喻阳华,李一彤,王俊贤,宋燕平

贵州师范大学喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心,贵阳 550001

生态化学计量学为研究生态系统能量、主要组成元素平衡和耦合关系提供了科学方法[1—2]。研究植物叶片碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量关系,可以揭示陆地生态系统变化及养分限制规律[2]。凋落物是植物将C、N、P等养分归还土壤的主要途径,是联系植被和土壤的枢纽[3],其化学计量影响土壤养分积累和循环过程[4]。土壤C、N、P是重要的养分元素,不同组分的C、N、P化学计量能够有效预测养分饱和状态,在生态系统物质循环、元素平衡和生物生存等方面发挥显著作用[5—6]。C、N、P等养分在植物叶片-凋落物-土壤系统中相互影响和转化,使生态化学计量的研究趋于复杂。近年来,有关叶片、凋落物、土壤生态化学计量研究已从一个或两个构件为对象向叶片-凋落物-土壤为连续体转变[7—8],这有利于阐明生态化学计量的平衡机制。

稳定碳同位素(δ13C)是评估生态系统C分配与适应策略的重要指标[9],能有效反映植被特征,与植物光合与水分利用效率密切相关,并用于研究生态系统C循环[10—11]。稳定氮同位素(δ15N)是生态系统中N来源和循环的标记物[12],植物、土壤δ15N值与生态系统N饱和程度、土壤N有效性保持一致[13],有学者认为林分N饱和程度可以采用叶片与土壤δ15N的差值,即叶片15N富集指数表征[14]。δ13C、δ15N研究有助于调控生态系统C、N循环周期过程[15—16]。阐明植物叶片-凋落物-土壤生态化学计量与δ13C、δ15N的互作效应,能够深入揭示生态系统C、N、P元素的循环规律和平衡机制。目前,学者们对喀斯特地区植被生态化学计量特征进行了诸多研究,譬如曾昭霞等[17]通过化学计量学揭示了桂西北森林生态系统的养分循环规律；刘立斌等[18]以化学计量为工具,阐明了贵州高原喀斯特次生林的养分分配格局。生态化学计量手段为生态系统过程、机理、效应等研究发挥了重要作用。但是,喀斯特白云岩地区植物群落连续体生态化学计量的报道鲜见,及其与δ13C、δ15N丰度变异特征的系统研究还较缺乏。基于此,本文以贵州白云岩地区马尾松林(Pinusmassonianaforest)、山胡椒林(Linderaglaucaforest)、烟管荚蒾林(Viburnumutileforest)、化香林(Platycaryastrobilaceaforest)和白栎林(Quercusfabriforest)5种天然次生林为对象,剖析不同植物群落叶片、凋落物、土壤C、N、P生态化学计量特征和δ13C、δ15N丰度及其内在关联,阐明不同植物群落δ13C、δ15N的变化规律,为预测植物生长动态对养分变化的响应提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

样地位于贵州省黔东南州施秉县北部,地处云贵高原东部边缘向湘西低山丘陵过渡的山原斜坡地带(27°05′49″—27°13′59″N,108°01′34″—108°09′32″E)。属深受河流切割的亚热带喀斯特高原,喀斯特强烈发育,地势北高南低,海拔600—1250 m。为中亚热带湿润季风气候区,年均降水量1220 mm,集中分布在4—10月；年均温16℃,气温年较差20.2℃[19]。地处长江流域沅江水系舞阳河中游杉木河水系,舞阳河及其支流杉木河构成区域侵蚀-溶蚀基准面。土壤主要为白云岩风化的薄层石灰土,土层浅薄。森林生态系统有针叶林、针阔混交林、常绿阔叶林、常绿阔叶落叶林、竹林、灌丛等,物种丰富,保存和发育了大面积的原生森林植被和多样性生态系统,拥有喀斯特森林植被顶极群落[20]。

1.2 研究方法

1.2.1实验设计

2019年7—8月,在未受人为干扰或极轻微干扰,自然植被发育较好的地段,选择5个具有代表性的植物群落(表1)。每个群落设置3个重复样地,每个样地为20 m×20 m,间距>10 m,记录其海拔、经度、纬度、坡度和坡向等信息,对胸径≥1 cm的优势种进行每木检尺,记录树高和冠幅。

