滇池流域磷礦山區(qū)優(yōu)勢植物葉片與土壤養(yǎng)分生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征①

趙洛琪，吳曉妮，付登高*，徐子萱，朱安琪

(1 云南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院暨云南省高原山地生態(tài)與退化環(huán)境修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650091；2 昆明學(xué)院農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，昆明650214)

選擇合適的植物物種進(jìn)而構(gòu)建植物群落一直是恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。在受損生態(tài)環(huán)境中，植物不僅要面臨土壤養(yǎng)分含量缺乏的限制，甚至?xí)艿綐O端環(huán)境的脅迫，所以在植被恢復(fù)的過程中，植物的選擇尤為重要[1]。針對不同類型 (如森林、草地、農(nóng)田、濕地、湖泊、河流、海洋)、不同程度的退化生態(tài)系統(tǒng)，其恢復(fù)方法亦不同[2]，而對于退化山區(qū)的植被恢復(fù)，首要任務(wù)是增加貧瘠土壤的養(yǎng)分含量，以緩解土壤養(yǎng)分含量對當(dāng)?shù)刂脖簧L的限制作用。

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)集生物學(xué)、化學(xué)計(jì)量學(xué)和其他相關(guān)學(xué)科的一些基本原理于一身[3-4]，是研究生物系統(tǒng)能量平衡和多重化學(xué)元素平衡的一門學(xué)科[5]。目前國外有很多關(guān)于 C、N、P 化學(xué)計(jì)量學(xué)研究，研究對象由水生生態(tài)系統(tǒng)和濕地生態(tài)系統(tǒng)延伸到陸地生態(tài)系統(tǒng)，主要集中在種群動態(tài)變化和生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分供求平衡及其應(yīng)用[6-7]。土壤和植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，兩者之間具有密切的相互作用。土壤是植物生長的基礎(chǔ)，為植物提供生長所需的各種養(yǎng)分，對植物群落的發(fā)生和演替，群落的物種組成、多樣性以及生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能具有重要影響[8-9]。因此，深入了解土壤及植物不同元素含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量對探究土壤養(yǎng)分元素在循環(huán)過程中的相互耦合關(guān)系及其生態(tài)效應(yīng)具有重要作用[10]。例如，植物體內(nèi)的 C:N 和 C:P 通常能反映植物對N 和 P 養(yǎng)分的利用效率，一定程度上也能表征土壤中 N 和 P 的供應(yīng)狀況[11]。植物葉片的N:P 臨界值被認(rèn)為可以指示土壤對植物生長的養(yǎng)分供給狀況，并且被廣泛應(yīng)用于診斷植物個(gè)體、群落和生態(tài)系統(tǒng)的 N、P 養(yǎng)分限制格局[5]。土壤作為植物 N、P 養(yǎng)分來源，直接影響植物對N、P 養(yǎng)分的吸收利用及植物化學(xué)計(jì)量關(guān)系[12]，尤其在土壤養(yǎng)分比例失衡的立地條件下，探討土壤和植物之間的養(yǎng)分含量及其計(jì)量特征將有助于生態(tài)修復(fù)進(jìn)程及有效管理。

