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宁夏典型草原不同退耕年限草地植物-土壤生态化学计量特征

2017-04-14饶丽仙沈艳聂明鹤宁夏大学农学院宁夏银川75002西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地宁夏银川75002

草业学报 2017年4期
关键词:土壤有机全氮年限

饶丽仙,沈艳,2*,聂明鹤(.宁夏大学农学院,宁夏 银川 75002;2.西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地,宁夏 银川 75002)



宁夏典型草原不同退耕年限草地植物-土壤生态化学计量特征

饶丽仙1,沈艳1,2*,聂明鹤1
(1.宁夏大学农学院,宁夏 银川 750021;2.西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地,宁夏 银川 750021)

为了研究宁夏典型草原不同退耕年限草地优势植物及土壤 C、N、P化学计量特征,本研究以宁夏南部典型草原区退耕草地为对象,分别对退耕0、1、3、5、6、8、11、15、20年草地优势植物及土壤碳、氮、磷等生态化学计量特征进行研究。结果表明,各植物全氮含量均表现为地上部分大于地下部分,且猪毛蒿整体全氮含量较其他植物高。全磷含量除赖草外也表现为地上部分大于地下部分。退耕1年狗尾草和退耕3年赖草有机碳含量表现为地下部分大于地上部分,其余各退耕年限地上部分大于地下部分。优势植物C∶N、C∶P、N∶P整体表现为退耕20年长芒草最大。赖草和猪毛蒿最小。退耕6年以上20年以内土壤有机碳含量由表层向深层逐层递减;全氮含量退耕0~6年呈波动式变化,退耕8年后全氮含量由表层向深层逐层递减;全磷含量变化趋势与全氮相同。研究区土壤C∶N变化范围为7.08~19.62,C∶P变化范围为6.60~35.25,N∶P变化范围为0.82~2.17。各层土壤C∶N平均值变化范围为11.18~15.03,C∶P平均值变化范围为14.09~24.55,N∶P平均值变化范围为1.06~1.98;除C∶N接近我国土壤C∶N均值外,研究区土壤C∶P和N∶P均低于我国土壤C∶P和N∶P均值。并且相应地表优势植物C∶N、C∶P、N∶P明显高于表层土壤。本研究中土壤C∶N与土壤有机碳之间相关性不显著,与全N呈负相关,意味着C∶N主要受N控制,而C∶P与有机碳呈显著正相关,与全P相关性不显著。土壤N∶P与土壤全N含量呈显著正相关,与土壤全P含量相关性不显著,说明主要受N控制,而土壤全N含量随退耕年限的增加呈波动式上升趋势。植物与土壤碳、氮、磷相关性显示:植物全N与土壤N之间相关性不显著(P>0.05),植物全P与土壤全N、全P呈极显著的相关关系(P<0.01),与土壤有机碳和N∶P呈显著的相关关系(P<0.05)。

