沙地云杉林N、P、K生态化学计量特征

2019-09-10刘云超李晓兰白永安

赤峰学院学报·自然科学版 2019年10期

刘云超李晓兰白永安

摘要：选取白音敖包沙地云杉林为研究对象，对其凋落物全N、全P、全K含量及其随时间变化情况进行了研究.结果表明：沙地云杉凋落物的全N含量在0.21-0.75mg/g之间，随着时间的增加，凋落物全N含量呈先升高，再降低，再升高的变化趋势、全P含量为0.21-0.37mg/g，凋落物全P含量总体上呈现随着时间增加而升高变化的趋势.全K含量为0.20-0.28mg/g，含量变化趋势与其全N含量变化趋势相同.

关键词：沙地云杉林;氮（N）;磷（P）;钾（K）;白音敖包

中图分类号：Q948 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2019）10-0025-03

氮（N）、磷（P）、钾（K）是生物有机体最重要的生源元素，对生态系统结构和功能具有重要作用[1].一个生态系统里的N、P、K元素及其化学计量关系在一定程度上能够反映该生态系统各组分（植物、凋落物和土壤）养分比例的形成机制.白音敖包沙地云杉林由于其处于北方农牧交错带，其所处的地带正是我国生态最严重、最脆弱的地区之一，环境的脆弱及强烈的人类活动，已经使我国北方农牧交错带环境迅速恶化.在这一地区的研究发现，草地沙化影响植被生产力、植物群落结构及土壤有机质的累积及分解速率，进而影响生态系统N、P、K循环[2、3].因此，本文以白音敖包沙地云杉林凋落物为研究对象，通过分解袋法，测定不同样地、不同时间沙地云杉凋落物全N、全P、全K含量，旨在研究：1）沙地云杉凋落物全N、全P、全K含量化学计量特征;2）不同时间沙地云杉凋落物全N、全P、全K含量变化差异;为进一步认识沙地云杉生态系统功能及其稳定维持机制和发展的生态学机理提供科学依据，以此为沙地云杉的恢复及管理提供理论基础.

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

白音敖包国家级自然保护区位于内蒙古自治区赤峰市克什克腾旗境内，处于大兴安岭山地向蒙古高原的过渡地带，地理坐标为（43°30′—43°36′N，117°03′—117°16′E），保护总面积为6737hm2，是沙地云杉分布最集中地区;海拔在1300～1500m之间;地带性土壤为黑钙土和栗钙土，森林土壤为沙质灰色森林土，土层厚度50～100cm.气候类型属大陆性温带草原气候，冬季严寒漫长，春季风频干燥，夏季温和短促，秋季气温骤降.年平均气温-1.4℃.年降水量在450mm左右，降水主要集中在6—8月，占全年降水量的68%.年蒸发量1617.5mm，是年降水量的3.4倍.年无霜期平均131d.保护区内除沙地云杉外，主要野生植物还有苍术（Atrac—tylodeslancea）、祁洲漏芦（Rhaponticum uniflo—rum）、亚洲百里香（Thymus mongolicus）、细叶柴胡（Bupleurum scorzonerifolium）、细叶百合（Lilium pumilum）、蒙古黄芪（Astragalus membranaceus）、山杏（Armeniaca sibirica）、防风（Saposhnikovia divaricate）等.

1.2 研究方法

1.2.1 枯叶凋落物的采集

2016年10月，在白音敖包自然保护区收取当年凋落叶（因其主要凋落物为落叶）.带回实验室内进行筛选、去除杂物和自然风干后，保存备用.测定各凋落物含水量，把換算为 20g干质量的枯叶装入网眼直径为1mm，面积为15cm2的尼龙网袋中，并用聚乙烯线缝合好.

1.2.2 样地选取与枯叶分解袋的放置

在白音敖包自然保护区内，通过踏查筛选出试验标准地8个.2016年11月，在每一个试验标准地内，分别在小心移去原林型的自然凋落物的土壤表层后，放置枯叶分解袋（以下简称枯叶分解袋）各8袋，之后再在每个凋落物分解袋上覆盖原林型的自然凋落物.分别于2017年的5月、8月、11月3次将凋落物进行采集.3次采样日期前5d均无降水.将分解袋及时送回实验室后，去除杂质，取部分烘干.研磨，过1mm筛，用于测定凋落物全N、全P、全K.

1.2.3 试验方法

凋落物样品采用：H2SO4-H2O2消煮，全N采用靛酚蓝比色法测定、全P采用钼锑抗比色法测定、全K采用原子吸收法测定[4].

1.2.4 数据处理

利用EXCEL 2003软件对实验数据进行统计学分析和处理，并绘图.

2 结果与分析

2.1 不同样地凋落物全氮含量变化特征

从表1可以看出不同样地凋落物全氮含量变化特征，2017年5月，凋落物全氮含量为0.32—0.53mg/g，增加幅度分别是2016年11月份的1.52—2.52，2017年8月，凋落物全氮含量为0.21—0.43mg/g，分别是2016年11月的1—2.04，2017年11月，凋落物全氮含量为0.21—0.75mg/g，是 2016年11月的全氮0.21mg/g的1—3.57.

从不同样地凋落物全氮含量变化特征图（图1）发现，凋落物的全氮含量总体上呈现随着时间的增加先升高，再降低，再升高的变化趋势.出现这种状况的原因可能是从2016年11月放置分解袋后，凋落物开始进行分解，但由于温度低、微生物活性不高，降雨量小，到2017年5月份，全氮含量一直处于缓慢积累状态，5月份以后，该地区的气温开始升高，降雨量加大，微生物开始变为活跃，一部分全氮转化为微生物的自身物质，还有一部分被雨水淋溶带走，从而使全氮含量有所降低.进入8月份，该地区的气温开始降低，降雨量变小.微生物活性降低，全氮含量又开始进入积累状态，从而使全氮含量升高.

