不同林龄白枪杆及土壤生态化学计量及非结构性碳特征研究

郑绍傑 茶晓飞 孙丽娟 郭焕仙 赵启泽 韦兴兰 王元友 董 琼

（西南林业大学林学院/西南山地森林资源保育与利用教育部重点实验室，云南 昆明 650224）

生态化学计量学是研究不同生态系统之间各种化学元素含量和平衡关系的一门学科［1］，通过植物所必需营养元素氮（N）、磷（P）、钾（K）之间的计量比值而展现［2］，是土壤营养元素限制研究的重要工具之一［3］。供给植物生长发育的营养养分不仅在植物-土壤氮（N）、磷（P）、钾（K）计量特征中体现［4］，而且对植物叶片分解速率及植物与土壤营养养分相互交替运转产生影响［5-6］。然而随着林龄的增长，植物对营养养分的需求及生长速率也随之改变，从而对植物养分的分配格局产生影响，导致植物叶片与土壤N、P、K 含量以及化学计量有着明显的动态变化［7］。根据植物叶片养分含量的多少可以判断出土壤为植物提供何种养分，其中，在植物叶片中，N 和P 养分含量的比值可以反映出土壤对植物生长发育所需养分的供给［8］。目前为止，部分学者对不同林龄下植物土壤化学元素进行了相关研究，曹娟等［9］研究发现，随着杉木（Cunninghamia lanceolata）林龄的增大，土壤N、P 元素含量也随之增大。而雷丽群等［10］研究发现，随着马尾松（Pinus massoniana）林龄的增加，土壤中N 含量表现出先减少后增加的趋势，土壤中P 含量在不同林龄之间差异不显著。因此，对不同林分叶片-土壤化学计量特征的探讨具有重要意义。

叶片中非结构性碳水化合物（non-structural carbohydrates，NSCs）的主要组成成分是可溶性糖和淀粉，是土壤活性有机质的主要组成部分之一［11-12］，也是植物在光合与呼吸作用下产生的物质，其含量可以判定植物体内碳供需状况［13］。研究表明，NSCs中的可溶性糖对维持细胞渗透压、抵御逆境胁迫具有重要作用，淀粉是植物组织中储存能量的物质［14］，两者在特定条件下可以相互转化；并且可溶性糖和淀粉含量可用以判定植物体内碳供需状况，也是植物抵御外界环境胁迫的关键［15］。白枪杆（Fraxinusmalacophylla）属木犀科（Oleaceae）梣属（Fraxinus）植物，是云南东南部特殊物种之一，具有喜光、抗旱性强及耐瘠薄等特点，是滇东南石漠化地区植被恢复优良的阔叶伴生树种［16］。并且，该地区具有土层浅而薄、水土流失严重、生态系统脆弱等特点；在该环境下，探究白枪杆在某一生长阶段下受哪种营养元素（N、P、K）影响至关重要，可为白枪杆在不同生长阶段施加不同有机肥提供一定的理论依据，以促进白枪杆的生长发育。然而，为促进白枪杆的生长，当地管理人员常采用综合疏伐法的方式进行人工抚育，使其快速生长；且白枪杆生长发育可以改善当地的生态环境，对该区域的水土保持起一定促进作用。因此，本研究以滇东南不同林龄白枪杆人工林为研究对象，分析不同林龄白枪杆叶片-土壤生态化学计量的关系及叶片光合色素特征，旨在揭示白枪杆人工林在不同生长阶段的养分循环及限制因素，为白枪杆人工林经营管理提供一定的科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

本研究所选白枪杆人工林位于云南红河哈尼族彝族自治州建水县（23°01'～24°15'N，102°54'～103°25'E），平均海拔1 365.3 m，属南亚热带季风气候。夏季炎热多雨，冬季温和少雨，年平均气温19.8 ℃，年平均地温20.8 ℃，年平均相对温度72%，年平均日照时数2 322 h，年平均降雨量805 mm，年蒸发量2 364.5 mm，全年无霜期307 d。土壤以黄棕壤为主，在该地区生长的树种都具有较强的抗旱性，代表树种有旱冬瓜（Alnus nepalensis）、白枪杆（Fraxinusmalacophylla）、新银合欢（Leucaenaleucocephala）、清香木（Pistaciaweinmannifolia）和苦刺花（Sophoraviciifolia）等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置 2022年7月26日—8月3日对研究区白枪杆人工林进行调查后，选择立地条件接近的3种林龄白枪杆人工林样地，每个林龄样地内设置3个面积为20 m×20 m 的标准样方，样方之间的距离不低于20 m，共9个样方。对每个样方进行每木检尺，选择3 株平均木作为标准木，样地和林分的基本情况见表1。