宁夏典型草原;退耕草地;土壤;优势植物;碳、氮、磷生态化学计量

碳(C)、氮(N)、磷(P)是植物的基本化学元素,在植物生长和各种生理调节机能中发挥着至关重要的作用。由于N元素和P元素自然供应往往受限制,因此成为生态系统中主要的限制性元素。有研究表明,植被恢复之后,土壤碳、氮和磷含量将会受到影响且有助于提高土壤生产力[1-2]。退耕植被恢复对土壤碳、氮、磷库的改善具有重要作用,且燕麦(Aveansativa)地退耕还草8年之后 0~30 cm 土层中土壤有机碳储量增加了82%[3]。另有研究也表明农田转化成林地,灌木和草地对土壤碳、氮和磷含量有所影响。退耕还林草之后土壤有机碳、氮和磷含量增加,说明大规模植被恢复实现了土壤有机碳、氮和磷的累积[4]。因此,研究宁夏典型草原区不同退耕草地群落演替过程中土壤C、N、P生态化学计量特征,为该区退耕草地演替及草地植被恢复提供了重要的理论依据。植物叶片C∶N、C∶P代表着植物吸收N、P元素时同化碳的能力,同时反映了植物的生长速率和养分利用效率;N∶P计量特征是研究生态系统中生物多样性、营养结构变化和生物地球化学循环的基本依据[5];是判断生态系统功能及植物生长受养分限制的重要指标;而土壤C∶N和C∶P则能指示土壤养分供给与有机碳分解情况。大量研究表明;化学计量比在生态学不同组织尺度上具有内稳性特征,内稳性高的物种通常具有较高的优势度和稳定性,同样,内稳性高的生态系统则具有较高的生产力和稳定性[6-7]。针对宁夏典型草原生态系统退化现状,自2003年起,在国家退耕还林草工程的推动下,该区大面积坡耕地逐步变为自然恢复的草地植被,这在改善当地生态环境的同时,也使土地利用方式发生了较大变化,这势必会影响群落植物及土壤的碳、氮、磷的分布与分配。本试验通过对宁夏典型草原区9个不同退耕年限草地土壤生态化学计量特征研究,明确生态系统碳、氮、磷元素平衡的化学计量比格局及3种元素之间的相互作用和平衡制约关系;旨在为揭示土壤C、N、P计量特征对退耕草地植被演替的影响机理奠定基础,也为退耕草地的植被恢复和草地合理管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于宁夏南部半干旱黄土丘陵区固原市原州区云雾山自然保护区,以本氏针茅(Stipacapillata)和大针茅(Stipagrandis)为群落建群种。东经106°21′-106°27′,北纬36°10′-36°17′。海拔1800~2100 m,最高峰2148 m,大部分在2000 m以下。土壤类型可分为山地灰褐土和黑垆土两类。属半干旱气候,年均气温5 ℃,最热月7月,气温在22~25 ℃之间,最冷月1月,平均最低气温-14 ℃左右。≥0 ℃的年积温为2370~2882 ℃,年日照时数为2500 h,太阳辐射总量522.75 kJ/cm2。年平均无霜期137 d,年降水量400~450 mm。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择 运用时空互代法,于2015年7月中旬,在云雾山自然保护区选择未退耕草地(用T0表示),退耕1年、3年、5年、6年、8年、11年、15年和20年的草地(分别用T1、T3、T5、T6、T8、T11、T15和T20表示),以海拔、坡度和坡向基本一致作为样地选择原则。每个处理3次重复。

1.2.2 样品采集 每一个样地随机设置3个1 m×1 m典型样方,在样方内随机取优势植物30株(若样方内数量不够,则在紧邻样方外选取),齐地剪下,在65 ℃下烘干称重。优势植物根系采集用土柱法结合水洗法,洗净后烘干待测。土壤取样点与植物取样点一一对应,在样地土壤剖面不同层次取原状土(分别在0~5 cm、5~15 cm、15~25 cm和25~40 cm处分层取样),并将采集的每个样方同层土壤样品混匀、去杂、风干、研磨过0.075 mm筛后备用。基于植被调查数据,通过计算重要值确定各样地优势植物分别为:退耕1年为狗尾草(Setariaviridis),退耕3年和15年为赖草(Leymussecalinus),退耕5年为猪毛蒿(Artemisiascoparia),退耕6年、8年、11年、20年均为长芒草(Stipabungeana)。

重要值=(相对盖度+相对频度+相对高度)/3[8]

1.2.3 样品碳、氮、磷测定 测定各样品总有机碳、全氮、全磷含量,其中土壤和植物总有机碳测定采用重铬酸钾外加热法;全氮分别经 H2SO4-K2SO4∶CuSO4∶Se和H2SO4-H2O2催化后用全自动凯氏定氮仪测定;全磷采用氢氧化钠碱溶-钼锑抗比色法[9]测定。

1.3 数据分析

样品处理完之后,对采集的9个不同退耕年限草地植物和土壤样品数据采用Excel 2010软件进行数据处理及制图,利用SAS 8.2和DPS软件分析C∶N、C∶P、N∶P与C、N、P之间的相关关系,并采用LSD多重比较分析不同退耕年限的差异。

2 结果与分析

2.1 不同退耕年限优势植物地上和地下部分碳、氮、磷含量及C∶N、C∶P、N∶P特征

研究区不同退耕年限优势植物地上和地下部分碳、氮、磷化学计量特征如表1所示,有机碳含量变化范围地上部和地下部分别为18.76%~28.93%和15.89%~27.76%。全氮含量变化范围分别为0.92%~1.79%和0.67%~1.10%。全磷含量变化范围为0.02%~0.21%和0.02%~0.40%。

表1 不同退耕年限优势植物碳、氮、磷化学计量特征Table 1 C,N,P stoichiometry of dominant plant with different restoration years

