鄧成華,吳龍龍,張雨婷,喬 航,劉興元,胡亞軍,陳香碧,蘇以榮,何尋陽,*

1 廣西師范大學生命科學學院, 桂林 541006 2 中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農業(yè)生態(tài)過程重點實驗室, 長沙 410125 3 長江大學農學院, 荊州 434023

生態(tài)化學計量學是研究生態(tài)系統(tǒng)中能量和多種化學元素(主要指碳(C)、氮(N)、磷(P)、鉀(K)、硫(S)等生命活動必須元素)平衡的一門學科,它強調的是生命有機體或者是生態(tài)系統(tǒng)中元素的平衡與耦合[1- 2]。生態(tài)化學計量學依據(jù)內穩(wěn)態(tài)機制和生長速率理論,反應了生態(tài)系統(tǒng)過程和功能。目前,C∶N∶P 化學計量學特征廣泛應用于凋落物分解與土壤碳礦化過程[3]、植物群落穩(wěn)定性[4-5]、植物生長限制性元素判斷[6]等多個方面研究。植物葉片生態(tài)化學計量能夠反映植物的生長特性和養(yǎng)分限制狀況等,葉片的C∶N 和C∶P 反映植物碳同化速率,在一定程度上反映植物營養(yǎng)利用效率[7],而葉片的N∶P 是植物生長養(yǎng)分限制的敏感性指數(shù),可用于評價植物生長養(yǎng)分限制狀況,閾值試驗[8]研究表明,當葉片N∶P<14 時,植物生長主要受N 限制；葉片N∶P>16 時,植物生長主要受P 限制；當N∶P 比值介于14—16 時,植物生長受N 和P 共同限制。Han等通過分析中國753 種陸生植物葉片元素計量關系時發(fā)現(xiàn),與全球尺度相比中國區(qū)植被生長更易受到P 限制[9]。在全球和區(qū)域尺度上,因氣候和生態(tài)系統(tǒng)類型的不同,導致植物葉片C、N、P 計量比存在差異[10]。此外,植物葉片的元素化學計量比亦呈現(xiàn)出時間變化特征,在季節(jié)變化[11]、年際間不同生長階段[12]、群落演替階段[13]皆有報道。年際間不同生長階段對植物葉片化學計量的影響主要通過改變不同林分結構、群落結構等影響植物葉片化學計量,且通過影響土壤環(huán)境狀況間接影響葉片化學計量。如姜沛沛等發(fā)現(xiàn),隨著林齡的增加,油松(Pinustabulaeformis)葉片化學計量N∶P 呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢[14]。同時大量研究表明,土壤養(yǎng)分化學計量與植物葉片養(yǎng)分化學計量密切相關,土壤主要通過影響土壤理化性質、土壤養(yǎng)分有效性等影響植物葉片養(yǎng)分化學計量,如對四季竹氮磷添加實驗研究表明,添加氮磷能顯著影響四季竹葉片化學計量N∶P 且全氮與氮磷比呈顯著正相關[15]。目前的研究表明,在特定的人工林生態(tài)系統(tǒng)中,土壤-植物化學計量關系具有特性,因此對于以不同物種為優(yōu)勢種的特定生態(tài)系統(tǒng)仍值得我們廣泛研究。

油茶(CamelliaoleiferaAbel)是中國主要的木本油料植物,具有2300 多年的種植歷史,在我國亞熱帶區(qū)域廣泛種植,面積超過300 萬hm2[16]。近年來,油茶人工林的大面積種植導致了一系列問題,如不合理的林分結構、更新能力差、土壤養(yǎng)分缺乏等[17],且對于油茶人工林的研究中,主要側重于土壤施肥管理、林產品產量提升、育種等的問題,鮮有從生態(tài)化學計量學的角度,剖析地上植被元素計量及其與土壤養(yǎng)分計量的關系。因此本研究從生態(tài)化學計量學的角度,以亞熱帶紅壤丘陵區(qū)不同林齡油茶人工林為研究對象,綜合分析不同林齡段的油茶人工林土壤和葉片C、N、P 含量及其化學計量比,探討油茶人工林生態(tài)系統(tǒng)中不同林齡土壤-葉片化學計量的關系。旨在揭示油茶人工林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)特征與油茶林養(yǎng)分限制因子,同時為油茶林生產的提質增效提供理論依據(jù)。

