不同林龄油茶人工林土壤-叶片碳氮磷生态化学计量特征

邓成华,吴龙龙,张雨婷,乔 航,刘兴元,胡亚军,陈香碧,苏以荣,何寻阳,*

1 广西师范大学生命科学学院, 桂林 541006 2 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室, 长沙 410125 3 长江大学农学院, 荆州 434023

生态化学计量学是研究生态系统中能量和多种化学元素(主要指碳(C)、氮(N)、磷(P)、钾(K)、硫(S)等生命活动必须元素)平衡的一门学科,它强调的是生命有机体或者是生态系统中元素的平衡与耦合[1- 2]。生态化学计量学依据内稳态机制和生长速率理论,反应了生态系统过程和功能。目前,C∶N∶P 化学计量学特征广泛应用于凋落物分解与土壤碳矿化过程[3]、植物群落稳定性[4-5]、植物生长限制性元素判断[6]等多个方面研究。植物叶片生态化学计量能够反映植物的生长特性和养分限制状况等,叶片的C∶N 和C∶P 反映植物碳同化速率,在一定程度上反映植物营养利用效率[7],而叶片的N∶P 是植物生长养分限制的敏感性指数,可用于评价植物生长养分限制状况,阈值试验[8]研究表明,当叶片N∶P<14 时,植物生长主要受N 限制；叶片N∶P>16 时,植物生长主要受P 限制；当N∶P 比值介于14—16 时,植物生长受N 和P 共同限制。Han等通过分析中国753 种陆生植物叶片元素计量关系时发现,与全球尺度相比中国区植被生长更易受到P 限制[9]。在全球和区域尺度上,因气候和生态系统类型的不同,导致植物叶片C、N、P 计量比存在差异[10]。此外,植物叶片的元素化学计量比亦呈现出时间变化特征,在季节变化[11]、年际间不同生长阶段[12]、群落演替阶段[13]皆有报道。年际间不同生长阶段对植物叶片化学计量的影响主要通过改变不同林分结构、群落结构等影响植物叶片化学计量,且通过影响土壤环境状况间接影响叶片化学计量。如姜沛沛等发现,随着林龄的增加,油松(Pinustabulaeformis)叶片化学计量N∶P 呈现先增加后减少的趋势[14]。同时大量研究表明,土壤养分化学计量与植物叶片养分化学计量密切相关,土壤主要通过影响土壤理化性质、土壤养分有效性等影响植物叶片养分化学计量,如对四季竹氮磷添加实验研究表明,添加氮磷能显著影响四季竹叶片化学计量N∶P 且全氮与氮磷比呈显著正相关[15]。目前的研究表明,在特定的人工林生态系统中,土壤-植物化学计量关系具有特性,因此对于以不同物种为优势种的特定生态系统仍值得我们广泛研究。

油茶(CamelliaoleiferaAbel)是中国主要的木本油料植物,具有2300 多年的种植历史,在我国亚热带区域广泛种植,面积超过300 万hm2[16]。近年来,油茶人工林的大面积种植导致了一系列问题,如不合理的林分结构、更新能力差、土壤养分缺乏等[17],且对于油茶人工林的研究中,主要侧重于土壤施肥管理、林产品产量提升、育种等的问题,鲜有从生态化学计量学的角度,剖析地上植被元素计量及其与土壤养分计量的关系。因此本研究从生态化学计量学的角度,以亚热带红壤丘陵区不同林龄油茶人工林为研究对象,综合分析不同林龄段的油茶人工林土壤和叶片C、N、P 含量及其化学计量比,探讨油茶人工林生态系统中不同林龄土壤-叶片化学计量的关系。旨在揭示油茶人工林生态系统的养分循环特征与油茶林养分限制因子,同时为油茶林生产的提质增效提供理论依据。