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

1.2.2 样品采集与测定 对每个标准样地3 株标准木进行叶片采样，在植株3/4、2/4以及1/4树高处，随机采集上、中、下3 个部位树冠外层叶片各50 g 左右，混合均匀后放入纸袋中并做好标记带回实验室；每块样地9 个样，一个林地27 个样，共81 个样品。将样品于105 ℃杀青30 min，在65 ℃下烘干至恒重，采用粉碎机将样品磨成0.15 mm 的粉末后，用苯酚硫酸法［17］测定叶片N、P、K 和NSC 含量（糖和淀粉）。与此同时，在每个样地内用土钻按“S”型5点采样法采集0～15、15～30、35～45 cm 土层土壤样品，分别将每点每层土壤混合均匀装入纸袋中并做好标记带回实验室。土样进行自然风干，去除杂物（碎石、枯落物及枝条等）后过2 mm 网筛，分别采用半微量凯氏定氮法、钼锑抗比色法和火焰光度法测定全N、全P 和全K 含量［18］。叶绿素含量用80%丙酮乙醇法进行测定［19］。

1.3 数据处理

用Excel 2019 整理数据；采用Person 相关性分析、Duncan 分析方法进行差异性分析，运用主成分分析（principle component analysis，PCA）方法对相同林龄土壤-叶片化学特征进行分析，运用GraphPad Prism 8、Origin 2021软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同林龄白枪杆人工林叶片光合色素含量变化

植物光合作用受叶绿素含量的影响。由表2 可知，不同林龄白枪杆人工林叶片中叶绿素a、b 和总叶绿素含量随林龄增加呈先增大后减小的趋势。幼龄林叶片叶绿素a、b和总叶绿素含量分别为0.566、0.179和0.746 g·kg-1，中龄林分别为0.728、0.271和1.000 g·kg-1，成熟林分别为0.466、0.162 和0.627 g·kg-1；且不同林龄间整体差异显著（P＜0.05）。然而，类胡萝卜素含量随林龄的增加而逐渐降低，且成熟林与幼中龄林之间差异显著（P＜0.05），幼中龄林间无显著差异。幼龄林、中龄林和成熟林阶段叶绿素a/b 分别为3.432、2.782和3.028，仅幼中龄林间差异显著。

表2 不同林龄白枪杆人工林叶片光合色素含量特征Table 2 Characteristics of photosynthetic pigment content of leaves in Fraxinus malacophylla plantations of different stand ages

2.2 不同林龄白枪杆人工林叶片N、P、K 含量及化学计量特征

由图1 可知，不同林龄白枪杆人工林叶片氮磷钾含量及其化学计量比有所差异。氮和钾含量表现为中龄林＞幼龄林＞成熟林，且不同林龄间差异显著（P＜0.05）（图1-A、C）。不同林龄白枪杆叶片磷含量为1.352～3.123 g·kg-1，以中龄林最高，其含量与成熟林差异显著（P＜0.05），与幼龄林无显著差异（P＞0.05）（图1-B）。这表明白枪杆在中龄林阶段N、P、K积累量最大，出现此情况的原因可能是植物正处于生长发育旺盛期，从而导致氮磷钾含量在该阶段积累量最多。然而，氮磷比则随着林龄的增长而升高；且幼中龄林与成熟林差异显著（P＜0.05），而幼中龄林间无显著差异（P＞0.05）（图1-D）。与之相反，磷钾比随着林龄的增长而降低，以幼龄林磷钾比最大（图1-F）。随林龄的增大，氮钾比表现为先增大后降低的趋势（图1-E），且各林龄间差异显著（P＜0.05）。

图1 不同林龄白枪杆人工林叶片N、P、K含量及其化学计量比Fig.1 N，P and K contents and their stoichiometric ratios in leaves of Fraxinus malacophylla plantations of different stand ages

