土壤与瘤胃双环境评估：模拟农林牧系统中凋落物分解的创新方法学

《Archives of Agronomy and Soil Science》：Methodologies to simulate soil litter decomposition in silvopastoral systems using soil and ruminal incubation

本文研究了农林牧系统（SPSs）中Gliricidia sepium和Urochloa decumbens两种植物衰老叶片凋落物的分解方法学。研究比较了土壤中尼龙袋、无纺布（NWT）袋长期（256天）分解与瘤胃中NWT袋短期（144小时）孵育的效果，评估了有机质（OM）、碳（C）、氮（N）和木质素（lignin）的损失。研究结论为评估凋落物分解提供了更灵活、省时的替代方案，尤其适用于对纺织物类型敏感的草类材料。

　　

引言

农林牧系统中包含豆科乔木，因其提供的生态系统服务而使反刍动物和伴生牧草受益。这些系统被认为是一种可持续的替代方案，因为它们有可能通过凋落物沉积和分解增加氮输入，释放可供植物吸收的养分。凋落物中的养分释放主要通过三个过程：可溶性化合物的淋溶、凋落物破碎成更小的颗粒以及分解生物的分解代谢。凋落物分解（LD）与土壤碳稳定、CO₂排放和养分循环有关，这些都是维持生态系统平衡的关键过程。

凋落物研究通常以分解速率作为指标。传统上，这些评估使用“凋落物袋”法进行。该方法的特点是使用尼龙袋，其测量标准基于纺织物孔隙度（75 μm孔隙度）和所用样品量。这种评估的一个局限是测量田间凋落物分解所需的周期很长，可能需要数月甚至数年。为了在更短的时间内评估分解过程，有研究者提出在瘤胃环境中进行评估。

尼龙被认为是用于瘤胃“原位”孵育程序的标准纺织物（袋）。与Ankom?系统（F57）相关的袋子由不溶性合成纤维制成，在纤维资源评估中提供了更大的实用性和精确度。然而，与此材料相关的成本使其在某些条件下的应用变得不可行。因此，一些瘤胃降解动力学研究提出了使用不同的纺织物来制造袋子，其中突出了非织造布（NWT），与F57和尼龙相比，它提供了更准确和更低成本的估计。

因此，本研究旨在对两种植物（Gliricidia sepium和Urochloa decumbens）在两种环境（田间和瘤胃）中的凋落物分解过程进行比较分析，在土壤中使用尼龙和NWT袋，在瘤胃中使用NWT袋。基于此方法，我们假设（i）衰老叶片的凋落物分解速率在土壤中孵育时，尼龙袋和NWT袋之间没有差异，以及（ii）使用NWT袋进行瘤胃孵育产生的分解模式与土壤条件下观察到的模式相当。

材料与方法

两个实验评估了衰老叶片（仍附着在植株上）的分解，使用了两种纺织物类型：尼龙（55 ± 15 μm）和NWT（100 g m^?2）在土壤中孵育，以及NWT在瘤胃中孵育。每个分解实验分别评估植物物种Gliricidia和Signalgrass。

用于实验的叶片材料于2016年10月至12月期间从试验地收集。随后，材料在55°C的强制通风烘箱中脱水至恒重。试验期间的月降雨量数据显示，降雨模式可能影响了土壤水分条件，而土壤水分条件已知会调节微生物活性和凋落物分解过程。

土壤中叶片分解

土壤中的叶片分解过程在Gliricidia + Signalgrass和Signalgrass单作的试验小区中进行。将衰老的干叶片（7.5 g，未研磨）放入孔隙为75-μm、尺寸为15 × 20 cm的尼龙袋中。对于每种纺织物，在放置后第0、4、8、16、32、64、128和256天收集袋子以评估叶片分解。袋子用与每个围栏典型条件相匹配的Gliricidia或Signalgrass凋落物覆盖。

瘤胃中叶片分解

所有实验程序均符合动物伦理委员会的规定。为评估叶片的瘤胃分解，使用了三头装有瘤胃瘘管的去势公水牛。将衰老的Gliricidia或Signalgrass干叶片（3 g，未研磨）放入孔隙为75-μm、尺寸为10 × 12 cm的NWT袋中。在放置后第0、6、12、24、48、96和144小时收集袋子以评估凋落物分解。

化学分析

在每个孵育期收集的袋子（空袋和叶袋），无论是来自土壤（尼龙和NWT）还是瘤胃，都经过清洁。随后放入55°C的强制通风烘箱中直至恒重。样品研磨后用于测定有机质（OM）、氮（凯氏定氮法）和碳含量。木质素含量根据相应方法进行分析。

统计程序

数据使用不同的非线性模型进行拟合，并仅选择和报告最佳拟合模型。单指数衰减模型用于估计剩余的OM、氮和碳。两阶段线性平台模型用于估计木质素随时间的变化。模型参数使用混合模型程序进行分析，当显著时，使用Tukey检验进行比较。