长芒草和猪毛蒿地上部分全氮、全磷、有机碳含量均大于地下部分,长芒草地上部分全氮含量随退耕年限增加逐渐减少,猪毛蒿地上部和地下部全氮含量均较其他几种植物高。狗尾草地上部分全氮、全磷含量大于地下部分,有机碳含量地下部分大于地上部分。赖草全氮含量地上部分大于地下部分,全磷含量则地下部分大于地上部分,有机碳含量退耕3年地下部分大于地上部分,退耕15年地上部分大于地下部分。

优势植物C∶N除退耕20年长芒草地上部分大于地下部分外,其他退耕年限植物均为地下部分大于地上部分,且地上部分C∶N退耕20年长芒草最大,退耕5年猪毛蒿最小;地下部分退耕3年赖草最大,退耕5年猪毛蒿最小。优势植物C∶P除赖草和退耕20年长芒草地上部分大于地下部分外,其他各退耕年限植物均为地下部分大于地上部分,且地上部分和地下部分C∶P均为退耕20年长芒草最大,退耕15年赖草最小;N∶P除赖草地上部分大于地下部分外,其他退耕年限植物均为地下部分大于地上部分,且地上部分N∶P退耕20年长芒草最大,退耕15年赖草最小,地下部分退耕20年长芒草最大,退耕3年赖草最小。

2.2 研究区土壤有机碳、氮、磷含量特征

研究区土壤有机碳含量变化范围为3.24~20.73 g/kg,平均值(±标准差)为(11.97±3.68) g/kg。不同土壤剖面层次0~5 cm、5~15 cm、15~25 cm、25~40 cm 层的变化范围分别为11.11~20.73 g/kg、7.68~17.34 g/kg、6.76~18.19 g/kg、3.24~17.38 g/kg。平均值(±标准差)分别为(13.86±2.85) g/kg、(11.60±2.63) g/kg、(12.23±3.80) g/kg、(10.19±4.23) g/kg。

不同土壤剖面有机碳含量退耕0~5年呈波动式变化,6~20年表层(0~5 cm)有机碳含量较其他各土层明显偏高,且随着退耕年限增加呈波动式升高的趋势,其他3层土壤有机碳含量呈波动式下降趋势(图1)。由于土壤表层是植物根系主要分布和枯落物聚集的土层,随土层加深植物根系减少,枯落物分解减少,因此,有机碳含量由表层向深层逐层递减,这与相关研究结果较为一致[10-11]。此外,环境因子对土壤有机碳含量的影响也至关重要,如:植被生长状况、气候条件、土壤类型等。研究区属半干旱黄土丘陵区,降雨量较少,且植被覆盖率较低,使得土壤有机碳的输入较少。这也是该地区土壤有机碳较少的原因。方差分析表明,不同退耕年限土壤有机碳含量存在极显著差异。同一退耕年限不同剖面层次土壤有机碳含量差异显著。

图1 不同退耕年限土壤有机碳含量变化特征Fig.1 Variation of soil organic carbon with different restoration years 不同小写字母表示0.05水平下差异显著,不同大写字母表示0.01水平下差异极显著,下同。The different small letters mean significant differences under 0.05 level, the different capital letters mean extremely significant differences under 0.01 level, the same below.

氮作为植物生长的重要营养元素之一,在土壤中通常以有机态形式存在,土壤中全氮含量的多寡是衡量土壤供氮能力的一项重要指标,直接影响植物吸收及利用氮的状况。云雾山区土壤全氮含量退耕0~6年不同土壤剖面呈波动式变化,退耕8年后各退耕年不同剖面层次全氮含量呈减少趋势。随退耕年限增加,各土层全氮含量变化趋势与有机碳相同。研究区土壤全氮含量变化范围为 0.46~1.35 g/kg,平均值(±标准差)为(0.92±0.22) g/kg,不同土壤剖面层次0~5 cm、5~15 cm、15~25 cm、25~40 cm 层的变化范围分别为0.62~1.25 g/kg、0.64~1.24 g/kg、0.57~1.28 g/kg、0.46~1.35 g/kg。平均值(±标准差)分别为(1.02±0.20) g/kg、(0.92±0.20) g/kg、(0.89±0.24) g/kg、(0.84±0.27) g/kg (图 2)。不同退耕年限各层次土壤全氮含量存在极显著差异。同一退耕年限不同剖面层次土壤全氮含量差异显著。

图2 不同退耕年限土壤全氮含量变化特征Fig.2 Variation of soil total nitrogen with different restoration years

