马尾松林下4种灌木植物叶片与土壤生态化学计量特征

张亚琴，郭其强，罗丝琼，盘金文，姚 珊，郭有燕

（1.贵州大学 a.贵州省森林资源与环境研究中心；b.林学院，贵州 贵阳 550025；2.河西学院 乡村振兴研究所，甘肃 张掖 734000）

生态化学计量学是主要研究生态系统中能量和化学元素，尤其是碳（C）、氮（N）、磷（P）平衡的科学，是探讨林下不同灌木植物的生长速率、营养状况和养分利用等生态过程的重要研究方法和手段[1-3]。C、N、P 是调节植物生长的重要元素，表征土壤养分状况。研究植物叶片与土壤C、N、P 及其计量特征，反映植物对土壤养分的吸收和利用效率。近年来，这些研究主要针对森林生态系统中不同植物器官、土壤、叶片、凋落物等化学计量特征变化开展，缺乏对林下灌木植物叶片-土壤相互关系的研究[4-5]。因此，了解马尾松林下灌木植物养分利用能力，有助于了解林下不同灌木C、N、P 元素合理分配和对环境的响应与适应，实现林下养分的高效利用，能维持较高水平的林下植物物种多样性[6]。

贵州省人工林面积约653.35 万hm2，其中1/3为马尾松Pinus massoniana人工纯林[7]。作为我国西南地区重要造林用材树种，马尾松具有耐旱、耐贫瘠等特点。然而，大面积的人工纯林已经导致了一系列问题，如土壤贫瘠、松针加速土壤酸化、易发生病虫害和森林火灾、地力衰退等，成为限制马尾松人工林可持续发展的突出问题。徐海东等[8]的研究表明，合理的林下灌木物种配比在一定程度上能提高人工林对N、P 元素的养分利用能力，对其林下植物抗病虫等生态功能具有良好的适应性，促进人工林可持续发展。

灌木是森林生态系统的重要组成部分之一，对维持生态系统稳定发挥具有重要作用。在森林生态系统中，灌木物种类型多样，主要分布于土壤表层，根系发达，树冠矮小，对贫瘠、耐阴的林下环境具有较强的适应性、抗逆性及可塑性[9]。鉴于此，在马尾松林下合理配置灌木，能显著提高林下植物层次丰富度[10]。其中，荚蒾Viburnum dilatatum、檵木Loropia chinense、南烛Vaccinium bracteatum、油茶Camellia oleifera是本研究区马尾松林下常见的4 个灌木树种，为此灌丛的主要优势种。目前，已有学者针对杉木Cunninghamia lanceolata林[11]、油松P.tabulaeformis林[12]、桉树Eucalyptus林[13-14]等人工林林下灌木物种养分含量及生态化学计量特征开展了相关研究，而对马尾松人工林林下灌木植物-土壤养分含量及生长特性的研究涉及较少。因此，本研究选择贵州省东南部马尾松人工林林下4 种常见灌木物种为研究对象，分析各植物叶片和土壤全碳、全氮、全磷含量及化学计量特征变化，阐明马尾松林下4 种灌木营养元素利用能力与生长特性，以期为马尾松林下灌木合理配置与高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于贵州从江县(108°14′～109°12′E，25°29′～26°03′N)，海 拔844～857 m，属于亚热带温湿季风气候。年平均降水量1 193 mm，5—6月为雨季，月降水量最多272.6 mm，最少36.9 mm。年平均气温18.4℃，月平均最高气温29.6℃，月平均最低气温7.8℃。土壤类型为红壤，pH 值为4.3，总郁闭度0.75，灌木层高度1.5～2.6 m，灌木盖度一般为0.18～0.35。

该研究区植被组成简单，乔灌草3 层结构明显，灌木树种代表性植物有长叶冻绿Rhamnus crenata、三角枫Acer buergerianum、小果蔷薇Rosa cymosa、柃木Eurya japonica、紫叶鼠李Prunus virginiana、荚蒾、檵木、南烛、油茶等。草本植物主要有筒轴茅Rottboellia cochinchinensis、狗脊Cibotium barometz等。

