魏亞偉，張 彤，劉 靜，韓 敘，秦勝金，杜天雨，周永斌

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，沈陽 110161；2.遼寧遼河平原森林生態(tài)體系定位研究站，遼寧昌圖 112500）

生態(tài)化學(xué)計量主要指植物的元素（主要是碳、氮、磷）組成及其相互關(guān)系[1]，是揭示元素相互作用與制約的變化規(guī)律[2]、元素平衡與生態(tài)交互作用影響的一種有效方法[3]，也是研究生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素分配、循環(huán)過程以及限制性元素判斷的一種新興手段[4]。近年來，隨著生態(tài)學(xué)的快速發(fā)展，生態(tài)化學(xué)計量學(xué)的研究已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點之一，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[5]，同時也為揭示森林土壤養(yǎng)分的循環(huán)過程、利用規(guī)律及反饋作用機制提供了新思路[2]。例如，對不同植被類型、不同演替階段的植物器官的化學(xué)計量特征進行研究，對比植物組織中C、N、P化學(xué)計量比的差異，探討不同植被類型或不同演替階段對養(yǎng)分的影響規(guī)律[6-7]。此外，關(guān)于森林和草原生態(tài)系統(tǒng)C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征及其驅(qū)動因素[5]、全球與區(qū)域、功能群及生態(tài)系統(tǒng)、個體水平等不同尺度上的生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征等[5]、氮沉降或氮、磷添加等對生態(tài)系統(tǒng)化學(xué)計量學(xué)特征的影響等也有較多報道[8-9]。

鈣是地殼中含量最多的五種元素之一，也是自然界中豐度最高的元素之一。同時，鈣作為植物必需的營養(yǎng)元素之一，對維持森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定有重要作用。鈣既是植物細胞壁的主要組成成分，又是植物生理過程中的重要信號調(diào)節(jié)因子[10]，在植物生長發(fā)育以及適應(yīng)逆境脅迫過程中處在中心的調(diào)控地位[11]。近年來，隨著長期定位觀測在生物地球化學(xué)循環(huán)等方面的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)鈣對生物地球化學(xué)循環(huán)的大多數(shù)環(huán)節(jié)都有影響，并表現(xiàn)出明顯的生態(tài)效應(yīng)，如植物發(fā)芽能力、幼苗成活率、森林生產(chǎn)力及群落演替等[12-13]。不僅如此，鈣缺失還將改變森林生態(tài)系統(tǒng)中的物種組成和生物多樣性[14-16]。而環(huán)境的酸化將對生態(tài)系統(tǒng)中鈣的平衡造成巨大影響，如鈣供應(yīng)不足會嚴(yán)重影響植物的正常生長，尤其在環(huán)境脅迫時將更加明顯[17]，鈣已經(jīng)成為限制森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要因素之一[18-19]。隨著氮沉降的增多，鈣有可能取代氮而限制樹木的生長[20]。因此，探討森林生態(tài)系統(tǒng)鈣元素的空間分布特征、及其與化學(xué)計量學(xué)特征的關(guān)系對更好地理解森林生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要的科學(xué)意義。

闊葉紅松林是我國東北地區(qū)的主要森林類型之一，同時也是東北溫帶地區(qū)的地帶性頂極植被群落[21]。然而，關(guān)于闊葉紅松林生態(tài)系統(tǒng)鈣元素卻鮮有報道。本研究以闊葉紅松林中的紅松為研究對象，研究其土壤及葉片鈣元素的空間變異性、以及與土壤、葉片C、N、P及其化學(xué)計量學(xué)特征的相互關(guān)系，以期為東北闊葉紅松林的科學(xué)管理及未來氣候變化條件下更好地預(yù)測森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

闊葉紅松林主要分布在我國東北的長白山和小興安嶺地區(qū)。該地區(qū)是我國典型的北溫帶濕潤氣候區(qū)，受溫帶大陸性氣候控制，冬季寒冷干燥且漫長，夏季濕熱多雨且短暫，年均溫1.8~4.8℃，年降水量550~700mm，降水多集中在夏季，但由于該地區(qū)常年的低溫，年蒸發(fā)量較小，加上森林自身的調(diào)節(jié)作用，該區(qū)能常年保持濕潤。闊葉紅松林是該地區(qū)的頂極植被群落，以喜濕的紅松（Pinus koraiensis）為優(yōu)勢種，伴生有紫椴（Tilia amurensis）、蒙古櫟（Quercus mongolica）、色木槭（Acer mono）、榆樹（Ulmus mongolica）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）等，土壤類型以暗棕色森林土為主。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

