云南药山自然保护区黄背栎林和巧家五针松林生态化学计量特征

杨 幸,王 平,*,高大威,高宁宁,李璐杉,杨晓柳,钟乾娟

1 云南师范大学旅游与地理科学学院,昆明 650500 2 云南药山国家级自然保护区管护局,昭通 654600

随着现代生态学的快速发展,生态化学计量学已成为生态学研究的热点问题[1],它结合了生态学和化学计量学的基本原理,是研究生态系统能量平衡、多重化学元素(通常是C、N、P)平衡以及元素平衡对生态交互作用影响的一种理论[1-2]。生态化学计量学研究最早主要是针对水生生态系统开展的,海洋生态学家和地球化学家应用化学计量学原理探讨养分限制和养分循环的研究已有50多年历史[3-4],近年来,它为土壤-凋落物-植物之间的相互作用以及C、N、P元素的循环提供了新方向和新思路[5-6]。C、N、P是植物体内最基本的化学元素,影响植物的生长发育和各种生理生化过程[7]；植物凋落物通过分解和淋溶,将各种元素释放出来,归还土壤[8]；而土壤作为植物立地与生长的基础,其C、N、P含量直接影响着植物群落的组成、结构与生产力水平[9]。刘兴诏等[10]通过对比分析鼎湖山南亚热带森林初、中、后3个演替阶段植物与土壤中N、P的化学计量特征,发现针叶林、混交林和季风常绿阔叶林的植物叶片和土壤中的N∶P随着演替过程同步增加；王玲玲[11]比较分析了秦岭地区5种林龄华北落叶松针叶、茎干和细根中C、N、P含量,发现其N∶P比值均远远小于临界值14,华北落叶松的生长主要受氮元素的限制,随着林龄的增加,土壤中的C、N、P含量有增加的趋势,但土壤中的C∶P、N∶P值远低于我国土壤C∶P、N∶P的平均值,得出该地区土壤氮素匮乏,植物的生长会受氮元素限制。

药山国家级自然保护区是金沙江流域川、滇、黔交界地区生物多样性最为丰富、保存最为完好的地区,被《中国生物多样性保护行动计划》列为“森林生态系统的优先保护区”,其主要保护对象为常绿阔叶林生态系统及其珍稀濒危动植物,其中,黄背栎林(Form.Quercuspannosa)和巧家五针松林(Form.Pinussquamata)均为重点保护群系[12]。黄背栎林是该保护区寒温山地硬叶栎林中的优势类型,分布面积大,是一类古老而极为珍稀的森林植被[12]；巧家五针松是国家I级重点保护植物,为该保护区特有种,目前自然种群数仅 34 株,其珍稀濒危程度堪称植物界的“大熊猫”[13]。本文以保护区天然黄背栎林、天然巧家五针松林和人工栽培的巧家五针松林为研究对象,就其生态系统中“叶片-凋落物-土壤”的C、N、P含量及C∶N、C∶P、N∶P生态化学计量特征、养分限制情况及其影响因素进行研究,旨在揭示2类森林生态系统养分循环规律和系统稳定机制。

1 研究区概况

药山自然保护区(27°08′54″—27°25′31″N,102°57′35″—103°10′13″E,以下简称保护区)位于滇东北昭通市巧家县北部,药山为乌蒙山支脉,最高点轿子顶,海拔4041.6 m,最低点在牛栏江与金沙江交汇处,海拔517 m,发源于保护区的河流分别汇入金沙江和牛栏江[12]。出露的岩石有玄武岩、砂岩、页岩、石灰岩等。从金沙江、牛栏江干热河谷到冷湿的轿子顶,气候类型由河谷南亚热带半干旱季风气候逐渐递变为山地寒温带湿润季风气候,植被由干热河谷稀树草丛、半湿润常绿阔叶林等逐渐递变为高寒灌丛、高寒草甸等,主要地带性土壤由燥红土带、红壤带逐渐递变为暗棕壤带、亚高山草甸土带[12],是云南高原上山地气候、植被、土壤垂直带谱最完整的自然保护区。黄背栎林分布区,海拔3000—3200 m,气候为山地寒温带湿润季风气候,冷凉、潮湿,土壤为棕壤。巧家五针松林分布区,海拔2000—2300 m,气候为山地暖温带半湿润季风气候,温暖、半湿润,土壤为红壤[12]。

