有顯著促進(jìn)楊樹根系分泌酚酸的趨勢(shì)。這為連作楊樹人工林根際土壤中酚酸的累積機(jī)制解釋提供了科學(xué)依據(jù)。

10、>　　 本研究以二代楊樹人工林土壤中酚酸的含量（X）為依據(jù)，設(shè)置CK、0.5 X、1.0X、1.5 X、2.0 X五個(gè)酚酸濃度梯度，以楊樹幼苗為試材進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)，分析了楊樹幼苗在酚酸環(huán)境中的生長(zhǎng)發(fā)育特征。研究表明，外源酚酸對(duì)楊樹幼苗根系SOD和POD活性逐漸產(chǎn)生抑制作用，引起體內(nèi)活性氧的積累和膜脂過氧化作用的發(fā)生，造成細(xì)胞丙二醛含量升高，而丙二醛能夠與蛋白質(zhì)、核酸、氨基酸等活性物質(zhì)交聯(lián)形成不溶性的化合物沉積，干擾細(xì)胞的正常生命活動(dòng)，導(dǎo)

11、致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)受到破壞和傷害，根系活力以及根系吸收轉(zhuǎn)化等生理功能受到抑制。根系生理特性的變化累積到一定程度即在根尖總數(shù)、根系長(zhǎng)度和根系表面積等根系形態(tài)特征上表現(xiàn)出來。根系吸收功能的下降對(duì)于地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)產(chǎn)生一定的影響。酚酸物質(zhì)對(duì)植物葉片的擴(kuò)展具有一定的抑制作用。酚酸導(dǎo)致葉片形狀逐漸背離圓形而偏向于狹長(zhǎng)，楊樹幼苗光合同化面積下降。酚酸還能夠顯著降低楊樹水培幼苗總?cè)~綠素和類胡蘿卜素的含量，同時(shí)能通過影響二者的相對(duì)比例對(duì)植株凈光合速率產(chǎn)生

12、影響。由于幼苗葉片形態(tài)及葉綠體色素含量在酚酸作用下產(chǎn)生了不利的變化，導(dǎo)致植株凈光合速率下降，植株對(duì)不同光強(qiáng)光輻射的綜合利用能力降低，從而影響植株的光合生理進(jìn)程及同化物質(zhì)的積累。楊樹人工林由于采用多代連作的經(jīng)營(yíng)模式，林地土壤養(yǎng)分發(fā)生明顯的降低，從而造成林地養(yǎng)分的虧缺，而酚酸物質(zhì)可以抑制植株對(duì)硝態(tài)氮等養(yǎng)分物質(zhì)的吸收利用，從而加劇植株養(yǎng)分虧缺，影響植株的生長(zhǎng)發(fā)育。以上結(jié)論的獲得初步闡明了酚酸對(duì)楊樹生長(zhǎng)發(fā)育的化感效應(yīng)，揭示了楊樹分泌酚酸的自毒作

13、用。
　　 本研究采用離子交換樹脂膜作為根系模擬器對(duì)楊樹人工林土壤在酚酸添加后養(yǎng)分有效性的變化動(dòng)態(tài)進(jìn)行了研究，并分析了其與土壤酶和微生物相關(guān)性。結(jié)果表明，酚酸對(duì)土壤養(yǎng)分有效性產(chǎn)生了巨大影響，土壤N素有效性受高濃度酚酸的制約效應(yīng)明顯，在酚酸添加后的第7d從土壤中所提取的NH4-N僅有67.62±2.31 ug·（20c㎡·6h）-1或者更少，而對(duì)照土樣可提取NH4-N高達(dá)144.214±10.60 ug·（20c㎡·6h）-1；同

14、時(shí)，NO3-N的提取量分別為24.86±1.71和33.74±4.44 ug·（20c㎡·6h）-1。土壤中P的有效性在較低濃度的酚酸環(huán)境中差異并不顯著，但高濃度酚酸對(duì)P的有效性具有一定促進(jìn)作用。K的有效性在較高濃度的酚酸環(huán)境中顯著降低。而Mn的有效性隨酚酸濃度增加呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)。高濃度酚酸對(duì)Fe、Cu的有效性具有顯著抑制。酚酸添加后，隨土樣培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，NH4-N、PO4、Mn的有效性逐漸增加，而NO3-N、K、Fe、Zn、Cu的

15、有效性顯著降低。對(duì)土壤養(yǎng)分有效性與土壤酶活性和微生物生理群的數(shù)量之間的簡(jiǎn)單相關(guān)、典型相關(guān)分析表明，脲酶、多酚氧化酶、磷酸酶三種酶與NO3-N、K、Fe、Mn等養(yǎng)分離子的轉(zhuǎn)化和供應(yīng)具有密切關(guān)系；真菌、放線菌、氨化菌、亞硝酸菌與NH4-N、NO3-N、K、Mn等養(yǎng)分離子的轉(zhuǎn)化和供應(yīng)具有密切關(guān)系。以上結(jié)論的獲得初步闡明了酚酸土壤養(yǎng)分有效性變化規(guī)律及其與土壤酶和微生物的關(guān)系。
　　 在以上研究的基礎(chǔ)上，提出了連作人工林地力衰退化感效應(yīng)機(jī)