1.2 野外采样

于2019年7月22日对贵州省从江县马尾松人工林（17年生）林下4 种灌木植物叶片及其土壤（0～20 cm）进行样品采集，在海拔、坡度、坡向等地形因子基本一致的条件下，测量胸径、树高等，同时记录植物物种的株数、频度、盖度等基本信息（4 种灌木植物特征见表1）。选择马尾松林下4 种灌木群落类型，每个样地设置4个20 m×20 m 样方，再分别在每个样方中设置5 m×5 m 的样方进行灌木叶片、土壤样品采集。采集样方内的优势灌木植物（荚蒾、檵木、南烛、油茶）中上部成熟(无损、无病虫害、向阳)的新鲜叶片50 g，将采集的植物叶片分别装入信封中保存并做好标记，用于叶片养分含量的测定。在每块样地中选择有代表性的部位挖取1 个土壤剖面，用直径为5 cm 的土钻钻取地表0～20 cm 的土壤100 g，将采集的土壤分别装入信封中保存并做好标记，用于土壤养分含量的测定。

表1 马尾松林下4 种灌木植物概况Table 1 Status of the four shrubs in P.massoniana platation

1.3 试验方法

将野外样方中采集的植物叶片置于80℃条件下烘干至恒质量，粉碎后过80 目筛（0.18 mm），称质量装袋后封存，用于测定植物叶片的全碳(TC)、全氮(TN)、全磷(TP)含量。土壤室温自然风干后，去除石块、根系等杂物，粉碎后过80 目筛（0.18 mm），称质量装袋后封存，用于测定土壤的TC、TN、TP 含量。植物叶片和土壤TC、TN 含量采用TOC 分析仪测定，TP 含量采用浓硫酸双氧水加热消煮-钼锑抗比-岛津UV2450 紫外分光光度计法测定。所有样品做3 个重复，结果取其平均值±标准偏差。

1.4 数据处理

采用Excel 2010、SPSS 26.0 软件对数据进行整理和分析，应用Origin 8.0 软件进行图形绘制。对4 种不同灌木植物叶片TC、TN、TP 元素含量及其化学计量比(TC∶TN、TC∶TP、TN∶TP)进行不同物种叶片之间的单因素方差分析（one-way ANOVA）。利用Levene’s test 检验方差齐性与否，方差齐时使用Duncan 法进行多重比较。为揭示植物叶片TC 与TN、TC 与TP、TN 与TP 的关系，分别采用线性模型对其进行拟合，4 种灌木植物叶片与土壤化学元素及计量比的关系采用Pearson 相关分析。图表中数据为平均值±标准偏差。

2 结果与分析

2.1 4 种灌木植物叶片TC、TN、TP 化学计量特征分析

4 种不同灌木植物叶片TC、TN、TP 含量及其化学计量特征存在差异（图1）。4 种不同灌木植物叶片的C 含量高低顺序为南烛＞油茶＞荚蒾＞檵木，南烛C 含量平均值为（503.52 ± 0.83）mg·g-1，显著高于其他灌木植物（P＜0.05）。4 种不同灌木植物叶片中N、P 含量为荚蒾＞檵木＞南烛＞油茶，其中荚蒾的N 含量平均值为（22.92±2.19）mg·g-1，显著高于檵木、南烛和油茶（P＜0.05）；4 种不同灌木植物叶片P 含量表现为油茶与南烛无显著差异，且油茶P 含量平均值为（0.50±0.04）mg·g-1，显著低于其他灌木植物（P＜0.05）。

4 种不同灌木植物叶片TC∶TN、TC∶TP和TN∶TP 化学计量比值也存在一定的差异（图1）。叶片TC∶TN、TC∶TP 高低顺序为油茶＞南烛＞檵木＞荚蒾，油茶叶片TC∶TN值 为(48.49±1.79)，油茶叶片TC∶TP 值为(992.56±71.60)，油茶叶片TC∶TN、TC∶TP 均显著高于其他灌木植物（P＜0.05），檵木和荚蒾叶片TC∶TN、TC∶TP 无显著差异却显著低于油茶和南烛（P＜0.05）。叶片TN∶TP 高低顺序为南烛＞油茶＞檵木＞荚蒾，且南烛TN∶TP 平均值为(24.12±2.11)，显著高于其他3 种灌木植物（P＜0.05）。

4 种灌木植物叶片TC、TN、TP 含量间相关性（图1）分别为TC 与TN 含量呈现显著的负相关关系(P＜0.05)(y=79.704 2-0.133 4x，R2=0.372 3)，TC 与TP 含量表现显著的负相关(P＜0.05)(y=10.517 1-0.019 9x，R2=0.578 4)，TN 与TP 含量为极显著的正相关(P＜0.01)(y=-0.762 2+0.011 3x，R2=0.894 8)。由图2可知，4 种灌木植物叶片TC与TN 含量(R2=0.372 3；P＜0.05)、TC 与TP 含量(R2=0.578 4；P＜0.05)均呈显著负相关，TN 与TP 含量呈极显著正相关(R2=0.894 8；P＜0.01)。由此可见，TN 与TP 含量之间的耦合性明显强于TC 与TN 以及TC 与TP 之间的耦合性。