2 研究方法

2.1 样地设置和样品采集

以云南大学生态学和地植物学研究所2016年在保护区挑选设置的2块天然黄背栎林固定样地(编号为YS1、YS2)和1块天然巧家五针松林固定样地(编号为YS3)为研究对象,课题组在距离样地YS3约450 m的人工巧家五针松林(2008年种植,株距行距均为4 m,树龄10年,树高约8—9 m)分布区内,设置1块面积20 m×20 m的样地(编号为YS4),各样地环境信息详见表1和表2。

2018年4月下旬,在4块样地内,以S型随机设置6个3 m×3 m的样方,在3 m×3 m样方内随机选3个点,扒开凋落物层,按0—20 cm深度采集3点土样并混合,采用四分法按对角线取300 g装入土袋；同时收集地面未分解的优势树种凋落物,采集长势较好的优势树种向阳的完整叶片。

表1 样地基本信息Table 1 Basic information of the sample plots

YS1：药山自然保护区内设置的第一块样地，The first sample plot in the Yaoshan Nature Reserve;缩写 YS2、YS3和YS4含义同YS1

表2 样地土壤基本信息Table 2 Basic information on soil sample plots

Ah指自然土壤的表层腐殖质层；Ap指耕作土壤的表土层

2.2 样品分析

将野外采集的叶片、凋落物和土壤样品带回实验室,叶片和凋落物经105℃杀青10 min后,放入65℃的烘箱烘干至恒重,用植物粉碎机粉碎,过100目筛,用于C、N、P含量测定；土样按照《土壤理化分析与剖面描述》[14]中的要求,置于阴凉处风干,去除动植物残体、石块等,研磨过60目土壤筛,制成粒径0.25 mm待试土样,用于测定土壤C、N、P含量。采用重铬酸钾-油浴加热法[14]测定叶片、凋落物和土壤C含量；采用浓H2SO4消煮-凯式定氮法[14]测定叶片、凋落物和土壤N含量；采用钒钼黄比色法[15]测定叶片和凋落物P含量；采用钼锑抗比色法测定土壤P含量[14]。

2.3 数据分析

采用Excel 2010对数据进行初步处理,再利用SPSS 22.0对4块样地叶片-凋落物-土壤的C、N、P含量及C∶N、C∶P、N∶P生态化学计量特征进行单因素方差分析(One-way ANOVA),并采用LSD法作多重比较分析(a=0.05)；最后对叶片-凋落物-土壤的C、N、P含量及C∶N、C∶P、N∶P生态化学计量特征进行Pearson相关性分析。

3 结果与分析

3.1 叶片-凋落物-土壤C、N、P含量特征

图1所示,4块样地叶片、凋落物、土壤C含量范围分别是475.29—545.86、406.92—512.78、28.27—129.06 g/kg,叶片和凋落物C含量均为YS4>YS3>YS2>YS1,并且差异显著(P<0.05)；土壤C含量为YS2>YS1>YS3>YS4,YS1和YS3土壤C含量接近,差异不显著(P>0.05),其他样地间差异显著(P<0.05)。叶片、凋落物、土壤N含量分别为2.557—3.267、2.24—3.08、0.31—1.053 g/kg,叶片N含量YS4>YS1>YS2>YS3,样地间差异不显著(P>0.05)；凋落物N含量YS4>YS2>YS1>YS3,样地间差异显著(P<0.05)；土壤N含量YS2>YS1>YS3>YS4,与土壤C含量显著性变化一致。YS4土壤C、N含量偏低,总盖度约65%,几乎无灌丛和杂草,YS2土壤C、N含量最高,总盖度90%,枯落物层(约2 cm)和腐殖质层(26 cm)比其他样地丰厚。叶片、凋落物、土壤 P含量分别为1.231—1.983、0.736—1.033、1.209—1.397 g/kg,叶片P含量YS3>YS2>YS1>YS4,样地间差异不显著(P>0.05)；凋落物P含量YS2>YS4>YS3>YS1,YS4和YS2样地间差异不显著(P>0.05),样地土壤P含量基本一致,差异不显著(P>0.05)。4块样地组分间C、N、P含量差异显著(P<0.05),同一样地组分间C、N含量显著性均为叶片>凋落物>土壤。