结果

在孵育前，测定了衰老叶片的初始化学成分作为后续分解分析的参考。Gliricidia叶片含有921 g kg^?1OM、465 g kg^?1碳、28 g kg^?1氮和137 g kg^?1木质素。Signalgrass叶片含有922 g kg^?1OM、463 g kg^?1碳、11 g kg^?1氮和48 g kg^?1木质素。

对于两种植物物种，单指数衰减模型足以描述两种环境（土壤和瘤胃）和两种纺织物（尼龙和NWT）中OM、氮和碳的变化。两阶段线性平台模型充分描述了两种环境和两种纺织物中的木质素浓度。

Gliricidia结果

尽管在田间条件下初始消失常数B₀最大，但凋落物分解的分解速率k在测试方法间没有差异。在孵育期结束时，土壤中NWT和瘤胃中的残留OM没有差异。对于残留碳和氮，测试方法间的k值没有差异。

对于木质素浓度，参数A和B₁没有差异。在实验开始时，两种纺织物和环境的木质素浓度相似。在土壤中使用尼龙和NWT以及在瘤胃环境中的稳定分别发生在20天、40天和87小时后，分别对应于每个孵育期的8%、16%和60%。

Signalgrass结果

对于Signalgrass，在不同方法间检测到残留OM和碳的k值存在差异，瘤胃环境中的k值高于土壤中使用NWT的情况，但与土壤中使用尼龙的情况没有差异。在这两种情况下，土壤中使用NWT时观察到较低的值。

对于残留氮，也观察到方法学差异，瘤胃中的k值高于土壤，与纺织物无关。尽管在B₀上观察到差异，但在土壤条件下孵育结束时的值没有差异。

对于木质素浓度，参数A和B₁没有差异。在实验开始时，两种纺织物和环境的木质素浓度相似。稳定分别发生在118天、64天和96小时后，分别对应于每个孵育期的50%、25%和67%。即使在稳定时间上没有差异，但在整个孵育期间瘤胃中观察到较低的值。

讨论

Gliricidia讨论

OM、碳和氮的k值在不同方法间没有差异，这表明这些成分的微生物降解主要受衰老叶片凋落物初始质量的驱动，而不是孵育环境或纺织物。这一解释得到了Gliricidia叶片中观察到的初始氮含量的支持，这可能有利于早期的微生物活动，并促成了不同方法间相似的分解速率。

分解早期的氮有效性在调节分解动态中起着关键作用。因此，在不同方法间观察到的相似氮分解模式可能反映了生物和非生物因素对方法学效应的主导作用。

在不同方法间观察到的木质素浓度初始增加与早期分解过程中易分解化合物的优先损失一致，导致剩余材料中更难分解的部分相对富集。这一模式与木质素和纤维结合氮的持久性一致。在此阶段，分解主要受易于降解的底物控制，包括未受保护的纤维素。因此，木质素浓度在孵育期间的剩余叶片凋落物中增加。

在土壤和瘤胃环境中使用NWT袋观察到的相似木质素稳定模式表明，当使用这种纺织物时，瘤胃孵育可以作为田间分解的合适替代方案。相反，使用尼龙袋进行土壤孵育时观察到的差异可能与纺织物相关的微生物接触和活性影响有关，由于更高的氮可用性，可能有利于木质素分解微生物。

Signalgrass讨论

对于Signalgrass，结果表明纺织物和孵育环境对分解动态的影响更强。土壤条件下尼龙袋和NWT袋之间的差异可能与纺织物的结构和孔隙度有关，当使用NWT时，这可能会限制微生物对孵育材料的接触。

瘤胃和土壤孵育使用尼龙袋时分解速率的相似性支持了尼龙袋在模拟跨环境分解过程方面的适用性。相比之下，在土壤孵育中使用NWT观察到的分解减少表明在该环境中与这种纺织物相关的物理限制。

瘤胃条件下较低的氮和碳保留可能反映了土壤和瘤胃环境之间微生物组成和活性的差异。此外，在瘤胃中观察到的木质素降解变异性有限可能与瘤胃微生物活性的限制有关，例如氨的可用性。

将瘤胃孵育时间延长至144小时以上可能更准确地评估Signalgrass凋落物分解的后期阶段，特别是在估计难消化部分时。这与之前的报告一致，即需要更长的孵育期来实现低孔隙度袋中潜在可消化纤维的完全降解。

结论

衰老Gliricidia叶片在土壤中的分解可以使用尼龙或NWT袋的孵育方法进行评估，而衰老Signalgrass叶片的分解对纺织物类型表现出更高的敏感性。因此，当田间孵育不可行时，使用NWT袋进行瘤胃孵育可以作为减少实验持续时间的方法学替代方案。对于草类凋落物，建议将孵育时间延长至144小时以上，以改进对后期分解和难消化部分的估计。