图1 野外调查样点分布 Fig.1 Sample distribution of field investigation

1 研究方法

1.1 样地调查及样品采集

研究区(25°21′53″—29°42′6″ N；110°28′17″—115°34′47″ E)位于湖南、江西和湖北。该区域属典型亚热带季风气候,年平均气温17 ℃,年平均降水量1600 mm。遵循随机采样的原则,在研究区内选择32 个样地进行采样,其中湖南省21 个,江西省7 个,湖北省4 个。根据样地不同林龄分为4 个林龄组,其中9 个 <9年(a)幼龄林、10 个9—20年(a)高产林、6 个21—60年(a)低产林和7 个 > 60年(a)生产退化林。研究区域土壤类型以红壤为主,成土母质多样,土壤质地以壤质黏土为主。

土壤样品与叶片样品于2017 年12 月至2018 年1 月在选择的32 个典型油茶人工林样地中采集,每个油茶林样地设置3 个10 × 10 m 的样方,即3 个生物学重复。在每个样方内选择生长状况具有代表性的油茶树3 棵,在油茶树滴水线内距离树基部20—30 cm 绕树随机取4点,采集0—15 cm 表层土壤,混合成一个土壤样品。每个样方内随机选择一个油茶树,并沿油茶树东南西北四个方位,按照树冠外部和内部剪取无病害成熟叶片30片,将叶片放入自封袋中并置于冰盒中带回实验室。每个样地取3 个土壤样品,3 个叶片样品,试验共采集96 份土壤样品和96 份叶片样品。土壤样品带回实验室后挑拣出可见根系及石砾,过2 mm 筛,土壤样品自然风干后用于测定土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)和速效磷(Olsen-P)含量。叶片样品在105 ℃ 杀青30 min 后,于55 ℃ 烘干至恒重,粉碎、过100 目筛,用于测定叶片C、N 和P 含量。利用GPS 记录采样位置(图1),并记录采样时间、地点、海拔、油茶林规模、植被覆盖度、油茶树林龄、株高和基部周长等信息(表1)。

1.2 土壤及叶片C、N、P 元素测定

土壤有机碳(SOC)采用外加热法,将重铬酸钾和硫酸溶液分别加入风干土样在石蜡油浴锅中加热,沸腾5 min,冷却后用硫酸亚铁溶液滴定,通过消耗的硫酸亚铁量计算有机碳含量；全氮(TN)采用半微量开氏法-流动注射仪(AA3, Germeny)分析测定,将高锰酸钾和浓硫酸加入风干土样消煮45 min后,冷却洗出,用流动注射分析仪(AA3)自动上机测定氮浓度；全磷(TP)采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定,用氢氧化钠高温反复熔融风干土样30 min后,用水洗出,冷却定容过滤,用钼锑抗显色剂加入样品溶液进行显色反应,然后在分光光度计在700 nm 波长比色,读取吸光值；速效磷(Olsen-P)采用碳酸氢钠-钼锑抗显色法,在风干土样用加入0.5 mol/L 碳酸氢钠,180 r 震荡30 min,过滤后用钼锑抗显色剂加入样品溶液进行显色反应,然后在分光光度计882 nm 处进行波长比色,读取吸光值。油茶叶片C 直接采用元素分析仪测定(Elementar Vario TOC, Germeny),N 和P 均采用浓硫酸-过氧化氢消煮法,将叶片样品与浓硫酸消煮至硫酸分解冒白烟,当溶液全部呈棕黑色时,再冷却加入过氧化氢煮至微沸20 min,如此反复几次,直至消煮液呈无色和清亮色,再加热10 min,除尽多余的过氧化氢,冷却定容,采用流动注射仪(AA3, Germeny)直接测定[18]。

表1 样地基本概况

1.3 数据统计与分析

采用Excel 2010 和SPSS 16.0 软件对数据进行统计分析。土壤和叶片的C∶N、C∶P 和N∶P 化学计量比采用质量比表示[19]。利用单因素方差分析(One-way ANOVA)中的Ducan 法分别检验不同林龄土壤和叶片C、N、P 含量及C∶N、C∶P和N∶P 化学计量比(α = 0.05)。采用Pearson相关分析判断油茶叶片与土壤C、N、P 含量之间的关系。数据表示均为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同林龄油茶人工林土壤C、N、P 含量及其化学计量比

