黔西北不同林龄马尾松人工林针叶-凋落物-土壤 C、N、P 化学计量特征

何斌，李青，冯图，薛晓辉，李望军，刘勇

1. 贵州省普通高等学校生物资源开发与生态修复特色重点实验室，贵州 毕节 551700； 2. 北京林业大学林学院/省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083

生态化学计量学作为研究多种元素平衡和循环的新兴生态学工具，主要强调活有机体C、N、P之间的化学计量关系（Elser et al.，1996），为多种生态系统中元素耦合关系的研究提供了崭新的视角和有效的手段。近年来，生态化学计量学已被广泛应用于从分子到种群、群落以及生态系统等各个层次（雷丽群等，2017），而且把不同层次和不同领域的研究结果有机统一起来，更好地解释了C、N、P 在生态系统过程中的化学计量格局（牛得草等，2011）。目前，国内外学者对不同植被类型、不同区域、不同空间尺度和不同演替阶段植物叶片的化学计量特征进行了大量研究（Han et al.，2005；Ågren et al.，2012；阎恩荣等，2008；McGroddy et al.，2004；吴统贵等，2010；任书杰等，2007；王晶苑等，2011），同时对土壤和凋落物化学计量特征的研究也有不少报道（俞月凤等，2014；杨会侠等，2010；雷丽群等，2017），但是将植物叶片、凋落物、土壤三者结合起来系统研究C、N、P 化学计量特征还处于起步阶段（李明军等，2018；姜沛沛等，2016）。

森林生态系统中，土壤作为生物体生命活动的载体和植物营养元素的主要来源，对植物的生长发育起着重要的调控作用（刘兴诏等，2010）；植物从土壤中吸收养分，通过光合作用同化C、贮存N、P 等营养元素，并以凋落物的形式逐步返还给土壤（王维奇等，2011）；凋落物作为植物与土壤物质、能量交换的枢纽，对生态系统有机质贮存和养分循环起着重要调控作用（Cross et al.，2005）。土壤养分供应量、植物养分需求量、植物对其自身养分需求的自我调节以及凋落物分解过程中养分的返还量各自变化并相互影响，使“植物-凋落物-土壤”连续体中的营养元素具有明显的时空性（Ågren et al.，1998）和一定的复杂性（王维奇等，2011）。随着林龄的变化，森林生态系统的组成、内部环境、凋落物质量和土壤性质也会随之发生改变，进而影响养分的分配格局和循环规律（姜沛沛等，2016），因此，将叶片、凋落物与土壤联系起来探讨林龄变化对森林生态系统C、N、P 元素的分配及化学计量特征，有助于全面、系统地揭示森林生态系统“植物-凋落物-土壤”连续体中养分的分配特征和循环规律，同时也可以为生态化学计量学理论研究提供新的科学依据。目前，不同学者对不同生态系统中植物、凋落物和土壤中C、N、P 含量及生态化学计量比随林龄变化的研究结论各异，可见，林龄对生态系统中C、N、P 含量及生态化学计量比的影响，以及养分元素间的限制性关系仍有相当大的不确定性，还需要进一步的研究探讨。

马尾松（Pinus massoniana）是我国特有树种和南方主要造林用材树种，具有适应性强、耐干旱、瘠薄和速生丰产等特点，是我国分布面积和蓄积量最大的针叶树种（葛晓改等，2014）。目前，对马尾松人工林不同器官、土壤理化性质、凋落物等方面已有较多的研究（陆晓辉等，2017；葛晓改等，2014；姚瑞玲等，2006；郭峰等，2010；莫江明等，2001；秦娟等，2013），对不同林龄阶段马尾松土壤、凋落物的化学计量特征也有一些报道（崔宁洁等，2014a；葛晓改等，2012；杨会侠等，2010；雷丽群等，2017），但对马尾松生长过程中“植物-凋落物-土壤”连续体C、N、P 生态化学计量特征的研究尚显不足。为此，本研究以贵州省黔西县不同林龄马尾松人工林为研究对象，对不同林龄马尾松针叶、凋落物、土壤的C、N、P 含量及化学计量比进行研究，拟回答以下2 个问题：（1）林龄变化对马尾松人工林“植物-凋落物-土壤”连续体C、N、P 含量和化学计量特征的影响；（2）马尾松人工林“植物-凋落物-土壤”连续体C、N、P 化学计量特征的内在耦合关系，旨在揭示马尾松人工林在生长过程中养分循环规律和系统稳定机制，为该地区马尾松人工林可持续经营和土壤肥力管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省黔西县境内（26°45′—27°21′N，105°47′—106°26′E），平均海拔1 250 m，具有低纬度、高海拔的特点。研究区属亚热带温暖湿润气候，四季分明，水热同季，年平均气温约为14.2 ℃，年平均降雨量约为1 087.5 mm，年平均日照约为1 066.9 h。森林覆盖率达到了52.4%，主要有马尾松、云南松（Pinus yunnanensis）、杉木（Cunninghamia lanceolata）等针叶树和栎类、白杨、泡桐等阔叶树。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置