图1 4 种灌木植物叶片TC、TN、TP 化学计量特征Fig.1 The stoichiometric characteristics of leaf TC,TN,TP in the four different shrubs

图2 4 种灌木植物叶片TC、TN、TP 含量的关系Fig.2 Relationships of leaf TC,TN and TP contents among the four shrubs

2.2 4 种灌木土壤TC、TN、TP 含量及其化学计量比特征分析

由表2可以看出，4 个灌木土壤的TC、TN、TP 含量及其化学计量比之间显著差异较小。TC含量在4 种灌木土壤中均无显著差异(P＞0.05)，其中南烛的TC 含量最高(27.22±0.63 mg·g-1)，檵木最低(26.38±1.00 mg·g-1)。土壤TN 含量最高的是荚蒾(1.14±0.31 mg·g-1)，但与其他3 种灌木的土壤TN 含量相比无明显差异(P＞0.05)。4 种灌木土壤的TP 含量均未表现出显著的差异性(P＞0.05)，荚蒾的TP 最高(0.76±0.08 mg·g-1)，油茶最低(0.67±0.07 mg·g-1)。此外，4 种灌木植物所在的土壤TC∶TN 和TC∶TP、TN∶TP 均是油茶高于其他灌木。

表2 4 个不同灌木土壤TC、TN、TP 化学计量特征†Table 2 Stoichiometry of soil TC,TN,TP in four different shrubs

2.3 4 种灌木植物叶片与土壤化学计量特征的相关关系

由表3可知，4 种灌木植物叶片与土壤化学计量特征的相关关系表明，土壤化学计量特征与植物叶片之间的相关性基本不显著。从4 种灌木分析来说，荚蒾叶片的TN 含量与土壤的TC∶TP表现为显著负相关关系，TN∶TP 与TC∶TP 表现为显著负相关关系，叶片的TN 含量与土壤的TC∶TP 表现为显著负相关关系。檵木叶片的TC、TC∶TN 与土壤的TC∶TP 表现为显著正相关关系，TN与土壤的TC∶TP表现为显著负相关关系。南烛叶片仅TN∶TP 与土壤TC 表现为显著正相关关系，油茶叶片仅TC 含量与土壤的TC∶TP 表现为显著负相关关系，而其他叶片化学计量特征与其土壤未呈现显著的相关性。综上所述，4 种不同灌木植物叶片的TC、TN、TP 含量及其比值与土壤养分含量无直接关系，4 种灌木植物化学计量特征的变化更多倾向于是它们自身性状特征的反映。

表3 4 种不同灌木植物叶片和土壤TC、TN、TP 化学计量特征的相关性†Table 3 Correlation relationship between TC,TN,TP stoichiometry characteristics of leaves and soil of the four different shrubs

3 讨 论

3.1 4 种灌木叶片TC、TN、TP 元素化学计量特征

叶片是植物光合作用和蒸腾作用的主要器官，受外界环境影响较大，反映植物对环境的响应与适应。马尾松人工林下灌木植物的生长和发育主要受光限制，叶片通过形态、结构、功能适应林下光环境，叶片养分含量及其比值揭示植物生长率和营养元素间的协同关系，为构建林下复层结构提供理论依据[15]。C、N、P 是植物生长发育过程中重要组成元素，C 元素是植物重要光合作用和干物质积累的结构性元素，N、P 元素是植物功能性和贮藏性物质，作为蛋白质、核酸及植物光合作用相关酶的组成元素之一，参与植物体内各种代谢活动[16]。本研究结果表明，林下4 种灌木叶片TC 含量均值分别为461.117、445.986、503.520、489.954 mg·g-1，低于黔中喀斯特碳均值含量（515.6 mg·g-1）[17]，其中荚蒾、南烛和油茶TC均值含量明显高于304 种陕西灌木研究所得的碳均值含量（448.19 mg·g-1）和全球陆生植物叶片TC 均值含量（464.00 mg·g-1），可见南烛和油茶具有较强的C 储备能力和养分利用策略，檵木则最低。4 种灌木叶片N 含量平均值分别为22.92、17.72、14.63、10.11 mg·g-1，后3 种 低 于全球陆地植物氮含量（20.62 mg·g-1）。4 种灌木叶片TP 含量平均值分别为1.898、1.336、0.610、0.495 mg·g-1，4 种灌木P 含量普遍低于全球陆生植物叶片P 均值含量（1.990 mg·g-1），但荚蒾TP 均值含量（1.898 mg·g-1）高于中国陆生植物叶片P均值含量（1.460 mg·g-1），荚蒾和檵木叶片TN、TP 均值含量高于我国南方灌丛优势植物叶片N、P 均值含量(16.570、1.020 mg·g-1)。荚蒾的叶片TN、TP 均值含量最高，由此可见，4 种灌木植物叶片间TC、TN、TP 元素均值含量存在明显差异，说明不同灌木植物之间存在差异性，对林下资源的利用效率和林下光环境的适应策略也存在差异性，而这种差异同样体现在植物叶片TC、TN、TP 化学计量特征上。