油茶人工林土壤SOC平均含量为17.37 g/kg, SOC 含量随林龄增大而增加,但在21—60 a 和> 60 a 林龄组间差异不显著；土壤TN 平均含量为1.52 g/kg,TN 含量随林龄的增大有一定程度的增加,< 9 a 林龄组显著低于其余三个林龄组；土壤TP 平均含量为0.36 g/kg,土壤Olsen-P 平均含量为5.43 mg/kg, TP 和Olsen-P 在各林龄组中无显著差异(表2)(P< 0.05)。

油茶人工林土壤化学计量比C∶N 均值为11.23,随林龄增加,土壤化学计量比C∶N有一定增加,但在9—20 a 、21—60 a 和> 60 a 林龄组间差异不显著；油茶人工林土壤化学计量比C∶P 均值为57.2,土壤化学计量比N∶P 均值为5,随林龄增加,土壤化学计量比C∶P 和N∶P有一定增加,但< 9 a 和9—20 a林龄组间无显著差异,21—60 a 和> 60 a 林龄组间无显著差异(表2)(P< 0.05)。

2.2 不同林龄油茶人工林叶片C、N、P 含量及其化学计量比

油茶叶片C平均含量为503.47 g/kg,叶片C 含量随林龄增大无显著变化；叶片N 平均含量为13.49 g/kg,叶片N 含量随林龄的增大有一定程度的减小,21—60 a 和>60 a 无差异；油茶叶片P 平均含量为0.77 g/kg,叶片P 含量随林龄的增大有一定程度的减小,但9—20 a、 21—60 a 和>60 a林龄组中无显著差异(表3)(P< 0.05)。

表2 不同林龄油茶林土壤C、N、P 含量及化学计量比

同列不同小写字母表示不同林龄间差异显著(P< 0.05),化学计量比中的P 以TP含量代入计算

油茶人工林叶片化学计量比C∶N 和C∶P平均值分别为39.33和701.86,随林龄增加,C∶N 和C∶P 有一定程度增加,但> 9 a林龄趋于稳定。叶片化学计量比N∶P 平均值为18.05,随林龄增加,N∶P有一定程度增加,但在< 9 a、 9—20 a和 21—60 a林龄组中无显著差异,在9—20 a、 21—60 a 和>60 a林龄组中无显著差异(表3)(P< 0.05)。

表3 不同林龄油茶林叶片C、N、P 含量及化学计量比

同列不同小写字母表示不同林龄间差异显著(P< 0.05)

2.3 土壤和叶片C、N、P 含量和化学计量比之间的关系

相关分析结果表明,油茶人工林土壤SOC 和TN 呈显著正相关,且SOC 和TN 与土壤化学计量C∶N、C∶P 和N∶P 之间呈显著正相关。土壤TP 和Olsen-P 之间呈显著正相关,且TP 和Olsen-P 与土壤化学计量C∶P 和N∶P 呈正相关关系,化学计量比C∶N、C∶P 和N∶P 之间呈正相关(表4)。此外,油茶人工林叶片C 和N 之间无相关,但都和P 呈显著正相关。叶片C 与叶片化学计量C∶N、C∶P 和N∶P 都呈正相关。叶片N 与叶片化学计量C∶N、C∶P 呈显著负相关,与叶片化学计量N∶P 呈正相关。叶片P 与叶片化学计量C∶N、C∶P 和N∶P 都呈显著负相关。叶片化学计量C∶P 与叶片化学计量C∶N 和N∶P 呈显著正相关,叶片化学计量C∶N 与叶片化学计量N∶P 呈负相关(表5)(P< 0.05)。

*在0.05 水平上显著相关,**在0.01 水平上显著相关,化学计量比中的P 以TP 含量代入计算

表5 油茶人工林叶片C、N、P 含量及化学计量比之间的Pearson相关分析

*在0.05 水平上显著相关,**在0.01 水平上显著相关,化学计量比中的P 以TP 含量代入计算

图2 油茶人工林土壤和叶片C、N、P 相关性分析Fig.2 Relationships between plant and soil C, N and P in Camellia oleifera plantation

