不同林龄刺槐人工林植物与土壤C、N、P化学计量特征演变

李 慧，许亚东，王 涛，杨改河

(1.西北农林科技大学 林学院，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学 农学院，陕西杨凌 712100； 3.陕西省循环农业工程技术研究中心，陕西杨凌 712100)

土壤和植物是陆地生态系统的两个重要组成部分，其相互作用维持着整个生态系统的养分循环和可持续发展[1]。土壤作为植物的生存基质，为其提供了必须的营养元素，同时植物通过光合作用固碳并吸收养分维持生长与物质积累，最后再以植物源养分形式反馈于土壤[2]。因此，系统研究植物与土壤间养分的交换过程和互馈效应，特别是大量养分元素碳(C)、氮(N)、磷(P)的转换，对深刻认知陆地植被系统养分平衡过程和脆弱生境恢复机理有着极其重要的意义[3]。

近年来新兴的生态化学计量学理论提出不同层次、不同生态区域、不同区域尺度上生物体的生长过程实质上是元素(主要是C、N、P)的积聚与相对比例的调节过程[4]，这使得不同群落、不同生态系统和不同研究领域的生态生物学特征统一起来，更好地解释生态系统过程中化学计量比格局以及元素相互作用的规律。这也为研究土壤-植物间能量和多重化学元素平衡及两者生态交互作用提供了重要手段[5]。目前，国内外对不同植被类型、不同植被演替阶段的植物器官的化学计量特征进行了大量研究[6-9]，提出了植物组织中C、N、P化学计量比的差异。这不仅解释了植物群落功能的变化，还对植物环境适应性及限制生长元素的判断有一定指示作用[10]，如当叶片N∶P<14 时存在氮限制，当N∶P>16时存在磷限制，14

刺槐因其耐干旱、生长快速和根系发达的特性在黄土高原退耕还林工程实施中被广泛种植，其对区域脆弱生境修复发挥着重要的作用。目前，对刺槐林的土壤养分、植被群落变化都有较为深入的研究[13-15]，对于不同恢复阶段刺槐林叶片或土壤化学计量特征也有了一定认知，但对刺槐林生长过程土壤与植物碳氮磷化学计量比演变关系还知之甚少[16-17]。因此，本试验选择黄土丘陵区不同林龄的刺槐人工林为研究对象，探讨叶片、枯落物和土壤的C、N、P质量分数及其化学计量学特征演变与相互关系，旨在为揭示刺槐人工林恢复过程中植物与土壤间养分交互作用、效应及其平衡过程提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕北黄土丘陵区安塞区境内的五里湾流域，该区域地理位置为109°18′～109°22′E，36°51′～36°53′N，海拔1 010～1 400 m。该流域地貌以丘陵沟壑为主，土壤为黄绵土，抗侵蚀力差，属最具代表性的黄土侵蚀区。该区属温带大陆性半干旱季风气候，年平均气温8.8 ℃，年平均降水量505.3 mm，主要集中在每年的7、8月份，无霜期157 d。植物群落中主要的建群种有刺槐(Robiniapseudoacacia)、柠条(Caraganakorshinskii)等，林下草本主要有铁杆蒿(Artemisiasacrorum)、异叶败酱(Patriniaheterophylla)等，草本状半灌木主要有达乌里胡枝子(Lespedezadavurica)等。此研究区作为退耕还林最早的试验示范流域，在多年的恢复过程中有长势良好的恢复时间序列的刺槐人工林，为本试验提供良好的实验平台。

1.2 样地选择与取样

通过走访当地林业部门和农户调查，以空间代替时间的方法[18]选择了林相整齐、生长良好的17 a、27 a、42 a年生刺槐人工林作为研究样地，并于2016年8月刺槐生长旺盛期进行采样。不同生长阶段林地均设置3个20 m×20 m的标准样地作为重复采样小区。采集植物样时在每个小区内，按照标准木法[19-20]，对样地内人工林进行胸高直径(树木在1.3 m高处的胸径)的测定，即每木检尺，计算出每个样地内所有树木的平均胸高直径，并按照标准区内上、中、下坡位，找出接近平均胸高直径且生长良好的3棵树木作为标准采样木。叶片采集在每株采样木树冠中部的东、西、南、北方向各剪取1根枝条，摘取枝条上的所有叶片混合成一个该小区待测叶样品。同时，在相应标准木下设置5个1 m×1 m样方采集地表枯落物样品。采集土样时，去除表面枯落物，并在每个标准小区沿着坡位自上至下，S型布设15个样点，利用土钻采集各样点0～10 cm土壤并混合均匀作为该小区待测土样，自然风干后用来测定土样碳氮磷含量。各采样点基本状况见表1，体积质量以“平均数±标准差”表示。

