不同品種榧樹針葉-土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計量特征研究

原雅楠，李正才，王 斌，張雨潔，黃盛怡

(中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 杭州 311400)

生態(tài)化學(xué)計量學(xué)綜合生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)的基本原理，利用生態(tài)過程中多重化學(xué)元素的平衡關(guān)系，為研究C、N、P等營養(yǎng)元素在生態(tài)系統(tǒng)過程中的耦合關(guān)系提供了一種綜合方法，能更好地解釋生態(tài)系統(tǒng)各組分（植物、土壤等）養(yǎng)分比例的調(diào)控機(jī)制[1-2]。土壤作為植物立地和生長的基礎(chǔ)，為植物生長發(fā)育提供所需的養(yǎng)分，其C、N、P含量調(diào)控著植物的生長，并影響植物群落的組成、結(jié)構(gòu)和功能[3-4]。作為植物光合作用的主要器官，葉片與土壤元素之間作用密切，葉片的養(yǎng)分含量狀況較好地反映了土壤養(yǎng)分的供給能力[5]。研究植物葉片與養(yǎng)分供給能力以及植物對環(huán)境的適應(yīng)性都具有重要的意義[6]。

目前，一些學(xué)者對較大尺度下不同群落或樹種的植物-土壤的化學(xué)計量特征進(jìn)行了研究，表明不同森林類型或樹種的植物-土壤C、N、P化學(xué)計量相關(guān)性存在差異[7]；一些學(xué)者對不同林齡、立地條件植物-土壤化學(xué)計量的變化特征進(jìn)行研究，探討了植物在不同發(fā)育階段或不同環(huán)境下的養(yǎng)分限制因素和養(yǎng)分利用的策略[8-9]；但鮮有研究關(guān)注同一植物不同品種葉片-土壤化學(xué)計量的變化特征。榧樹（Torreya grandis Fort. et Lindl.）為常綠喬木，雌雄異株，是我國榧屬（Torreya Arn.）植物中最重要的一種。目前，對榧樹資源的分布[10]、種群結(jié)構(gòu)與動態(tài)[11]等研究較深入，更多研究集中于香榧（T.grandis cv. ‘Merrilli’）的栽培技術(shù)管理[12]、林地養(yǎng)分[13]等。大多數(shù)榧樹處于野生狀態(tài)，其種內(nèi)性狀變異復(fù)雜，有很多自然變異類型（如圓榧（T. grandis cv. ‘Dielsii’）、芝麻榧、米榧等）；但目前對榧樹品種的研究較少，對不同品種榧樹生態(tài)化學(xué)計量特征的研究更欠缺。本文以浙江諸暨香榧國家森林公園百年以上不同品種雌榧樹（實(shí)生雌榧樹（圓榧）、嫁接的雌榧樹香榧）以及實(shí)生雄榧樹為研究對象，探討品種差異對榧樹C、N、P生態(tài)化學(xué)計量特征的影響，以期為提高榧樹林地養(yǎng)分利用率以及經(jīng)營管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況

研究地位于浙江省諸暨市趙家鎮(zhèn)宣家村的香榧國 家 森 林 公 園（29°21′～29°59′ N，119°53′～120°32′ E），該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨水豐沛，日照充足，年平均氣溫16.3℃，年平均降水量約1 373.6 mm，年平均日照時數(shù)約1 887.6 h。研究區(qū)屬于低山丘陵地貌，土壤類型為微酸性紅壤。諸暨香榧國家森林公園為國內(nèi)規(guī)模最大的香榧古樹聚集地，樹齡100 a以上的榧樹達(dá)4 200多株，500 a以上的古樹1 600余株，1 000 a以上的古樹200余株，以雌株為主。

2 材料與方法

2.1 樣株選擇和樣品采集

2018年9月中旬，通過查閱資料、農(nóng)戶訪問和實(shí)地調(diào)查，分別選取環(huán)境因子基本一致、樹齡300 a左右的實(shí)生雌榧樹（實(shí)生結(jié)果圓榧）、雄榧樹（實(shí)生不結(jié)果）和香榧（嫁接的榧樹）各6株，共18棵樣株為研究對象，對樣株胸徑、樹高等基本特征進(jìn)行測定，同時在樹冠東、南、西、北4個方位和上、中、下3個部位采集適量針葉，每個樣株采集的針葉均勻混合后裝入袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室。同時在離開樹體50～100 cm的樹冠下（東、南、西、北4個方位），隨機(jī)挖取4個土壤剖面（避開粗根系），分別采集0～20、20～40、40～60 cm土層土樣，去掉可見植物根系、殘體和碎石，分別標(biāo)號后帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干備用。所有調(diào)查樣株分布在半徑為500 m的范圍內(nèi)，以保證環(huán)境因子基本一致，試驗(yàn)具有可比性[14]。樣地基本情況見表1。

