黄土高原典型植被恢复过程土壤与叶片生态化学计量特征

高德新,张 伟,任成杰,戴银月,乔文静,陈正兴,杨改河,韩新辉,*

1 西北农林科技大学农学院, 杨凌 712100 2 陕西省循环农业工程技术研究中心, 杨凌 712100

碳(C)氮(N)磷(P)是植物营养和土壤肥力的核心组成元素[1],植物吸收养分同时以凋落物形式向土壤归还养分,使得土壤和植物不断进行着C、N、P转化与累积的循环过程,从而促进陆地植被生态系统的演化与恢复[2]。因此,明确植物土壤C、N、P养分相对累积效应与平衡交互作用对于认知植被恢复过程与机理具有重要的科学意义。近10年迅速发展起来的生态化学计量学正是研究生物系统能量平衡和多重化学元素(主要是C、N、P)平衡的科学[3- 4]。这为研究生态恢复过程植物-土壤系统关键养分元素的动态平衡和交互作用提供了新的理论与方法[5]。

目前关于植被-土壤生态化学计量的研究多集中在不同生境、生态系统下各类型植被的生态计量特征,比如在热带雨林[6]、沙漠[7]、黄土高原[8]以及不同地形[9]、海拔[10]和气候条件下的生态化学计量特征[11]。于此同时,对不同恢复阶段的研究也有所涉及。如针对不同演替阶段的云南普洱季风常绿阔叶林的研究发现,植物及土壤N、P含量均随着群落演替先减少后增加[12]。而南亚热带森林不同演替阶段的研究发现,植物叶片N、P含量演替过程中降低,但土壤的N含量呈增加趋势[13]。此外姜沛沛等人针对黄土高原不同林龄的油松林叶片和土壤化学计量的研究表明,叶片与土壤C、N含量均随着林龄增加先增加后降低,但是叶片与土壤C、N关系不显著[14]。由于研究的区域环境、植被类型、演替时间等存在差异,不同恢复阶段植物、土壤生态化学计量变化趋势存在差异和较大不确定性。并且,在不同恢复年限尺度上,大多研究仅分析了养分及其化学计量随恢复年限变化的特征[12,15- 16],而针对不同恢复过程中养分变化速率的研究比较少见。养分的变化速率会通过养分含量的变化影响化学计量比。所以可以反映演替过程中植物和土壤养分的变化特征和恢复状态。因此研究不同恢复阶段植被-土壤生态化学计量特征及其变化速率对揭示恢复过程中养分的变化特征有重要的参考价值。

黄土高原是生态环境脆弱区,植被恢复措施使土壤质量尤其是养分含量得到了明显的提升[17]。但是,目前该地区植物和土壤养分的转化特征与平衡互作过程还不清楚。因此,本研究以延安庙咀沟流域恢复20—40a的乔、灌、草3种典型恢复植被土壤与叶片为研究对象,并以坡耕地为对照,探讨植被恢复过程中土壤与叶片生态化学计量变化特征及其交互影响,揭示黄土高原区典型植被恢复类型C、N、P养分平衡互作关系及累积效应,以期为该区域人工植被恢复过程与机制的深入研究提供科学依据。

1 材料方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕北黄土高原延安庙咀沟小流域(107°38′—108°32′E, 36°33′—37°24′N,海拔高度1233—1809 m)。该区年平均气温7.8℃,无霜期96—146 d,年平均降雨量为478.3 mm,且64%以上集中在7—9月份,属典型的干旱半干旱地区。该研究区属于梁峁沟壑区,土壤类型主要是黄绵土,土质主要是砂质壤土。该区针对生态退化进行了长期综合治理,特别是1999年开始实施退耕还林工程,植被恢复类型有乔木、灌木、草地。乔木以刺槐(Robiniapseudoacacia)为主、灌木以柠条(Caraganakorshinskii)为主。所选样地的基本信息情况见表1。

表1 样地基本情况

1.2 样地设置与采样

选择研究区内恢复20a、40a的刺槐、柠条、草地3种植被为研究对象,和附近坡耕地作为恢复0年对照,于2016年7月份植物生长旺盛期采集叶片和土壤样品。采样时选择坡向、坡度、坡位和海拔相近,且均为坡耕地退耕而来的样地。每个样地选择3个20 m×20 m标准采样小区,在每个样区内按照“S”型布设12个点,用土钻法取0—10、10—20、20—30 cm共3层的土样,将各采样点同层土样充分混合后按四分法取样,然后装入塑封袋作为该土层待测土样。同时挖取土壤剖面,用环刀法测定土壤容重。对于植物叶片的采集,在每个样区内随机选择五个植株,草本植物叶片由小样方内完全收割的地上部分按照四分法获得,刺槐、柠条选择植株中上部、各个方向成熟新鲜叶片,每个样区采集8—10 g叶片装入网袋,带回实验室。

