积雪变化对中国森林凋落物分解影响研究进展

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0115

摘要/Abstract

摘要：

森林凋落物的分解对于维持生态系统物质循环和养分平衡具有重要意义，并受到不同积雪厚度下冻融格局的影响。冻融期（包括冻结过程期、完全冻结期、融化过程期）是冻土区凋落物分解的重要时期，该时期分解的凋落物量约占全年分解总量的一半。积雪减少通常会导致土壤温度降低、冻融循环次数增加，进而影响凋落物分解。通过综述近10年来积雪变化对我国森林凋落物分解影响的研究成果发现，积雪厚度减少在冻融期通常会抑制凋落物质量损失、碳元素释放和纤维素降解，生长季则起到促进作用，从全年来看多数表现为抑制作用。因此，冻融作用造成凋落物的物理破坏，对其分解的促进作用主要发生在后续生长季。积雪厚度减少在冻融期通常抑制氮元素释放，生长季和全年则无明显规律；磷元素和木质素目前研究还存在很大差异。最后，进一步阐述了积雪变化对凋落物分解影响研究存在的问题及未来研究发展方向。

关键词: 积雪, 冻融作用, 凋落物分解, 质量损失, 元素释放

Abstract:

Forest litter decomposition plays an important role in maintaining the element cycle and nutrient balance of the ecosystem， which is affected by the freeze-thaw patterns under different levels of snow thickness. Freeze-thaw stage （i.e. freezing onset， deep freezing and thawing stage） is an important period of litter decomposition in permafrost zone， accounting for about a half of mass loss in the whole year. Reduced snow cover would decrease soil temperature and increase freeze-thaw cycles， which would influence litter decomposition. The paper reviewed the effects of snow cover on forest litter decomposition in the recent 10 years. Reduced snow cover would decrease litter mass loss， carbon element release and cellulose degradation during the freeze-thaw period and in the whole year， but increase during the growing season. Freeze-thaw action would result in litter physical fragmentation， and then accelerate litter decomposition in the following growing season. Reduced snow cover usually decreased nitrogen element release， but no clear trends were found in the growing season and whole year. There were some large differences in the results of phosphorus and lignin. Finally， the problems of snow cover effects on forest litter decomposition were discussed and the future research directions were prospected.

Key words: snow cover, freeze-thaw action, litter decomposition, mass loss, element release

中图分类号:

S714

张鹏,孙鸿儒,贾丙瑞. 积雪变化对中国森林凋落物分解影响研究进展[J]. 冰川冻土, 2021, 43(6): 1840-1847.

Peng ZHANG,Hongru SUN,Bingrui JIA. Research progress in the effects of snow cover change on forest litter decomposition in China[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2021, 43(6): 1840-1847.