圖1 野外調查樣點分布 Fig.1 Sample distribution of field investigation

1 研究方法

1.1 樣地調查及樣品采集

研究區(qū)(25°21′53″—29°42′6″ N；110°28′17″—115°34′47″ E)位于湖南、江西和湖北。該區(qū)域屬典型亞熱帶季風氣候,年平均氣溫17 ℃,年平均降水量1600 mm。遵循隨機采樣的原則,在研究區(qū)內選擇32 個樣地進行采樣,其中湖南省21 個,江西省7 個,湖北省4 個。根據(jù)樣地不同林齡分為4 個林齡組,其中9 個 <9年(a)幼齡林、10 個9—20年(a)高產林、6 個21—60年(a)低產林和7 個 > 60年(a)生產退化林。研究區(qū)域土壤類型以紅壤為主,成土母質多樣,土壤質地以壤質黏土為主。

土壤樣品與葉片樣品于2017 年12 月至2018 年1 月在選擇的32 個典型油茶人工林樣地中采集,每個油茶林樣地設置3 個10 × 10 m 的樣方,即3 個生物學重復。在每個樣方內選擇生長狀況具有代表性的油茶樹3 棵,在油茶樹滴水線內距離樹基部20—30 cm 繞樹隨機取4點,采集0—15 cm 表層土壤,混合成一個土壤樣品。每個樣方內隨機選擇一個油茶樹,并沿油茶樹東南西北四個方位,按照樹冠外部和內部剪取無病害成熟葉片30片,將葉片放入自封袋中并置于冰盒中帶回實驗室。每個樣地取3 個土壤樣品,3 個葉片樣品,試驗共采集96 份土壤樣品和96 份葉片樣品。土壤樣品帶回實驗室后挑揀出可見根系及石礫,過2 mm 篩,土壤樣品自然風干后用于測定土壤有機碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)和速效磷(Olsen-P)含量。葉片樣品在105 ℃ 殺青30 min 后,于55 ℃ 烘干至恒重,粉碎、過100 目篩,用于測定葉片C、N 和P 含量。利用GPS 記錄采樣位置(圖1),并記錄采樣時間、地點、海拔、油茶林規(guī)模、植被覆蓋度、油茶樹林齡、株高和基部周長等信息(表1)。

1.2 土壤及葉片C、N、P 元素測定

土壤有機碳(SOC)采用外加熱法,將重鉻酸鉀和硫酸溶液分別加入風干土樣在石蠟油浴鍋中加熱,沸騰5 min,冷卻后用硫酸亞鐵溶液滴定,通過消耗的硫酸亞鐵量計算有機碳含量；全氮(TN)采用半微量開氏法-流動注射儀(AA3, Germeny)分析測定,將高錳酸鉀和濃硫酸加入風干土樣消煮45 min后,冷卻洗出,用流動注射分析儀(AA3)自動上機測定氮濃度；全磷(TP)采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定,用氫氧化鈉高溫反復熔融風干土樣30 min后,用水洗出,冷卻定容過濾,用鉬銻抗顯色劑加入樣品溶液進行顯色反應,然后在分光光度計在700 nm 波長比色,讀取吸光值；速效磷(Olsen-P)采用碳酸氫鈉-鉬銻抗顯色法,在風干土樣用加入0.5 mol/L 碳酸氫鈉,180 r 震蕩30 min,過濾后用鉬銻抗顯色劑加入樣品溶液進行顯色反應,然后在分光光度計882 nm 處進行波長比色,讀取吸光值。油茶葉片C 直接采用元素分析儀測定(Elementar Vario TOC, Germeny),N 和P 均采用濃硫酸-過氧化氫消煮法,將葉片樣品與濃硫酸消煮至硫酸分解冒白煙,當溶液全部呈棕黑色時,再冷卻加入過氧化氫煮至微沸20 min,如此反復幾次,直至消煮液呈無色和清亮色,再加熱10 min,除盡多余的過氧化氫,冷卻定容,采用流動注射儀(AA3, Germeny)直接測定[18]。

表1 樣地基本概況

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2010 和SPSS 16.0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。土壤和葉片的C∶N、C∶P 和N∶P 化學計量比采用質量比表示[19]。利用單因素方差分析(One-way ANOVA)中的Ducan 法分別檢驗不同林齡土壤和葉片C、N、P 含量及C∶N、C∶P和N∶P 化學計量比(α = 0.05)。采用Pearson相關分析判斷油茶葉片與土壤C、N、P 含量之間的關系。數(shù)據(jù)表示均為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 不同林齡油茶人工林土壤C、N、P 含量及其化學計量比

