1 引言
凋落物水溶性碳隨著溪流水體流動的淋失過程不僅是森林生態系統碳流失和生態系統碳循環的重要形式，而且也是水域生態系統重要的能量與物質來源，影響下游水體環境的重要原因之一.由于大量發生在秋末的凋落物往往具有豐富的可溶性組分，冬季成為凋落物水溶性碳流失的重要階段.高山森林冬季環境特征的改變對森林生態系統過程具有重要影響，季節性雪被的形成及融化過程將直接影響到森林溪流水體環境，同時作用于水生分解者類群，這必將對溪流凋落物水溶性碳等可溶性組分的流失產生重要影響.凍結初期，大量新鮮凋落葉輸入溪流，受到強烈的淋溶作用，水溶性碳可能快速流失;隨著溫度降低，凍結期較低的溫度極大地限制溪流水生生物的活性，影響凋落物水溶性碳的流失;春季隨著溫度的增加，冰雪消融，相對于冬季水溫較低甚至結冰的環境條件，春季溪流水環境相對改善，更有利于水生生物的存活，但前期大量流失的可溶性組分使得融化期凋落物水溶性碳含量變化并不確定.同時，與河流相比，森林溪流水量與流速較小，但相較于水流緩慢的河岸帶，溪流水體對凋落物的沖刷作用將加快葉片破碎從而促進凋落物的分解;與林下生境相比，雖然森林地表降水或雪被融化也有助于可溶性組分的釋放，但水體環境中水溶性碳的流失可能更為顯著.然而，已有的研究極少關注高山森林溪流、河流及河岸帶生態系統中凋落物水溶性碳含量變化.可見，高山森林溪流冬季不同關鍵時期凋落葉分解過程中水溶性碳含量的變化過程仍不清楚，極大地限制了對森林-水體連續體能量與物質生態聯系的理解.
川西高山森林是生物多樣性保育的核心區域，岷江上游更是長江流域最重要的水源涵養地之一.森林溪流凋落物分解過程中水溶性碳含量的變化不僅是森林生態系統物質與能量流動的重要組成內容，而且將影響到整個流域的碳循環過程和下游水體環境，但缺乏應有的關注.因此，本文以該區域典型灌木(高山杜鵑和康定柳)和喬木落葉為研究對象，采用凋落物分解袋法，研究了冬季不同時期岷江上游高山森林溪流、河流、河岸帶以及林下生境4種凋落葉分解過程中水溶性碳及可溶性組分含量的動態變化特征，以期為高山森林陸地與水域環境間的生態聯系以及高山森林能量流動與物質循環提供一定的基礎數據.
2 材料與方法
2.1 研究區域概況
研究區域位于四川省阿壩州理縣畢棚溝風景區(102°53′~102°57′E，31°14′~31°19′N，海拔2458~4619 m)，地處青藏高原東緣與四川盆地的過渡帶，是岷江上游的典型地帶.該區域年均氣溫2~4 ℃，最高氣溫(7月)23 ℃，最低氣溫(1月)-18 ℃，年降水量約850 mm，降雨多集中在6- 9月.冬季地表有季節性雪被覆蓋導致土壤季節性凍結，凍結期長達5~6個月，且初凍和初融期間有明顯的凍融循環.本實驗研究點位于海拔3586 m典型高山森林，喬木層主要為方枝柏和四川紅杉，樹齡約120 a;林下灌木主要有康定柳、高山杜鵑、紅毛花楸(Sorbus rufopilosa)和三顆針(Serberis sargentiana)等;草本植物主要有高山冷蕨(Cystopteris montana)、蟹甲草(Cacalia spp.)和莎草屬(Cyperus)植物等(何偉等，2013;茍小林等，2014).