表1 样地基本概况Table 1 Basic status of sample plots

1.2.2样品采集和测定

每个样地内随机选取3—5株优势树种(5个群落均为单优种,重要值>0.2),用高枝剪在优势种东、南、西、北4个方位各取样枝1条,分别采集20—30片健康、成熟的叶片,混合装袋；按照“S”型设置5—7个样点,采集叶片、茎干、花絮和果实等凋落物并充分混匀；由于喀斯特地区岩石出露率较高,土层浅薄,根系多利用裂隙土,因而此次仅在凋落物取样的相同点位采集0—20 cm土壤,剔除杂物并混合,装入自封袋。5个群落共采集到叶片、凋落物和土壤样品各15份。样品带回实验室后,叶片和凋落物置于恒温干燥箱中(60±2)℃烘干至恒重,研磨并充分混匀；土壤剔除可见根系、动植物残体及石砾,自然风干,研磨过0.15 mm筛备用。所有样品的C、N、δ13C、δ15N均采用元素分析仪-稳定同位素质谱仪(Vario ISOPOTE Cube-Isoprime,Elemental公司)测定；总P采用高氯酸-硫酸消煮-钼锑抗比色-紫外分光光度法测定。

1.3 统计分析

使用Microsoft Excel 2010对实验数据初步整理与汇总,植物叶片、凋落物与土壤C∶N、C∶P和N∶P均为元素质量比。使用SPSS 20.0进行统计分析；采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著性差数法(Least significant difference,LSD)比较不同群落叶片、凋落物、土壤化学计量和稳定C、N同位素丰度的差异性；采用Pearson相关分析法检验指标之间的相关性。利用OriginPro 8.5.1制图。

2 结果与分析

2.1 叶片-凋落物-土壤C、N、P含量

该区叶片C、P含量分别为435.76—470.82、1.24—2.60 g/kg,且马尾松林、山胡椒林、烟管荚蒾林显著高于化香林、白栎林(P<0.05,下同)；叶片N含量为8.56—21.35 g/kg,数值上山胡椒林最高、烟管荚蒾林最低。凋落物C含量为423.73—463.21 g/kg,化香林显著高于马尾松林、山胡椒林、白栎林；凋落物N含量为7.51—13.76 g/kg,以烟管荚蒾林最低；凋落物P含量为1.03—2.96 g/kg,白栎林显著高于马尾松林、烟管荚蒾林、化香林。土壤C含量为29.39—117.58 g/kg,烟管荚蒾林显著高于其他4种群落类型；土壤N含量为2.34—3.68 g/kg,化香林显著高于其他4类林分；土壤P含量为0.33—0.65 g/kg,随群落的变化规律不明显(图1)。

图1 不同群落叶片-凋落物-土壤C、N、P含量Fig.1 Contents of carbon,nitrogen and phosphorus of leaf-litter-soil in different communitiesPM：马尾松林 Pinus massoniana forest；LG：山胡椒林 Lindera glauca forest；VU：烟管荚蒾林 Viburnum utile forest；PS：化香林 Platycarya strobilacea forest；QF：白栎林 Quercus fabri forest;不同小写字母表示差异显著,P<0.05

2.2 叶片-凋落物-土壤生态化学计量特征

据图2,叶片-凋落物-土壤C∶N、C∶P、N∶P均存在不同程度的差异。叶片C∶N为22.04—55.44,马尾松林、烟管荚蒾林显著高于山胡椒林、化香林、白栎林；叶片C∶P、N∶P分别为184.39—360.70、3.92—14.88,且化香林、白栎林均显著高于马尾松林、山胡椒林、烟管荚蒾林。凋落物C∶N为30.80—60.13,数值上烟管荚蒾林最大、白栎林最小；凋落物C∶P为143.97—443.54,烟管荚蒾林、化香林显著高于马尾松林、山胡椒林、白栎林；凋落物N∶P为4.67—10.25,化香林显著高于马尾松林、山胡椒林、白栎林。土壤C∶N、C∶P分别为11.97—49.24、50.81—353.94,烟管荚蒾林均显著高于其他4个群落；土壤N∶P为4.03—7.19,白栎林显著低于马尾松林、烟管荚蒾林、化香林,与山胡椒林未呈显著差异。表明不同植物通过协调化学计量比,以满足自身生长发育和适应环境的需求。