2.2 不同样地凋落物全磷含量变化特征

从不同样地凋落物全磷含量变化特征表（表2）可以看出，2017年5月，凋落物全磷含量为0.24—0.34mg/g，变化幅度分别是2016年11月份的0.88—1.25，2017年8月，凋落物全磷含量为0.21-0.31mg/g，变化幅度分别是2016年11月份的0.78—1.15，2017年11月，凋落物全氮含量为0.24-0.37mg/g.变化幅度分别是2016年11月份的0.88—1.37.

不同样地凋落物全磷含量变化特征图（图2）显示，凋落物的全磷含量总体上呈现随着时间增加而升高的变化趋势.出现这种状况的原因可能是从2016年11月放置分解袋后，凋落物开始进行分解，但由于此时该地区气温低，微生物活性不高，降雨量小，到2017年5月份，全磷含量一直处于积累状态，5月份以后，虽然该地区的气温开始升高，降雨量加大，微生物活性变大，且一部分全磷被雨水淋溶带走，但凋落物分解释放的全磷数量足够多，能够满足以上各种消耗，所以部分样地的全磷含量仍略有升高;进入8月份，该地区的气温开始降低，降雨量变小.微生物活性降低，全磷含量又开始进入积累状态，从而使全磷含量继续升高.

2.3 不同样地凋落物全钾含量变化特征

表3是不同样地凋落物全钾含量变化特征表，从中可以看出，2017年5月，凋落物全钾含量为0.23—0.25mg/g，变化幅度分别是2016年11月份的1.04—1.14，2017年8月，凋落物全钾含量为0.20-0.28mg/g，变化幅度分别是2016年11月份的0.91—1.27，2017年11月，凋落物全钾含量为0.21-0.24mg/g，变化幅度分别是2016年11月份的0.95—1.09，都比2016年11月的全钾0.22mg/g要高，说明在野外环境下，凋落物全钾含量是在增加的.

从图3不同样地凋落物全钾含量变化特征则发现，凋落物的全钾含量总体上呈现先升高，再降低，再升高的变化趋势.但变化幅度不大.出现这种状况的原因可能和全氮变化情况相似.

3 讨论与结论

3.1 讨论

本文研究了白音敖包沙地云杉凋落物全N、全P、全K含量化学计量特征，但本研究所测定的沙地云杉凋落物的全N（0.21—0.75mg/g）、全P（0.21-0.37mg/g）、全K（0.20-0.28mg/g）含量与全球尺度平均值（20.29mg/g、1.77mg/g、mg/g）和我国陆地植物叶片平均值（18.6mg/g、1.21mg/g、12.57 mg/g）相差较大，可能与沙地云杉叶片养分含量受物种、气候、纬度及土壤的营养状况等影响有关[5，6].

凋落物分解是碎裂、异化和淋溶三个过程的综合，且三个过程交叉进行，相互影响.凋落物分解过程中，一方面，凋落物自身的物理性质和化学性质影响着分解速度，物理性质由凋落物的表面特性和机械组成，化学性质则随着其化学组成的不同而不同.在其化学成分中，纤维素和木质素较难分解.腐养微生物的分解活动受到营养物质的分解浓度的限制，尤其是待分解物质组织中的N含量很大程度上影响着分解物质的分解速率.另一方面，理化环境也影响着有机物质的分解速率.一般情况下，温度高、湿度大，有机物质分解速率大;低温干燥分解速率低，有机质易在土壤中积累.北方温度低，植物叶寿命短，但生长快，N、P、K等元素随着纬度的升高而增加[5]，凋落物分解過程由一系列阶段组成，从开始分解后，随着时间进展，物理的、生物的、化学的过程增加，复杂性也相应地增加.白音敖包沙地云杉凋落物由于主要是凋落叶，其表面特性和机械组成相对简单.但对于其化学成分的研究目前还不是很深入，且研究的结果也相对较少.沙地云杉生长于我国北方农牧交错地区，其所处地理环境是冬季漫长寒冷，夏季短促湿热，土壤条件也不是很好，大部分生长地区土层仅50～100cm，且底层部分主要以沙土为主，不利于营养元素的保存.本文沙地云杉全N、全P、全K的研究结果与任书杰等人的研究结果相似[6].这可能与当地局部气候条件有关系.

由于沙地云杉林的凋落物全N、全P、全K化学计量特征研究数据缺乏，研究结果不确定性较大.

3.2 结论

本研究得到以下结论：

（1）沙地云杉凋落物的全N含量在0.21—0.75mg/g之间，随着时间的增加，凋落物全N含量先升高，再降低，再升高的变化趋势、

（2）沙地云杉凋落物的全P含量为0.21-0.37mg/g，凋落物全P含量总体上呈现随着时间增加而升高变化的趋势.

（3）沙地云杉凋落物的全K含量为0.20-0.28mg/g，凋落物的全钾含量总体上呈现先升高，再降低，再升高的变化趋势.

参考文献：

〔1〕Wertheimer F H， Why nature chose phosphates [J]. Science . 1987.235; 1173-1178.

〔2〕左小安，赵学勇，赵哈林，等.科尔沁沙质草地群落物种多样性、生产力与土壤特性的关系[J].环境科学，2007，28（5）：945-951.

〔3〕李玉强，赵哈林，赵学勇，等.沙漠化过程对植物凋落物分解的影响[J].水土保持学报，2007，21（5）：64-67.

〔4〕鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业科技出版社，1999.

〔5〕秦海，李俊祥，高三平，等.中国660种陆生植物叶片8种元素含量特征[J].生态学报，2010，30（5）：1247-1257.