沙地云杉林N、P、K生態(tài)化學計量特征

劉云超 李曉蘭 白永安

摘 要：選取白音敖包沙地云杉林為研究對象，對其凋落物全N、全P、全K含量及其隨時間變化情況進行了研究.結果表明：沙地云杉凋落物的全N含量在0.21-0.75mg/g之間，隨著時間的增加，凋落物全N含量呈先升高，再降低，再升高的變化趨勢、全P含量為0.21-0.37mg/g，凋落物全P含量總體上呈現(xiàn)隨著時間增加而升高變化的趨勢.全K含量為0.20-0.28mg/g，含量變化趨勢與其全N含量變化趨勢相同.

關鍵詞：沙地云杉林;氮（N）;磷（P）;鉀（K）;白音敖包

中圖分類號：Q948? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）10-0025-03

氮（N）、磷（P）、鉀（K）是生物有機體最重要的生源元素，對生態(tài)系統(tǒng)結構和功能具有重要作用[1].一個生態(tài)系統(tǒng)里的N、P、K元素及其化學計量關系在一定程度上能夠反映該生態(tài)系統(tǒng)各組分（植物、凋落物和土壤）養(yǎng)分比例的形成機制.白音敖包沙地云杉林由于其處于北方農(nóng)牧交錯帶，其所處的地帶正是我國生態(tài)最嚴重、最脆弱的地區(qū)之一，環(huán)境的脆弱及強烈的人類活動，已經(jīng)使我國北方農(nóng)牧交錯帶環(huán)境迅速惡化.在這一地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，草地沙化影響植被生產(chǎn)力、植物群落結構及土壤有機質(zhì)的累積及分解速率，進而影響生態(tài)系統(tǒng)N、P、K循環(huán)[2、3].因此，本文以白音敖包沙地云杉林凋落物為研究對象，通過分解袋法，測定不同樣地、不同時間沙地云杉凋落物全N、全P、全K含量，旨在研究：1）沙地云杉凋落物全N、全P、全K含量化學計量特征;2）不同時間沙地云杉凋落物全N、全P、全K含量變化差異;為進一步認識沙地云杉生態(tài)系統(tǒng)功能及其穩(wěn)定維持機制和發(fā)展的生態(tài)學機理提供科學依據(jù)，以此為沙地云杉的恢復及管理提供理論基礎.

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

白音敖包國家級自然保護區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市克什克騰旗境內(nèi)，處于大興安嶺山地向蒙古高原的過渡地帶，地理坐標為（43°30′—43°36′N，117°03′—117°16′E），保護總面積為6737hm2，是沙地云杉分布最集中地區(qū);海拔在1300～1500m之間;地帶性土壤為黑鈣土和栗鈣土，森林土壤為沙質(zhì)灰色森林土，土層厚度50～100cm.氣候類型屬大陸性溫帶草原氣候，冬季嚴寒漫長，春季風頻干燥，夏季溫和短促，秋季氣溫驟降.年平均氣溫-1.4℃.年降水量在450mm左右，降水主要集中在6—8月，占全年降水量的68%.年蒸發(fā)量1617.5mm，是年降水量的3.4倍.年無霜期平均131d.保護區(qū)內(nèi)除沙地云杉外，主要野生植物還有蒼術（Atrac—tylodeslancea）、祁洲漏蘆（Rhaponticum uniflo—rum）、亞洲百里香（Thymus mongolicus）、細葉柴胡（Bupleurum scorzonerifolium）、細葉百合（Lilium pumilum）、蒙古黃芪（Astragalus membranaceus）、山杏（Armeniaca sibirica）、防風（Saposhnikovia divaricate）等.

1.2 研究方法

1.2.1 枯葉凋落物的采集

2016年10月，在白音敖包自然保護區(qū)收取當年凋落葉（因其主要凋落物為落葉）.帶回實驗室內(nèi)進行篩選、去除雜物和自然風干后，保存?zhèn)溆?測定各凋落物含水量，把換算為 20g干質(zhì)量的枯葉裝入網(wǎng)眼直徑為1mm，面積為15cm2的尼龍網(wǎng)袋中，并用聚乙烯線縫合好.