2.2 實驗設計和樣品處理
樣地選擇在四川省理縣畢棚溝海拔3586 m處.于2013年10月初在研究區域內收集新鮮的康定柳、高山杜鵑、方枝柏和四川紅杉凋落葉，帶回實驗室自然風干.每種凋落葉準確稱取風干樣10 g裝入20 cm×20 cm、孔徑為0.5 mm的尼龍網凋落葉袋.冬季采樣3次，涉及4個物種，4種生境(河流、溪流、河岸帶和林下)，每種生境設置3個重復樣地，因此共制備凋落葉袋144(3×4×4×3)袋.
高山森林河流水量較大，水流湍急，冬季水量有所減少但依然對凋落葉具有一定的沖刷作用;溪流水量雖小，冬季只有表層結冰甚至不結冰，保持了一定的流量;河岸帶雖水流緩慢，但水流的移動依然會對凋落葉分解造成一定的影響，從而使水環境中凋落葉的分解有別于森林地表.為了解冬季溪流凋落葉水溶性碳的變化特征，基于前期調查結果，于2013年11月13日在研究區選取1條主河道、3條典型高山森林溪流及3個河岸帶放置凋落葉袋，以林下作對照，設置3個重復.在河流及林下生境中，各自隨機選取3個環境條件基本一致、相距較遠且自然凋落物分布較為集中的埋樣點，每條溪流及河岸帶則各自單獨作為一個埋樣點.在林下生境中，將凋落葉袋平鋪于各樣方內的土壤表面，袋間距至少2 cm.分別放置于河流、溪流及河岸帶中的凋落葉袋，用尼龍繩系好后再用不銹鋼管將繩頭固定于沿岸，防止凋落葉袋被水沖走.每個樣段分別放置不同物種的凋落葉袋各3袋.樣品放置后，分別在每個生境任一埋樣點內隨機選取兩個凋落葉物袋，標記后各放置1個紐扣式溫度計(iButton DS1923-F5，Maxim/Dallas Semiconductor，Sunnyvale，USA)，同步記錄凋落葉袋內的溫度變化情況.同時，在沿岸放置1個溫度計測定空氣溫度，每2 h自動記錄1次溫度數據(圖 1).
?圖1 2013年11月13日至2014年4月24日研究樣地大氣溫度和不同生境下凋落葉袋內溫度動態
為了解凋落葉在冬季各時期的分解特征，分別于凍結初期(pre-freezing period，PP)、凍結期(freezing period，FP)和融化期(thawing period，TP)內(即2013年12月23日、2014年3月10日和2014年4月24日)進行采樣，每次采樣在各生境隨機采集不同物種凋落袋各3袋，帶回實驗室自然風干后，去除凋落葉表面的泥沙，于烘箱65 ℃烘干至恒重后粉碎，過60目篩后裝入封口袋中備用.
2.3 水環境因子分析
每次采樣時均測定河流、溪流和河岸帶水體環境因子特征.水流的電導率(conductivity; HI 98311，Hanna instruments，Woonsocket，RI，USA)、pH(pH 320，WTW GmbH，Weilheim，Germany)和流速(flow velocity)(Martin Marten Z30，Current Meter)在每次采樣時即時測定.用聚乙烯塑料瓶采集水樣，帶回實驗室后及時用0.7 μm孔徑的玻璃纖維濾器(GF/F glass fibre filter; Whatman International，Florham Park，NJ，USA)過濾備用.銨態氮(NH4+-N)和硝態氮(NO3--N)含量采用離子色譜(ICS-90，Dionex Corp.，Sunnyvale，CA，YSA)測定，碳酸氫根(HCO32-)含量采用雙指示劑中和法測定，磷酸根(PO43-)含量采用紫外分光光度計(UV-2600，Unico Instruments Co.，Ltd.，Shanghai，China)測定(表 2).
2.4 水溶性碳和可溶性組分的測定
凋落葉水溶性碳含量的測定：精確稱取0.50 g干樣，加入150 mL錐形瓶中，再往錐形瓶中加入40 mL蒸餾水，常溫下震蕩30 min，將震蕩后的液體離心，過0.45 μm濾膜，即得待測液，使用TOC分析儀測定水溶性碳含量(Uselman et al., 2012).