滇池流域南部是我國著名的磷礦開采區(qū)，占據(jù)了滇池流域總面積的13%。在該區(qū)域退化山地環(huán)境中，土壤中極高的P負(fù)荷極易產(chǎn)生淋溶和侵蝕，大量的P隨著地表徑流匯入滇池[13]。磷礦山區(qū)內(nèi)一般土壤中含P量平均達(dá)到 0.42% 以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本地土壤P正常值 0.14%，可溶磷含量達(dá)到 52 ~160 mg/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本地可溶磷正常值17.8 ~32.0 mg/kg，目前流域內(nèi)人類的各種活動已顯著地影響P素的生物地球化學(xué)循環(huán)。因此，該區(qū)域的生態(tài)修復(fù)對滇池富營養(yǎng)化的防控具有重要影響。前期調(diào)查發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)存在多種不同生活型的優(yōu)勢植物，其中云南松(Pinus yunnanensis)能夠應(yīng)對水分與干旱的脅迫并適應(yīng)云南雨旱分明的自然條件[14]；馬桑(Coriaria nepalensis)作為固N(yùn)物種[15]，能夠減少土壤低N環(huán)境對自身生長發(fā)育的限制；蔗茅(Erianthus fulvus)在云南各地有著廣泛的分布；而紫莖澤蘭(Euapatorium adenophorum)作為入侵植物，對當(dāng)?shù)厣锒鄻有院蜕鷳B(tài)系統(tǒng)過程及功能的影響受到人們的持續(xù)關(guān)注[16]。因此本研究選取了滇池流域磷礦退化山區(qū)內(nèi)4種不同生活型優(yōu)勢植物，通過對植物葉片以及在植物影響下的土壤營養(yǎng)元素含量及其計(jì)量比的分析，深入了解該區(qū)域土壤和植物的營養(yǎng)元素格局及影響植物生長發(fā)育的主要限制因子，并在此基礎(chǔ)上為該區(qū)域生態(tài)修復(fù)過程中的植物選取及植物群落組配提供參考，以期達(dá)到固持水土、削減P素流失的效果。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究樣地位于滇池流域南部，地理位置為24°36′ ~ 24°37′N，102°41′ ~ 102°42′E，海拔1 936 ~2 256 m，平均溫度14.7 ℃，多年降雨量797 ~1 007 mm，大多集中在雨季的7、8月份。地貌為山地半山地，處于自東南向西北匯入滇池的柴河子流域內(nèi)。該流域是滇池流域主要的磷礦開采區(qū)，也是滇池流域內(nèi)3個(gè)面積超過300 km2的子流域之一。該研究區(qū)內(nèi)有多處早年磷礦開采面，多分布于1/3 ~ 2/3山腰區(qū)域。土壤類型為山地黃紅壤與棕紅壤，土壤含水率為14.29%，pH 6.23，土壤全氮0.78 g/kg，全磷6.57 g/kg，全鉀3.36 g/kg，有機(jī)質(zhì)32.1 g/kg。流域內(nèi)自然植被以亞熱帶半濕潤常綠闊葉林為主，由于前期人類活動，幾乎已沒有成片分布。而在經(jīng)自然恢復(fù)后植被覆蓋度較好的區(qū)域內(nèi)，廣泛分布著成片的灌草叢及云南松林，兩種植物群落的立地條件、土壤母質(zhì)和水熱條件等均相對一致。其中云南松林的優(yōu)勢喬木及灌木分別為云南松(P. yunnanensis)和碎米花杜鵑(R. spiciferum)；灌草叢中優(yōu)勢灌木為馬桑(C. nepalensis)，優(yōu)勢草本植物為蔗茅(E. fulvus)和典型的外來入侵物種紫莖澤蘭(E. adenophorum)。

1.2 樣品的采集與參數(shù)測定

基于前期調(diào)查基礎(chǔ)上，于2017年8月在該區(qū)域磷礦山區(qū)內(nèi)選擇典型的坡向、坡位相似的荒坡灌草叢及云南松林樣地，各樣地設(shè)4個(gè)大小為10 m ×10 m的樣方，樣方之間的距離不少于100 m。在灌草叢樣地中，根據(jù)馬桑、蔗茅及紫莖澤蘭的生長情況，各物種隨機(jī)選擇植株高度相對一致、生長良好且成熟的植株各3株，4個(gè)樣方中每個(gè)物種共選擇12株個(gè)體。在云南松樣地中，選擇8株高度及胸徑相似且長勢良好的云南松，每個(gè)樣方各2株。植株選擇完畢后，在植物冠幅下采集土樣，由于不同生活型植物根系分布的差異，故云南松采集0 ~30 cm土壤，其余3種植物采集0 ~ 20 cm土壤，在馬桑、蔗茅及紫莖澤蘭灌叢中隨機(jī)采3個(gè)樣點(diǎn)土壤樣品進(jìn)行均勻混合；由于云南松冠幅相比灌木和草本較大，故在云南松冠幅內(nèi)隨機(jī)采6個(gè)樣點(diǎn)并均勻混合。采集樣方內(nèi)植物葉片，在4個(gè)方向各隨機(jī)采集目標(biāo)植物成熟葉片樣品。葉片樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，用蒸餾水清洗干凈后置于105 ℃ 烘箱內(nèi)殺青20 min后調(diào)至80 ℃ 烘干至恒重，過0.1 mm篩后裝瓶待測；土壤樣品按測試要求風(fēng)干研磨過2 mm和0.25 mm篩，以測定土壤養(yǎng)分指標(biāo)。