2018 年5—7 月在黔西县境内选择立地条件相近的不同林龄（14、26、33 a）的马尾松人工林为研究对象，每个林龄内随机设置3 个20 m×30 m 的样方，详细记录各样方基本信息（表1），对乔木进行每木检尺。

1.2.2 样品采集与测定

7 月，针叶样品的采集参考李明军等（2018）的方法，每个样方内选择5 株健壮的马尾松，按东、西、南、北4 个方向采集冠下层的成熟针叶，每株针叶样品混合均匀。在对应的5 株马尾松林下1 m×1 m 的小样方内，采用收获法将地表凋落物全部收集，混合均匀后装入纸袋带回实验室。植物样品105 ℃杀青后、85 ℃下烘干至恒定质量，粉碎后测定针叶与凋落物的全碳（C）、全氮（N）、全磷（P）含量。在收集凋落物对应的小样方内，按三角形法用直径为5 cm 的土钻采集表层0—20 cm 的土壤，将土样混合均匀后，带回实验室。土样经过风干、剔除杂物后，研磨过100 目筛测定土壤有机碳（C）、全氮（N）、全磷（P）含量。针叶、凋落物和土壤碳采用重铬酸钾-外加热法测定，全氮采用凯式定氮法测定，全磷采用钼锑抗比色法测定（鲍士旦，2005）。

1.3 数据处理

运用SPSS statistics 19.0 对不同林龄马尾松针叶、凋落叶和土壤的C、N、P 含量以及C:N、C:P、N:P 比进行单因素方差分析（One-way ANOVA）、LSD 多重比较（P＜0.05）和Pearson 相关分析，应用Microsoft Excel 2013 进行数据处理和绘图。

表1 样地基本概况 Table 1 The basic situation of sample plot

2 结果与分析

2.1 不同林龄马尾松人工林针叶-凋落物-土壤C、N、P 含量

由图1 可知，林龄对马尾松人工林针叶、凋落物、土壤的C、N、P 含量影响显著（P＜0.05）。从碳、氮、磷的平均含量来看，针叶分别为492.27、12.17、1.04 mg·g-1，凋落物分别为399.07、10.07、0.64 mg·g-1，土壤分别为20.56、0.71、0.72 mg·g-1，C 和N 含量均表现为：针叶＞凋落物＞土壤，P 含量表现为：针叶＞土壤＞凋落物，且两两组分间差异显著（P＜0.05）。

马尾松人工林针叶、凋落物、土壤C、N、P 含量随林龄的变化趋势不同。随着林龄的增加，马尾松人工林针叶和土壤C 含量逐渐增加，在33 a 生达到最大；凋落物碳含量则逐渐降低，在33 a 生达到最小；且林龄间差异显著（P＜0.05）。随着林龄的增加，马尾松人工林针叶和土壤N 含量逐渐增加，在33 a 生达到最大，且林龄间差异显著（P＜0.05）；凋落物N 含量先增加后降低，在26 a 生达到最大，14 a 生马尾松人工林凋落物N 含量显著低于26 a 和33 a 生马尾松（P＜0.05）。随着林龄的增加，马尾松人工林针叶、凋落物、土壤P 含量逐渐增加，在33 a 生达到最大，且林龄间差异显著（P＜0.05）。