图1 叶片-凋落物-土壤C、N、P含量Fig.1 Leaf-litter-soil C,N,P contents不同大写字母表示同一样地不同组分之间差异显著；小写字母表示不同样地同一组分之间差异显著(P <0.05);YS：药山自然保护区内设置的块样地

3.2 叶片-凋落物-土壤C、N、P化学计量比特征

图2所示,4块样地叶片、凋落物、土壤的C∶N范围分别为145.52—206.39、158.69—219.73、91.91—122.46,叶片C∶N比值YS3>YS2>YS4>YS1,YS4和YS2间差异不显著(P>0.05)；凋落物C∶N比值YS3>YS1>YS4>YS2,YS1和YS4间差异不显著(P>0.05)；土壤C∶N比值YS3>YS2>YS1>YS4,样地间差异不显著(P>0.05)。叶片、凋落物、土壤C∶P比值分别为265.47—474.25、440.75—576.53、21.24—90.00,叶片C∶P比值YS4>YS1>YS2>YS3,样地间差异不显著(P>0.05)；凋落物C∶P比值YS3>YS1>YS4>YS2,样地间差异显著(P<0.05)；土壤C∶P比值YS2>YS3>YS1>YS4,YS1和YS3间差异不显著(P>0.05)。叶片、凋落物、土壤N∶P比值分别为1.29—2.86、2.62—3.33、0.23—0.74,叶片N∶P比值YS4>YS1>YS2>YS3,样地间差异不显著(P>0.05)；4块样地凋落物和土壤N∶P比值大小和显著性差异与C∶P一致。除了YS2的C∶N比值,同一样地各组分间C∶N、C∶P、N∶P比值差异显著(P<0.05),均为凋落物>叶片>土壤。

图2 叶片-凋落物-土壤化学计量比特征Fig.2 Leaf-litter-soil stoichiometry characteristics不同大写字母表示同一样地不同组分之间差异显著；小写字母表示不同样地同一组分之间差异显著(P <0.05)

3.3 叶片-凋落物-土壤C、N、P含量及化学计量比的相关性

从表3可以看出：YS1叶片-土壤C含量为极显著负相关(P<0.01),凋落物-土壤N含量、凋落物-叶片和叶片-土壤P含量、C∶P及N∶P比值均呈显著正相关(P<0.05),其他组分间含量和比值相关性不显著(P>0.05)；YS2叶片-土壤C含量及C∶N、C∶P比值为显著正相关(P<0.05),凋落物-叶片N含量和N∶P比值显著相关(P<0.05)凋落物-土壤P含量呈极显著负相关(P<0.01)；YS3叶片-土壤C、N、P含量及C∶N、C∶P、N∶P比值均呈极显著正相关(P<0.01),凋落物-叶片和凋落物-土壤C、N含量及C∶P比值均呈显著负相关(P<0.05)；YS4凋落物-叶片C、N含量及N∶P比值和叶片-土壤P含量及C∶N、N∶P比值为显著相关(P<0.05)。

表3 叶片-凋落物-土壤C、N、P含量及化学计量比的相关性分析Table 3 Relationships of leaf-litter-soil C,N,P contents and their stoichiometry

*表示在0.05水平上显著相关(P<0.05),**表示在0.01水平上显著相关(P<0.01)