磷也是植物生长所必需的重要营养元素之一,全磷含量反映了土壤磷元素潜在的供应能力。研究区土壤全磷变化范围为 0.49~0.79 g/kg,平均值(±标准差)为(0.60±0.07) g/kg,不同土壤剖面层次0~5 cm、5~15 cm、15~25 cm、25~40 cm层的变化范围分别为 0.52~0.77 g/kg、0.52~0.79 g/kg、0.51~0.70 g/kg、0.49~0.73 g/kg。不同土壤剖面全磷含量变化趋势与全氮相同(图3)。随退耕年限增加各土层全磷含量变化趋势同有机碳和全氮。不同退耕年限土壤全磷含量存在极显著差异。同一退耕年限不同剖面层次土壤全磷含量差异显著。

图3 不同退耕年限土壤全磷含量变化特征Fig.3 Variation of soil total phosphorus with different restoration years

2.3 不同退耕年限草地土壤C∶N、C∶P、N∶P特征

研究区土壤0~5 cm、5~15 cm、15~25 cm、25~40 cm层C∶N 变化范围分别为11.22~19.62、10.52~13.97、10.79~16.41、7.08~15.30,平均值(±标准差)分别为13.82±2.50、12.30±1.05、13.66±1.46、11.51±2.59。0~5年同一退耕年限下土壤15~25 cm土层 C∶N 最高,6~20年各土层C∶N呈波动式变化(图4a)。土壤 C∶N 与土壤全N含量呈负相关(r=-0.10,n=9,P<0.79),与土壤有机碳含量相关性未达到显著性水平(图5)。

0~5 cm、5~15 cm、15~25 cm、25~40 cm土层土壤 C∶P 变化范围为19.18~35.20、14.15~22.01、13.13~29.20和6.60~27.92,平均值(±标准差)分别为22.17±4.75、18.70±2.34、20.31±5.13和16.68±5.59。退耕20年草地0~5 cm土层土壤C∶P最高,并与其他各年呈显著性差异。各退耕年5~15 cm土层土壤C∶P差异不显著,其他各层差异均显著(图4b)。土壤C∶P与土壤有机C含量呈显著正相关(r=0.95,n=9,P<0.01)、与土壤全P含量相关性不显著(图5)。

0~5 cm、5~15 cm、15~25 cm、25~40 cm 土层土壤 N∶P 变化范围为1.19~2.11、1.19~1.87、1.05~2.05和0.82~2.17, 平均值(±标准差)分别为1.61±0.25、1.50±0.20、1.48±0.30和1.41±0.38。0~5 cm土层土壤N∶P表现为随着退耕年限的增加,比值呈现波动式上升的趋势(图4c)。5~40 cm土层土壤N∶P 0~5年均大于6~20年。土壤N∶P与土壤全N含量呈显著正相关(r=0.95,n=9,P=0.0001),与土壤全 P 含量相关性不显著(图 5)。

图4 不同退耕年限土壤C∶N、C∶P、N∶PFig.4 C∶N, C∶P, N∶P of soil with different vegetation restoration years

图5 土壤C∶N、C∶P、N∶P与土壤C、N、P含量之间的关系Fig.5 The relationship between soil C∶N, C∶P, N∶P and C, N, P content

2.4 研究区不同退耕年限优势植物与土壤碳、氮、磷含量相关性分析

通过分析研究区优势植物与土壤C、N、P相关性,发现优势植物与土壤C、N、P及C∶N、C∶P、N∶P的相关性不同,如表2所示:植物有机碳与土壤全N、全P具有显著的相关关系(P<0.05),植物全P与土壤全N、全P呈极显著的相关关系(P<0.01),与土壤有机碳和N:P呈显著的相关关系(P<0.05),植物全N与土壤全N之间相关性不显著,植物C∶N与土壤有机碳、全磷及C∶P存在显著的相关关系(P<0.05),植物C∶P、N∶P与土壤全P呈显著的负相关关系(P<0.05)。

表2 不同退耕年限优势植物与土壤碳、氮、磷相关性Table 2 Correlation of C,N,P between dominant plant and soil in different restoration years

SOC: 土壤有机碳Soil organic carbon; STN: 土壤全氮Soil total nitrogen; STP: 土壤全磷Soil total phosphorus; POC:植物有机碳Plant organic carbon;PTN:植物全氮Plant total nitrogen;PTP:植物全磷Plant total phosphorus;S:土壤Soil;P: 植物Plant;* 表示 0.05 水平上的显著性Indicates significance at the level of 0.05; ** 表示 0.01 水平上的显著性Indicates significance at the level of 0.01.