表1 研究样地的基本特征Table 1 Basic characteristics of study sites

1.3 测定指标

将采集的叶片、枯落物于105 ℃下杀青10 min，然后80 ℃下烘干至恒质量并经粉碎后过100目筛。植物样经H2SO4-H2O2消煮后，用CleverChem380全自动间断化学分析仪测定全氮质量分数；用钼蓝比色法测定植物全磷；植物碳采用外加热重铬酸钾法测定[18]。

土壤自然风干后挑除动植物残体，研磨并过0.25 mm筛以备元素分析。其中，土壤有机碳采用外加热重铬酸钾法测定；土壤全氮经H2SO4-K2SO4∶CuSO4催化消煮后，用CleverChem380全自动间断化学分析仪测定；土壤全磷用H2SO4-HClO4消煮之后，采用钼蓝比色法[21]测定。

1.4 数据处理

不同林龄刺槐林植物与土壤样品碳氮磷质量分数及其化学计量学特征差异显著性，采用单因素方差分析和Duncan法进行检验，显著性水平为0.05，结果以“平均数±标准差”表示。采用双变量相关性分析植物与土壤样品间C、N、P质量分数及其化学计量特征演变关系。以上数据采用SPSS 22.0进行统计分析，采用Origin 2016软件完成作图。

2 结果与分析

2.1 不同林龄刺槐叶片C、N、P质量分数及其化学计量学特征

刺槐叶片C、N、P质量分数均随林龄增长呈现增加趋势(表2)。其中，叶片C和P质量分数在不同林龄下均表现为42 a>27 a>17 a，42 a生叶片C质量分数比27 a和17 a的分别提高10.9%与22.3%，N质量分数分别提高32.58%与20.9%，P质量分数则分别提高15.2%与8.1%。与C、N、P质量分数变化趋势相反，叶片C、N、P化学计量特征从17 a到27 a并无显著变化，但到42 a时，C∶N、C∶P分别较27 a降低了4.5%、12.2%，N∶P则在不同年限间无显著的差异。

注：同列不同小写字母表示不同林龄间差异显著(P<0.05)，下同。

Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant differences between the different forest ages (P<0.05),the same below.

2.2 不同林龄刺槐枯落物C、N、P质量分数及其化学计量学特征

与叶片C、N、P质量分数随林龄延长而增加的趋势相似，枯落物中C、N质量分数在不同林龄下亦表现为42 a>27 a>17 a(表3)，42 a刺槐枯落物C质量分数比27 a与17 a的分别提高8.0%与13.0%，N质量分数则分别提高31.1%与56.2%。枯落物P质量分数从17 a到27 a并无显著变化，但到42 a时，P质量分数较27 a增加4.7%。枯落物不同元素间化学计量学特征变化差异较大。随着生长年限的延长，C∶N逐渐减小，27 a与42 a分别较17 a降低27.4%与11.6%；N∶P则随着生长年限的延长逐渐增加，与17 a刺槐的N∶P相比较，27 a与42 a分别增加12.9%与30.6%。不同龄林C∶P 变化较小，仅在42 a时较27 a显著增加了3.9%。

表3 枯落物C、N、P质量分数及C∶N、C∶P、N∶P变化特征Table 3 Change characteristic in mass fraction and stoichiomentry of C,N,P in litter

2.3 不同林龄刺槐林下土壤C、N、P质量分数及其化学计量学特征

由表4可知，土壤C、N、P质量分数从17 a至42 a的分别为3.94～8.05、0.45～0.91、0.40～0.50 g/kg。其中，仅土壤C质量分数随林龄延长持续增加，表现为42 a与27 a分别较17 a显著增加35.0%与21.7%。土壤N和P质量分数从17 a到27 a无显著增加，但在42 a时较27 a分别显著提高56.6%与13.8%。相对地，土壤C、N、P质量分数的变化引起了土壤元素化学计量特征的差异。土壤C∶N在不同林龄间并无显著变化；土壤C∶P、N∶P在不同林龄间表现为42 a>27 a>17 a，C∶P在42 a时较27 a、17 a分别显著增加66.36%与49.27%，N∶P则分别显著增加67.1%与22.3%。