2015年7～8月分別在長白山林區(qū)的露水河、張廣才嶺地區(qū)的穆棱、小興安嶺地區(qū)的五營選擇典型的天然闊葉紅松林，林齡均為成、過熟林（表1）。在每個研究區(qū)分別選取典型的林分設(shè)置樣地，樣地面積均為20m╳20m，調(diào)查樣地內(nèi)的所有喬木，并根據(jù)紅松的各項生長指標(biāo)的平均值，在樣地內(nèi)選擇3~5株中等大小、長勢及冠幅較一致的健康標(biāo)準(zhǔn)木，利用高枝剪分別從每棵樹的東、南、西、北4個方向、樹冠上、中、下3個層次采集樣樹的葉片，混勻后作該樣樹的樣品；同時，利用土鉆在每株樹的四周分別進行土壤樣品的采集，采集深度分別為表層0~15cm（表層）和15~30 cm（下層），挑出其中的根系和石礫，混勻后帶回室內(nèi)分析。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic information of the plots

將采集的葉片于105℃下殺青30min，然后65℃下烘干至恒量，并經(jīng)粉碎機打磨后過100目篩。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、粉碎后過100目篩。樣品有機碳的測定采用重鉻酸鉀-外加熱法，全氮的測定采用凱氏定氮法，全磷的測定采用硫酸高氯酸消煮-鉬藍比色法、分光光度計測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013軟件對數(shù)據(jù)進行處理和繪圖。采用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，正態(tài)分布性檢驗采用K-S檢驗（one sample Kolmogorov-Smirnov test）。對植物葉片、土壤的C、N、P、Ca含量及其化學(xué)計量比數(shù)據(jù)進行以10為底的對數(shù)轉(zhuǎn)換，使其符合正態(tài)分布；采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較不同土層C、N、P和Ca含量特征的差異性，各元素間及與其化學(xué)計量特征間的相關(guān)分析采用Pearson相關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 闊葉紅松林土壤、葉片有機碳、全氮、全磷、鈣元素的含量特征

由表2和圖1可知，闊葉紅松林表層土壤有機碳（TOC）、全氮（TN）、全磷（TP）的變化范圍分別為2.3%~11.0%，0.2%~0.8%，0.02%~0.1%，土壤水溶性鈣的含量相對較少，僅為25.33~86.30mg·g-1；下層土壤各元素含量較表層均有不同程度的減少，TOC、TN、TP和Ca分別為0.6%~6.8%，0.1%~0.5%，0.02%~0.1%，16.77~82.37mg·g-1。整體來說，土壤各元素的空間變異性均較大（變異系數(shù)CV>20%）。

圖1 土壤有機碳、全氮、全磷和水溶性鈣的含量特征Figure 1 Characteristics of organic carbon,total N,total P,dissolved Ca concentration in soil

葉片的TOC、TN和TP均較土壤顯著升高，分別為48.8%~51.2%，1.2%~1.7%和0.1%~0.3%，但葉片Ca含量較土壤顯著降低，僅為1.88~4.29mg·g-1（表2和圖2）。葉片SOC和TN的變異性相對較小，變異系數(shù)僅為0.9%和9.1%，但葉片TP和Ca的變異系數(shù)均較大（CV>20%）。

圖2 葉片有機碳、全氮、全磷和鈣的含量特征Figure 2 Characteristics of organic carbon,total N,total P,dissolved Ca concentration in leaf

表2 土壤及葉片C、N、P、Ca含量特征Table 2 Characteristics of C,N,P,Ca concentration of soil and leaf

2.2 闊葉紅松林土壤、葉片有機碳、全氮、全磷的化學(xué)計量學(xué)特征

表層土壤C/N、C/P、N/P的變化范圍分別為10.50~18.62，41.24~195.79，3.50~13.08，均高于下層土壤（表3和圖3）；葉片的C/N和C/P均較大，分別為28.73~43.60和189.81~472.22，顯著高于土壤，而N/P與土壤的差異較小，為5.65~13.76；土壤和葉片的C/N變異性均較小，變異系數(shù)均小于15%，而C/P和N/P的變異性則均相對較大（表3）。

圖3 土壤、葉片中C、N、P的化學(xué)計量學(xué)特征Figure 3 Characteristics of soil and leaf C,N,P stoichiometry.