图2 不同群落叶片-凋落物-土壤生态化学计量特征Fig.2 Ecological stoichiometry characteristics of leaf-litter-soil in different communities

2.3 叶片-凋落物-土壤稳定C、N同位素丰度

5种群落叶片-凋落物-土壤稳定C、N同位素丰度存在不同程度的差异(图3)。叶片δ13C值为-32.45‰—-29.22‰,马尾松林、烟管荚蒾林显著高于化香林、白栎林和山胡椒林；凋落物δ13C值为-30.11‰—-28.85‰,马尾松林显著高于烟管荚蒾林、化香林和白栎林,与山胡椒林差异不显著；土壤δ13C值为-26.06‰—-6.83‰,烟管荚蒾林显著高于其他4种类型,且马尾松林、山胡椒林、化香林、白栎林差异不显著。叶片δ15N值为-8.36‰—-1.17‰,化香林显著高于马尾松林、山胡椒林、烟管荚蒾林,与白栎林差异不显著；凋落物、土壤δ15N值分别为-6.79‰—-2.22‰、3.22‰—7.12‰,烟管荚蒾林均显著低于其他4种群落,且以化香林为最高。不同林分δ15N在叶片、凋落物和土壤之间依次增加,说明其迁移转化存在一致性。

图3 不同群落叶片-凋落物-土壤稳定C、N同位素丰度Fig.3 C and N stable isotopes abundance of leaf-litter-soil in different communities

2.4 化学计量与稳定同位素丰度的内在联系

如表2,叶片N和C∶N与土壤化学计量的相关性高于凋落物,其中叶片C∶N与土壤C(r2=0.780)、C∶N(r2=0.781)、C∶P(r2=0.805)均呈极显著正相关(P<0.01,下同)；除土壤N外,凋落物N与土壤化学计量均呈显著或极显著相关,凋落物N与土壤C∶P呈极显著负相关(r2=-0.770),凋落物C∶N与土壤C(r2=0.849)、C∶N(r2=0.794)、C∶P(r2=0.800)均呈极显著正相关。说明植物连续体各化学计量间分别存在较强的相关性,且多呈极显著相关,表明化学计量在各层次间关系较密切,N、C∶N在叶片-凋落物-土壤连续体中的协调关系较强。

表2 不同群落叶片-凋落物-土壤化学计量与稳定C、N同位素丰度的相关性Table 2 Correlation between stoichiometry and C and N stable isotopes abundance of leaf-litter-soil in different communities

叶片δ13C与其δ15N呈显著负相关(r2=-0.725),且与凋落物N(r2=-0.681)、C∶N(r2=0.644)均呈显著相关；凋落物δ13C与其他因子均无显著相关(P>0.05)；土壤δ13C与叶片δ15N(r2=-0.837)、凋落物δ15N(r2=-0.907)呈极显著负相关,与土壤δ15N呈显著负相关(r2=-0.740),与叶片N(r2=-0.645)、C∶N(r2=0.726)和凋落物N(r2=-0.703)、C∶N(r2=0.764)呈显著相关；叶片、凋落物和土壤δ15N值两两间均呈极显著正相关,且与土壤化学计量的相关性较强,表明δ15N在叶片-凋落物-土壤连续体中与化学计量的相关性高于δ13C,且与δ13C、N、C∶N联系紧密。总体上,土壤化学计量与稳定C、N同位素的耦合效应较强。