参考文献 60

1	Zhou Youwu， Guo Dongxin， Qiu Guoqing， et al. Geocryology in China［M］. Beijing： Science Press， 2000.
	周幼吾，郭东信，邱国庆，等. 中国冻土［M］. 北京：科学出版社， 2000.
2	Wang Jiaoyue， Song Changchun， Wang Xianwei， et al. Progress in the study of effect of freeze-thaw processes on the organic carbon pool and microorganisms in soils［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2011， 33（2）： 442-452.
	王娇月，宋长春，王宪伟，等. 冻融作用对土壤有机碳库及微生物的影响研究进展［J］. 冰川冻土， 2011， 33（2）： 442-452.
3	Li Yuxing. Response of changes in soil freeze/thaw state to climate change in Northeast China［D］. Lanzhou： Lanzhou University， 2019.
	李宇星. 中国东北地区土壤冻融对气候变化的响应［D］. 兰州：兰州大学， 2019.
4	Wang Yu， Zhou Guangsheng， Jia Bingrui， et al. Climate change characteristics in Chinese boreal forest region from 1954 to 2005［J］. Chinese Journal of Applied Ecology， 2008， 19（5）： 942-948.
	王宇，周广胜，贾丙瑞，等. 1954—2005年中国北方针叶林分布区的气候变化特征［J］. 应用生态学报， 2008， 19（5）： 942-948.
5	He Wei， Bu Rencang， Xiong Zaiping， et al. Characteristics of temperature and precipitation in Northeastern China from 1961 to 2005［J］. Acta Ecologica Sinica， 2013， 33（2）： 519-531.
	贺伟，布仁仓，熊在平，等. 1961—2005年东北地区气温和降水变化趋势［J］. 生态学报， 2013， 33（2）： 519-531.
6	Zhou Xiaoyu， Zhao Chunyu， Li Na， et al. Influence of snow and temperature on the depth of frozen soil in winter half year in Northeast China［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2021， 43（1）： 1-13.
	周晓宇，赵春雨，李娜，等. 东北地区冬半年积雪与气温对冻土的影响［J］. 冰川冻土， 2021， 43（1）： 1-13.
7	Hayhoe K， Wake C P， Huntington T G， et al. Past and future changes in climate and hydrological indicators in the US Northeast［J］. Climate Dynamics， 2007， 28： 381-407.
8	Hamburg S P， Vadeboncoeur M A， Richardson A D， et al. Climate change at the ecosystem scale： a 50-year record in New Hampshire［J］. Climatic Change， 2013， 116： 457-477.
9	Venäläinen A， Tuomenvirta H， Heikinheimo M， et al. Impact of climate change on soil frost under snow cover in a forested landscape［J］. Climate Research， 2001， 17： 63-72.
10	Fang Jingyun， Zhu Jiangling， Wang Shaopeng， et al. Global warming， human-induced carbon emissions， and their uncertainties［J］. Science China： Earth Sciences， 2011， 41（10）： 1385-1395.
	方精云，朱江玲，王少鹏，等. 全球变暖、碳排放及不确定性［J］. 中国科学：地球科学， 2011， 41（10）： 1385-1395.
11	Huang Jinxue， Huang Limei， Lin Zhichao， et al. Controlling factors of litter decomposition rate in China’s forests［J］. Journal of Subtropical Resources and Environment， 2010， 5： 56-63.
	黄锦学，黄李梅，林智超，等. 中国森林凋落物分解速率影响因素分析［J］. 亚热带资源与环境学报， 2010， 5： 56-63.
12	Peng Yan， Yang Wanqin， Xue Qiao， et al. Contribution of soil fauna to the decomposition of foliar litter of two alpine meadow plants during the season with freeze-thaw cycles［J］. Acta Ecologica Sinica， 2016， 36（19）： 6149-6158.
	彭艳，杨万勤，薛樵，等. 季节性冻融期间土壤动物对高山草甸两种凋落叶失重的贡献［J］. 生态学报， 2016， 36（19）： 6149-6158.
13	Ruhland C T， Remund A J， Tiry C M， et al. Litter decomposition of three lignin-deficient mutants of Sorghum bicolor during spring thaw［J］. Acta Oecologica， 2018， 91： 16-21.
14	Taylor B R， Parkinson D. Does repeated freezing and thawing accelerate decay of leaf litter？［J］ Soil Biology & Biochemistry， 1988， 20： 657-665.
15	Gao Jia， Wei Xinyu， Chen Ya， et al. Litter decomposition rates and organic carbon dynamics in subalpine forest during freeze-thaw cycles［J］. Acta Ecologica Sinica， 2021， 41（9）： 3734-3743.