油茶人工林土壤SOC平均含量為17.37 g/kg, SOC 含量隨林齡增大而增加,但在21—60 a 和> 60 a 林齡組間差異不顯著；土壤TN 平均含量為1.52 g/kg,TN 含量隨林齡的增大有一定程度的增加,< 9 a 林齡組顯著低于其余三個林齡組；土壤TP 平均含量為0.36 g/kg,土壤Olsen-P 平均含量為5.43 mg/kg, TP 和Olsen-P 在各林齡組中無顯著差異(表2)(P< 0.05)。

油茶人工林土壤化學計量比C∶N 均值為11.23,隨林齡增加,土壤化學計量比C∶N有一定增加,但在9—20 a 、21—60 a 和> 60 a 林齡組間差異不顯著；油茶人工林土壤化學計量比C∶P 均值為57.2,土壤化學計量比N∶P 均值為5,隨林齡增加,土壤化學計量比C∶P 和N∶P有一定增加,但< 9 a 和9—20 a林齡組間無顯著差異,21—60 a 和> 60 a 林齡組間無顯著差異(表2)(P< 0.05)。

2.2 不同林齡油茶人工林葉片C、N、P 含量及其化學計量比

油茶葉片C平均含量為503.47 g/kg,葉片C 含量隨林齡增大無顯著變化；葉片N 平均含量為13.49 g/kg,葉片N 含量隨林齡的增大有一定程度的減小,21—60 a 和>60 a 無差異；油茶葉片P 平均含量為0.77 g/kg,葉片P 含量隨林齡的增大有一定程度的減小,但9—20 a、 21—60 a 和>60 a林齡組中無顯著差異(表3)(P< 0.05)。

表2 不同林齡油茶林土壤C、N、P 含量及化學計量比

同列不同小寫字母表示不同林齡間差異顯著(P< 0.05),化學計量比中的P 以TP含量代入計算

油茶人工林葉片化學計量比C∶N 和C∶P平均值分別為39.33和701.86,隨林齡增加,C∶N 和C∶P 有一定程度增加,但> 9 a林齡趨于穩(wěn)定。葉片化學計量比N∶P 平均值為18.05,隨林齡增加,N∶P有一定程度增加,但在< 9 a、 9—20 a和 21—60 a林齡組中無顯著差異,在9—20 a、 21—60 a 和>60 a林齡組中無顯著差異(表3)(P< 0.05)。

表3 不同林齡油茶林葉片C、N、P 含量及化學計量比

同列不同小寫字母表示不同林齡間差異顯著(P< 0.05)

2.3 土壤和葉片C、N、P 含量和化學計量比之間的關系

相關分析結果表明,油茶人工林土壤SOC 和TN 呈顯著正相關,且SOC 和TN 與土壤化學計量C∶N、C∶P 和N∶P 之間呈顯著正相關。土壤TP 和Olsen-P 之間呈顯著正相關,且TP 和Olsen-P 與土壤化學計量C∶P 和N∶P 呈正相關關系,化學計量比C∶N、C∶P 和N∶P 之間呈正相關(表4)。此外,油茶人工林葉片C 和N 之間無相關,但都和P 呈顯著正相關。葉片C 與葉片化學計量C∶N、C∶P 和N∶P 都呈正相關。葉片N 與葉片化學計量C∶N、C∶P 呈顯著負相關,與葉片化學計量N∶P 呈正相關。葉片P 與葉片化學計量C∶N、C∶P 和N∶P 都呈顯著負相關。葉片化學計量C∶P 與葉片化學計量C∶N 和N∶P 呈顯著正相關,葉片化學計量C∶N 與葉片化學計量N∶P 呈負相關(表5)(P< 0.05)。

*在0.05 水平上顯著相關,**在0.01 水平上顯著相關,化學計量比中的P 以TP 含量代入計算

表5 油茶人工林葉片C、N、P 含量及化學計量比之間的Pearson相關分析

*在0.05 水平上顯著相關,**在0.01 水平上顯著相關,化學計量比中的P 以TP 含量代入計算

圖2 油茶人工林土壤和葉片C、N、P 相關性分析Fig.2 Relationships between plant and soil C, N and P in Camellia oleifera plantation

圖3 油茶林人工土壤和葉片C、N、P 化學計量比的相關性分析Fig.3 Relationships between plant and soil C, N and P stoichiometric ratio in Camellia oleifera plantation