2.3 不同林龄白枪杆人工林叶片非结构性碳含量变化

由图2 可知，伴随林龄的增长，白枪杆叶片可溶性糖和非结构性碳含量（NSCs）呈现出逐渐增大的趋势，且不同林龄间差异显著（P＜0.05）（图2-A、C）。白枪杆叶片淀粉含量表现为中龄林（5.653 g·kg-1）＞成熟林（4.613 g·kg-1）＞幼龄林（3.168 g·kg-1），成熟林中淀粉含量虽有所下降但仍高于幼龄林（高出1.445 g·kg-1），且不同林龄间差异显著（P＜0.05）（图2-B）。而可溶性糖/淀粉在中龄林内最低，为2.93，且各林龄间差异显著（P＜0.05）（图2-D）。

图2 不同龄林白枪杆人工林叶片非结构性碳含量Fig.2 Non-structural carbon content of leaves in Fraxinus malacophylla plantations of different ages

2.4 不同龄林土壤N、P、K含量及化学计量特征

由表3 可知，不同龄林及不同土层中土壤N、P、K含量、N∶P 以及N∶K 均有显著差异（P＜0.05）；两者的交互作用下土壤P 含量、N∶P 与P∶K 有显著差异（P＜0.05），而土壤N、K含量及N∶K无显著差异（P＞0.05）。

表3 不同林龄白枪杆人工林土壤N、P、K及其化学计量比方差分析Table 3 Analysis of variance of soil N，P，K and their stoichiometric ratios in different ages of white spearhead Fraxinus malacophylla plantations

由表4 可知，不同土层N、P、K 含量及化学计量比在同龄林间有所差异。在幼龄林中，土壤N、K 含量及N∶P、N∶K 均在0～15 cm 土层中最大，分别为2.859、9.514 g·kg-1及10.113和0.301；而P含量和P∶K最大值出现在30～45 cm土层；0～15 cm土层与中下两层土壤N含量和N∶K均有显著差异（P＜0.05），K含量在15～30 cm土层与上下两层均有显著差异（P＜0.05）；但P含量、N∶P、P∶K在不同土层间均无显著差异（P＞0.05）。在中龄林内，N、P含量在不同土层间差异显著（P＜0.05）；N∶K、P∶K 在30～45 cm 土层中最低，且与上下两层差异显著（P＜0.05）。在成熟林中，N、K含量分别为4.604～6.038和10.295～12.745 g·kg-1，均随土层深度的增加而逐渐降低，且K含量在不同土层间差异显著（P＜0.05）。

表4 不同龄林土壤N、P、K及其化学计量特征Table 4 Soil N，P，K and their stoichiometric characteristics of different age forests

由表4 可知，不同林龄同一土层土壤N、P、K 含量及其化学计量比有所差异。同一土层中，N 含量表现为幼龄林＜中龄林＜成熟林（30～45 cm 土层除外），且成熟林与幼中龄林均具有显著差异（P＜0.05）。0～15 cm土层土壤P 含量在成熟林最高（0.467 g·kg-1），幼龄林最低（0.311 g·kg-1）；而在30～45 cm土层内，土壤磷含量在幼龄林内最高（0.364 g·kg-1），中龄林最低（0.131g·kg-1），且中龄林与成熟林、幼龄林具有显著差异（P＜0.05）。在0～15 和15～30 cm 土层内，K 含量均随林龄的增加而增加，且成熟林与幼中龄林均具有显著差异（P＜0.05）；在30～45 cm 土层中，K 含量随林龄的增加先减少后增加，且中龄林与成熟林、幼龄林具有显著差异（P＜0.05）。成熟林0～15、15～30 cm 土层中N∶P与幼中龄林均具有显著差异（P＜0.05），在30～45 cm 土层下中龄林N∶P最高（21.319），幼龄林最低（9.340）。同一土层中，成熟林N∶K 与幼中龄林均具有显著差异（P＜0.05），P∶K 在0～15、15～30 cm 土层内不同林龄间无显著差异（P＞0.05），仅在30～45 cm 土层内中龄林与幼成林间具有显著差异（P＜0.05）。

2.5 不同林龄白枪杆人工林叶片-土壤化学计量、叶片光合色素以及非结构性碳相关性

由图3-A可知，白枪杆叶片N含量与不同土层N含量及叶片K 含量与30～45 cm 土层K 含量呈显著或极显著负相关；叶片N和K含量及0～15 cm 土层N和K含量均呈极显著正相关关系（P＜0.001）；0～15 与15～30 cm 土层P 含量、0～15 cm 土层N 含量与15～30 cm 土层K 含量、15～30 cm 土层N 含量与30～45 cm 土层N∶K均呈极显著正相关（P＜0.001）。表明不同林龄对白枪杆叶片及土壤生态化学具有较大影响，可能是随着林龄增大，白枪杆叶片凋落造成地表枯落物的增加及微生物分解速率的不同，进而对不同土层间化学计量产生了一定的影响。而叶片N∶P 与15～30 cm 土层N∶P、30～45 cm 土层N 含量呈极显著正相关（P＜0.01）；叶片K 含量与叶片N∶K、叶片N∶P 与15～30 cm 土层N 含量呈显著正相关（P＜0.05）。