	高嘉，卫芯宇，谌亚，等. 模拟冻融环境下亚高山森林凋落物分解速率及有机碳动态［J］. 生态学报， 2021， 41（9）： 3734-3743.
16	Jia Bingrui. Litter decomposition and its underlying mechanisms［J］. Chinese Journal of Plant Ecology， 2019， 43（8）： 648-657.
	贾丙瑞. 凋落物分解及其影响机制［J］. 植物生态学报， 2019， 43（8）： 648-657.
17	Bokhorst S， Metcalfe D B， Wardle D A. Reduction in snow cover negatively affects decomposers but impact on decomposition rates is substrate dependent［J］. Soil Biology & Biochemistry， 2013， 62： 157-164.
18	Wu Qiqian. Effects of snow patches on litter decomposition in the alpine forest［D］. Chengdu： Sichuan Agricultural University， 2013.
	武启骞. 高山森林积雪斑块对凋落物分解的影响［D］. 成都：四川农业大学， 2013.
19	Wu Qiqian， Wu Fuzhong， Yang Wanqin， et al. Effect of snow cover on phosphorus release from leaf litter in the alpine forest in eastern Qinghai-Tibet plateau［J］. Acta Ecologica Sinica， 2015， 35（12）： 4115-4127.
	武启骞，吴福忠，杨万勤，等. 冬季积雪对青藏高原东缘高海拔森林凋落叶P元素释放的影响［J］. 生态学报， 2015， 35（12）： 4115-4127.
20	He Jie. Effects of forest gap locations in an alpine forest on element release during foliar litter decomposition［D］. Chengdu： Sichuan Agricultural University， 2015.
	何洁. 高山森林林窗位置对凋落物分解过程中元素释放的影响［D］. 成都：四川农业大学， 2015.
21	He Wei. Effects of forest gap locations on the decomposition of two shrub foliar litter species in the alpine forest of western Sichuan［D］. Chengdu： Sichuan Agricultural University， 2016.
	何伟. 川西高山森林林窗位置对两种灌木凋落叶分解的影响［D］. 成都：四川农业大学， 2016.
22	Chen Wenjing， Gong Lu， Liu Yutong. Effects of seasonal snow cover on decomposition and carbon， nitrogen and phosphorus release of Picea schrenkiana leaf litter in Mt. Tianshan， Northwest China［J］. Chinese Journal of Plant Ecology， 2018， 42（4）： 487-497.
	陈文静，贡璐，刘雨桐. 季节性积雪对天山雪岭云杉凋落叶分解和碳氮磷释放的影响［J］. 植物生态学报， 2018， 42（4）： 487-497.
23	Guo Caihong， Yang Wanqin， Wu Fuzhong， et al. Effects of forest gap size on initial decomposition of twig litter in the subalpine forest of western Sichuan， China［J］. Chinese Journal of Plant Ecology， 2018， 42（1）： 28-37.
	郭彩虹，杨万勤，吴福忠，等. 川西亚高山森林林窗对凋落枝早期分解的影响［J］. 植物生态学报， 2018， 42（1）： 28-37.
24	Chen Xin. Relationship between litter decomposition and soil microbes of Schrenk sprucein forest under seasonal snowfall in Tianshan Mountains， Xinjiang［D］. Urumchi： Xinjiang University， 2019.
	陈新. 季节性积雪下新疆天山雪岭云杉林凋落物分解与土壤微生物的关系［D］. 乌鲁木齐：新疆大学， 2019.
25	Dou Jia. Effects of snow cover manipulation on foliar litter decomposition and nutrient release of Fraxinus mandshurica and Larix gmelinii［D］. Harbin： Northeast Forestry University， 2018.
	窦佳. 控雪对水曲柳和兴安落叶松凋落叶分解及养分释放的影响［D］. 哈尔滨：东北林业大学， 2018.
26	Wu Qiqian， Wang Chuankuan. Dynamics in foliar litter decomposition for Pinus koraiensis and Quercus mongolica in a snow cover manipulation experiment［J］. Chinese Journal of Plant Ecology， 2018， 42： 153-163.
	武启骞，王传宽. 控雪处理下红松和蒙古栎凋落叶分解动态［J］. 植物生态学报， 2018， 42： 153-163.
27	Wu Q Q. Effects of snow cover manipulation on the releases of carbon， nitrogen and phosphorus from the foliar litter of two temperate tree species［J］. Science of the Total Environment， 2018， 643： 1357-1365.
28	Wu Q Q. Short- and long-term effects of snow cover on Korean pine and Mongolian oak litter decomposition in northeastern China［J］. Ecosystems， 2020， 23： 662-674.
29	Li H， Wu F Z， Yang W Q， et al. Effects of Forest Gaps on Litter lignin and cellulose dynamics vary seasonally in an alpine forest［J］. Forests， 2016， 7： 27， DOI： 10.3390/f7020027. doi: 10.3390/f7020027