2.2 不同林龄马尾松人工林针叶-凋落物-土壤C、N、P 的化学计量比

由图2 可知，从ω(C):ω(N)比的平均值来看，马尾松人工林针叶＞凋落物＞土壤，土壤ω(C):ω(N)比显著低于针叶和凋落物（P＜0.05）。随着林龄的增加，针叶 ω(C):ω(N)比逐渐降低，林龄间差异显著（P＜0.05）；凋落物ω(C):ω(N)比也逐渐降低，14 a 生马尾松显著高于26 a 和33 a 生马尾松（P＜0.05）；土壤 ω(C):ω(N)比则逐渐增加，林龄间差异显著（P＜0.05）。

从ω(C):ω(P)比的平均值来看，马尾松人工林凋落物＞针叶＞土壤，不同组分间差异显著（P＜0.05）。随着林龄的增加，针叶和凋落物ω(C):ω(P)比逐渐降低，林龄间差异显著（P＜0.05）；土壤ω(C):ω(P)比先降低后增加，林龄间差异显著（P＜0.05）。

从ω(N):ω(P)比的平均值来看，马尾松人工林凋落物＞针叶＞土壤，不同组分间差异显著（P＜0.05）。随着林龄的增加，针叶ω(N):ω(P)比先降低后增加，林龄间差异显著（P＜0.05）；凋落物ω(N):ω(P)比先增加后降低，林龄间差异显著（P＜0.05）；土壤ω(N):ω(P)比则逐渐降低，（P＜0.05）。

图1 不同林龄马尾松人工林针叶-凋落叶-土壤C、N、P 含量 Fig. 1 Leaf, litter and soil C, N, P content of different age in Pinus massoniana plantation

2.3 马尾松人工林针叶、凋落物和土壤C、N、P含量及化学计量比的相关性分析

图2 不同林龄马尾松人工林针叶-凋落叶-土壤C、N、P 化学计量比 Fig. 2 Leaf, litter and soil C, N, P stoichiometric ratios of different age in Pinus massoniana plantation

表2 马尾松人工林针叶、凋落物和土壤C、N、P 含量相关性分析 Table 2 Leaf, litter and soil C, N, P content correlation analysis in Pinus massoniana plantation

从表2 和表3 中可以看出，土壤C、N 与针叶C、N、P 存在显著正相关性，土壤P 与针叶、凋落物和土壤N、P 存在显著正相关性，凋落物C 与针叶、凋落物和土壤C、N、P 存在显著负相关性（针叶C 除外）。针叶、凋落物、土壤ω(C):ω(P)比之间显著正相关；ω(C):ω(N)比在针叶和凋落物之间相关性不显著，但在针叶和土壤之间显著负相关；针叶、凋落物、土壤ω(N):ω(P)比之间相关性不显著。由此可见，ω(C):ω(P)比在“植物-凋落物-土壤”连续体的养分转化之间起着重要的作用。

2.4 不同林龄马尾松林针叶、凋落物、土壤C、N、P 含量及化学计量比的相关性

不同林龄马尾松林针叶、凋落物、土壤C、N、P 含量及化学计量比的相关性存在差异（表4、5）。14 a 马尾松，针叶P 与凋落物P 存在显著正相关，凋落物C 与土壤C 存在显著负相关、与凋落物P 存在极显著正相关；26 a 马尾松，针叶、凋落物、土壤的C、N、P 之间均无显著相关性；33 a 马尾松，针叶C 与针叶P 存在显著正相关，针叶N 与凋落物N 存在显著负相关，凋落物C 与土壤N 存在极显著正相关。

14 a 马尾松，针叶ω(C):ω(N)比与ω(C):ω(P)比存在极显著正相关，凋落物ω(C):ω(N)比与ω(C):ω(P)比存在显著正相关、与ω(N):ω(P)比存在显著负相关，土壤ω(N):ω(P)比与凋落物ω(C):ω(P)比存在显著负相关、与土壤ω(C):ω(P)比存在极显著正相关；26 a 马尾松，针叶ω(C):ω(P)比与针叶ω(N):ω(P)比存在极显著正相关、与凋落物ω(C):ω(P)比存在显著负相关，凋落物 ω(C):ω(P)比与ω(N):ω(P)比存在极显著正相关，土壤ω(N):ω(P)比 与 ω(C):ω(N)比 存 在 显 著 负 相 关、与ω(C):ω(P)比存在极显著正相关；33 a 马尾松，针叶ω(C):ω(N)比与 ω(C):ω(P)比存在极显著正相关、与ω(N):ω(P)比存在极显著负相关，凋落物ω(C):ω(P)比与ω(C):ω(N)和 ω(N):ω(P)比存在显著正相关，凋落物ω(C):ω(N)比与土壤ω(C):ω(N)比存在显著负相关，土壤ω(C):ω(P)比与ω(N):ω(P)比存在极显著正相关。