3 讨论与结论

3.1 不同群落叶片生态化学计量与δ13C、δ15N丰度

C、N、P是陆地植物生长发育的生源要素,叶片C含量高表明植物生长速率慢、光合效率低、防御能力强；叶片N、P含量高表明植物生长速率快、光合效率高、资源竞争能力强[21]。本研究表明山胡椒林的适应生态环境能力较强,马尾松林和烟管荚蒾林在面对不利环境时,会提高自身防御能力。通常叶片C∶N、C∶P越大,表征植物养分利用效率越高[22],该区马尾松林、烟管荚蒾林叶片C∶N和化香林、白栎林叶片C∶P较高,推测山胡椒林养分利用效率较低,其原因可能是不同生活型植物对同一环境的适应策略各异,也可能是其叶片C含量较高,光合速率较低,生长速率较慢,采取保守型的生长策略。叶片N∶P可暗示植物生长策略,N∶P<14受N限制,N∶P>16受P限制,N∶P 介于二者之间受N和P共同限制[23]。本研究中马尾松林、山胡椒林和烟管荚蒾林叶片N∶P分别为4.12、8.36和3.92,受N元素限制；化香林和白栎林叶片N∶P依次为14.71和14.88,受N、P元素共同限制。表明该区植物均受N元素限制,原因是该区水土流失量高,养分损失严重,凋落物和根系等土壤残体对养分的补给趋于匮乏；同时,也可能与植物吸收、固定N元素的能力总体较低有关。在生态保护和恢复时,配置豆科固N植物可以促进系统N平衡。

C3植物的δ13C为-23‰—-35‰,均值为-27‰[24],表明该区以C3植物为主。C3植物叶片δ13C偏正时,说明水分利用效率更高[25],研究区马尾松林和烟管荚蒾林叶片δ13C较大,表征其水分利用效率更高。Ehleringer等[10]指出,森林植物叶片δ13C随冠层高度降低而减少,但这一规律在该区并不明显,原因可能是生活型和环境因子差异所致,且常绿植物叶片δ13C显著高于其他植物[26],亦体现了植物的适应策略随生境特征而调整。叶片δ15N受N循环及诸多环境因素影响,因此其值在植物种内和种间差异显著[16]。该区叶片δ15N在不同群落间差异显著,这是由于喀斯特地区小生境异质性高,土壤养分和水分在不同林分间各异,以及不同生活型植物的资源利用策略存在差异,影响N同位素分馏所致[27]。

3.2 不同群落凋落物生态化学计量与δ13C、δ15N丰度

研究区凋落物C∶N(30.80—60.13)介于高C∶N(108)与低C∶N(12—20)之间,分解者受N限制较小[28],但凋落物C∶N与N、P、叶片N均具有较强的抑制效应,表明分解受制于植被对养分的吸收、凋落物自身养分含量以及分解者的作用。凋落物C∶N、C∶P制约其分解速率,其值越低说明分解速率越快[2,29]。本研究中山胡椒林和白栎林凋落物C∶N、C∶P显著低于其他群落,表明二者的凋落物分解速率较快,不利于养分储存。原因是林下小生境湿度适宜,且叶片无蜡质等保护机制,更有利于微生物对凋落物的分解,使分解程度更高。在林分优化配置时,马尾松和白栎混交,可以有效调控养分回归过程。除马尾松林外,其他林分凋落物C∶N均高于叶片C∶N,主要原因可能是阔叶植物光合作用消耗N素高于针叶植物,导致凋落物N含量低于新鲜叶片,表明植物生长过程中N在植物体内发生迁移、转化和重吸收[7],但不同叶型对养分利用存在差异。凋落物δ13C与叶片、凋落物、土壤生态化学计量及δ13C、δ15N之间的相关性均未达显著水平,表明植物生理功能及内部养分循环并不是影响凋落物δ13C的主要因素,其C分馏可能受环境生态因子的支配作用更强,但具体贡献权重尚需深入研究。喀斯特地区小生境类型多样、异质性高,未来需结合小生境特征,深入分析生态学过程、效应和机理。

3.3 不同群落土壤生态化学计量与δ13C、δ15N丰度

土壤C∶N是自身C、N矿化作用和平衡的重要参数[30],与有机质分解速率、土壤矿化作用呈反比[31]。该区烟管荚蒾林土壤C∶N显著高于其他4种林分,表明其有机质分解与土壤矿化作用较慢,原因是烟管荚蒾林土壤C含量相对充足,资源富余时,利用C的能力则降低,土壤矿质化过程减慢,体现了植物对环境的生态适应性。不同植被类型土壤C∶P与C∶N变化趋势一致,土壤C∶P高,表征P有效性低[7,32],该区烟管荚蒾林土壤P有效性较低,而其土壤C含量显著高于其他群落,导致有机质形成时缺乏P而富集C。土壤N∶P可有效预测养分限制类型[33],本研究中土壤N∶P均值为5.8,高于桂西北喀斯特地区(4.0)[8]和茂兰喀斯特森林地区均值(2.5)[34],低于全球森林均值(6.6)[35],表明研究区N较其他喀斯特地区富余,但在全球尺度上仍较缺乏,与前述N限制的结论较为一致。