30	Li Zhijie. Effects of snow removal on soil nitrogen dynamics in subalpine coniferous forest in western Sichuan［D］. Chengdu： Sichuan Agricultural University， 2018.
	李志杰. 积雪去除对川西亚高山云杉林冬季土壤氮动态的影响［D］. 成都：四川农业大学， 2018.
31	Sarady M， Sahlin E A U. The influence of snow cover on ground freeze-thaw frequency， intensity， and duration： An experimental study conducted in coastal northern Sweden［J］. Norsk Geografisk Tidsskrift-Norwegian Journal of Geography， 2016， 70： 82-94.
32	Ni X Y， Yang W Q， Li H， et al. The responses of early foliar litter humification to reduced snow cover during winter in an alpine forest［J］. Canadian Journal of Soil Science， 2014， 94： 453-461.
33	Deng Renju， Yang Wanqin， Feng Ruifang， et al. Mass loss and element release of litter in the subalpine forest over one freeze-thaw season［J］. Acta Ecologica Sinica， 2009， 29（10）： 5730-5735.
	邓仁菊，杨万勤，冯瑞芳，等. 季节性冻融期间亚高山森林凋落物的质量损失及元素释放［J］. 生态学报， 2009， 29（10）： 5730-5735.
34	He Wei， Wu Fuzhong， Yang Wanqin， et al. Effect of snow patches on leaf litter mass loss of two shrubs in an alpine forest［J］. Chinese Journal of Plant Ecology， 2013， 37： 306-316.
	何伟，吴福忠，杨万勤，等. 积雪斑块对高山森林两种灌木凋落叶质量损失的影响［J］. 植物生态学报， 2013， 37： 306-316.
35	Liu Yutong. Effect of seasonal snow cover on litter decomposition of Schrenk Spruce in Tianshan［D］. Urumqi： Xinjiang University， 2017.
	刘雨桐. 季节性积雪斑块对天山雪岭云杉凋落物分解的影响［D］. 乌鲁木齐：新疆大学， 2017.
36	Wu F Z， Yang W Q， Zhang J， et al. Fine root decomposition in two subalpine forests during the freeze-thaw season［J］. Canadian Journal of Forest Research， 2010， 40： 298-307.
37	Deng Renju. Effects of seasonal freeze-thaw on litter decomposition in the subalpine forest［D］. Ya’an： Sichuan Agricultural University， 2008.
	邓仁菊. 季节性冻融对亚高山森林凋落物分解的影响［D］. 雅安：四川农业大学， 2008.
38	Wu F Z， Yang W Q， Zhang J， et al. Litter decomposition in two subalpine forests during the freeze-thaw season［J］. Acta Oecologica， 2010， 36： 135-140.
39	Pesaro M， Widmer F， Nicollier G， et al. Effects of freeze-thaw stress during soil storage on microbial communities and methidathion degradation［J］. Soil Biology & Biochemistry， 2003， 35： 1049-1061.
40	Walker V K， Palmer G R， Voordouw G. Freeze-thaw tolerance and clues to the winter survival of a soil community［J］. Applied and Environmental Microbiology， 2006， 72： 1784-1792.
41	Schmidt S K， Lipson D A. Microbial growth under the snow： Implications for nutrient and allelochemical availability in temperate soils［J］. Plant and Soil， 2004， 259： 1-7.
42	Hu Xia， Wu Ning， Wu Yan， et al. Effects of snow cover on the decomposition and nutrient dynamics of Sibiraea angustata leaf litter in western Sichuan plateau， Southwest China［J］. Chinese Journal of Applied Ecology， 2012， 23（5）： 1226-1232.
	胡霞，吴宁，吴彦，等. 川西高原季节性积雪覆盖对窄叶鲜卑花凋落物分解和养分动态的影响［J］. 应用生态学报， 2012， 23（5）： 1226-1232.
43	Zhou Yongbin， Jia Guojing， Zhou Wangming， et al. Study on decomposition dynamics of carbon of Changbai Mountain litter［J］. Northern Horticulture， 2012， 11： 32-34.
	周永斌，贾国晶，周旺明，等. 长白山枯落物碳分解动态研究［J］. 北方园艺， 2012， 11： 32-34.
44	Matzner E， Borken W. Do freeze-thaw events enhance C and N losses from soils of different ecosystems？ A review［J］. European Journal of Soil Science， 2008， 59（2）： 274-284.