表 1 樣地基本情況 Table 1 General information of sample plots

2.2 樣品處理及測定

將采集的榧樹針葉105℃殺青，60℃烘干后磨碎，備用；自然風(fēng)干后的土樣分別過2.00、0.25、0.15 mm篩，備用。土壤有機(jī)碳（SOC）和針葉全碳（LTC）含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤全氮（STN）用濃硫酸消煮，采用凱氏定氮法測定；土壤全磷（STP）用H2SO4-HClO4消煮，鉬銻抗比色法測定。植物樣品首先用H2SO4-H2O2消煮，之后針葉全氮（LTN）用凱氏定氮法測定，針葉全磷（LTP）用鉬銻抗比色法測定[15]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Office Excel 2010進(jìn)行初步整理，采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)、雙因素方差分析(Two-way ANOVAs)和多重比較(LSD)，顯著性水平設(shè)為0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 榧樹土壤C、N、P含量及C:N:P生態(tài)化學(xué)計量特征

由雙因素方差分析（表2）可知：品種對STP含量影響極顯著，品種和土層間的交互作用極顯著影響STP。從表3可見：0～20 cm土層香榧SOC、STN含量最高，20～40 cm和40～60 cm土層圓榧SOC、STN含量最高。香榧不同土層STP（2.9、1.5、0.9 g·kg-1）含量均顯著高于圓榧和雄榧樹。整體上，圓榧和雄榧樹SOC、STN和STP含量均無顯著差異。

由表2可見，土壤深度極顯著影響SOC、STN、STP。從不同土層（表3）可知：各土層SOC含量為11.2～26.4 g·kg-1，STN含量為1.0～2.4 g·kg-1，STP含 量 為0.3～2.9 g·kg-1，SOC、STN和STP含量均表現(xiàn)為0～20 cm土層 ＞ 20～40 cm土層 ＞ 40～60 cm土層，隨著土層的加深含量逐漸減小。

表 2 品種和土層對榧樹土壤和針葉C、N、P含量及化學(xué)計量的方差分析 Table 2 The correlation between each element in leaves, breaches, and roots of T. grandis

表 3 榧樹不同土層的C、N、P含量 Table 3 Content of C, N and P of the various soil layers of T. grandis

從表4可見：香榧、圓榧和雄榧樹三者C:P整體表現(xiàn)為圓榧 ＞ 雄榧樹 ＞ 香榧，香榧C:P（9.6、11.3、12.3）和N:P（0.9、0.9、1.1）顯著低于圓榧和雄榧樹。由雙因素方差分析（表2）可知：品種對C:N影響顯著，極顯著影響C:P、N:P，而品種和土層交互作用下化學(xué)計量比保持穩(wěn)定。

從不同土層(表4)可知：各土層C:P為9.6～50.8，C:N為8.7～12.6，N:P為0.9～5.0。C:N、C:P和N:P比在不同土層的空間變異性小。土層深度對化學(xué)計量比均無顯著影響，土層深度和品種交互作用對土壤化學(xué)計量特征也無顯著影響（表2）。

3.2 不同品種榧樹針葉C、N、P含量及化學(xué)計量特征

從圖1可知：香榧針葉LTC、LTN含量分別為533.0、18.5 g·kg-1，圓榧針葉LTC、LTN含量分別為502.8、23.2 g·kg-1，雄榧樹針葉LTC、LTN含量分別為502.7、23.2 g·kg-1。香榧LTC含量顯著高于圓榧和雄榧樹，LTN含量顯著低于雄榧樹圓榧和雄榧樹，而圓榧和雄榧樹LTC、LTN含量差異均不顯著。3種榧樹LTP含量分別為2.0、1.9、2.1 g·kg-1，差異不顯著。由方差分析（表2）可知：品種對榧樹LTC和LTN含量影響顯著，對C:N影響極顯著。

香榧針葉C:N、N:P分別為29.2、9.1，圓榧C:N、N:P分 別 為22.0、12.8，雄 榧 樹C:N、N:P分別為21.6、11.4。香榧針葉C:N顯著高于圓榧和雄榧樹，與LTC含量變化趨勢一致；香榧針葉N:P顯著低于圓榧和雄榧樹，與LTN含量變化一致。3種榧樹C:P分別為264.0、277.3、245.3，差異不顯著。

表 4 不同品種榧樹不同土層的C、N、P化學(xué)計量變化Table 4 Content of C, N and P of the various soil layers of T. grandis

圖 1 不同品種榧樹針葉C、N、P含量及化學(xué)計量變化Fig. 1 The Stoichiometric Characteristics of C, N, and P in leaves of different varieties of T. grandis