图3 油茶林人工土壤和叶片C、N、P 化学计量比的相关性分析Fig.3 Relationships between plant and soil C, N and P stoichiometric ratio in Camellia oleifera plantation

叶片C 含量与土壤SOC 含量显著正相关(r=0.214,P< 0.05),与土壤TP 和Olsen-P含量显著负相关(r=-0.304,P< 0.01;r=-0.236,P< 0.05),与土壤TN 含量相关关系不显著。叶片N含量与土壤SOC呈显著负相关(r=-0.311,P< 0.01),与土壤TN、TP和Olsen-P不相关。叶片P 含量与土壤SOC 和TN 显著负相关(r=-0.459,P< 0.01;r=-0.265,P< 0.01),而与土壤TP 及Olsen-P 均呈现显著正相关关系(r=0.340,P< 0.01;r=0.310,P< 0.01)(图2)。

除叶片N∶P 和土壤C∶N 相关关系不显著外,叶片的C∶N、C∶P 和N∶P 比值均与土壤的C∶N、C∶P和N∶P 比值呈显著正相关关系(P< 0.05)(图3)。

3 讨论

3.1 不同林龄油茶人工林土壤C、N、P 含量及化学计量特征

油茶人工林土壤SOC 和TN都随林龄的增大而增加,表明土壤C 和N 的积累具有较好耦合性。低龄林土壤C、N 和P 含量均较低,这是因为油茶林在种植初期都采用全垦的方式,原有生态系统遭到破坏,表层土壤SOC 流失严重,此外,新垦后植被覆盖度低,养分归还少[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,这是因为亚热带区红壤风化淋溶作用强烈,富含的铝、铁、锰氧化物等矿物对P 素专性吸附和固定的能力强,导致研究区P 素含量少。

土壤化学计量C∶N、C∶P 和N∶P是反映土壤有机质组成及土壤养分有效性的关键指标[21],土壤C∶N 比反应了土壤肥力水平和土壤有机质分解速率,一般而言,土壤较低C∶N 表现为高肥力和较快的C、N 矿化速率[22]。本研究中,与成熟油茶林相比,低林龄油茶人工林具有较低的土壤C∶N,但这并不意味着低龄油茶人工林土壤肥力高,这可能与油茶人工林经营过程中低幼龄油茶较高N 投入。总体上看,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态系统土壤C∶P(81.9)和N∶P(6.6),但显著高于其他人工林或果园的土壤C∶P 和N∶P[23]。因此,为保证油茶人工林具有较高的收获指数,需要更高的N、P 养分元素的投入。

3.2 不同林龄油茶人工林叶片C、N、P 含量及化学计量特征

亚热带区域尺度上油茶人工林叶片C 平均含量(503.47 g/kg)高于全球植物叶片C 元素含量的[24](462 g/kg)均值,且随林龄增加,变化不显著,这与油茶常绿生长特性相关。一般而言,常绿树种叶片C 含量大于落叶树种,常绿植物叶片更新慢,光合固定的C 元素大量的积累在叶片中[25],对鄱阳湖地区湿地松叶片研究发现,叶片C含量不随林龄变化,这与本研究发现一致[26]。这表明常绿人工经济林具有较高的植被C 储存能力。有研究表明,较高的叶片N 含量反映其较高的光合速率,生长快[27],而本研究中油茶叶片平均N 含量为13.49 g/kg,显著低于全球尺度的20.1 g/kg[28]和中国区域的19.7 g/kg[29- 30],这表明油茶生长速率较低。此外,油茶叶片N 含量随着林龄的增大而降低,说明随林龄的增加油茶生长速率降低,这是因为油茶属于“慢生长策略”型植物。与全球尺度(1.8 g/kg)[11]和中国东部南北森林生态样带优势树种叶片平均P 含量(2.0 g/kg)[31]相比,本研究中的油茶叶片P 含量较低(0.77 g/kg),这与亚热带常绿阔叶林和人工林叶片P 含量(0.62—1.15 g/kg)相当[32]。且在> 9 a 油茶叶片P 含量无显著变化,这与土壤TP 和Olsen-P 含量变化相近,这与He 等[33]研究认为植物叶片P 含量主要取决于土壤有效P 含量和土壤母质一致。