图3 不同林龄白枪杆叶片-土壤生态化学计量的相关性分析Fig.3 Correlation analysis of leaf-soil ecological stoichiometry of Fraxinus malacophylla of different stand ages

由图3-B 可知，叶绿素a 与叶片N、P、K 含量、叶片N∶K，叶绿素b与叶片N、K含量、叶片N∶K、叶绿素a含量，类胡萝卜素与叶片P含量、叶片P∶K，淀粉与可溶性糖、总叶绿素、叶绿素a、b 含量，叶片NSCs 与淀粉、可溶性糖含量均呈极显著正相关关系（P＜0.001），表明叶片N、P、K 含量随叶绿素b 含量的增加而增加；而叶绿素a/b与叶绿素b含量，可溶性糖与叶片P含量、类胡萝卜素含量呈极显著负相关关系（P＜0.001），表明随着可溶性糖含量的升高，P含量与类胡萝卜素含量反而下降。

2.6 相同林龄白枪杆叶片-土壤化学特征、叶片光合色素以及非结构性碳之间的关系

由图4 可知，幼龄林中，第1 主成分（PC1）贡献率为32.8%，第2 主成分（PC2）贡献率为25.5%，累计方差贡献率为58.3%；其中叶片P含量、30～45 cm土层P、K含量、胡萝卜素、叶绿素b、可溶性糖含量具有较大正向载荷值，叶片N、K、淀粉、叶绿素a 及NSCs 含量具有负向载荷值（图4-A）。中龄林中，PC1贡献率为32.9%，PC2 贡献率为17.3%，累计方差贡献率为50.2%；其中15～30 cm土层P含量、0～15 cm土层K、P含量、叶片K含量、叶绿素a、总叶绿素、淀粉以及类胡萝卜素含量具有较大正向载荷值（图4-B）。成熟林中，PC1贡献率为29.5%，PC2贡献率为22.4%，累计方差贡献率为51.9%；其中叶片P含量、0～15和30～45 cm土层P含量、叶片N含量及类胡萝卜素含量具有较大正向载荷值（图4-C）。由此可见，幼中成林内前2 个主成分累计方差贡献率均高于50%，能代表绝大多数信息。

图4 不同林龄白枪杆叶片-土壤生态化学、叶片光合色素以及非结构性碳特征的主成分分析（PCA）Fig.4 Principal component analysis（PCA）of leaf-soil eco chemistry，leaf photosynthetic pigments，and non-structural carbon characteristics of same-aged Fraxinus malacophylla

3 讨论

3.1 不同林龄白枪杆人工林叶片N、P、K 含量及计量、非结构性碳与光合色素含量

N、P、K 是植物体重要组成元素［20］。叶片N、P 含量高，则植物生长快、光合效率高［21］。本研究发现，白枪杆叶片N、P、K 含量随林龄的增大呈先升高后降低的规律（图1）。原因是中龄林时期植株生长快、落叶快，微生物分解速度快，土壤养分含量提高，进而促使植物将土壤养分通过根系运输于植物，使得中龄林白枪杆叶中养分含量最高。中龄林阶段叶片N、K 含量与其他林龄N、K 含量均有显著差异（P＜0.05），与淑敏等［22］的研究结果相似。叶片N∶P 可以反映植物养分限制，N∶P＞16 时，植物生长主要受P 限制，N∶P＜14 时，则受N 限制［23］。本研究发现，白枪杆叶片N∶P 在幼中龄林中小于14，在成熟林中大于16，说明在幼中龄林中白枪杆生长受N 限制，成熟林中受P 限制，这与汪宗飞等［24］的研究结果一致。

