平潭島海岸帶木麻黃人工林碳氮磷化學(xué)計量特征

葛小娟

(福建省林業(yè)勘察設(shè)計院，福建 福州 350001)

碳氮磷化學(xué)計量學(xué)是研究土壤與植物之間相互作用、共變規(guī)律和耦合作用的一種綜合方法。碳構(gòu)建了植物體的結(jié)構(gòu)，而氮、磷是植物生長發(fā)育的主要限制性養(yǎng)分，三種元素之間關(guān)系密切[1]。大量研究已經(jīng)充分證明碳氮磷化學(xué)計量特征可以預(yù)測植物在特定立地條件下的養(yǎng)分限制[2]，并能反映養(yǎng)分礦化和固持的平衡關(guān)系，對于揭示參與生態(tài)系統(tǒng)植物與土壤養(yǎng)分循環(huán)中的主要生態(tài)學(xué)過程具有很好的指示作用[3]。海岸帶是海陸氣候突變帶，隨著與海岸線距離的變化，各種海岸氣象因子會發(fā)生不同程度的改變，從而導(dǎo)致海岸帶梯度對植物生長發(fā)育和土壤立地條件等產(chǎn)生重要影響。有研究表明，在沙質(zhì)海岸帶隨著距離梯度的遞進(jìn)，土壤的物理性質(zhì)不斷改善，其滲透能力逐漸降低，這一定程度上有利于土壤保水保肥供植物吸收利用，從而促進(jìn)后沿植物的生長[4]。另有研究發(fā)現(xiàn)，隨著海岸距離的變化，防護(hù)林的群落結(jié)構(gòu)[5]、樹冠結(jié)構(gòu)[6]等均會發(fā)生變化，海岸帶梯度甚至?xí)绊懼参锏墓夂仙砩鷳B(tài)功能[7]以及對養(yǎng)分的重新吸收利用等[8]。由此可見，在海岸帶研究中區(qū)分距離梯度可能會闡釋更多的科學(xué)問題。木麻黃(Casuarinaequisetifolia)是我國東南沿海的重要防護(hù)樹種，發(fā)揮了顯著的生態(tài)效益。盡管針對木麻黃防護(hù)林已有大量研究，但較多集中于良種選育[9-10]、造林技術(shù)[11-12]、病蟲害防治[13-14]等方面，從植物與土壤相互作用角度反映木麻黃在不同立地條件下的養(yǎng)分限制情況及植物養(yǎng)分狀態(tài)等研究相對較少，而后者對于揭示木麻黃的生態(tài)適應(yīng)性和指導(dǎo)海岸帶防護(hù)林經(jīng)營，實現(xiàn)造林育林的因地制宜，具有重要意義。鑒于此，本文研究了福建平潭島海岸帶前沿和后沿木麻黃林帶植物和土壤的碳氮磷化學(xué)計量特征，以探明不同距離梯度上木麻黃防護(hù)林的養(yǎng)分限制情況，為該區(qū)域木麻黃防護(hù)林的可持續(xù)經(jīng)營和林分質(zhì)量提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建平潭島(N25°16′-N25°44′，E119°32′-E120°10′)，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，雨熱同季，旱雨季節(jié)分明，7—9月高溫干旱。年平均降水量1 196.2 mm，年平均氣溫19.5 ℃，最冷日平均氣溫10.2 ℃，最熱日平均氣溫27.9 ℃。平潭島境內(nèi)地勢低平，中部略高，地形以海積平原為主。平潭是福建省強(qiáng)風(fēng)區(qū)之一，全年大風(fēng)7級以上日數(shù)為125 d，季風(fēng)明顯，夏季以偏南風(fēng)為主，其他季節(jié)多為東北風(fēng)，年平均風(fēng)速為5 m/s[15]

2 材料與方法

2.1 樣地選擇

試驗地選擇平潭島長江澳沿海防護(hù)林帶，此區(qū)域林帶完整，人為干擾程度低。2017年在前沿基干林帶(距離海岸50 m處)和后沿縱深防護(hù)林林帶(距離海岸400 m處)分別設(shè)置3塊20 m×20 m的樣地(表1)。

2.2 樣品采集與測定

2017年9月對每個樣地內(nèi)的木麻黃進(jìn)行每木調(diào)查，測量每株樹木的樹高、胸徑、冠幅等指標(biāo)。每個樣地選擇3株平均木，用高枝剪采集冠層南向枝條，每株3根。同時用土鉆沿樣地對角線采集0～20 cm表層和20～40 cm深層的土層土壤，每個樣地采集10個點，將各對應(yīng)土層的土樣混合為一個樣品，帶回實驗室挑出根徑<2 mm的細(xì)根后分別進(jìn)行養(yǎng)分測定。采用碳氮元素分析儀(Elemental Analyzer Vario EL Ⅲ)測定小枝、細(xì)根和土壤中的碳氮含量，所有樣品經(jīng)過H2SO4-HCLO4消煮后采用鉬銻抗比色法測定全磷含量。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