45	Thevenot M， Dignac M F， Rumpel C. Fate of lignins in soils： A review［J］. Soil Biology & Biochemistry， 2010， 42（8）： 1200-1211.
46	Zhou Cunyu. Litter’s Roles in forest ecosystem and its research progress［J］. Journal of Hubei Agricultural College， 2003， 2： 140-145.
	周存宇. 凋落物在森林生态系统中的作用及其研究进展［J］. 湖北农学院学报， 2003， 2： 140-145.
47	Brandt L A， King J Y， Hobbie S E， et al. The role of photodegradation in surface litter decomposition across a grassland ecosystem precipitation gradient［J］. Ecosystems， 2010， 13： 765-781.
48	Wang K， Zhang T， Zhong X. Changes in the timing and duration of the near-surface soil freeze/thaw status from 1956 to 2006 across China［J］. The Cryosphere， 2015， 9： 1321-1331.
49	Che T， Li X， Jin R， et al. Snow depth derived from passive microwave remote-sensing data in China［J］. Annals of Glaciology， 2008， 49： 145-154.
50	Wu Qiqian， Wang Chuankuan. Effects of changes in seasonal snow-cover on litter decomposition and soil nitrogen dynamics in forests［J］. Chinese Journal of Applied Ecology， 2018， 29： 2422-2432.
	武启骞，王传宽. 季节性积雪变化对森林凋落物分解及土壤氮动态的影响［J］. 应用生态学报， 2018， 29： 2422-2432.
51	Aerts R， Callaghan T V， Dorrepaal E， et al. Seasonal climate manipulations result in species-specific changes in leaf nutrient levels and isotopic composition in a sub-arctic bog［J］. Functional Ecology， 2009， 23： 680-688.
52	He Jie， Yang Wanqin， Ni Xiangyin， et al. Effects of snow patch on the dynamics of potassium and sodium during litter decomposition in winter in a subalpine forest of western Sichuan［J］. Chinese Journal of Plant Ecology， 2014， 38（6）： 550-561.
	何洁，杨万勤，倪祥银，等. 积雪斑块对川西亚高山森林凋落物冬季分解过程中钾和钠动态的影响［J］. 植物生态学报， 2014， 38（6）： 550-561.
53	Bokhorst S， Bjerke J W， Melillo J， et al. Impacts of extreme winter warming events on litter decomposition in a sub-arctic heathland［J］. Soil Biology & Biochemistry， 2010， 42： 611-617.
54	Dou Pengpeng， Wang Fang， Ma Yu， et al. Response of litter carbon， nitrogen and phosphorus to simulated leaching［J］. Chinese Science Bulletin， 2018， 63： 3114-3123.
	豆鹏鹏，王芳，马瑜，等. 叶凋落物碳、氮和磷元素对模拟淋溶的响应［J］. 科学通报， 2018， 63： 3114-3123.
55	Yang Yulian， Wu Fuzhong， Yang Wanqin， et al. Effects of snow pack removal on soil hydrolase enzyme activities in an alpine Abies faxoniana forest of western Sichuan［J］. Acta Ecologica Sinica， 2012， 32（22）： 7045-7052.
	杨玉莲，吴福忠，杨万勤，等. 积雪去除对川西高山冷杉林冬季土壤水解酶活性的影响［J］. 生态学报， 2012， 32（22）： 7045-7052.
56	Tan B， Wu F Z， Yang W Q， et al. Snow removal alters soil microbial biomass and enzyme activity in a Tibetan alpine forest［J］. Applied Soil Ecology， 2014， 76： 34-41.
57	Gartner T B， Cardon Z G. Decomposition dynamics in mixed-species leaf litter［J］. Oikos， 2004， 104： 230-246.
58	Li Yinong， Zhou Xiaomei， Zhang Naili， et al. The research of mixed litter effects on litter decomposition in terrestrial ecosystems［J］. Acta Ecologica Sinica， 2016， 36（16）： 4977-4987.
	李宜浓，周晓梅，张乃莉，等. 陆地生态系统混合凋落物分解研究进展［J］. 生态学报， 2016， 36（16）： 4977-4987.
59	Liu J， Liu X Y， Song Q N， et al. Synergistic effects： a common theme in mixed-species litter decomposition［J］. New Phytologist， 2020， 227： 757-765.
60	Lin Chengfang， Gao Ren， Chen Guangshui， et al. Research progress of litter decomposition model in forest ecosystem［J］. Journal of Fujian Forestry Science and Technology， 2007， 34（3）： 227-233.
	林成芳，高人，陈光水，等. 凋落物分解模型研究进展［J］. 福建林业科技， 2007， 34（3）： 227-233.