TC∶TN、TC∶TP 反映了不同灌木植物在吸收营养时同化C 的能力及养分的利用效率。4 种不同灌木（荚蒾、檵木、南烛、油茶）叶片TC∶TN均 值 分 别 为20.236、26.158、34.459、48.492，TC∶TP 均值分别为243.229、367.417、831.367、992.558，南烛和油茶叶片TC∶TN 均高于全球平均水平（22.5），油茶叶片TC∶TN 高于中国亚热带人工常绿针叶林TC∶TN 平均水平（40.4）。其中荚蒾、檵木则显著低于TC∶TP 平均水平(728.0)。本研究中，南烛和油茶叶片的TC∶TN、TC∶TP均值较高，主要原因是其叶片中TN、TP 含量较低，C 含量却相对较高，显示了植物具有较高的固C优势和养分利用策略。4 种灌木植物中南烛和油茶的C 元素的积累量最高，这是因为南烛和油茶为常绿植物，叶片更新速度慢，生命周期较长，光合作用使其固定的C 元素积累在叶片中，能显著提高植物叶片合成有机物质的能力。而荚蒾和檵木为落叶植物，叶片更新速度慢，生命周期较短，通过叶片凋落减少其在秋冬季节的蒸散和呼吸，C元素积累较少[18]。

N∶P 是植物制约生态系统生产力的主要因素，表征植物生长时养分供应状况。N、P 含量的高低是C∶N、C∶P 限制因素之一。Wright 等[19]的研究表明，N∶P 小于14 时，植物受N 限制；N∶P 在14～16 时，植物受N 和P 共同限制；N∶P 大于16 时，植物受P 限制。本研究中，4种灌木植物叶片TN∶TP 之间也存在显著差异，南烛和油茶叶片TN∶TP 大于16，生长速率较慢，表明植物生长主要受P 素限制。檵木和荚蒾叶片TN∶TP 小于14，生长速率较快，表明植物生长主要受N 素限制。说明本研究区灌木树种受到N 和P 养分的限制，其中，檵木和荚蒾土壤中N 素较低及植物本身N 养分再吸收率较低，南烛和油茶叶片本身具有很强的固氮能力，生长不易受贫瘠环境限制。此外，马尾松人工林下易感染松材线虫病害，为此建立良好的林下树种结构和层次，通过种植油茶和南烛能丰富林下层次，从而抑制病虫害的发生[20]。4 种灌木植物中荚蒾叶片的TN、TP 含量最高，光合速率较高，生长快，属于“快生长策略”型植物。相反，油茶叶片含有较低的N、P 含量，TC∶TN、TC∶TP 最高，则反映油茶生长速率较慢，属于“慢生长策略”型植物。邓成华等[21]对亚热带地区的研究也表明油茶叶片的C、N、P 含量较低，与本研究的结果一致。郭柯等[22]对我国西南喀斯特植物生态适应性的研究结果也表明叶片C∶N 和C∶P 值较高的植物，在固C 和养分利用策略等方面都具有优势。因此，马尾松林下引入树种时也应考虑N 和P 利用效率较高的植物，这与徐海东等[8]对林下引入耐阴树种主要受P限制相似。这与李家湘等[23]以中国南方193 种灌木植物为研究对象，发现各植物叶片N、P 养分适应策略的过程相似。

本研究中，叶片TC 与TN、TP 表现为显著负相关关系，叶片TN 与TP 表现为正相关关系，体现了叶片养分利用策略，表明林下4 种灌木植物叶片TN、TP 元素具有协同性，这与灌木植物自身差异性造成叶片营养元素分配不同，以自身的生长策略适应环境，罗艳等[24]的研究结果也说明了这一规律。