葉片C 含量與土壤SOC 含量顯著正相關(r=0.214,P< 0.05),與土壤TP 和Olsen-P含量顯著負相關(r=-0.304,P< 0.01;r=-0.236,P< 0.05),與土壤TN 含量相關關系不顯著。葉片N含量與土壤SOC呈顯著負相關(r=-0.311,P< 0.01),與土壤TN、TP和Olsen-P不相關。葉片P 含量與土壤SOC 和TN 顯著負相關(r=-0.459,P< 0.01;r=-0.265,P< 0.01),而與土壤TP 及Olsen-P 均呈現(xiàn)顯著正相關關系(r=0.340,P< 0.01;r=0.310,P< 0.01)(圖2)。

除葉片N∶P 和土壤C∶N 相關關系不顯著外,葉片的C∶N、C∶P 和N∶P 比值均與土壤的C∶N、C∶P和N∶P 比值呈顯著正相關關系(P< 0.05)(圖3)。

3 討論

3.1 不同林齡油茶人工林土壤C、N、P 含量及化學計量特征

油茶人工林土壤SOC 和TN都隨林齡的增大而增加,表明土壤C 和N 的積累具有較好耦合性。低齡林土壤C、N 和P 含量均較低,這是因為油茶林在種植初期都采用全墾的方式,原有生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞,表層土壤SOC 流失嚴重,此外,新墾后植被覆蓋度低,養(yǎng)分歸還少[20]。本研究中大部分油茶人工林的土壤Olsen-P 含量低于5.0 mg/kg,這是因為亞熱帶區(qū)紅壤風化淋溶作用強烈,富含的鋁、鐵、錳氧化物等礦物對P 素專性吸附和固定的能力強,導致研究區(qū)P 素含量少。

土壤化學計量C∶N、C∶P 和N∶P是反映土壤有機質組成及土壤養(yǎng)分有效性的關鍵指標[21],土壤C∶N 比反應了土壤肥力水平和土壤有機質分解速率,一般而言,土壤較低C∶N 表現(xiàn)為高肥力和較快的C、N 礦化速率[22]。本研究中,與成熟油茶林相比,低林齡油茶人工林具有較低的土壤C∶N,但這并不意味著低齡油茶人工林土壤肥力高,這可能與油茶人工林經營過程中低幼齡油茶較高N 投入。總體上看,本研究中的油茶人工林土壤的C∶P(57.2)和N∶P(5.0)接近于全球自然森林生態(tài)系統(tǒng)土壤C∶P(81.9)和N∶P(6.6),但顯著高于其他人工林或果園的土壤C∶P 和N∶P[23]。因此,為保證油茶人工林具有較高的收獲指數(shù),需要更高的N、P 養(yǎng)分元素的投入。

3.2 不同林齡油茶人工林葉片C、N、P 含量及化學計量特征

亞熱帶區(qū)域尺度上油茶人工林葉片C 平均含量(503.47 g/kg)高于全球植物葉片C 元素含量的[24](462 g/kg)均值,且隨林齡增加,變化不顯著,這與油茶常綠生長特性相關。一般而言,常綠樹種葉片C 含量大于落葉樹種,常綠植物葉片更新慢,光合固定的C 元素大量的積累在葉片中[25],對鄱陽湖地區(qū)濕地松葉片研究發(fā)現(xiàn),葉片C含量不隨林齡變化,這與本研究發(fā)現(xiàn)一致[26]。這表明常綠人工經濟林具有較高的植被C 儲存能力。有研究表明,較高的葉片N 含量反映其較高的光合速率,生長快[27],而本研究中油茶葉片平均N 含量為13.49 g/kg,顯著低于全球尺度的20.1 g/kg[28]和中國區(qū)域的19.7 g/kg[29- 30],這表明油茶生長速率較低。此外,油茶葉片N 含量隨著林齡的增大而降低,說明隨林齡的增加油茶生長速率降低,這是因為油茶屬于“慢生長策略”型植物。與全球尺度(1.8 g/kg)[11]和中國東部南北森林生態(tài)樣帶優(yōu)勢樹種葉片平均P 含量(2.0 g/kg)[31]相比,本研究中的油茶葉片P 含量較低(0.77 g/kg),這與亞熱帶常綠闊葉林和人工林葉片P 含量(0.62—1.15 g/kg)相當[32]。且在> 9 a 油茶葉片P 含量無顯著變化,這與土壤TP 和Olsen-P 含量變化相近,這與He 等[33]研究認為植物葉片P 含量主要取決于土壤有效P 含量和土壤母質一致。