土壤和葉片全氮的測定采取半微量凱氏定氮法，土壤速效氮的測定采取堿解擴(kuò)散吸收法，土壤和葉片全磷的測定采取酸溶-鉬銻抗比色法，土壤有效磷的測定采取雙酸浸提-鉬銻抗比色法，土壤和葉片有機(jī)質(zhì)的測定采取重鉻酸鉀氧化外加熱法，土壤pH的測定采取電極法[17]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用單因素方差分析比較不同植物影響下的土壤和植物葉片的養(yǎng)分含量及其計(jì)量比之間的差異；利用相關(guān)性分析了解土壤與葉片養(yǎng)分含量之間的關(guān)系。其中土壤N有效性=堿解氮/全氮，土壤P有效性=有效磷/全磷。使用Excel 2007對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸納，所有統(tǒng)計(jì)分析均使用SPSS 23.0進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物對土壤養(yǎng)分的影響

不同植物影響下的土壤養(yǎng)分含量如表1所示：云南松影響下土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷含量最高，分別為22.42 g/kg、1.85 g/kg、140.78 mg/kg和1 048.89 mg/kg，其中有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他植物；云南松下的土壤全磷含量最低，為2.51 g/kg，顯著低于其他植物。pH與有效磷含量在不同植物之間差異并不顯著。

表1 不同植物影響下的土壤養(yǎng)分含量Table 1 Soil nutrient contents under different plants

2.2 植物對土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比及氮磷有效性的影響

分析不同植物對土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比及N、P有效性的影響可以發(fā)現(xiàn)(表2)：云南松影響下土壤C︰P、N︰P分別為8.93和0.74，顯著高于其他植物土壤，且P有效性最高；紫莖澤蘭C︰N及N有效性最高，但差異并不顯著。

2.3 不同植物葉片養(yǎng)分含量及生態(tài)化學(xué)計(jì)量比特征

不同植物葉片養(yǎng)分含量及其計(jì)量比特征具體見圖1。不同植物葉片C含量表現(xiàn)為云南松葉片C含量顯著高于其他植物。不同植物葉片N含量表現(xiàn)為紫莖澤蘭>馬桑>蔗茅>云南松，其中紫荊澤蘭和馬桑葉片N含量顯著高于云南松和蔗茅。不同植物葉片P含量表現(xiàn)為紫莖澤蘭>馬桑>蔗茅>云南松，且相互之間均差異顯著。不同植物葉片C︰N和C︰P均表現(xiàn)為云南松>蔗茅>馬桑>紫莖澤蘭，且云南松顯著高于其他植物；不同植物葉片N︰P表現(xiàn)為馬桑和紫莖澤蘭顯著高于蔗茅和云南松。

表2 不同植物影響下的土壤C、N、P計(jì)量比及土壤N、P有效性Table 2 Eco-stoichiometric ratios among soil C, N and P and soil N and P availability under different plants

2.4 不同植物影響下土壤與葉片養(yǎng)分含量相關(guān)關(guān)系

不同植物影響下土壤與葉片養(yǎng)分含量及其化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)關(guān)系見圖2。其中土壤C含量與葉片C含量及葉片C︰P均表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系。土壤N含量與葉片C含量、葉片C︰N呈顯著正相關(guān)，而土壤N含量與葉片N︰P表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤P含量與葉片P含量呈顯著正相關(guān)，但與葉片C含量及葉片C︰P均表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)。