3.3 不同品種榧樹土壤與針葉C、N、P含量化學(xué)計量特征相關(guān)性

從相關(guān)分析結(jié)果（表5）可知：香榧LTN與不同土層SOC、STN和STP均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.631～-0.327；LTP與0～20 cm土層STN顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.836。整體上，榧樹LTC、LTN、LTP與土壤SOC、STN、STP呈不顯著相關(guān)。

由表6可知：僅圓榧針葉C:N與土壤40～60 cm土層的C:N顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.883。整體上，不同品種榧樹針葉C:N、C:P、N:P和土壤C:N、C:P、N:P呈不顯著相關(guān)。

表 5 榧樹針葉與土壤C、N、P含量的相關(guān)性Table 5 The correlation between each element in leaves and soil of T. grandis

表 6 榧樹針葉與土壤C:N、C:P、N:P比相關(guān)性分析Table 6 The correlation between C:N, C:P, N:P in leaves and soil of T. grandis

4 討論

4.1 不同品種榧樹土壤C、N、P含量及其化學(xué)計量特征

土壤C、N、P化學(xué)計量特征不僅反映土壤系統(tǒng)功能的變異性，且是土壤有機(jī)質(zhì)構(gòu)成、土壤質(zhì)量狀況和養(yǎng)分供給能力的重要表現(xiàn)指標(biāo)[16]。本研究中，3種榧樹0～20、20～40 cm土層SOC含量無顯著差異，香榧40～60 cm土層SOC、STN含量顯著低于圓榧。這可能是因?yàn)橄汩剂值亻L期施復(fù)合肥，一定程度上對土壤結(jié)構(gòu)造成破壞作用，從而減小了土壤深層的總有機(jī)碳含量[17]，且香榧林地的墾覆、鋤草等人為管理，造成土壤的嚴(yán)重攪動，翻耕使得土壤有機(jī)質(zhì)充分暴露在有氧環(huán)境中，促使土壤礦物質(zhì)化，從而導(dǎo)致更多的C、N的排放。香榧和圓榧0～20 cm土層SOC、STN含量顯著高于20～40、40～60 cm土層，與呂金林等[18]研究報道一致。土壤P素作為一種沉積的礦質(zhì)，在土壤中的遷移率很低，全磷的垂直變化較穩(wěn)定[19]。香榧各土層STP含量均顯著高于圓榧和雄榧樹，P元素供應(yīng)充足，這可能是因?yàn)橄汩剂值亻L期施入磷肥，導(dǎo)致香榧土壤C:P和N:P顯著低于圓榧和雄榧樹。

香榧、圓榧和雄榧樹土壤C:N較C:P、N:P穩(wěn)定，這與C、N元素含量對同一環(huán)境因素變化的響應(yīng)基本同步有關(guān)，作為結(jié)構(gòu)性成分，二者的積累和消耗過程存在相對穩(wěn)定的比值[20]。除40～60 cm土層香榧和圓榧C:N顯著高于雄榧樹外，香榧、圓榧和雄榧樹其他土層的C:N均無顯著差異，一定程度上反映出不同品種榧樹土壤氮素礦化能力與有機(jī)質(zhì)的分解速率相近；同時，表層土壤C:N能夠很好地指示土壤供N狀況[21]。本研究結(jié)果表明，香榧、圓榧和雄榧樹土壤N供應(yīng)能力基本一致，較高的C:P是P有效性低的一個指標(biāo)[22]，香榧、圓榧和雄榧樹土壤C:P和N:P均表現(xiàn)為圓榧 ＞雄榧樹 ＞ 香榧，且圓榧和雄榧樹N:P也顯著高于香榧，表明二者土壤可利用P低，與其STP含量少表現(xiàn)一致。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是研究區(qū)凋落物較少且?guī)r石風(fēng)化過程漫長，P元素積累緩慢。

4.2 不同品種榧樹針葉C、N、P含量及其化學(xué)計量特征

本研究中，香榧LTC含量顯著高于圓榧和雄榧樹，這與C在多數(shù)植物體內(nèi)含量很高且變異較小不一致[23]，這可能因?yàn)檠芯康貙ο汩嫉氖┓?、除草等人為?jīng)營，有利于植物的光合作用，從而固定更多的C。香榧LTN含量顯著低于圓榧，與陳佳妮等[24]報道香榧LTN含量高于榧樹的結(jié)果不同，研究結(jié)果的差異可能因?yàn)樵囼?yàn)的時間不同，其研究選擇在4—5月榧樹開花后，而本研究在榧樹果實(shí)成熟的9月，更多的N用于果實(shí)生長發(fā)育。香榧深層的STN含量顯著低于圓榧也可能是造成該現(xiàn)象的原因。植物P含量一方面反映了植物對P元素的利用效率，另一方面反映土壤P元素的供應(yīng)能力[25]。3種榧樹LTP含量表現(xiàn)為雄榧樹 ＞ 香榧 ＞圓榧，這與香榧林地STP含量顯著高于圓榧和雄榧樹表現(xiàn)并不一致。有研究認(rèn)為，林地N肥施入促進(jìn)土壤磷酸酶活性，進(jìn)而提高土壤中植物可利用性P含量[26]，進(jìn)而有利于植物對P的吸收，增加植物P含量；然而，香榧林地P含量顯著高于圓榧和雄榧樹，而香榧LTP含量與圓榧和雄榧樹并無顯著差異，這可能是植物的生物增長速率大于植物P元素吸收速率時，會產(chǎn)生“生物量稀釋作用”，植物葉片P含量表現(xiàn)為無顯著變化甚至減少[27-28]。