1.2.2 樣地選取與枯葉分解袋的放置

在白音敖包自然保護區(qū)內(nèi)，通過踏查篩選出試驗標準地8個.2016年11月，在每一個試驗標準地內(nèi)，分別在小心移去原林型的自然凋落物的土壤表層后，放置枯葉分解袋（以下簡稱枯葉分解袋）各8袋，之后再在每個凋落物分解袋上覆蓋原林型的自然凋落物.分別于2017年的5月、8月、11月3次將凋落物進行采集.3次采樣日期前5d均無降水.將分解袋及時送回實驗室后，去除雜質(zhì)，取部分烘干.研磨，過1mm篩，用于測定凋落物全N、全P、全K.

1.2.3 試驗方法

凋落物樣品采用：H2SO4-H2O2消煮，全N采用靛酚藍比色法測定、全P采用鉬銻抗比色法測定、全K采用原子吸收法測定[4].

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

利用EXCEL 2003軟件對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析和處理，并繪圖.

2 結果與分析

2.1 不同樣地凋落物全氮含量變化特征

從表1可以看出不同樣地凋落物全氮含量變化特征，2017年5月，凋落物全氮含量為0.32—0.53mg/g，增加幅度分別是2016年11月份的1.52—2.52，2017年8月，凋落物全氮含量為0.21—0.43mg/g，分別是2016年11月的1—2.04，2017年11月，凋落物全氮含量為0.21—0.75mg/g，是 2016年11月的全氮0.21mg/g的1—3.57.

從不同樣地凋落物全氮含量變化特征圖（圖1）發(fā)現(xiàn)，凋落物的全氮含量總體上呈現(xiàn)隨著時間的增加先升高，再降低，再升高的變化趨勢.出現(xiàn)這種狀況的原因可能是從2016年11月放置分解袋后，凋落物開始進行分解，但由于溫度低、微生物活性不高，降雨量小，到2017年5月份，全氮含量一直處于緩慢積累狀態(tài)，5月份以后，該地區(qū)的氣溫開始升高，降雨量加大，微生物開始變?yōu)榛钴S，一部分全氮轉化為微生物的自身物質(zhì)，還有一部分被雨水淋溶帶走，從而使全氮含量有所降低.進入8月份，該地區(qū)的氣溫開始降低，降雨量變小.微生物活性降低，全氮含量又開始進入積累狀態(tài)，從而使全氮含量升高.

2.2 不同樣地凋落物全磷含量變化特征

從不同樣地凋落物全磷含量變化特征表（表2）可以看出，2017年5月，凋落物全磷含量為0.24—0.34mg/g，變化幅度分別是2016年11月份的0.88—1.25，2017年8月，凋落物全磷含量為0.21-0.31mg/g，變化幅度分別是2016年11月份的0.78—1.15，2017年11月，凋落物全氮含量為0.24-0.37mg/g.變化幅度分別是2016年11月份的0.88—1.37.

不同樣地凋落物全磷含量變化特征圖（圖2）顯示，凋落物的全磷含量總體上呈現(xiàn)隨著時間增加而升高的變化趨勢.出現(xiàn)這種狀況的原因可能是從2016年11月放置分解袋后，凋落物開始進行分解，但由于此時該地區(qū)氣溫低，微生物活性不高，降雨量小，到2017年5月份，全磷含量一直處于積累狀態(tài)，5月份以后，雖然該地區(qū)的氣溫開始升高，降雨量加大，微生物活性變大，且一部分全磷被雨水淋溶帶走，但凋落物分解釋放的全磷數(shù)量足夠多，能夠滿足以上各種消耗，所以部分樣地的全磷含量仍略有升高;進入8月份，該地區(qū)的氣溫開始降低，降雨量變小.微生物活性降低，全磷含量又開始進入積累狀態(tài)，從而使全磷含量繼續(xù)升高.

2.3 不同樣地凋落物全鉀含量變化特征

表3是不同樣地凋落物全鉀含量變化特征表，從中可以看出，2017年5月，凋落物全鉀含量為0.23—0.25mg/g，變化幅度分別是2016年11月份的1.04—1.14，2017年8月，凋落物全鉀含量為0.20-0.28mg/g，變化幅度分別是2016年11月份的0.91—1.27，2017年11月，凋落物全鉀含量為0.21-0.24mg/g，變化幅度分別是2016年11月份的0.95—1.09，都比2016年11月的全鉀0.22mg/g要高，說明在野外環(huán)境下，凋落物全鉀含量是在增加的.