凋落葉可溶性組分含量的測定：利用三氯甲烷進行索氏提取去除非極性組分，再利用蒸餾水水浴加熱去除可溶性組分，通過計算質量差值對可溶性組分進行定量分析.具體操作為：取干樣1.00 g，放入干燥折疊濾紙套中，用150 mL三氯甲烷于80 ℃提取約3 h，至提取溶劑為無色即可，稱濾紙包重量.將提取后的樣品從濾紙套轉移至150 mL錐形瓶中，繼續用100 mL蒸餾水于80 ℃水浴提取1 h，用傾瀉法經已恒量的1G2玻璃濾器過濾，洗滌至無色，吸干濾液，于105 ℃烘干至恒重并稱量.
2.5 數據處理與統計分析
數據統計和分析采用SPSS20.0完成，圖表均采用Excel2003繪制.用單因素方差分析(one-way ANOVA)比較不同物種凋落葉初始組分含量以及同時期4物種在不同生境下水溶性碳及可溶性組分含量;用雙因素方差分析(two-way ANOVA)多重比較不同生境和物種及其相互作用對凋落物水溶性碳和可溶性組分含量的影響;用Pearson相關分析比較各關鍵期的水溶性碳和可溶性組分含量與環境因子之間的相關關系(α=0.05).
3 結果
3.1 凋落葉初始基質質量
4種凋落葉之間水溶性碳和可溶性組分初始含量差異顯著(表 1)，其余初始基質質量，包括水溶性氮、水溶性磷以及全碳、全氮、全磷含量，雖然有2種凋落葉之間差異不顯著的情況，但總體來看，不同物種之間初始基質質量差異顯著.
表1 4種凋落葉初始基質質量以及相應比值(平均值±標準偏差，n=3)
?3.2 溫度與水環境因子動態及水溶性碳和可溶性組分含量與環境因子的相關分析
冬季3個關鍵時期內，河流、溪流和河岸帶生境中溫度波動小(圖 1)，日均溫變化平穩，且幾乎都高于0 ℃;林下與空氣中溫度波動大，且凍結初期與凍結期溫度均低于0 ℃.水溶性碳、可溶性組分含量與溫度及水環境因子(表 2)的相關分析表明，高山森林凋落葉分解過程中水溶性碳和可溶性組分含量均與平均溫度、正積溫、負積溫以及流速呈極顯著負相關關系(表 3)，此外，電導率、HCO3-和pH等水環境特征也會對水溶性碳和可溶性組分含量的變化產生影響.
表2 研究區水流物理化學特征
表3 高山森林凋落葉分解過程中水溶性碳、可溶性組分含量與溫度及水環境因子的Pearson相關分析
?3.3 水溶性碳含量
水流顯著影響著高山森林凍結初期、凍結期和融化期凋落葉分解過程中水溶性碳含量，但不同物種對水流響應存在明顯差異(表 4).在冬季的分解過程中，高山森林4種凋落葉水溶性碳含量在各關鍵時期總體表現出一致的規律：河流<溪流<河岸帶<林下.在水流影響下，凋落葉水溶性碳含量除林下外在其余生境下均呈現降低的變化趨勢，且在河流和溪流中減少量最大，其次為河岸帶，4種凋落葉共同表現為林下的水溶性碳含量顯著高于河流和溪流(圖 2).凍結初期，相對于河岸帶和林下，4種凋落葉在河流與溪流中水溶性碳含量均顯著下降.高山杜鵑河岸帶水溶性碳含量與初始值相比有略微增加，其余3種凋落葉河岸帶含量雖呈下降趨勢，但只有方枝柏和康定柳降幅明顯.除高山杜鵑林下含量高于初始值以外，其余3種凋落葉林下水溶性碳含量幾乎保持不變.四川紅杉、康定柳和高山杜鵑凋落葉具有相同趨勢，即河流<溪流<河岸帶<林下.4種凋落葉水溶性碳含量在水流影響下差異顯著.凍結期，水溶性碳含量在水流影響下與凍結初期表現出一致的變化規律，即林下>河岸帶>溪流>河流.與凍結初期相比，闊葉樹種(康定柳和高山杜鵑)林下水溶性碳含量有所增加，而針葉樹種(方枝柏和四川紅杉)林下含量變化甚微，各物種凋落葉在其余3種生境下水溶性碳含量均降低.融化期，4種凋落葉的水溶性碳含量依然在林下達到這一時期的最大值，除四川紅杉以外，其余3種凋落葉林下水溶性碳含量遠大于河流與溪流，表現出自林下向河流逐漸減少的趨勢.