3 討論

3.1 磷礦山區(qū)土壤養(yǎng)分含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

從整體來看，磷礦山區(qū)不同植物影響下土壤C、N、P含量為16、1.19、3.19 g/kg，相較于該區(qū)域磷礦開采廢棄地土壤C、N、P含量1.82、0.66、20 g/kg[18]，C、N含量明顯上升，P含量明顯下降。而磷礦山區(qū)土壤在不同植物影響下，各項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)表現(xiàn)出不同的變化。云南松影響下土壤C、N、P含量分別為22.42、1.85、2.51 g/kg，云南松能夠提升土壤C、N養(yǎng)分含量，并且通過吸收削減土壤P含量；荒坡灌草叢土壤C、N、P含量分別為13.87、0.97、3.42 g/kg。相較于滇中非磷礦區(qū)土壤平均C、N、P含量20.25、0.78、0.2 g/kg[19]，磷礦區(qū)荒坡灌草叢土壤C含量偏低，N含量相近；而云南松群落土壤養(yǎng)分狀況較好。

研究表明土壤養(yǎng)分組成是植物外部環(huán)境中重要的影響因子，植物的光合作用、礦質(zhì)代謝等過程與土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況關(guān)系密切[20]。土壤養(yǎng)分計(jì)量比可以從以下4個(gè)方面進(jìn)行分析(表2)：①土壤C︰N：土壤C︰N是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，影響土壤中有機(jī)C和N的循環(huán)[21]。一般來講，土壤C︰N與有機(jī)質(zhì)分解速率呈反比關(guān)系[22]。本研究表明植物影響下的土壤C︰N的范圍為9.66 ~ 21.89，大體高于中國土壤C︰N平均水平10 ~ 12[23]，說明該區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率相對較慢，進(jìn)而限制養(yǎng)分循環(huán)的速度，尤其對于云南松和蔗茅，較低的C︰N表明其凋落物分解是影響?zhàn)B分循環(huán)的關(guān)鍵過程之一；②土壤C︰P：較低的C︰P 可以作為土壤磷素高有效性的一個(gè)指標(biāo)[9]，在本研究中植物影響下的土壤C︰P為3.13 ~ 8.93，P的有效性平均為0.28，雖然研究表明該地區(qū)最容易被植物利用的樹脂態(tài)磷在土壤全磷中只占0.15%[24]，但由于研究區(qū)域內(nèi)土壤P含量的高背景值，并結(jié)合不同植物葉片P含量來看，土壤P含量能夠滿足當(dāng)?shù)刂参锷L發(fā)育的需要，所以相較于土壤P，植物生長受到C的限制；③土壤N︰P：土壤中的N、P是植物生長所必需的礦質(zhì)營養(yǎng)元素和生態(tài)系統(tǒng)中最常見的限制性元素，二者之間具有重要的相互作用，因此將N︰P作為衡量系統(tǒng)N、P養(yǎng)分限制的一個(gè)指標(biāo)。本研究中土壤N︰P介于0.15 ~ 0.74，遠(yuǎn)低于全球森林土壤N︰P(6.60)[25]，這不僅與研究區(qū)域內(nèi)土壤較高磷素背景值有關(guān)，并且表明研究區(qū)域內(nèi)植物生長受到土壤N含量限制；④土壤N、P有效性：土壤N、P有效性可以表明土壤N、P養(yǎng)分的有效利用程度，其中由于較高的P素背景值，其有效磷不是影響植物生長的限制因子；但對于N有效性而言，云南松和蔗茅明顯低于馬桑和紫荊澤蘭，說明云南松和蔗茅不僅受到N素含量的影響，其N的有效性也是影響該兩種植物生長的限制因子。綜合以上分析，在磷礦山區(qū)，土壤C、N是影響植物生長的主要限制因子，尤其對于云南松和蔗茅而言，其養(yǎng)分限制程度更高。