1.3 样品处理与测定

采集的土样带回实验室自然风干,仔细除去其中动植物残体和石块后过2 mm筛,装袋封存。采集的植物叶片105℃杀青后置于60℃烘箱烘干,经研磨后过0.25 mm筛装袋封存。叶片和土壤有机碳采用重铬酸钾氧化外加热法测定;叶片全氮、全磷用浓硫酸-过氧化氢消煮,土壤全氮、全磷分别用浓硫酸-催化剂,浓硫酸-高氯酸消煮,最后采用流动分析仪测消煮液全氮、全磷含量[18]。

1.4 数据分析

本研究中叶片和土壤C、N、P比均采用元素质量比,C、N、P养分含量均以单位质量的养分含量均值表示。不同植被类型和恢复年限的土壤、叶片C、N、P及化学计量比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P<0.05。土壤C、N、P年变化速率(SCGR,SNGR,SPGR)用0—20a、20—40a的年平均变化量计算得到,并采用相同方法进行三种植被不同恢复阶段的差异性检验。以上数据整理与分析均在Excel 2010与SPSS 20.0软件中进行,作图采用Origin 2016软件完成。同时,利用Canoco 5.0对叶片和土壤进行冗余分析(RDA),分析叶片对土壤养分的影响。

2 结果与分析

2.1 植被恢复过程叶片C、N、P含量及其化学计量比变化特征

如表2所示,除了叶片P、N∶P不受恢复年限显著影响外,叶片C、N、P含量及其化学计量均受植被类型和林龄显著影响。在20—40a的恢复过程中,刺槐、柠条、草地叶片C含量分别显著增加了11%、9%、6%(图1)。但刺槐叶片N和P含量则分别显著下降了8%、10%,柠条叶片N和P含量均下降11%;草地叶片N含量未发生显著变化,但P含量显著升高24%。不同植被叶片C、N、P含量不均衡变化也导致其化学计量比发生显著变化。从20a到40a的恢复过程中,刺槐和柠条叶片C∶N、C∶P分别显著增加了21%、22%,而叶片N∶P没有显著变化。在恢复过程中,草地叶片C∶N未发生显著变化,但C∶P和N∶P分别下降了15%和13%(P<0.05)。

表2 叶片C、N、P化学计量特征GLM分析

LC: 叶片碳含量 Leaf carbon content;LN: 叶片氮含量 Leaf nitrogen content;LP：叶片磷含量 Leaf phosphorus content;LCN: 叶片碳氮比 Leaf carbon to nitrogen ratio;LCP：叶片碳磷比 Leaf carbon to phosphorus ratio、LNP：叶片氮磷比 Leaf nitrogen to phosphorus ratio

图1 不同植被类型和林龄叶片碳氮磷含量及其化学计量特征Fig.1 The content of C、N、P in leaf and its stoichiometric characteristics under different revegetation types and forest ageCH：刺槐 R. pseudoacacia;NT：柠条 C. korshinskii;CD：草地 grassland;图中小写字母代表不同植被间叶片指标在P<0.05水平上差异显著

2.2 植被恢复过程土壤C、N、P含量及其化学计量比变化特征

植被类型和土层显著影响土壤C、N、P含量及其计量特征,但是对土壤C∶N没有显著影响,而林龄仅对土壤N和C∶N有显著影响(表3)。3种植被不同恢复年限土壤C、N、P含量相较耕地得到了显著增加,且随着恢复年限的增加而增加(图2)。表层C、N、P含量显著高于中层和下层,表现出明显的表层富集效应。其中刺槐林土壤表层C、N、P含量相较耕地分别增加了285%、173%、46%,恢复效果最好。3种植被SOC含量在刺槐中最大(P<0.05),为草地、柠条SOC含量的124%—201%。恢复20a时土壤TN含量在草地中最小(P<0.05),为刺槐、柠条土壤TN含量的52%—57%,恢复40a时在刺槐中最大(P<0.05),为草地和柠条土壤TN含量的109%—128%。土壤TP含量在3种植被间的大小顺序和土壤TN相同(P<0.05)。在20—40a的恢复过程中,土壤化学计量比值呈现不同的变化特征。3种植被表层土壤C∶N在恢复过程中没有明显变化,稳定在9.80—11.57,刺槐、柠条、草地土壤C∶P则均显著增加(图2)。土壤N∶P在草地中由14.54显著降低为12.66,在刺槐、柠条恢复过程中没有明显变化。