圖2 冬季不同時期4種凋落葉水溶性碳含量動態變化(平均值±標準偏差，n=3)(不同小寫字母表示同一時期不同生境水溶性碳含量差異顯著(P<0.05))
表4 河流、溪流、河岸帶及林下4生境和物種對冬季不同階段凋落葉水溶性碳、可溶性組分及水溶性碳和可溶性組分比值影響的雙因素方差分析
?3.4 可溶性組分含量
水流顯著影響著高山森林冬季可溶性組分含量，但不同物種對水流的響應存在明顯差異(表 4).經過一個冬季的分解，4種凋落葉可溶性組分含量在各關鍵時期大致表現為河流<溪流<河岸帶<林下，同時，除四川紅杉以外，其余3種高山森林凋落葉在水流影響下可溶性組分含量在河流和溪流中均呈現顯著降低的變化趨勢(圖 3).與初始含量相比，林下生境中高山杜鵑可溶性組分含量有少量增加，方枝柏與四川紅杉幾乎保持不變.凍結初期，相較于河岸帶和林下，除四川紅杉以外，其余3種凋落葉可溶性組分含量在河流與溪流中減少量較大，闊葉樹種(康定柳和高山杜鵑)水溶性組分含量河流<溪流，針葉樹種(方枝柏和四川紅杉)河流>溪流.與初始值相比，方枝柏和高山杜鵑林下可溶性組分含量有所增加.這一時期，除四川紅杉以外，其余3種 凋落葉可溶性組分含量在水流影響下差異顯著.
?圖3 冬季不同時期4種凋落葉可溶性組分含量動態變化(平均值±標準偏差，n=3)
結期，4種凋落葉可溶性組分含量都分別在林下和河流達到這一時期的最大值和最小值，總體表現為林下>河岸帶>溪流>河流.四川紅杉凋落葉可溶性組分含量在凍結初期的基礎上有所降低，但不同生境下降低程度不一，且4種生境下四川紅杉凋落葉可溶性組分含量并無顯著差異.與凍結初期相比，針葉樹種(方枝柏和四川紅杉)林下可溶性組分含量降低，闊葉樹種(康定柳和高山杜鵑)林下含量升高.融化期，除四川紅杉可溶性組分含量河流>河岸帶>溪流以外，其余3種凋落葉均符合河流<溪流<河岸帶<林下的規律，在水流的影響下，凋落葉可溶性組分含量在水環境中與林下生境差異顯著.與凍結期相比，四川紅杉可溶性組分含量呈上升趨勢，河流增加量最大，其次為林下，河岸帶增加量最小.