葉片C:N和C:P一定程度能反映植物的養(yǎng)分利用效率[29]。香榧針葉C:N顯著高于圓榧和雄榧樹，且C:P也較高，說明香榧有較高的養(yǎng)分利用效率。很多研究將植物葉片N:P比作為限制因子判斷的指標(biāo)，N:P ＜ 14受N限制，N:P ＞ 16受P限制，位于二者中間N、P共同限制或均不限制[30]。本研究中，3種榧樹N:P分別為9.1、12.8和11.4，小于受N限制的閾值（14.0）。土壤是陸地植物生長最重要的基質(zhì)，其N:P可用作N飽和的診斷指標(biāo)，并常被用于確定養(yǎng)分限制的閾值[31]。本研究中，3種榧樹土壤N:P遠(yuǎn)小于14.0，造成香榧土壤N:P小的主要原因是STP含量高，因此，單純靠閾值判斷植物養(yǎng)分限制存在局限性，更應(yīng)結(jié)合林地實(shí)際情況。

4.3 榧樹針葉-土壤C、N、P化學(xué)計量相關(guān)性分析

諸多研究表明，葉片的養(yǎng)分含量狀況能較好地反應(yīng)土壤養(yǎng)分的供給能力，植物葉片與土壤C、N、P含量及化學(xué)計量比有一定的相關(guān)性。李喜霞等對紅松（Pinus koraiensisSieb. et Zucc.）林的研究表明，LTN、LTP含量與STN、STP顯著相關(guān)（p＜0.05）[32]；鄧成華等[33]研究發(fā)現(xiàn)，油茶（Camellia oleiferaAbel.）LTP含量與STP含量顯著正相關(guān)，且土壤C:N、C:P、N:P與葉片C:N、C:P呈顯著正相關(guān)，葉片N:P與土壤C:P、N:P呈顯著正相關(guān)（p＜0.05）；顧大形等[34]對四季竹（Oligostachyum lubricum(Wen) King f.）的研究表明，STN含量分別與LTN含量、葉片N:P呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01）。這與土壤為植物提供生長所需養(yǎng)分，植物通過光合作用，然后以植物殘體的形式返還給土壤有很強(qiáng)的關(guān)系[35]；但也有一些研究表明，植物-土壤C、N、P化學(xué)計量特征相關(guān)性較小。靖磊等[36]對楊樹（Populusspp.）的研究表明，LTC、LTN、LTP含量及其比值與土壤之間相關(guān)關(guān)系并不顯著；姜沛沛等對刺槐（Robinia pseudoacacia L.）、遼東櫟（Quercus liaotungensis Koidz.）的研究中發(fā)現(xiàn)，LTN、LTP含量與STN、STP含量均無顯著關(guān)系，且環(huán)境因子對葉片和土壤N、P影響較大[37]。本研究中，榧樹LTC、LTN和LTP含量以及化學(xué)計量特征與STC、STN、STP含量及化學(xué)計量特征的相關(guān)關(guān)系并不顯著，這可能因?yàn)楫?dāng)?shù)亻紭錁潺g較大，植物有較強(qiáng)的內(nèi)穩(wěn)性。本研究結(jié)果與姜沛沛等[37]、張?zhí)僮拥萚8]發(fā)現(xiàn)油松（P. tabulaeformis Carr.）植物養(yǎng)分與土壤養(yǎng)分含量及化學(xué)特征相關(guān)關(guān)系較弱的結(jié)果一致。

5 結(jié)論

本研究中，實(shí)生榧樹圓榧和雄榧樹針葉-土壤化學(xué)計量特征均無差異，雌雄異株對實(shí)生榧樹化學(xué)計量特征無顯著影響；香榧林地土壤P含量顯著高于圓榧和雄榧樹，施肥等人為經(jīng)營管理對榧樹林地土壤P含量影響較大。榧樹針葉-土壤C、N、P含量及化學(xué)計量相關(guān)關(guān)系較弱。