表3 土壤C、N、P化学计量特征GLM分析

SC: 土壤碳含量 Soil carbon content;SN: 土壤氮含量 Soil nitrogen content;SP：土壤磷含量 Soil phosphorus content;SCN: 土壤碳氮比 Soil carbon to nitrogen ratio;SCP：土壤碳磷比 Soil carbon to phosphorus ratio;SNP：土壤氮磷比 Soil nitrogen to phosphorus ratio。SCGR：土壤碳增速 Growth rate of soil carbon;SNGR：土壤氮增速Growth rate of soil nitrogen;SPGR：土壤磷增速 Growth rate of soil phosphorus

图2 不同植被类型和林龄土壤C、N、P含量及其化学计量特征Fig.2 The content of C、N、P in Soil and its Stoichiometric characteristics of different revegetation types and forest agesFL：耕地 Farmland;不同大写字母代表同一土层不同植被间的差异显著(P<0.05),不同小写字母代表同一植被不同土层间的差异显著(P<0.05)

2.3 土壤C、N、P含量变化速率

植被类型、土层和林龄对土壤C、N、P含量和变化速率影响显著(图3)。不同恢复阶段内,3种植被土壤C、N、P的变化速率存在显著差异,且随土层的加深也有所不同(图3)。从前期(0—20a)到后期(20—40a)的恢复过程中,刺槐和柠条表层土壤C增速分别显著下降了42%、57%,N增速均显著下降了60%、54%。而草地土壤C、N增速则显著升高了47%、303%。除了刺槐、柠条中层土壤N增速最大外,土壤C和N增速随着土层加深而递减。土壤C增速的大小顺序为刺槐>柠条>草地,土壤N增速恢复前期时在刺槐中最大,分别是柠条、草地N增速的119%、536%;恢复后期时柠条土壤表层C增速最小,草地土壤表层N增速最大,分别为刺槐、柠条土壤表层N增速的191%、196%。3种植被不同恢复过程土壤P增速没有一致的趋势,随着土层变化差异较大。

图3 不同植被类型和林龄土壤C、N、P增速Fig.3 Growth rate in different revegetation types and forest ages

2.4 土壤与叶片C、N、P含量及生态化学计量比关系

图4 土壤与植物RDA分析Fig.4 RDA analysis of soil and plant

对不同恢复过程土壤生态化学计量特征与叶片因子进行RDA分析(图4),结果表明:叶片C和土壤C、N、P呈极显著正相关,叶片N、P和土壤N显著正相关。叶片P和土壤N、P增速显著正相关,而叶片C∶P和土壤C、N增速显著负相关。叶片和土壤N∶P呈显著正相关。结果表明土壤含水量、pH、容重对植物和土壤C、N、P含量及其化学计量比有显著影响：土壤含水量和叶片C、N、P、N∶P呈正相关,土壤pH、容重和叶片C呈负相关。叶片因子的贡献率排序表明,叶片指标对土壤的影响程度大小为C>P>N>C∶P>C∶N>N∶P,其中C、N、P达到显著水平。

3 讨论

3.1 不同植被恢复过程叶片与土壤C、N、P含量特征及其相互关系

植被恢复过程中,叶片和土壤养分含量均发生了显著变化(图2、图3)。研究结果显示刺槐、柠条在恢复过程中叶片N、P含量显著下降,而草地叶片N、P含量均显著增加。这与Cao等人在纸坊沟的研究结果一致[19]。前人的相关研究表明水分是黄土高原植物生长过程重要的制约因素[20],水分缺少影响植物根系对根系矿质元素的吸收,从而导致植物养分含量减少。本研究中土壤含水量和叶片C、N、P含量呈显著正相关,并且刺槐、柠条土壤水分在恢复后期减少,而草地土壤水分在恢复后期增加(表1)。其原因可能是刺槐、柠条、草地三种植被的水分利用策略有所区别。刺槐、柠条群落在恢复初期充分利用水资源生长,这也导致水分消耗过快而使后期生长受到水分限制[21],因此植物吸收的N、P随之减少。而草地耗水则相对较少,后期生长较快,吸收的N、P也随之增加。在恢复过程中,叶片C和土壤C、N、P含量变化趋势一致,均明显增加,是对土壤养分贡献率最大的因子。这是因为植物在恢复过程中以凋落物形式不断向土壤中输入养分,使得土壤养分显著提升。但是三种植被的土壤C、N、P增速在恢复过程中会发生变化。本研究中刺槐和柠条林的土壤表层C、N增速在恢复过程中显著降低,而草地则呈增高趋势。这是因为刺槐、柠条和草地后期水分变化导致的植物生长速率的变化,而使得三种植被的叶片归还速率发生改变,进而导致土壤C、N、P增速发生变化。而且刺槐、柠条恢复后期水分的缺少也会降低微生物活性[22- 23],进而导致凋落物输入效率降低。其中刺槐林中土壤凋落物最多,与中下层土壤相比,其土壤表层养分和水分等因子占比较高。因此土壤有机碳增速从表层到下层依次递减,并且恢复前期土壤表层C、N增速在刺槐中最大。RDA分析显示土壤C、N、P 增速和叶片P、C∶P显著相关,表明土壤C、N和P增速受叶片P的显著影响。而P是微生物合成RNA的原料,与微生物的生长有密切的联系[24]。植物对土壤P的吸收利用显著影响微生物对P的吸收,从而影响微生物生长。因此叶片P通过调节微生物生长而显著影响凋落物的分解速率和土壤养分的输入速率。本研究中,土壤N和叶片N、P显著正相关,表明土壤N对植物养分影响较大,这与豆科植物根系的固氮作用密切相关。