3.5 水溶性碳含量與可溶性組分含量的比值
水流顯著影響著高山森林冬季凋落葉TDC/WSC，但不同物種對水流響應存在明顯差異(表 4).針葉樹種(方枝柏和四川紅杉)具有相同變化趨勢，即TDC/WSC在凍結初期降低，凍結期增加而在融化期降低;闊葉樹種(康定柳和高山杜鵑)凋落葉TDC/WSC則呈現出在凍結初期和凍結期持續降低，而在融化期增加的趨勢(圖 4).凍結初期，除林下四川紅杉、河岸帶康定柳以及林下高山杜鵑TDC/WSC增加外，其余各生境下凋落葉TDC/WSC都降低，且在河流和溪流中減小量最大.除四川紅杉以外，其余3種凋落葉TDC/WSC在水流影響下差異不顯著.四川紅杉和高山杜鵑凋落葉TDC/WSC均表現為河流<溪流<河岸帶<林下.凍結期，方枝柏和四川紅杉凋落葉TDC/WSC在河流與溪流中相較于前一時期有所增加，而康定柳和高山杜鵑TDC/WSC在河流、溪流及河岸帶均降低，且河岸帶減少量最大.這一時期，四川紅杉及高山杜鵑林下TDC/WSC相對于初始值均有少量增加.融化期，除康定柳以外，其余3種凋落葉TDC/WSC的最大值均出現在林下，且這4種凋落葉林下TDC/WSC均小于初始值.方枝柏和高山杜鵑凋落葉TDC/WSC在水環境中與林下差異顯著.與凍結期相比，康定柳和高山杜鵑TDC/WSC在融化期有少量增加，但仍小于凍結初期.
?圖4 冬季不同時期4種凋落葉水溶性碳與可溶性組分比值(TDC/WSC)的動態變化(平均值±標準偏差，n=3)
4 討論
凋落物的輸入是森林溪流生態系統主要的物質與能量來源之一，溪流源頭的物質輸入將直接影響到下游生態系統的水質環境、營養水平及能量在食物鏈中的傳遞和儲存(Vannote et al., 1980;蔡慶華等，2003).可溶性組分是凋落物的重要易流失成分，森林溪流凋落物分解中水溶性碳的動態更是森林生態系統物質與能量流動的重要組成內容.本項研究表明，經過一個冬季的分解，凋落物水溶性碳含量除林下外均顯著降低，且林下含量顯著高于水流較大的河流與溪流;除四川紅杉外，其余3種凋落物可溶性組分含量也均在河流和溪流減少量最大，顯著低于林下生境，表明水體流動對可溶性組分及水溶性碳的流失有較大影響.這與Petersen和Cummins(1974)的研究結果相符，這些結果充分說明了凋落葉水溶性碳在高山森林河流與溪流中表現出明顯的輸出特征，對下游生態系統具有潛在的影響.
4.1 凍結初期4種凋落葉水溶性碳與可溶性組分的變化
水溶性碳以凋落物為載體從陸地向溪流輸入是陸地與水域生態系統的重要連接方式.初冬季節，大量葉片凋落，部分新鮮凋落物輸入溪流，此時凋落葉中易分解組分含量最為豐富.相對于河岸帶和林下，河流和溪流中凋落物水溶性碳和可溶性組分含量減少量最大.高山森林凍結初期溫度波動大，林下及水體環境都發生了強烈改變，凍結作用、凍融循環以及淋溶作用使得凋落物更易破碎化，有利于新鮮凋落物釋放可溶性物質(于小舟等，2010;遲國梁和童曉立，2010).與林下及河岸帶生境相比，河流與溪流水量較大，對凋落物的沖刷作用使得葉片物理破碎更加劇烈.有研究表明，水溶性組分是凋落物最易分解的組分，且在水環境中經歷了強烈的淋溶作用，使凋落物短期內釋放大量的溶解性物質，水溶性碳含量顯著降低，表明不穩定的水溶性碳在流水環境中快速分解，一部分通過水生生物的取食進入食物鏈，剩余部分則隨水流向下游轉移，為下游提供物質和能量.河岸帶中水流緩慢，凋落物所受的沖刷作用沒有河流和溪流強烈，因此凋落物水溶性碳含量在河流與溪流中減小程度最為明顯.