生长速率理论(Growth rate hypothesis, GRH)认为,生长速率的改变引起生物体C、N、P 化学计量改变,高生长速率的植物通常具有较低C∶N、C∶P 和N∶P,从而将P 更多分配到核糖体RNA,满足核糖体迅速合成蛋白质以支持快速生长[34-35]。油茶叶片C∶N、C∶P和N∶P均随林龄的增大在一定的林龄范围内有增加趋势,在成熟林阶段其比值均趋于稳定,表明在低幼龄林阶段,油茶树生长快,对N、P 养分需求高,而在成熟林阶段,油茶人工林维持相对恒定的慢速生长。更为重要的是,叶片C、N、P 化学计量特征除了可作为植物群落结构和功能的风向标,亦可用于判断土壤养分限制性元素[36]。大量研究表明, 植物叶片中N∶P 比低于14 时受N 限制,而高于16 时则受P 限制,植物叶片N∶P 比介于14—16 之间则受到N和P 的双重限制[37]。本研究中,油茶叶片在不同林龄阶段的N∶P 比值均大于16,表明该地区的油茶人工林受到P 素限制。此外,随着林龄的增大,油茶叶片的N∶P 比值逐渐增大,表明油茶生长受到的P 限制愈严重。这可能与油茶人工林长期的果实采收带走大量P 素,而土壤有效P元素缺乏补充有关(表2)。

3.3 油茶人工林土壤-叶片C、N、P 含量及化学计量特征

已有研究表明,植物叶片C、N、P 含量存在多种几何关系,如叶片N 含量与C 含量之间存在等速或异速生长,叶片P 含量以C 含量的4/3 指数增长模式等[10,38]。而本研究中叶片C 含量与N 含量的无显著相关关系,说明亚热带区域的油茶在固定C 过程中对养分(N、P 等)利用效率的权衡策略不同于其他植物类群。

研究区域内油茶叶片C、N、P及化学计量显著大于土壤SOC、TN、TP及化学计量,这与任等对樟子松人工林土壤叶片研究一致[39]。这是因为叶片为固碳场所,参与的各种反应多,且土壤中养分来源主要为植物枯落物和土壤母质,因此土壤各元素含量低于叶片。值得注意的是,油茶人工林土壤TN 与油茶叶片N 含量着林龄的增加变化的趋势相反,表明油茶N 吸收可能不受土壤N 含量的直接限制,而与油茶的生长特性或受到其他养分吸收的影响。而叶片P 含量与土壤的TP 和Olsen-P 含量呈现出显著正相关关系,表明油茶叶片N 的吸收受到土壤P 素调控。大量研究表明,多数植物叶片的C、N、P 元素计量比与土壤的C、N、P 计量比关系不存在相关性,或者相关关系较弱,一般认为植物叶片的C、N、P 计量比由物种自身的属性特征和物种的环境适应性所决定,而不是土壤养分限制引起的[40]。在本研究中,叶片的C∶N、C∶P 和N∶P 比值都与土壤的C∶N、C∶P 和N∶P 比值大多呈显著正相关,表明油茶叶片养分计量与土壤养分计量关系存在广泛的协同性,因此,在油茶人工林的经营过程中,要充分考虑养分投入的平衡。

4 结论

亚热带区域油茶人工林的土壤SOC 和TN 含量随林龄的增大而积累,而土壤Olsen-P含量一直维持在较低水平。叶片C∶N、C∶P 均随林龄增加而有一定程度增加,并在成熟林后期趋于稳定。油茶人工林土壤以及叶片主要受P 素限制,且随林龄增大,磷养分限制增强,因此在油茶人工林管理中,应长期注重P 肥施加；油茶叶片化学计量和土壤化学计量存在广泛的耦合关系,在不同外部条件的影响下,都作出相应的反应,因此在油茶人工林生态系统中,应注意通过研究植物-土壤间相互作用,进行合理的养分管理来提高油茶人工林生态系统生产力。但是在研究植物土壤间相互作用过程中,应考虑到凋落物计量与植物土壤间的相互关系。