表3 土壤及葉片C、N、P化學(xué)計量學(xué)特征Table 3 Characteristics of soil and leaf C,N,P stoichiometry

2.3 闊葉紅松林土壤、葉片鈣與有機碳、全氮、全磷及其化學(xué)計量學(xué)的相關(guān)性

由表4可知，表層土壤水溶性鈣含量與表層土壤和下層土壤SOC、TN和TP、以及下層土壤Ca、葉片SOC和Ca含量均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系（p<0.05），但與C、N、P化學(xué)計量學(xué)特征的關(guān)系均不顯著；深層土壤水溶性鈣含量與表層土壤和下層土壤SOC、TN、TP、以及表層土壤Ca、深層土壤C/N和葉片Ca含量均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（p<0.01）；葉片Ca僅與土壤Ca及深層土壤SOC、TN和TP呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)。此外，表層土壤SOC與土壤TN、TP、C/N和C/P均呈顯著正相關(guān)；土壤TN和TP與葉片TN、TP呈顯著正相關(guān)，與C/N、C/P、N/P則呈顯著負(fù)相關(guān)；葉片TN和TP與葉片C/N、C/P、N/P也均呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)。

3 討論與結(jié)論

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組分和養(yǎng)分儲存庫[2]，土壤養(yǎng)分含量在空間和時間上均表現(xiàn)出巨大的差異性[22]。本研究中，有機碳、全氮、全磷及其化學(xué)計量比均隨緯度的增加呈現(xiàn)出一定空間變異性（圖1和圖2）。同時，東北闊葉紅松林土壤有較高的土壤養(yǎng)分含量，且主要集中在表層土壤，這與以往的研究結(jié)果類似，長白山和小興安嶺針闊混交林0~20cm土壤貯存了其剖面總有機碳的50%以上[23]。本研究中表層土壤有機碳和全氮含量，分別為2.28%~10.99%和0.16%~0.80%，遠高于全國土壤平均水平1.11%和0.11%，全磷的變化范圍（0.02%~0.11%）與全國土壤的平均水平相當(dāng)（0.06%）[24]。土壤有機碳和氮主要來自于地表枯落物的分解輸入，土壤磷主要來源于母質(zhì)，較少來自于植物分解[2]，這說明該地區(qū)具有較高的土壤有機碳固持能力，而該地區(qū)常年的低溫則是限制母質(zhì)分解并導(dǎo)致土壤磷的含量相對較低的原因之一。葉是植物養(yǎng)分的主要儲存庫，也是進行光合、呼吸和蒸騰等一系列生理過程的主要場所。東北闊葉紅松林葉的有機碳、全氮和全磷含量分別為48.77%~51.19%、1.17%~1.73%、0.11%~0.26%，其中有機碳含量明顯高于我國東部南北樣帶森林生態(tài)系統(tǒng)植物（48.0%）和全球陸生植物（46.2%），而全氮和全磷含量與我國陸生植物[（1.75%~2.02%）和（0.13%~0.20%）]和全球陸生植物（2.01%和0.18%）相比均較低[25-26]。這說明該地區(qū)紅松具有較高的碳蓄積能力[27]；植物葉片對環(huán)境的變化較為敏感，尤其氮、磷含量受自身屬性、生長階段以及外在環(huán)境的影響較大[28]，東部地區(qū)常年的低溫對植物本身的某些物理特性和一系列的新陳代謝過程的影響導(dǎo)致了葉片對氮和磷等部分元素較低的吸收[29]。