4.2 凍結期4種凋落葉水溶性碳與可溶性組分的變化
隨著溫度的持續下降，凍結期森林地表土壤凍結，水流流速緩慢的河岸帶表層水面已結冰，但各生境下凋落物的分解還在繼續進行.與凍結初期相比，水溶性碳含量略有降低，但整體變化不大;方枝柏和四川紅杉可溶性組分含量有所降低，康定柳與高山杜鵑變化不大.相關分析表明，水溶性碳含量與平均溫度、正積溫和負積溫均呈極顯著(p<0.01)相關關系(表 3).這一方面表明溫度及其驅動的凍結、凍融循環以及淋溶物理作用對凋落葉可溶性碳的持續影響;另一方面也意味著經歷了凍結初期強烈的淋溶作用之后，可溶性物質大量流失，并向下游水體轉移，剩余組分的分解主要依靠分解者生物，部分穩定有機碳也逐步開始分解.雖然水溶性碳可以被細菌和微生物作為食物加以利用，但隨著溫度的降低，微生物活性也受到影響，此時凋落物的分解趨于緩慢，導致凍結期水環境中凋落物水溶性碳含量與凍結初期差異不大.林下生境出現了水溶性碳含量增加，甚至高于初始含量的情況.可能的原因是：首先，因為凋落物其他組分如有機溶性組分等易分解成可溶性碳;其次，林下土壤凍融循環加劇了凋落物的物理破碎，有助于大分子物質的分解，產生一些小分子水溶性物質，使可溶性組分的總量得以補充;此外，凋落物中水溶性碳的含量變化是一個動態過程，凋落物自身固有的水溶性碳在逐漸減少，但外源水溶性碳可能被微生物利用進入凋落物.
4.3 融化期4種凋落葉水溶性碳與可溶性組分的變化
融化期，溫度回升，冰雪逐漸消融.除四川紅杉以外，其余3種凋落物在河流、溪流以及河岸帶中水溶性碳和可溶性組分含量與上一時期相比變化不大，林下生境水溶性碳和可溶性組分含量都有所降低，但依然顯著高于其他生境.由于水溶性碳含量與流速呈極顯著(p<0.01)負相關關系(表 3)，冰雪融化造成河流、溪流和河岸帶水量增加，加劇水溶性碳的流失.然而，隨著溫度上升，分解者生物的活性也逐漸增加(Martínez et al., 2014)，此時除易分解的可溶性組分外，其余組分的分解也在持續進行，凋落物質量減小，因此導致凋落物水溶性碳的相對含量較凍結期并無顯著變化.已有研究表明高山地區雪融水對凋落物可溶性組分及水溶性碳的含量具有較大的影響(Schelker et al., 2011).林下生境中，雪融水使大量包括水溶性碳在內的可溶性物質浸出流失(Tomaselli，1991)，盡管此時林下水溶性碳含量降低，但林下雪水的淋溶不如水環境中水流的持續沖刷強烈，導致林下水溶性碳含量始終高于河流、溪流和河岸帶.具體參見 污水處理技術資料或污水技術資料更多相關技術文檔。
5 結論
綜上所述，經過一個冬季的分解，4種凋落物水溶性碳含量表現出大體一致的動態變化特征.凍結初期河流與溪流中水溶性碳含量均顯著降低，而凍結期和融化期與凍結初期相比無顯著變化.除四川紅杉外，其余3種凋落物可溶性組分含量的變化規律與水溶性碳一致，而四川紅杉可溶性組分含量在冬季先降低再增加.冬季各關鍵時期，水溶性碳和可溶性組分含量表現為從河流、溪流、河岸帶至林下逐漸增加的變化趨勢.同時，溫度及其他水環境特征均會明顯影響凋落物水溶性碳及可溶性組分含量的變化過程.此外，森林向溪流輸入凋落物是森林-水體連續體重要的物質循環和能量流動途徑，實驗結果表明，水溶性碳在河流與溪流等水體的沖刷作用下更容易流失，說明水環境有助于森林生態系統物質的輸出及能量通過食物鏈和流水自上游至下游生態系統的傳遞，這可能導致高山森林生態系統碳虧損，甚至影響下游水體環境，這些結果為深入認識高山森林物質與能量流動過程以及森林-流域間的生態聯系提供了一定的理論依據.