4 讨论

4.1 叶片-凋落物-土壤C、N、P含量

保护区4块样地叶片C含量均高于全球植物叶片C含量的平均值(464 g/kg),N含量低于全球和中国叶片N元素的平均值(20.09、20.2 g/kg),除了YS3叶片P含量高于全球和中国叶片的平均含量(1.77、1.46 g/kg)[16-18],其他均低于全球叶片P含量。4块样地叶片C含量巧家五针松林(535.94 g/kg)>黄背栎林(497.35 g/kg),因为针叶林具有特殊的养分获取方式,其各器官平均C含量高于阔叶林的1.6%—3.4%[19-20]。通常C不是植物生长的限制元素,C在大多数植物体内含量很高且变异较小[21],YS1叶片C含量显著低于YS2,这与YS2土壤C含量显著高于YS1有关,YS3和YS4叶片C含量差异较小。叶片N含量YS3(2.56 g/kg)YS2(1.55 g/kg)>YS1(1.23 g/kg)>YS4(1.15 g/kg),植物叶片P含量一方面反映了植物对P元素的利用效率,另一方面反映土壤P元素的供应能力,一般认为全磷含量相差不大的酸性土壤,pH越高(YS3>YS4>YS2>YS1),有效磷含量就越高,另外土壤黏粒含量高低对有效磷也有影响,土壤黏粒含量越高对磷吸附能力越强(YS1>YS3>YS4>YS2),导致土壤供磷能力减弱[22]。YS1土壤pH最小为4.7,黏粒含量最高为9.80%,因此,土壤供磷能力低于其他3块样地。

凋落物分解速率影响着生态系统中的养分循环速率,它受气候、凋落物质量和土壤微生物的影响,同种植物的凋落物,温度越高,降水越多,土壤微生物越多,凋落物分解越快,养分元素淋溶越强烈,输入土壤的有机质量越多[8]。土壤C、N含量：YS2>YS1、YS3>YS4,说明YS2凋落物分解速率强于YS1,YS3凋落物分解速率强于YS4。黄背栎林凋落物C、N、P含量(431.18、2.66、0.80 g/kg)低于哀牢山中山湿性常绿阔叶林凋落物的C、N、P含量(500.12、15.22、0.89 g/kg)[23],N、P含量低于全球木本植物凋落物N、P的平均含量(10.9、0.85 g/kg)[24]。巧家五针松林凋落物C、P含量(502.86、1.03 g/kg)高于辽东山区落叶松林、红松林、油松林凋落物的C、P含量[25],N含量(2.66 g/kg)低于辽东地区松林的凋落物N含量[25]和全球木本植物凋落物N的平均含量(10.9 g/kg),P含量高于全球凋落物平均值(0.85 g/kg)[24]。

样地土壤C、P含量均高于中国陆地土壤平均含量(24.56、0.78 g/kg),N含量低于中国陆地土壤平均含量(1.88 g/kg)[26],土壤出现N元素供应不足的现象,与当地植被叶片缺N元素一致。已有研究表明：表层土壤有机质和总氮与年均温呈线性负相关(不考虑土壤类型),与黏粒含量呈线性正相关[27]。巧家五针松林样地处于山地暖温带,黄背栎林样地处于山地寒温带,因此巧家五针松林样地土壤C、N含量低于黄背栎林样地；黏粒含量：YS1>YS2,YS3>YS4,YS3土壤C、N含量显著高于YS4,而YS2土壤C、N含量显著高于YS1。在野外,根据我们实地挖掘的土壤剖面可以看出,腐殖质层厚度：YS1(28 cm)>YS2(22 cm),并且YS1土壤剖面心土层有明显的腐殖质聚积现象,YS心土层未出现明显的腐殖质聚积现象,土壤(0—20 cm)自然含水量：YS1(55.74%)>YS2(46.93%),因此可以推断出：YS1表层土壤C、N含量显著低于YS2与降水对土壤有机质的向下淋移有关。

4.2 叶片-凋落物-土壤C、N、P化学计量比特征

叶片的C∶N和C∶P可以反映植物所能同化C的能力、营养利用的效率以及植物的生长速率[28],一定程度上也反映了土壤中N和P元素的供应状况[21]。人工巧家五针松针叶C∶P、N∶P比值显著高于天然巧家五针松林,与学者对秦岭中幼龄华北落叶松针叶随林龄的增加C∶P、N∶P比值降低一致[29]。已有研究表明,植物叶片N∶P小于14 时,植物生长受到氮素限制；而N∶P 大于16 时,植物生长受到磷素限制；介于14 与16 之间,植物受氮素、磷素共同限制[30]。4块样地叶片N∶P均小于14,表明N元素是该地区的主要限制因素。