3 讨论

土壤碳、氮、磷是维护生态系统健康及养分循环的重要生态因子,且土壤养分和有机碳的积累以及凋落物分解速率和土壤微生物数量都受其含量影响[12]。 本研究结果表明,退耕0~5年土壤有机碳含量呈波动式变化,退耕6年以上20年以内土壤有机碳含量由表层向深层逐层递减;全氮含量退耕0~6年呈波动式变化,退耕8年后全氮含量由表层向深层逐层递减;全磷含量变化趋势与全氮相同。这可能是由于随着退耕年限增加,研究区受人类活动干扰减少,植物枯落物归还、分解在土壤中大量积累,有利于表层土壤有机碳的积累,使得表层土壤有机碳含量偏高[13]。此外土壤团粒结构也是影响土壤有机碳含量的重要因子。

土壤碳、氮、磷化学计量比是衡量土壤有机碳组成的重要指标[14],反映了土壤释放氮、磷矿化养分的能力。土壤C∶N、C∶P和N∶P化学计量学比值随着土地利用类型变化差异巨大,且影响因子较为复杂[15]。本研究结果表明,研究区土壤C∶N变化范围为7.08~19.62,C∶P变化范围为6.60~35.25,N∶P变化范围为0.82~2.17。各层土壤C∶N平均值变化范围为11.18~15.03,C∶P平均值变化范围为14.09~24.55,N∶P平均值变化范围为1.06~1.98;除C∶N接近我国土壤C∶N均值外[16],研究区土壤C∶P和N∶P均低于我国土壤C∶P和N∶P均值。表层土壤C、N、P化学计量比能够较好地指示土壤养分状况。随退耕年限的增加,研究区0~15 cm土壤C∶N呈波动式上升趋势,土壤C∶N与土壤有机碳含量相关性未达到显著性水平,与土壤全N含量呈负相关(r=-0.10,n=9,P<0.79);而土壤C∶P退耕20年草地0~5 cm土层最高,并与其他各年呈显著性差异,土壤C∶P与土壤有机C含量呈显著正相关(r=0.95,n=9,P<0.01),与土壤全P含量相关性不显著;土壤N∶P在退耕0~5年内呈波动式变化趋势,退耕6~20年土壤N∶P由表层向深层逐层递减。不同退耕年限下土壤C∶N与C∶P、N∶P没有表现出一致的变化模式。这可能是由于土壤C∶N、C∶P、N∶P的变化所取决的因子不同而造成的。本研究中土壤C∶N与土壤有机碳之间相关性不显著,与全N呈负相关,说明该区土壤C∶N主要受N控制。而C∶P与有机碳呈显著正相关,与全P相关性不显著,则主要受C控制。土壤N∶P与土壤全N含量呈显著正相关,与土壤全P含量相关性不显著,说明也主要受N控制,而土壤全N随退耕年限的增加呈波动式上升趋势。C∶N、C∶P、N∶P对退耕年限的响应差异与土壤N、P的来源差异密切相关。土壤中N主要以有机态形式存在,与土壤有机质含量有很重要的关系,土壤中的P一方面来源于有机质,另一方面土壤中矿物风化对其也有一定的影响。土壤有机质矿化分解速率通常与C∶N、C∶P呈负相关关系,较低的C∶N、C∶P意味着土壤C、P有效性较高[14],有研究表明[17],较低的C∶P有利于微生物在有机质分解过程中的养分释放,促进土壤中有效磷的增加。本研究区土壤C∶N、C∶P均低于全国平均水平,表明本研究区土壤C、P有效性较高。

在生物地球化学循环中植物与土壤之间存在着必然联系。一方面植物通过根系从土壤中吸收养分,另一方面又以枯落物的形式向土壤归还C、N、P等养分[18]。构成了生态系统养分转化的有效循环系统。宁夏云雾山区植物有机碳与土壤全N、全P呈显著的相关关系,是由于植物对土壤养分的吸收是土壤养分输出的主要途径,土壤作为植物生长的主要基质,其中的有机质、硝态氮等经过分解,源源不断地为植物正常生理活动提供必要养分,使得土壤与植物在养分的供给和需求间通过动态交换从而维持一个平衡的元素比[14]。植物全N与土壤全N之间相关性不显著,植物全P与土壤全N、全P呈极显著的相关关系,与土壤有机碳和N∶P呈显著的相关关系,与丁小慧等[19]的研究结果不一致,一般而言,植物吸收利用P的含量相对C、N较少,但植物对土壤中营养元素的吸收和利用是一个极其复杂的过程,除了养分含量外,土壤 pH、微生物活性、种内和种间竞争以及气候变化等因子也对其产生一定的影响[20-21]。