表4 土壤C、N、P质量分数及C∶N、C∶P、N∶P变化特征Table 4 Change characteristic in mass fraction and stoichiomentry of C,N,P in soil

2.4 刺槐叶片-枯落物-土壤的C、N、P质量分数及其比值的相关关系

由表5可知，在刺槐不同生长阶段。土壤C、N与叶片、枯落物C、N之间存在极显著的相关性。随着土壤P的增加，叶片、枯落物P呈现出极显著的增加。枯落物与土壤C∶N之间存在不显著的相关性(表6)。土壤与叶片C∶P之间呈极显著的负相关(P<0.01)；土壤与枯落物C∶P则呈现出极显著的正相关(P<0.01)。N∶P在土壤和叶片之间存在不显著的相关性，但在土壤和枯落物之间存在极显著的正相关(P<0.01)。由此可见，C∶P在三库的养分转化之间起重要的作用。

表5 叶片-枯落物-土壤C、N、P质量分数相关系数(df=7)Table 5 Correlation analysis of C, N, P mass fraction in leaves, litter, and soil

注：“*”表示在0.05水平下差异显著; “**”表示在0.01水平下差异显著；下同。

Note：“*” significant difference at 0.05 level; “**” significant difference at 0.01 level；the same below.

表6 叶片-枯落物-土壤C、N、P化学计量学比值相关系数(df=7)Table 6 Correlation analysis between stoichiometric ratios

3 讨 论

3.1 刺槐叶片-枯落物-土壤C、N、P质量分数演变特征

植被恢复对提升土壤养分质量分数及有效性的生态效应已受到多数研究的认可[22]。本研究亦表明随着恢复年限的增加，土壤C、N及P质量分数均呈现增加的趋势。这是由于随着植被恢复年限增加，林地枯落物积累量逐渐增加，而林地土壤中C、N、P的补充主要来自枯落物、草本植物残体分解后的养分归还及豆科植物固氮作用[23]；Zhou等[24]与Luyssaert等[25]研究表明土壤养分元素的沉降和积累与植物年龄之间呈正相关。叶片C质量分数在生长前期(17 a、27 a)低于全球492种陆地植物叶片C的平均质量分数(464 mg/g)，但在生长后期(42 a)接近中国东部南北样带植物叶片C的平均值(480.1 mg/g)[26]。同时，叶片和枯落物C、N、P质量分数随着恢复年限的增加而增加，但枯落物均低于叶片养分质量分数，这可能与植物的生物学特性很大的关系[27]。根据植物生长策略，植物在接近成熟之前具有较快的生长速率，光合和固氮作用也随之增强，不断合成干物质，故叶片中的C质量分数在增加；同时，较快速的生长需要更多的rRNA以增加蛋白质的合成，最终导致叶片N质量分数升高[28]；而rRNA又是植物的一个主要P库，故叶片N、P质量分数随着林龄的增加而增加[6]。植物叶在衰老之前会将部分元素转移到幼嫩部位以用于次年的再生长[27]。随着植物生长年限的增加，枯落物厚度不断累积，土壤的水分和温度条件得到改善，增强了土壤微生物的活性，进而加快了枯落物的分解和养分归还[29]。枯落物在分解的过程中，粗纤维、单宁、可溶性糖等有机物质量分数不断下降[30]，同时大量N、P元素用于植物的光合作用和生长，造成了枯落物养分低于植物叶片的格局，但却随着恢复年限的延长，质量分数不断增加[31]。

3.2 刺槐林叶片-枯落物-土壤C、N、P化学计量学演变特征

植物在生长过程中对C、N、P元素利用的差异性导致了C、N、P质量分数不成比例的增加，从而导致叶片、枯落物、土壤化学计量学比值发生变化。结果显示，本研究中叶片C∶N和C∶P与Elser等[32]对全球398种陆生植物测定的结果(C∶N=22.5) (C∶P=232)一致，N∶P与Han等[33]对中国547种陆生植物的测定结果(16.3)相近。有研究认为，叶的N∶P<14表明植物受N限制，N∶P>16反映植物受P限制，14