從圖3不同樣地凋落物全鉀含量變化特征則發(fā)現(xiàn)，凋落物的全鉀含量總體上呈現(xiàn)先升高，再降低，再升高的變化趨勢.但變化幅度不大.出現(xiàn)這種狀況的原因可能和全氮變化情況相似.

3 討論與結論

3.1 討論

本文研究了白音敖包沙地云杉凋落物全N、全P、全K含量化學計量特征，但本研究所測定的沙地云杉凋落物的全N（0.21—0.75mg/g）、全P（0.21-0.37mg/g）、全K（0.20-0.28mg/g）含量與全球尺度平均值（20.29mg/g、1.77mg/g、mg/g）和我國陸地植物葉片平均值（18.6mg/g、1.21mg/g、12.57 mg/g）相差較大，可能與沙地云杉葉片養(yǎng)分含量受物種、氣候、緯度及土壤的營養(yǎng)狀況等影響有關[5，6].

凋落物分解是碎裂、異化和淋溶三個過程的綜合，且三個過程交叉進行，相互影響.凋落物分解過程中，一方面，凋落物自身的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)影響著分解速度，物理性質(zhì)由凋落物的表面特性和機械組成，化學性質(zhì)則隨著其化學組成的不同而不同.在其化學成分中，纖維素和木質(zhì)素較難分解.腐養(yǎng)微生物的分解活動受到營養(yǎng)物質(zhì)的分解濃度的限制，尤其是待分解物質(zhì)組織中的N含量很大程度上影響著分解物質(zhì)的分解速率.另一方面，理化環(huán)境也影響著有機物質(zhì)的分解速率.一般情況下，溫度高、濕度大，有機物質(zhì)分解速率大;低溫干燥分解速率低，有機質(zhì)易在土壤中積累.北方溫度低，植物葉壽命短，但生長快，N、P、K等元素隨著緯度的升高而增加[5]，凋落物分解過程由一系列階段組成，從開始分解后，隨著時間進展，物理的、生物的、化學的過程增加，復雜性也相應地增加.白音敖包沙地云杉凋落物由于主要是凋落葉，其表面特性和機械組成相對簡單.但對于其化學成分的研究目前還不是很深入，且研究的結果也相對較少.沙地云杉生長于我國北方農(nóng)牧交錯地區(qū)，其所處地理環(huán)境是冬季漫長寒冷，夏季短促濕熱，土壤條件也不是很好，大部分生長地區(qū)土層僅50～100cm，且底層部分主要以沙土為主，不利于營養(yǎng)元素的保存.本文沙地云杉全N、全P、全K的研究結果與任書杰等人的研究結果相似[6].這可能與當?shù)鼐植繗夂驐l件有關系.

由于沙地云杉林的凋落物全N、全P、全K化學計量特征研究數(shù)據(jù)缺乏，研究結果不確定性較大.

3.2 結論

本研究得到以下結論：

（1）沙地云杉凋落物的全N含量在0.21—0.75mg/g之間，隨著時間的增加，凋落物全N含量先升高，再降低，再升高的變化趨勢、

（2）沙地云杉凋落物的全P含量為0.21-0.37mg/g，凋落物全P含量總體上呈現(xiàn)隨著時間增加而升高變化的趨勢.

（3）沙地云杉凋落物的全K含量為0.20-0.28mg/g，凋落物的全鉀含量總體上呈現(xiàn)先升高，再降低，再升高的變化趨勢.

參考文獻：

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〔3〕李玉強，趙哈林，趙學勇，等.沙漠化過程對植物凋落物分解的影響[J].水土保持學報，2007，21（5）：64-67.

〔4〕魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，1999.

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〔6〕任書杰，于貴瑞，陶波，等.興安落葉松（Larix gmelinii Rupr.）葉片養(yǎng)分的空間分布格局[J].生態(tài)學報，2009，29（4）：1989-1906.