近年来也开展了一些对优势物种生态化学计量特征的研究工作[22-25],一些植物长期适应环境进化成为优势种,其体内碳、氮、磷元素的化学计量特征在一定程度上是植物对特定环境中养分利用状况及其自身代谢能力的反映,同时也反映土壤中养分的供应状况,进而影响着生态系统的稳定性[26],本研究中,优势植物全氮、有机碳含量与土壤全氮、有机碳含量呈正相关,与全磷含量呈负相关,且研究区土壤0~5 cm C∶N、C∶P、N∶P均值分别为13.8、22.17、1.61,明显低于相应地表优势植物C∶N、C∶P、N∶P,这与其他地区的研究一致[27]。

References:

[1] Ma Z M, Lv Y H, Sun F X. Effects of land use on soil nutrient in oasis-desert ecotone in the middle reach of the Heihe River. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(19): 6328-6334. 马志敏, 吕一河, 孙飞翔. 黑河中游荒漠绿洲区土地利用的土壤养分效应. 生态学报, 2013, 33(19): 6328-6334.

[2] Xin Z B, Yu X X, Zhang M L. Soil nutrient characteristics under different land use types in a gully-hilly region of the loess plateau. Arid Zone Research, 2012, 29(3): 379-394. 信忠保, 余新晓, 张满良. 黄土高原丘陵沟壑区不同土地利用的土壤养分特征. 干旱区研究, 2012, 29(3): 379-394.

[3] Zhang R, Cao J J, Guo R Y,etal. Effect of converting cultivated land to forest-grassland on soil carbon, nitrogen and phosphoras in sub-alpine grassland region of north slope of Qilian Mountains. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(6): 938-944. 张蕊, 曹静娟, 郭瑞英, 等. 祁连山北坡亚高山草地退耕还林草混合植被对土壤碳氮磷的影响. 生态环境学报, 2014, 23(6): 938-944.

[4] Song X Z, Peng C H, Zhou G M,etal. Chinese Grain for Green Program led tohighly increased soil organic carbon levels: Ameta-analysis. Scientific Reports 4, 2014: 4460, DOI: 10. 1038/srep04460.

[5] Ma Y Y, Wang W Q. Carbon, nitrogen and phosphorus content and the ecological stoichiometric ratios of paddy field soil-plants in Minjiang River estuary. Subtropical Agriculture Research, 2011, 7(3): 182-187. 马永跃, 王维奇. 闽江河口区稻田土壤和植物的 C、N、P 含量及其生态化学计量比. 亚热带农业研究, 2011, 7(3): 182-187.

[6] Yan E R, Wang X H, Zhou W. N∶P stoichiometry in secondary succession in evergreen broadleaved forest, tiantong, east China. Journal of Plant Ecology, 2008, 32(1): 13-22. 阎恩荣, 王希华, 周武. 天童常绿阔叶林演替系列植物群落的 N∶P 化学计量学特征. 植物生态学报, 2008, 32(1): 13-22.

[7] Liu W D, Su J R, Li S F,etal. Stoichiometry study of C, N and P in plant and soil at different successionalstages of monsoon evergreen broad leaved forest in Pu’er, Yunnan Province. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(23): 6581-6590. 刘万德, 苏建荣, 李帅锋, 等. 云南普洱季风常绿阔叶林演替系列植物和土壤 C、N、P 化学计量特征. 生态学报, 2010, 30(23): 6581-6590.

[8] Tang S J, Peng Z, Tang G G. A community characteristics analysis on Tilia miqueliana in Baohua Mt. Journal of Yangzhou University: Agricultural and Life Science Edition, 2008, 29(1): 90-94. 汤诗杰, 彭志, 汤庚国. 宝华山南京椴群落的特征分析. 扬州大学学报: 农业与生命科学版, 2008, 29(1): 90-94.