在SPSS 18.0中進(jìn)行數(shù)據(jù)單因素方差分析和Pearson相關(guān)分析檢驗?zāi)韭辄S小枝、細(xì)根與土壤碳氮磷化學(xué)計量特征的相關(guān)性，在Canoco5.0中進(jìn)行冗余分析，在Office2003中進(jìn)行圖表整理。

3 結(jié)果與分析

3.1 海岸帶前沿和后沿木麻黃小枝和細(xì)根碳氮磷化學(xué)計量特征

由海岸帶前沿和后沿木麻黃小枝和細(xì)根碳氮磷化學(xué)計量特征(表2)可見，前沿林帶木麻黃小枝的碳含量、碳氮比和碳磷比顯著低于后沿林帶(P<0.05)，而小枝氮磷含量和氮磷比與后沿林帶無顯著差異(P>0.05)。前沿林帶木麻黃細(xì)根的碳含量與后沿林帶無顯著差異(P>0.05)，但細(xì)根氮磷含量顯著高于后沿林帶，細(xì)根碳氮比、碳磷比、氮磷比顯著小于后沿林帶(P<0.05)。

表2 海岸帶前沿和后沿木麻黃小枝和細(xì)根碳氮磷化學(xué)計量特征

3.2 海岸帶前沿和后沿木麻黃林土壤碳氮磷化學(xué)計量特征

由前沿和后沿木麻黃林土壤碳氮磷化學(xué)計量特征(表3)可知，前沿木麻黃林帶表層土壤的碳、氮、磷含量均顯著小于后沿林帶(P<0.05)，而土壤碳氮比、碳磷比和氮磷比與后沿林帶無顯著差異(P>0.05)。前沿木麻黃林帶深層土壤的碳氮磷含量、碳氮比和氮磷比也顯著小于后沿林帶，而土壤碳磷比顯著高于后沿林帶(P<0.05)。

表3 海岸帶前沿和后沿木麻黃林土壤碳氮磷化學(xué)計量特征

3.3 木麻黃小枝、細(xì)根與土壤碳氮磷化學(xué)計量特征的相關(guān)性

由木麻黃小枝、細(xì)根與土壤碳氮磷化學(xué)計量特征的相關(guān)性(表4)可見，木麻黃小枝和細(xì)根碳含量、碳氮比、碳磷比和氮磷比與表層和深層土壤碳氮磷含量均呈顯著的正相關(guān)，小枝碳氮比與深層土壤碳氮比、碳磷比呈顯著負(fù)相關(guān)，而細(xì)根碳氮比、碳磷比和氮磷比與深層土壤碳氮比和碳磷比均呈顯著負(fù)相關(guān)。此外，木麻黃細(xì)根的磷含量與土壤中碳氮磷含量呈不同程度的負(fù)相關(guān)，小枝碳含量和碳氮比與深層土壤的碳氮比和碳磷比呈不同程度的負(fù)相關(guān)。

表4 木麻黃小枝、細(xì)根與土壤碳氮磷化學(xué)計量特征的相關(guān)性

通過冗余分析進(jìn)行降維，最后篩選出影響木麻黃小枝和細(xì)根碳氮磷化學(xué)計量特征的主要土壤因子為深層土壤的碳磷比和表層土壤磷含量，其中深層土壤碳磷比的貢獻(xiàn)度為71.2%，表層土壤磷含量為9.9%(圖1)。

圖1 木麻黃小枝、細(xì)根與土壤碳氮磷化學(xué)計量特征的冗余分析

4 結(jié)論與討論

全球陸地植物葉片平均碳含量為464 g·kg-1，磷含量為1.58 g·kg-1。本研究中，前沿林帶木麻黃小枝的碳、磷含量均低于全球，氮含量與全球平均水平17.9 g·kg-1基本持平[16]，而后沿林帶木麻黃小枝的碳含量高于全球水平，說明前沿林帶由于受到強(qiáng)烈的環(huán)境脅迫，影響了植物的生長和對碳的固定，葉片中有機(jī)化合物的合成受阻，而隨著海岸距離的推進(jìn)，后沿林帶的環(huán)境條件得到改善，其木麻黃的生長和葉片中有機(jī)化合物的含量也得到提升。

植物葉片的氮磷比可以反映其生長所受的養(yǎng)分限制狀況，即葉片氮磷比高于16表示磷限制，低于14表示氮限制，位于二者之間則表示氮磷共同限制[17]。本研究中，前沿和后沿林帶木麻黃小枝的氮磷比均顯著高于16，說明其生長受到嚴(yán)重的磷限制。土壤的養(yǎng)分狀態(tài)顯著的影響了木麻黃的生長和化學(xué)計量特征，通過相關(guān)分析和冗余分析，本研究確定了影響海岸帶木麻黃化學(xué)計量特征的主要土壤因子為土壤磷含量和碳磷比，這也再次證明土壤中磷素的缺乏是影響海岸木麻黃防護(hù)林生長和經(jīng)營的關(guān)鍵限制性因子。