3.2 不同植被过程叶片与土壤C、N、P的生态化学计量特征及相互关系

叶片C∶N、C∶P可以反映植物的生长状况,与植物生长速率呈负相关[25]。刺槐、柠条在恢复过程中叶片C∶N、C∶P显著降低,而在草地恢复过程中呈增加趋势。结果表明刺槐、柠条的生长有所减缓,而草地在恢复后期,植物生长相对较快。草地叶片N∶P在恢复过程中从14.54降为12.66,有研究表明叶片N∶P可以指示植物的养分限制情况,当N∶P<14时植物主要受N限制,当N∶P在14和16之间时,受N、P共同限制,当N∶P>16时植物主要受P限制[26]。根据此标准,草地在恢复过程中N限制的程度在增加。草地后期生长较快,因此植物吸收更多的P来合成RNA以满足代谢的需要,而P含量的增加使N含量相对降低,进而导致N限制程度增加。而刺槐、柠条主要是受P限制,这和姜沛沛等人的研究结果一致[14]。原因主要是刺槐、柠条的固氮作用使植物根系N含量较多,植物吸收的N也因此较多,而导致P含量相对缺少。然而此标准是否适合本地区还需要进一步开展研究验证。本研究中,叶片和土壤N∶P显著相关,这与Cao等人在纸坊沟的研究结果相同[19]。而章广琦等人的研究显示相关性不显著[8]。主要是因为该地区土壤贫瘠,植物所需养分主要来自于土壤,因此受土壤N∶P显著影响。N、P是植物中各种蛋白质和遗传物质的重要组成元素,参与植物的光合作用和细胞分裂,而植物N、P主要来自对土壤养分的吸收,因此土壤中N、P含量在恢复过程中的相对变化与叶片中N∶P显著正相关,这也表明叶片N∶P可以指示土壤N∶P的变化,N∶P可以将植物和土壤联系起来。然而本研究中草地土壤和叶片N∶P呈相反的变化趋势。这可能是由于草地在养分限制的情况下,会改变自身养分利用策略以适应环境,使得植物和土壤在恢复过程相对独立,引起养分发生变化。恢复过程中土壤C∶N较为稳定,C∶P显著增加,这与牛瑞龙等人的研究一致[27],主要是因为C、N作为结构成分具有一致性。而土壤P在恢复过程中变化相对较小,使得C∶P由土壤C含量主导。

4 结论

土壤和植物叶片碳氮磷含量及其化学计量比特征在恢复过程中呈不同的变化特征,在20—40a恢复阶段,刺槐和柠条叶片养分组成倾向于积累更多的C和相对少的N、P,这也使得叶片C∶N、C∶P在此恢复过程中增加。草地在恢复过程叶片N、P相对C增加较多,P相对N增加也较多,因此C∶N、C∶P、N∶P均呈下降趋势。土壤C、N、P含量在恢复后得到了显著提升,并且C、N相对P增加量更多,使得土壤C∶P、N∶P在恢复中升高。但是恢复过程中土壤C、N的累积速率在刺槐和柠条中显著降低,而在草地呈升高趋势。并且恢复过程中叶片C含量对土壤C、N、P含量有显著影响,叶片P显著影响土壤C、N的累积速率。同时叶片N、P受到土壤N的显著影响,叶片和土壤N∶P紧密相关,表明N∶P可以将植物和土壤联系起来。