[9] Bao S D. Analysis of Soil Agrochemicals[M]. Beijing: China Agriculture Press, 2000. 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京: 中国农业出版社, 2000.

[10] Han W X, Fang J Y, Guo D L,etal. Leaf nitrogen and phosphorus stoichiometry across 753 teresstrial plant species in China. New Phytolodist, 2005, 168(2): 377-385.

[11] Reich P B, Oleksyn J. Global platterns of plant leaf N and P in relation to temperature and latitude. Proceedings ang National Academy of sciences of the United States of American, 2004, 101(30): 11001-11006.

[12] Ren S J, Cao M K, Tao B,etal. The effects of nitrogen limitation on terrestrial ecosystem carbon cycle: a review. Progress in Geography, 2006, 25(4): 58-67. 任书杰, 曹明奎, 陶波, 等. 陆地生态系统氮状态对碳循环的限制作用研究进展. 地理科学进展, 2006, 25(4): 58-67.

[13] Wang Y J, Luo J M, Ye Y J,etal. Influence on Zhalong wetland succession by seasonal frozen-thawing action. Journal of Soil and Water Conservation, 2009, 23(5): 34-38. 王永洁, 罗金明, 叶雅杰, 等. 季节性冻融对扎龙湿地演化的影响. 水土保持学报, 2009, 23(5): 34-38.

[14] Wang S Q, Yu G R. Ecological stoichiometry characteristics of ecosystem carbon, nitrogenand phosphorus elements. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(8): 3937-3947. 王绍强, 于贵瑞. 生态系统碳氮磷元素的生态化学计量学特征. 生态学报, 2008, 28(8): 3937-3947.

[15] Zhang C, Liu G B, Xue S,etal. Soil organic carbon and total nitrogen storage as affected by land use in a small watershed of the Loess Plateau, China. European Journal of Soil Biology, 2013, 54: 16-24.

[16] Huang C Y, Li B G, Pan X G,etal. Soil Science[M]. Beijing: China Agriculture Press, 2000. 黄昌勇, 李保国, 潘兴根, 等. 土壤学[M]. 北京: 中国农业出版社, 2000.

[17] Xu S, Gong J R, Zhang Z Y,etal. The ecological stoichiometry of dominant species in different land uses type of grassland. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(6): 45-53. 徐沙, 龚吉蕊, 张梓榆, 等. 不同利用方式下草地优势植物的生态化学计量特征. 草业学报, 2014, 23(6): 45-53.

[18] Agren G I, Bosatta E. Theoretical Ecosystem Ecology: Understanding Element Cycles[M]. England: Cambridge University Press, 1998.

[19] Ding X H, Luo S Z, Liu J W,etal. Longitude gradient changes on plant community and soil stoichiometry characteristics of grassland in Hulunbeir. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(11): 3467-3476. 丁小慧, 罗淑政, 刘金巍, 等. 呼伦贝尔草地植物群落与土壤化学计量学特征沿经度梯度变化. 生态学报, 2012, 32(11): 3467-3476.

[20] Shaver G R, Chapin Ⅲ F S. Long-term responses to factorial. N, P, K fertilizer treatment by Alaskan wet and moist tundra sedgespecies. Ecography, 1995, 18(3): 259-275.

[21] Chapin Ⅲ F S. The mineral nutrition of wild plants. Annual Review of Ecology and Systematics, 1980, 11: 233-260.

[22] Lv X T, Kong D L, Pan Q M,etal. Nitrogen and water availability interact to affect leaf stoichiometry in a semi-arid grassland. Oecologia, 2012, 168(2): 301-310.

[23] Lv X T, Lv F M, Zhou L S,etal. Stoichiometric response of dominant grasses to fire and mowingin a semi-arid grassland. Journal of Arid Environments, 2012, 78: 154-160.

[24] Bin Z J, Wang J J, Zhang W P,etal. Effects of N addition on ecological stoichiometric characteristics in six dominant plant species of alpine meadow on the Qinghai-Xizang Plateau, China. Chinese Journal of Plant Ecology, 2014, 38(3): 231-237. 宾振钧, 王静静, 张文鹏, 等. 氮肥添加对青藏高原高寒草甸群落优势种生态化学计量学特征的影响. 植物生态学报, 2014, 38(3): 231-237.