表3 马尾松人工林针叶、凋落物和土壤ω(C):ω(N)、ω(C):ω(P)、ω(N):ω(P)的相关性分析 Table 3 Leaf, litter and soil C, N, P stoichiometric ratios correlation analysis in Pinus massoniana plantation

表4 不同林龄马尾松林针叶、凋落物、土壤C、N、P 含量的相关性分析 Table 4 Plant, litter and soil C, N, P concentrations correlation analysis in different aged Pinus massoniana plantation

表5 不同林龄马尾松林针叶、凋落物、土壤ω(C):ω(N)、ω(C):ω(P)、ω(N):ω(P)的相关性分析 Table 5 Plant, litter and soil C, N, P stoichiometric ratios correlation analysis in different aged Pinus massoniana plantation

3 结论与讨论

3.1 马尾松针叶-凋落物-土壤的C、N、P 生态化学计量特征

作为植物体最重要的组成元素C、N、P 之间相互作用，影响着植物的各种功能（平川等，2014）和调节着植物的生长（Güsewell，2004）。本研究中，马尾松人工林针叶中C 平均含量为492.27 mg·g-1，高于全球492 种陆生植物叶片C 平均含量464 mg·g-1（Elser et al，2000）和黄土高原126 个植物叶片C 平均含量438 mg·g-1（Zheng et al.，2007）；N 平均含量为12.17 mg·g-1，低于全球植物叶片的N平均含量20.6 mg·g-1（Elser et al，2000）和全国753种陆地植物叶片的N 平均含量18.6 mg·g-1（Han et al.，2005）；P 平均含量为1.04 mg·g-1，低于全球的平均含量1.99 mg·g-1（Elser et al.，2000）和全国的平均含量1.21 mg·g-1（Han et al.，2005）。说明马尾松人工林针叶具有高C 含量，低N、P 含量的特征。这可能与树种特性有关，针叶树常含有大量的单宁、树脂等次生代谢物来抵御环境胁迫和病虫害，同时分配较多物质用于构建保卫细胞，故针叶中C 含量较高；而针叶树叶面积小，光合作用过程中需要较少的N、P 用于合成生物酶，故针叶中N、P 含量较低。植物中C、N、P 的生态化学计量比反映了生态系统中C 的积累以及N 和P 的养分限制格局（栗忠飞等，2013），本研究中，ω(C):ω(N)和ω(C):ω(P)比的平均值为40.78、480.60，高于全球植物叶片ω(C):ω(N)和ω(C):ω(P)的平均值22.5、232（Elser et al.，2000），说明马尾松具有较高的营养元素利用效率和同化C 的能力；针叶ω(N):ω(P)比的平均值为11.81，低于全球植物叶片ω(N):ω(P)比的平均值12.7（Elser et al.，2000），也小于植物生长受N 和P 限制的N:P 阈值14（Koerselman et al.，1996），说明该区域马尾松的生长受N 限制较为严重，故在马尾松的培育管理中应增施N 肥以改善土壤养分供给，促进马尾松生长。

森林凋落物作为物质循环的主要途径和土壤养分的主要来源，可以改善土壤质量。本研究中，凋落物C、N、P 含量明显低于针叶，ω(C):ω(N)、ω(C):ω(P)和ω(N):ω(P)比则比针叶高（图1，图2），这说明植物对营养元素存在再吸收现象，延长了营养元素在植物体内的保存时间，为植物生产新的物质提供了部分营养元素。本研究中，凋落物ω(C):ω(N)和ω(C):ω(P)比的平均值分别为40.42 和648.89，明显低于全球亚热带针叶凋落物的ω(C):ω(N)和ω(C):ω(P)比（Mcgroddy et al.，2004），这可能是由于马尾松人工林凋落物组分复杂，不仅有马尾松针叶、枝条，而且有灌木和草本植物的凋落物，提高了阔叶植物在凋落物组分中的比例，加速了凋落物的分解。