凋落物C∶N、C∶P均为YS3>YS1>YS4>YS2,总体来看巧家五针松C∶N、C∶P比值(193.02、536.55)大于黄背栎林(162.39、496.82),表明巧家五针松林的碳蓄积能力较强,另有研究表明,N控制着凋落物的分解速率,C∶N比值与凋落物分解速率呈反比关系[8],表明黄背栎林凋落物的分解速率高于巧家五针松林。曾昭霞等[21]认为,土壤N、P含量相对偏高,而植物的N、P养分再吸收率偏低的情况下,凋落物(C∶N、C∶P)>植物叶片>土壤。图1可以看出4块样地土壤P含量较高,因此得出,样地植物生长所需的P元素主要来源于土壤中岩矿风化所提供的养分,而非通过养分的再吸收利用来满足植物生长的需求。

土壤C∶N、C∶P、N∶P比值为YS2>YS3>YS1>YS4,研究表明C∶N是土壤氮素矿化能力的标志,与土壤有机质分解速率呈反比关系[31],YS3与YS4处于暖温带,土壤矿化和有机质分解能力应强于YS1和YS2,而表层土壤C、N含量主要来源于凋落物的分解淋溶,与凋落物的产量、质量及形态特征关系密切,一般针叶林的凋落物不易分解、矿化[32]。YS4土壤C∶N比值(91.19)最低,与其他3块样地比值差异显著(p<0.05),其他3块样地C∶N比值差异不显著(p>0.05),YS4之前是旱耕地,总盖度为65%,林下灌丛草本稀少,无明显的枯落物层,因此土壤表层C、N含量均少。

4.3 叶片-凋落物-土壤C、N、P含量及化学计量比的相关性

相关分析结果表明,黄背栎林植物叶片-土壤C含量、C∶P比值和凋落物-叶片N∶P比值呈极显著或显著相关,巧家五针松林凋落物-叶片C、N含量和叶片-土壤P含量、C∶N、N∶P比值呈极显著或显著相关,表明黄背栎和巧家五针松生长所需的营养元素主要从土壤中获取,而凋落物直接来源于叶片,其养分含量与叶片紧密相关,巧家五针松林凋落物-叶片的相关性比黄背栎林的好,表明黄背栎林下凋落物的腐解程度高。本研究黄背栎林和巧家五针松林叶片、凋落物及土壤之间的各指标相关性不同,毕建华等[25]通过对比分析辽东山区不同森林类型生态化学计量特征,发现各指标在不同林型叶片、凋落物和土壤间的相关性也不同,而祁连山排露沟流域青海云杉林随着海拔(2900—3300 m)增加,叶片、凋落物和土壤C∶N比两两均呈显著正相关(P<0.05),叶片与凋落物及土壤与凋落物C∶P比均呈显著负相关(P<0.05)[33],表明植被类型是影响生态化学比值的主要因子。天然巧家五针松林和人工巧家五针松林的叶片-凋落物C含量显著性相反,这可能与天然和人工巧家五针松自身的碳蓄积能力有关,其他指标针叶林基本呈显著负相关,可能与凋落物的分解和养分的再吸收率较高有关。

5 结论

通过对保护区4块样地叶片-凋落物-土壤C、N、P含量及生态化学计量特征进行研究,得出以下结论：

(1)不同样地同一组分的C、N含量差异显著,P含量差异不显著,同一样地各组分间C、N含量差异显著,均为叶片>凋落物>土壤,P含量则为叶片>土壤>凋落物。4块样地土壤N含量均低于中国陆地土壤平均含量,其中YS2枯落物和腐殖质层比其他样地丰厚,且有机质向下淋移不明显,土壤C、N含量显著高于其他3块样地。

(2)不同样地叶片C∶P、N∶P比值和凋落物与土壤C∶N比值差异不显著,其余指标差异均显著,同一样地叶片、凋落物、土壤的C∶N、C∶P、N∶P比值差异显著,均为凋落物>叶片>土壤。样地叶片N∶P均小于14,表明N元素缺乏是限制植物生长的主要因素,因此,合理施加氮肥可以提高该区域林木的生产力。土壤P含量均较高,且凋落物(C∶N、C∶P)>植物叶片>土壤,表明土壤P元素主要源于土壤矿物风化释放,而非生物小循环。

(3)黄背栎林叶片-土壤C含量、C∶P比值和凋落物-叶片N∶P比值呈极显著或显著相关,巧家五针松林凋落物-叶片C、N含量和叶片-土壤P含量、C∶N、N∶P比值呈极显著或显著相关。