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。

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。

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。

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）。

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。

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

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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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