NSCs是植物生理代谢活动的主要参与者［25］，其含量体现植物在不同林龄时期具有一定生长对策［26］。本研究发现，可溶性糖和NSCs含量随着林龄的增加而增加，淀粉含量表现为中龄林＞幼龄林＞成熟林，且不同林龄间均有显著差异（P＜0.05）。可能是由于中龄林白枪杆叶片光合能力强、光合产物多，从而使得该时期淀粉含量最高；中龄林时期叶片淀粉开始不断地向可溶性糖转化，导致成熟林可溶性糖含量最高。植物光合能力可通过光合色素含量直接体现［27］。本研究发现，光合色素含量表现为中龄林最高、幼龄林次之、成熟林最低（表2）。表明在中龄林时期白枪杆对光能具有较强的吸收能力，利用叶片进行光合作用使植株快速生长［28］，可能是由于中龄林林地处于阳坡，林分郁闭度适中且透光度相对较好，光合能力较强，进而使得光合色素含量较高。在成熟期，林地土壤含水率降低（表1），水分不足，而水是光合作用的产物，这也是该时期光合色素含量下降的原因之一。

3.2 不同林龄白枪杆人工林不同土层土壤N、P、K 含量及化学计量变化特征

土壤N 能影响植物的生产力，而土壤P 和K 是植物生长发育过程中不可缺少的元素［18］。土壤N、P、K含量在很大程度上直接影响植物生长发育［9］。本研究发现，幼龄林中土壤N、P、K 含量随着土层的加深呈先减小后增大的趋势，而在中龄林和成熟林中则是随着土层的加深而减少（表4），与雷丽群等［10］的研究结果相似。可能与中龄林白枪杆叶片枯落形成凋落物归还于土壤有关，经微生物分解后集中于土壤表层，之后因降雨而引起淋溶作用使其养分向下移动，因此土壤养分随土层的加深而逐渐减小。土壤化学计量比可反映微生物的分解与积累状况［29］。本研究发现，不同林龄不同土层中N∶P最低值为7.748，远高于我国土壤N∶P平均水平（1.644）［30］，可见该地区土壤N、P 含量失衡。因此，对不同林龄白枪杆苗木经营管理中应注重氮磷肥的施加比例，使其土壤化学元素维持在相对平衡状态，以促进白枪杆苗木的生长发育。

3.3 不同林龄白枪杆人工林叶片-土壤N、P、K 含量及化学计量关系

生物化学循环主要通过植物-土壤两个纽带而进行，利用植物根系将两者密切联系起来。在不同林分中，土壤养分因环境的不同而存在差异，而植物叶片N、P、K 特征因这种差异而产生不同的变化［31］。本研究发现，3 种林龄白枪杆叶片P 与土壤P 含量无显著相关性，这与戚德辉等［32］的研究结果一致；原因是微生物分解产生的磷元素在土壤中残留较少使其无法归还于植物，因此叶片P 与土壤P 含量无相关性。此外，白枪杆叶片N∶P 与15～30、30～45 cm 土层N∶P 呈显著正相关（P＜0.05），但叶片N 含量与不同土层N 含量、N∶K及叶片K 含量与30～45 cm 土层K 含量呈显著负相关（P＜0.05），与罗艳等［31］的研究结果相似；因为本研究区属于喀斯特石漠化地区，土层薄而不连续，岩溶裂隙较多，使得植物根系难以吸收土壤养分；又或者是植物吸收土壤养分时，使植物养分含量增加而土壤养分含量减少，因而出现负相关关系。本研究中，不同林龄白枪杆叶片N∶P、N∶K、P∶K 与土壤N∶P、N∶K、P∶K 具有显著相关性，说明白枪杆叶片化学计量与土壤化学计量之间具有一定的协同性。

4 结论

白枪杆叶片N、P、K 含量在中龄林时期最高、幼龄林次之、成熟林最低，N∶P 随着林龄的增大而显著增大，P∶K 则相反。幼中龄林时期，植物生长主要受N 限制，而成熟林中受P 影响。白枪杆叶片可溶性糖与NSCs含量表现为幼龄林＜中龄林＜成熟林，而淀粉和光合色素含量则呈现出中龄林＞幼龄林＞成熟林。在0～15 和15～30 cm 土层内，土壤N、P、K 含量以及N∶K 随着林龄的增大而增大。在中龄林和成熟林中，土壤N、P、K 含量随着土层的加深而减少；同一土层内，N∶K 在幼中林龄与成熟林间具有显著差异（P＜0.05）。白枪杆叶片N∶P 与15～30 cm 土层N∶P 以及30～45 cm 土层的N∶P、N∶K 具有显著正相关关系（P＜0.05）；叶片N含量与不同土层N 含量、N∶K 以及叶片K 含量与30～45 cm土层K含量呈显著负相关关系（P＜0.05）。