表层土壤δ13C的上升幅度与其周转速率成正比[36],当土壤δ13C偏正时,有机质分解越彻底[37]。该文烟管荚蒾林土壤有机质分解较其余4种群落类型更彻底,δ13C周转速度最快,原因是该林分为常绿灌木,平均树高最低,凋落物储量较少,C同位素在运输过程中的分馏作用较弱,较高的水分利用效率利于植物气孔开放,优先利用易分解的12C[38],因此叶片δ13C较高,导致其土壤δ13C相对富集。但是,烟管荚蒾林的土壤C含量则为最高,表明其利用C的能力较低,原因是林下凋落物量少,趋于干旱,长期水分胁迫制约了荚蒾属植物的光合能力[39]。结果显示,烟管荚蒾林利用C的能力弱,但其利用P的能力相对较强,表明同一植物利用不同养分元素的能力存在差异,具体利用机制尚需深入分析。

该区土壤δ15N均为正值,因为土壤类型为石灰土,表层质地疏松,有机N向下迁移导致矿化程度较高[40],使得δ15N富集。土壤δ15N可表征系统开放程度,值越高则表明土壤中N转移或损失越快[41],结果暗示化香林生态系统开放性更高,同时伴随着较大的N损失。有研究指出土壤N同位素分馏与土壤有机质含量和C∶N呈负相关[42],本研究中除烟管荚蒾林外,其他4个群落土壤矿化和有机质分解速率较快。化香林土壤N含量最高,植物生长优先利用较轻的14N[43],因此其土壤δ15N较易富集。

3.4 不同群落生态化学计量及其与δ13C、δ15N的内在关联

综合前述结果表明,研究区植物群落叶片-凋落物-土壤层生态化学计量之间关系密切,与曾昭霞等[17]的结果一致,较好地印证了将连续体视为整体研究的重要性。叶片和土壤C的相关性较弱,可能与喀斯特地区植物利用大气中C的能力有关,这是植物对脆弱生境的一种适应策略,但植物对大气中水、气的利用方式还不够明晰。叶片N与凋落物N的相关性较高,表明凋落物N是土壤养分库的主要来源；但是C则相反,C与 N的继承性不同,原因可能是本研究忽略了伴生树种和林下草本层等植物光合作用贡献的C储量。C、N、P总体为叶片>凋落物>土壤,原因是光合作用固定有机物,并在自身生活史完成后,以凋落物的形式实现养分回归,较好地暗示了植物总生长效率在元素中的变化[44]。植物养分高于土壤,与养分重吸收机制紧密关联[45],但重吸收与植物适应生态环境之间的关系还需深入研究。

土壤δ13C主要来源于地表植物对C的分馏和微生物对凋落物的分解[46],与土壤C呈极显著正相关(r2=0.973),与凋落物C∶N呈显著正相关(r2=0.764),表明土壤C储量越丰富,有机质分解速度越慢,则δ13C越大。综合结果可知,有机质分解的程度虽然彻底,但其速率却较低,这是贫瘠环境下,植物利用资源的一种策略。叶片、凋落物和土壤δ15N两两间均呈极显著促进作用,表明N的输入、迁移在植物叶片-凋落物-土壤连续体中密切相关。叶片N含量高的地区,土壤N有效性较高,系统N循环更加开放,释放贫化15N的气态N,富集15N[13],研究区山胡椒林、化香林和白栎林叶片N含量和δ15N丰度较高,表明其土壤N有效性更大,与前述结果一致。此外,叶片δ15N还与土壤化学计量表现出极强的相关性,因此土壤养分供给状况及有效性等都将影响叶片δ15N,同时还受水分、养分利用效率等制约。本研究中,凋落物与叶片N、δ15N均表现出极强的正效应,若忽略凋落物分馏效应,表明凋落物完全继承了叶片N。