[1]	陈龙飞, 张万昌, 高会然. 三江源地区1980—2019年积雪时空动态特征及其对气候变化的响应[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 133-146.
[2]	孙兴亮, 郝晓华, 王建, 赵宏宇, 纪文政. 基于光谱-环境随机森林回归模型的MODIS积雪面积比例反演研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 147-158.
[3]	王京达, 郝晓华, 和栋材, 王建, 李弘毅, 赵琴. 基于AVHRR影像的北半球积雪识别算法[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 316-326.
[4]	张凤, 范成彦, 牟翠翠, 孙文, 彭小清, 张廷军. 积雪对祁连山区黑河上游活动层热状态的影响研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(6): 1628-1640.
[5]	邹逸凡,孙鹏,张强,马梓策,吕胤锋,卞耀劲,刘瑞琳. 2001—2019年横断山区积雪时空变化及其影响因素分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(6): 1641-1658.
[6]	除多,扎西顿珠,次丹玉珍. NOAA IMS雪冰产品在青藏高原积雪监测中的适用性分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(6): 1659-1672.
[7]	焦志平,江利明,牛富俊,郭瑞,周志伟. 藏东冻土区滑坡形变时序InSAR监测分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1312-1322.
[8]	王鑫,王宁练,王俊杰,申保收. 我国新疆北部积雪中痕量元素的时空分布及污染评估[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1354-1364.
[9]	唐志光,邓刚,胡国杰,王欣,蒋宗立,桑国庆. 亚洲高山区积雪物候时空动态及其对气候变化的响应[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1400-1411.
[10]	张庆杰,陶辉,苏布达,窦挺峰,姜彤. 基于CMIP6气候模式的新疆积雪深度时空格局研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1435-1445.
[11]	卢新玉,陈仁升,刘艳,王秀琴,宋志国. 我国新疆北部地区雪面雨日数时空变化特征分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1446-1457.
[12]	赵容舟,梁二雷,姚晓亮,余帆. 冻融作用对不同初始状态基坑稳定性的影响研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1480-1488.
[13]	韩婷, 雷向杰, 李亚丽, 王毅勇. 秦岭区域性高山积雪事件变化特征分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 1040-1048.
[14]	刘鑫, 牛志莹, 李杨子, 贺茂勇, 黄华宇, 王宁练. 北疆积雪中溶解性砷和汞的空间分布特征及来源分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 1009-1017.
[15]	周晓宇, 赵春雨, 李娜, 刘鸣彦, 崔妍, 敖雪. 东北地区冬半年积雪与气温对冻土的影响[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 1027-1039.