3.2 土壤TC、TN、TP 元素化学计量特征

本研究中林下4 种灌木土壤C 含量均值为26.83 mg·g-1，高于全球(11.12 mg·g-1)均值水平。N 含量均值为1.08 mg·g-1，接近全国N 含量均值(1.06 mg·g-1)；P 含量均值为0.71 mg·g-1，接近全国P 均值含量(0.65 mg·g-1)。这与罗艳等[24]的研究结果相同，土壤C 和N 主要来源于土壤有机质含量和凋落物的分解，受环境影响较大。土壤P 主要来源于岩石风化和凋落物的归还。本研究区雨水充沛，有利于岩石风化，因此土壤中P 含量与全国均值含量接近。土壤C∶N、C∶P 和N∶P 反映土壤养分状况，本研究中，土壤TC∶TN均值(27.35)高于全球均值水平(12.4)，表明土壤矿化速率较慢。TC∶TP 均值为38.13，低于广西喀斯特地区平均水平（61.0），说明本研究区内土壤P的利用率较低。TN∶TP 值为1.54，低于全国均值水平(2.15)和全球均值水平(6.6)，说明N 的有效性高，N 的利用效率比P 的利用效率更高。

4 种灌木植物土壤TC、TN、TP 元素化学计量特征差异不明显，因此在林下相同环境，林下灌木土壤表现相同结果。本研究4 种灌木土壤中，油茶土壤TC∶TN 均值高于其他灌木土壤，与土壤有机质分解速率呈反比关系，表明油茶土壤有机质分解速率最小，需要较多的N 素供应植物的生长。而土壤TC∶TP 是土壤中衡量磷素高低的指标，4 种灌木土壤中油茶和南烛的TC∶TP 高于檵木和荚蒾均值，所以油茶和南烛土壤中土壤磷矿化速率更高。土壤TN∶TP 是养分限制状况指标，4 种灌木土壤的TN∶TP 均值中南烛和油茶较高，荚蒾和檵木较低，可见各灌木间土壤养分限制和林下资源的利用不相同。

3.3 4 种灌木叶片与土壤TC、TN、TP 化学计量特征的相关性

植物-土壤是森林生态系统中的重要循环之一，存在紧密的联系。植物的形态、结构、功能体现了对环境的适应性，土壤养分是植物生长的主要来源，反映了植物营养限制状况，土壤养分高低影响植物叶片C、N、P 含量和光合能力的变化[25]。黄小波等[26]的研究表明，植物与土壤存在显著差异，二者具有明显的相关性。本研究中，植物与土壤化学计量特征无明显关系，即土壤养分对4 种灌木植物的影响不显著，俞月凤等[27]的研究结果与本研究结果相同。植物与土壤化学计量特征无显著影响，植物叶片受到林下光环境限制，需要吸收较多养分以提高光能利用率，体现叶片的形态、结构、功能对环境的适应与响应[28-29]。

从4 种灌木植物叶片与土壤的相关性分析可知，灌木植物叶片和土壤存在相关性。本研究中，油茶叶片TC 含量与土壤的TC∶TP 表现为显著负相关，可见土壤养分含量影响油茶的生长。檵木叶片的TC、TC∶TN 与土壤的TC∶TP 表现为显著正相关，可见土壤养分含量影响植物的生长，而对叶片养分无显著影响。

林下灌木受光照强度影响，间接提高了根系吸收矿质营养的能力，促进了植物对矿质营养的吸收，影响叶片的光合作用、气孔开闭和蒸腾作用等生理过程。通过研究植物⁃土壤间的相互作用，进行合理的养分管理来提高人工林生态系统生产力。但是本研究在植物-土壤间相互作用过程中，未考虑到植物叶片性状与光环境的相互联系，下一步研究将对林下不同光环境灌木植物叶片光合功能、外部形态、内部解剖结构等方面进行相关分析，探究林下灌木适应性，为构建林下复层经营提供可能性。

4 结 论

本研究分析了林下4 种灌木植物叶片与土壤TC、TN、TP 含量及其化学计量比特征，阐明了4 种林下灌木植物叶片和土壤养分及生态化学计量特征的相关性，探讨了林下灌木生长特性与适应性。

1）在相同的林下环境中，4 种灌木植物叶片TC、TN、TP 养分和化学计量特征存在显著差异，主要由植物自身特性决定，与土壤化学计量特征无显著影响。

2）林下4 种灌木植物生长过程中，通过适当清除灌木层中的荚蒾、檵木等落叶树种，积极保留和培育常绿阔叶树种，增加林地中油茶、南烛等常绿阔叶树种的生长空间。因此在林下植物配置中，进行合理搭配种植，减少养分竞争和病虫害发生，促进发展林下灌木的生长潜力，为构建复层林提供了理论依据和实践参考。