3.2 磷礦山區(qū)不同生活型植物葉片養(yǎng)分含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

云南松葉片C含量為492.86 g/kg，大于全球葉片平均C含量(461.6 g/kg)[23]，荒坡灌草叢植物葉片C含量低于全球平均水平，原因可能為根系較淺，無法獲得足夠的水分，導(dǎo)致葉片的氣孔導(dǎo)度降低從而減少葉片CO2的吸收[25]；葉面積減小，ATP 的合成減弱，羧化酶活性降低，導(dǎo)致光合作用受阻，阻礙了C的固定[26]。葉片N含量介于11.26 ~ 24.68 g/kg，接近于中國陸地植被葉平均N含量(18.6 g/kg)[27]，N元素是植物葉片光合作用酶的重要組成成分，葉片N含量可以表征植物葉片光合作用速率的高低，并且植物體內(nèi)的 N 以蛋白酶的形式參與 C 的固定[28]；紫莖澤蘭葉片N含量最高，旺盛的光合作用導(dǎo)致紫莖澤蘭葉片中C的積累與自身快速生長繁殖。植物葉片P含量介于2.78 ~ 4.07 g/kg，遠(yuǎn)高于中國陸地植被葉平均P含量 1.21 g/kg[27]，這與當(dāng)?shù)赝寥栏逷含量有關(guān)。P以核酸的形式參與蛋白酶的裝配并且以ATP的形式進(jìn)行能量的傳遞[28]，高P含量有利于植物自身的能量傳遞。

通常情況下，植物葉C︰N和C︰P能反映植物N和P的養(yǎng)分利用效率，植物在養(yǎng)分供應(yīng)缺乏的情況下往往具有較高的養(yǎng)分利用效率，相反，營養(yǎng)元素供應(yīng)充足時(shí)，養(yǎng)分利用效率較低[29]。研究區(qū)域內(nèi)植物葉片C︰N介于17.46 ~ 43.95，而全球植物葉片平均C︰N為23.8[27]，表明在C、N養(yǎng)分相對匱乏的情況下，云南松和蔗茅葉片能夠固定更多的C；相反紫莖澤蘭和馬桑葉片能夠固定較多的N，在土壤N含量限制的條件下也能夠較為良好地生長發(fā)育。Rong等[30]的研究結(jié)果表明葉片C︰N和C︰P較高的植物，在固碳和養(yǎng)分利用策略等方面都具有優(yōu)勢。植物葉片C︰P均遠(yuǎn)低于全球平均水平(300.9)[27]，可能與研究區(qū)域內(nèi)土壤P含量的高背景值有關(guān)。植物葉片的N︰P可衡量植物生長對于N和P的倚重程度的大小，Koerselman和Meulema[31]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)葉片的N︰P<14時(shí)，植物生長主要受N限制；當(dāng)1416時(shí)，植物生長主要受P限制。研究區(qū)域內(nèi)植物N︰P介于4.03 ~6.32，說明植物生長受到土壤N限制。

3.3 不同植物葉片、土壤養(yǎng)分相關(guān)性特征

植物與土壤作為生物地球化學(xué)循環(huán)的不同環(huán)節(jié)，兩者之間存在必然的聯(lián)系，植物體內(nèi)養(yǎng)分含量體現(xiàn)了植物對環(huán)境適應(yīng)特征，土壤養(yǎng)分條件反映了植物的營養(yǎng)狀況[32]。李從娟等[8]研究表明在自然條件下植物的生境存在異質(zhì)性，土壤養(yǎng)分也具有明顯的差異性，而這種差異則會影響植物葉片的化學(xué)計(jì)量特征。在本研究中，植物葉片C含量與土壤N含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，這與陸遠(yuǎn)鴻等人[33]的研究結(jié)果相同。土壤N含量能夠有效促進(jìn)植物C含量的積累，表明植物生長發(fā)育受到高度的N限制。植物葉片C︰N與土壤N含量表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明植物在生長發(fā)育過程中不僅受到N限制，并且植物對N元素的利用效率較高。植物葉片與土壤P含量負(fù)相關(guān)，說明土壤P含量過剩[34]。磷礦山區(qū)植物葉片及土壤C、N、P含量化學(xué)計(jì)量比的變化以土壤C、P元素變化為主導(dǎo)，在土壤N元素缺乏的條件下，固N(yùn)物種的存在十分必要。