本研究中，土壤C∶N在不同林龄间差异性不显著，但C∶P、N∶P在42 a时显著升高。枯落物C∶N随着林龄的延长表现出显著的降低。有研究表明[37]，土壤养分越低，枯落物的C∶N就越高，难分解的化合物越多，枯落物的分解速率则越慢。随着林龄的增加，土壤养分不断升高，枯落物中难降解的物质减少，枯落物分解速率加快，C、N元素的累积量不断增加，因此枯落物C∶N不断降低。枯落物C∶P、N∶P仅在42 a时显著升高。由于植被恢复过程中，N元素来源于枯落物分解、植物固氮、大气沉降等多个方面[4]，P元素则主要来源于母岩风化和枯落物分解归还[36]，C、N元素的积累量和速率较P更快，因此，在植被恢复后期，土壤和枯落物C∶P、N∶P显著增加。

3.3 人工刺槐林叶片-枯落物-土壤C、N、P生态化学计量学相关性

本研究显示土壤与叶片、枯落物C、N、P质量分数整体呈显著相关性。土壤-植物系统中，土壤作为植物生长的基质，其中的有机质、矿质养分经过微生物分解作用源源不断地为植物正常生理活动提供必需的养分[38]。同时，植物通过光合、生物固氮等作用固定C、N元素，最终在枯落物的分解中实现养分转化和归还。土壤和植物之间的C∶N∶P差异代表生产者及土壤微生物为维持生态平衡面临的养分竞争格局[39]。不同生长阶段，叶片和枯落物与土壤C∶N均不具有相关性。这说明植物中的养分并非单一的来源于土壤，光合和固氮作用也是植物养分很重要的一部分来源[40]。Delgado-Baquerizo等[ 41]研究认为，C在从枯落物分解转移至土壤的过程中，会有部分C以能量和CO2的形式转移或消耗掉。同时，土壤中有机质主要来源于林下草本及土壤微生物的代谢和残体腐质。随着刺槐生长年限的延长，林下草本的多样性由2.71增至3.07，豆科和禾本科植物的盖度增加了65%，生长和定殖于植物根系的微生物促进了土壤改善，并增加了N元素的利用性[42-43]，这也导致了土壤与枯落物C∶N没有相关性。通过相关性分析发现，叶片与枯落物C∶P不相关，但与土壤C∶P呈显著负相关。这表明叶片在枯落之前将大部分的养分转移至活有机体，枯落物养分损失增加，尤其是P养分，枯落物经过微生物分解作用，归还至土壤中的P元素较少[44]，土壤与枯落物C∶P呈显著正相关也说明了这一点。由于刺槐具有共生菌根的生物学特性，因此C、N一般不作为刺槐生长的限制因子，很可能是土壤供应给植物真正用于生长的P养分较少，影响了植物体中P质量分数，使得土壤中P元素成为限制刺槐生长的主要因子(叶片N∶P也说明了这一点)，导致了叶片与土壤C∶P呈负相关。综上，在人工刺槐林恢复过程中，土壤-植物之间存在着显著的互作效应，且C∶P对三库的养分转化关系最敏感。

4 结 论

随着林龄延长，人工刺槐林叶片、土壤和枯落物C、N、P质量分数均显著增加，说明刺槐林恢复过程可以有效累积和改善植物与土壤养分库。同时，总体上不同养分以N增幅最大，P最小，林地不同组分中以土壤养分变化最敏感，枯落物养分变化最慢，说明养分元素在土壤植物间增幅不成比例，这也造成养分元素化学计量特征产生显著差异。随着刺槐林龄增加，土壤、枯落物C∶P、N∶P显著增加，这在于C、N的累积量和速率较P更快。刺槐叶片N∶P为16.71～17.97，说明该地区刺槐人工林生长受P限制。回归分析则表明，在刺槐林恢复过程，叶片、土壤、枯落物C、N、P质量分数有显著的协同增加关系，但化学计量特征仅C∶P在土壤与叶片和枯落物间均存在显著相关性，可见刺槐人工林恢复过程中养分存在显著互作效应，并以C∶P对土壤-植被养分关系最敏感。