[25] An Z, Niu D C, Wen H Y,etal. Effects of N addition on nutrient resorption efficiency and C∶N∶P stoichiometric characteristics inStipabungeanaof steppe grasslands in the Loess Plateau, China. Chinese Journal of Plant Ecology, 2011, 35(8): 801-807. 安卓, 牛得草, 文海燕, 等. 氮素添加对黄土高原典型草原长芒草氮磷重吸收率及C∶N∶P化学计量特征的影响. 植物生态学报, 2011, 35(8): 801-807.

[26] Ma J Y, Chen F H, Xia D S,etal. Relationships between leaf element, water contents and soil factors in desert plantReaumuriasoongorica. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(3): 983-992. 马剑英, 陈发虎, 夏敦胜, 等. 荒漠植物红砂叶片元素和水分含量与土壤因子的关系. 生态学报, 2008, 28(3): 983-992.

[27] Wang W Q, Xu L L, Zeng C S,etal. Carbon, nitrogen and phosphorus ecological stoichiometric ratios among live plant-litter-soil systems inestuarine wetland. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(23): 7119-7124. 王维奇, 徐玲琳, 曾从盛, 等. 河口湿地植物活体枯落物土壤的碳氮磷生态化学计量特征. 生态学报, 2011, 31(23): 7119-7124.

Effect of grassland restoration duration on plant-soil ecological stoichiometry characteristics in a typical steppe

RAO Li-Xian1, SHEN Yan1,2*, NIE Ming-He1

1.AgricultureCollegeinNingxiaUniversity,Yinchuan750021,China; 2.KeyLaboratoryofRestorationandRehabilitationofDegradedEcosysteminNorthwesternChina,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China

To determine the influence of restoration period on the stoichiometry of dominant plant species and soil C, N, P of typical steppe in Ningxia, China, the stoichiometric characteristics of dominant plant species and soil C, N, P in grassland abandoned for periods of 0, 1, 3, 5, 6, 8, 11, 15 and 20 years. The total nitrogen content of individual plants showed that the aboveground portion is greater than the belowground portion; the total nitrogen content ofArtemisiascopariawas higher than other species. Similarly the total P content of plants was dominated by the above ground portion with the exception ofLeymussecalinusplants. The organic carbon in grassland abandoned for 1 yearSetariaviridisand 3 yearsL.secalinuswas greater in the underground portion; for remaining abandonment periods the aboveground portion was greater than underground portion. The highest C∶N, C∶P, N∶P ratio’s in dominant plants in 20 year grassland occurred inS.bungeanaand the lowest inL.secalinusandA.scoparia. Abandonment periods between 6 and 20 years resulted in soil organic carbon content layer decreasing from the surface with increasing depth while abandonment periods between 0-6 years resulted in fluctuating changes in soil N. The response of total P to abandonment period was similar to that of total N. The soil C∶N ration varied from 7.08-19.62, C∶P ranged from 6.60 to 35.25, N∶P varied from 0.82 to 2.17; the mean soil C∶N ration ranged from 11.18 to 15.03 in different soil layers, C∶P from 14.09 to 24.55 and N∶P from 1.06 to 1.98; The soil C∶P and N∶P ratio’s were generally lower than those typically found in other regions of China while the C∶N ration was similar to typical values in China. There was no correlation between soil C∶N and soil organic carbon but there was a negative correlation with total N, meaning that C∶N was mainly controlled by N; the C∶P ratio was significantly positively correlated with organic carbon but not with total P. There was a significant positive correlation between soil N∶P and total soil N, indicating this ration is primarily controlled by N. Total soil N showed a fluctuating upward trend with increasing abandonment period. There was a strong correlation between total plant P and total soil P (P<0.01); soil organic C was also correlated with N∶P (P<0.05).

typical steppe in Ningxia; abandoned grassland; soil; dominant plant; C, N, P stoichiometry

10.11686/cyxb2016317

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-08-19;改回日期:2016-11-03

国家自然科学基金(31360582,31460632)资助。

饶丽仙(1991-),女,宁夏盐池人,在读硕士. E-mail:1223108049@qq.com*通信作者Corresponding author. E-mail:nxshenyan@163.com

饶丽仙, 沈艳, 聂明鹤. 宁夏典型草原不同退耕年限草地植物-土壤生态化学计量特征. 草业学报, 2017, 26(4): 43-52.

RAO Li-Xian, SHEN Yan, NIE Ming-He. Effect of grassland restoration duration on plant-soil ecological stoichiometry characteristics in a typical steppe. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(4): 43-52.

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