土壤养分是影响植物生长的主要因素。本研究中，0—20 cm 土壤中C、N、P 含量平均值分别为20.56、0.71、0.72 mg·g-1，与全国水平（11.12、1.06、0.65 g·kg-1）（Tian et al.，2010）相比，可知研究区内土壤碳、磷含量较高，氮含量较为缺乏，这与上文马尾松的生长受N 限制较为严重的结果相一致。土壤ω(C):ω(N):ω(P)比是反映土壤养分有效性的重要指标，可用来分析土壤C、N、P 的矿化作用和固持作用（王绍强和于贵瑞，2008）。土壤ω(C):ω(N)、ω(C):ω(P)和ω(N):ω(P)比的平均值分别为28.76、29.91和 1.08，与全国陆地土壤 ω(C):ω(N)、ω(C):ω(P)和ω(N):ω(P)比（12.3、61、5.2）相比，土壤ω(C):ω(P)和ω(N):ω(P)比偏低，说明土壤P 有效性高，分解较快；土壤ω(C):ω(N)比较高，说明土壤N 分解缓慢，不利于N 的释放，马尾松的生长会受到N 的限制。

3.2 林龄对马尾松针叶-凋落物-土壤的C、N、P含量及化学计量比的影响

随着林龄变化，森林生态系统植物、凋落物、土壤的养分格局随之变化，进而影响组分间的互作关系（王维奇等，2011）。本研究表明，随着林龄的增加，马尾松人工林针叶中C、N、P 含量呈增加的趋势，这可能与马尾松的生长规律有关。马尾松从14—33 a 阶段生长较快，不断合成干物质，故针叶中C 含量逐渐升高；同时马尾松较快的生长需要较多的rRNA 来合成蛋白质，而rRNA 又是植物的一个主要P 库，故针叶中N、P 含量也逐渐升高。随着林龄增加，马尾松针叶ω(C):ω(N)和ω(C):ω(P)比逐渐降低，这与生长速率假说不符。这可能是由于研究区内早期土壤相对贫瘠，土壤中可利用的N、P 较少，马尾松的生长发育受到了一定的限制，导致了马尾松ω(C):ω(N)和ω(C):ω(P)比的失衡，这也恰恰证实了植物通过提高养分利用效率来适应养分贫瘠状态的生存策略。这与崔宁洁（2014b）和淑敏（2018）等的研究结果一致。本研究结果表明，马尾松不同生长阶段针叶的ω(N):ω(P)比值均小于14，说明马尾松在研究区内受N 限制较为严重；随着林龄的增加，马尾松针叶N:P 比值先降低后增加，在26 a 最低，说明此阶段受N 限制最严重。

随着林龄的增加，凋落物中的C含量逐渐降低，这可能是由于14 a 马尾松人工林凋落物组分较单一，主要以马尾松针叶为主，针叶中较多的木质素和单宁等物质会抑制凋落物的分解（Rothstein et al.，2004），同时土壤中的养分含量较低也会抑制凋落物的分解；马尾松人工林凋落物中的N、P 含量则呈增加的趋势，这可能和此阶段马尾松针叶中N、P 浓度较高有关，表2 相关分析中凋落物中N、P 和针叶中的N、P 呈显著正相关也表明了这一点。随着林龄的增加，马尾松人工林下凋落物ω(C):ω(N)、ω(C):ω(P)和ω(N):ω(P)比呈下降趋势，有利于凋落物分解，养分归还效果明显。

随着林龄的增加，研究区内马尾松人工林土壤C、N、P 含量也逐渐增加。Luyssaer et al.（2008）发现土壤养分的积累与植物的年龄呈正相关关系，凋落物养分的归还和土壤理化性质的变化均会影响到土壤C、N、P 含量。随着林龄的增加，林地内凋落物含量逐渐累积，而且草本植物等阔叶植物凋落物的比例逐渐提高，同时，土壤的物理结构和水热条件也得到了改善，增强了土壤微生物的活性，凋落物能够较快分解将养分释放到土壤中，故土壤中的C、N、P 含量逐渐增加。本研究中，马尾松人工林土壤ω(C):ω(N)比随着林龄的增加而增加，说明随着林龄的增加，马尾松土壤N 的有效性在逐渐降低，马尾松的生长可能会受到N 的限制，与上文的论述结果一致；土壤ω(N):ω(P)比则呈降低趋势，说明随着马尾松的生长，土壤N 的供应能力要弱于P的供应能力。