3.4 不同生活型植物屬性特征及其磷礦山區(qū)的植被恢復(fù)

云南松為當(dāng)?shù)貎?yōu)勢喬木，土壤有機(jī)質(zhì)、氮及有效磷含量均為最高，表明云南松對土壤有很高的改良效益，云南松林內(nèi)枯落物厚度大，能夠有效增加地表粗糙程度，枯落物腐爛增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤孔隙度等，改變土壤入滲能力、含蓄水分，進(jìn)而增強(qiáng)植物群落改良土壤的能力[35]。雖然云南松葉片P含量較低，但由于云南松生物量遠(yuǎn)高于其他目標(biāo)植物，能夠固定大量土壤P，達(dá)到削減土壤P素流失的目的。馬桑土壤的有機(jī)質(zhì)含量雖然最低，但馬桑作為固N(yùn)物種，由于固N(yùn)菌的存在，能在根際形成較高的N含量，能夠適應(yīng)并逐步改良磷礦山區(qū)土壤N缺乏的條件[36-37]。蔗茅作為本地優(yōu)勢物種，其貧瘠土壤的適應(yīng)能力較強(qiáng)，并能夠改善土壤C和N含量，但其土壤N的有效性不高，因此可以與固N(yùn)植物馬桑構(gòu)建荒坡灌草叢群落以提高土壤養(yǎng)分，并改善土壤水土保持功能。作為入侵植物的紫莖澤蘭，其能夠在土壤C、N元素缺乏的條件下快速生長繁殖，這對于進(jìn)一步探究植物對C、N養(yǎng)分貧瘠土壤適應(yīng)的機(jī)制具有重要意義，但其作為入侵植物，強(qiáng)烈的化感作用容易形成單優(yōu)種并對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成一系列的負(fù)面影響，故不推薦用于植被恢復(fù)。

研究結(jié)果表明：磷礦山地土壤有機(jī)質(zhì)及N是影響植物生長的主要限制因子，在這種C、N養(yǎng)分相對匱乏的情況下，云南松和蔗茅葉片能夠固定更多的C；相反馬桑葉片能夠固定較多的N。因此，結(jié)合不同生活型植物的屬性特征及該區(qū)域內(nèi)群落的演替特征，磷礦山區(qū)廢棄地的生態(tài)恢復(fù)可以通過構(gòu)建蔗茅和馬桑為主的灌草叢植物群落，一方面能夠適應(yīng)較貧瘠的立地環(huán)境，另外也能在一定程度上改善立地環(huán)境。當(dāng)立地達(dá)到一定條件，引入喬木云南松，形成喬灌草立地群落，并逐步向云南松林進(jìn)行演替；由于云南松生長受土壤N素的限制，在演替后期，引入固N(yùn)闊葉喬木，如旱冬瓜，形成針闊混交林[38]。

因此，在磷礦退化山區(qū)的植被恢復(fù)過程中，從土壤養(yǎng)分含量的角度出發(fā)，應(yīng)在開始階段人工引入馬桑與蔗茅形成荒坡灌草叢群落，以逐步緩解土壤N含量限制的狀況；進(jìn)而引入云南松以增加土壤C含量，隨后適當(dāng)種植以旱冬瓜為代表的固N(yùn)闊葉樹種形成針闊混交林，以達(dá)到全面改善土壤養(yǎng)分，保持水土并控制土壤P素流失的目的。