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相比土壤有機碳、全氮和全磷含量對土壤質(zhì)量的直接反映，生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、磷的化學(xué)計量比特征是反映C、N、P循環(huán)與平衡的重要參數(shù)，如土壤C/N在一定程度上指示著有機質(zhì)的分解速率，C/P反映土壤中磷的有效磷高低，土壤N/P則作為土壤養(yǎng)分限制類型的預(yù)測指標(biāo)[2]。本研究中不同區(qū)域植被和土壤的C∶N、C∶P和N∶P之間存在較大的差異性，這與全國土壤C∶N∶P分布特征一致[24]。東北闊葉紅松林表層和下層土壤C∶N分別為13.3和12.2，均與我國陸地土壤和森林土壤C∶N的比值（12.3和13.7）接近[24,30]，這說明該地區(qū)較高的土壤有機碳和全氮的固持能力。與我國陸地土壤和森林土壤相比，該地區(qū)有較高的土壤C∶P和N∶P比值，尤其表層土壤的C:P高達106.13，這進一步驗證了該地區(qū)較低的土壤全磷水平。生態(tài)系統(tǒng)中葉片C∶N和C∶P不僅代表著不同植物或群落固碳效率的高低[31]，也能反應(yīng)出植物對N、P的利用效率，能在一定程度上判斷外界環(huán)境對植物生長所需N、P的供應(yīng)狀況[2]。該地區(qū)紅松葉片的C∶N和C∶P分別為35.52和350.34，均高于全球平均水平（C:N為22.5，C∶P為233.2）[32]和我國東部南北樣帶森林生態(tài)系統(tǒng)植物的水平（C∶N和C∶P分別為29.1和313.9）[27]，相反，紅松葉片的N∶P（9.86）卻明顯低于全球平均水平（12.7）[32]和我國東部南北樣帶森林生態(tài)系統(tǒng)植物的水平（11.5）[27]。氮和磷作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最主要的限制性養(yǎng)分元素，在植物體結(jié)構(gòu)和功能上存在一定的聯(lián)系，其含量能夠直接影響植物的生長[33]。已有研究表明，當(dāng)葉片N∶P<14時，植物生長主要受N元素限制，當(dāng)N∶P>16時，植物生長主要受P限制；處于兩者之間時N、P同時限制或養(yǎng)分充足不受限制[34]。這進一步證明該地區(qū)土壤全磷含量的低水平，而對土壤有機碳則具有較強的固持和保存能力。

土壤中鈣的含量既受成土母質(zhì)的影響，同時也與成土過程中地球化學(xué)作用強度有一定關(guān)系[35]。本研究中，土壤鈣含量和植物鈣含量的變化范圍分別為1.67%~8.63%和0.19%~0.43%，這均與以往研究相似，即植物體內(nèi)鈣含量一般為0.1%~5.0%[36]，北方土壤的鈣含量一般在1%~10%。鈣供應(yīng)不足會嚴(yán)重影響植物的正常生長，提高土壤鈣含量可以增加植物的抗逆性[17]。鈣對生物地球化學(xué)循環(huán)的大多數(shù)環(huán)節(jié)都有重大影響，本研究發(fā)現(xiàn)，不同土層土壤鈣含量以及植物葉片鈣含量之間均存在極顯著的正相關(guān)性，這與以往研究結(jié)果類似，植物鈣主要來自于土壤，且在植物體內(nèi)難以轉(zhuǎn)移[37]。土壤鈣均與表層和下層土壤有機碳、全氮和全磷含量表現(xiàn)出極顯著的相關(guān)性，而葉片鈣含量則受下層土壤有機碳、全氮和全磷的影響較大，呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性，其具體機制有待于進一步研究。此外，表層土壤鈣含量和葉片鈣含量均與土壤和葉片的C∶P和N∶P呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但并未達到顯著水平，這可能與鈣作為重要的信號調(diào)節(jié)因子，通過調(diào)控氣孔開閉以及鈣調(diào)蛋白活性，對植物碳、氮、水代謝過程產(chǎn)生影響等有關(guān)[38]，而森林生態(tài)系統(tǒng)中鈣與各元素間的關(guān)系以及鈣對各元素吸收和保存的調(diào)節(jié)機制仍有待于進一步的深入研究。

此外，本研究中葉片有機碳含量與葉片的全氮和全磷均呈的負(fù)相關(guān)，而氮和磷呈顯著的正相關(guān)，這與黃小波等[39]研究結(jié)果相似，植物C含量變化與N、P含量變化呈現(xiàn)相反趨勢，這符合高等陸生植物C、N、P元素計量的葉C與N、P的負(fù)相關(guān)性以及N與P的正相關(guān)性這一普遍規(guī)律[40]。