3.3 马尾松人工林植物-凋落叶-土壤的C、N、P及计量比的关系

C、N、P 在“植物-凋落物-土壤”连续体之间相互转换，其化学计量比是生态系统中养分循环的内在调控因素。植物、凋落物和土壤之间ω(C):ω(N):ω(P)比的大小差异反映了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（2002）。相关分析表明，马尾松针叶与凋落物P 含量及ω(C):ω(P)比之间存在显著正相关性（P＜0.05），针叶中的N、P 含量显著高于凋落物，针叶中的ω(C):ω(N)、ω(C):ω(P)和ω(N):ω(P)比显著低于凋落物，说明凋落物中的养分承自植物叶片，二者关系紧密。这种植物对养分的重吸收现象，是马尾松适应土壤养分贫瘠的一种机制。凋落物与土壤C 含量之间呈显著负相关（P＜0.05），ω(C):ω(P)比呈显著正相关（P＜0.05），说明土壤C 含量依赖于凋落物分解，凋落物ω(C):ω(N)和ω(C):ω(P)比低，有利于凋落物分解和养分释放，土壤养分可以得到补给。凋落物P 与土壤P 极显著正相关（P＜0.01），P 属于沉积型元素，但凋落物分解较快，P 元素归还较多，故推断土壤P 主要源自于凋落物归还而非母岩风化。针叶与土壤C、N、P 含量之间显著正相关（P＜0.05），ω(C):ω(N)比呈极显著负 相 关（P＜0.01），ω(C):ω(P)比 呈 显 著 正 相 关（P＜0.05），说明马尾松生长过程中的营养元素主要依赖于土壤，土壤养分状况对马尾松生长的影响显著。这与李明军等（2018）对杉木的化学计量研究结果不一致，与刘万德等（2010）对云南常绿阔叶林的化学计量研究结果相似，说明植物与土壤间的化学计量关系可能会受到森林群落结构、植物种类、人类干扰等因素的影响。在马尾松的生长过程中，针叶、凋落物、土壤中的P 含量及ω(C):ω(P)比均呈显著正相关关系（P＜0.05），说明与C 和N 相比，P 元素在叶片、凋落物、土壤3 个库之间的相关性更显著，这可能是P 元素相比C 和N 内稳性更高所导致；在“植物-凋落物-土壤”连续体营养元素的耦合关系中，ω(C):ω(P)比对3 个库之间的养分转化关系最敏感。

综上所述，黔西北地区马尾松人工林在土层浅薄、养分贫瘠的条件下，经过长期的适应形成了高C 低N、P 的生态系统。随着林龄的增加，马尾松人工林针叶和土壤中C、N、P 显著增加，凋落物中N和P显著增加、C 显著减少，说明马尾松林生长过程中有效地改善了植物与土壤的养分库。随着林龄增加，马尾松针叶ω(C):ω(N)和ω(C):ω(P)比逐渐降低；凋落物ω(C):ω(N)、ω(C):ω(P)和ω(N):ω(P)比逐渐降低，有利于凋落物分解，养分归还效果明显；土壤ω(C):ω(N)比逐渐增加、ω(N):ω(P)比则逐渐降低，说明土壤N 的供应能力弱于P 的供应能力。马尾松针叶的ω(N):ω(P)比为10.89—12.62，均小于14，说明马尾松林的生长受N 限制较为严重。相关分析表明，在马尾松的生长过程中，针叶、凋落物、土壤中的P 含量及ω(C):ω(P)比呈显著正相关（P＜0.05），说明马尾松人工林生长过程中养分存在显著的互作效应，ω(C):ω(P)比对“植物-凋落物-土壤”连续体的养分转化关系最敏感。为了提高马尾松的生产力，建议在抚育管理过程中适当增加N肥，或者在林内引入豆科固氮植物来提高地力。