生長速率理論(Growth rate hypothesis, GRH)認為,生長速率的改變引起生物體C、N、P 化學計量改變,高生長速率的植物通常具有較低C∶N、C∶P 和N∶P,從而將P 更多分配到核糖體RNA,滿足核糖體迅速合成蛋白質以支持快速生長[34-35]。油茶葉片C∶N、C∶P和N∶P均隨林齡的增大在一定的林齡范圍內有增加趨勢,在成熟林階段其比值均趨于穩(wěn)定,表明在低幼齡林階段,油茶樹生長快,對N、P 養(yǎng)分需求高,而在成熟林階段,油茶人工林維持相對恒定的慢速生長。更為重要的是,葉片C、N、P 化學計量特征除了可作為植物群落結構和功能的風向標,亦可用于判斷土壤養(yǎng)分限制性元素[36]。大量研究表明, 植物葉片中N∶P 比低于14 時受N 限制,而高于16 時則受P 限制,植物葉片N∶P 比介于14—16 之間則受到N和P 的雙重限制[37]。本研究中,油茶葉片在不同林齡階段的N∶P 比值均大于16,表明該地區(qū)的油茶人工林受到P 素限制。此外,隨著林齡的增大,油茶葉片的N∶P 比值逐漸增大,表明油茶生長受到的P 限制愈嚴重。這可能與油茶人工林長期的果實采收帶走大量P 素,而土壤有效P元素缺乏補充有關(表2)。

3.3 油茶人工林土壤-葉片C、N、P 含量及化學計量特征

已有研究表明,植物葉片C、N、P 含量存在多種幾何關系,如葉片N 含量與C 含量之間存在等速或異速生長,葉片P 含量以C 含量的4/3 指數(shù)增長模式等[10,38]。而本研究中葉片C 含量與N 含量的無顯著相關關系,說明亞熱帶區(qū)域的油茶在固定C 過程中對養(yǎng)分(N、P 等)利用效率的權衡策略不同于其他植物類群。

研究區(qū)域內油茶葉片C、N、P及化學計量顯著大于土壤SOC、TN、TP及化學計量,這與任等對樟子松人工林土壤葉片研究一致[39]。這是因為葉片為固碳場所,參與的各種反應多,且土壤中養(yǎng)分來源主要為植物枯落物和土壤母質,因此土壤各元素含量低于葉片。值得注意的是,油茶人工林土壤TN 與油茶葉片N 含量著林齡的增加變化的趨勢相反,表明油茶N 吸收可能不受土壤N 含量的直接限制,而與油茶的生長特性或受到其他養(yǎng)分吸收的影響。而葉片P 含量與土壤的TP 和Olsen-P 含量呈現(xiàn)出顯著正相關關系,表明油茶葉片N 的吸收受到土壤P 素調控。大量研究表明,多數(shù)植物葉片的C、N、P 元素計量比與土壤的C、N、P 計量比關系不存在相關性,或者相關關系較弱,一般認為植物葉片的C、N、P 計量比由物種自身的屬性特征和物種的環(huán)境適應性所決定,而不是土壤養(yǎng)分限制引起的[40]。在本研究中,葉片的C∶N、C∶P 和N∶P 比值都與土壤的C∶N、C∶P 和N∶P 比值大多呈顯著正相關,表明油茶葉片養(yǎng)分計量與土壤養(yǎng)分計量關系存在廣泛的協(xié)同性,因此,在油茶人工林的經營過程中,要充分考慮養(yǎng)分投入的平衡。

4 結論

亞熱帶區(qū)域油茶人工林的土壤SOC 和TN 含量隨林齡的增大而積累,而土壤Olsen-P含量一直維持在較低水平。葉片C∶N、C∶P 均隨林齡增加而有一定程度增加,并在成熟林后期趨于穩(wěn)定。油茶人工林土壤以及葉片主要受P 素限制,且隨林齡增大,磷養(yǎng)分限制增強,因此在油茶人工林管理中,應長期注重P 肥施加；油茶葉片化學計量和土壤化學計量存在廣泛的耦合關系,在不同外部條件的影響下,都作出相應的反應,因此在油茶人工林生態(tài)系統(tǒng)中,應注意通過研究植物-土壤間相互作用,進行合理的養(yǎng)分管理來提高油茶人工林生態(tài)系統(tǒng)生產力。但是在研究植物土壤間相互作用過程中,應考慮到凋落物計量與植物土壤間的相互關系。