海南島不同林分植物葉片-土壤生態(tài)化學(xué)計量特征*

陳小花 陳宗鑄 吳庭天 雷金睿 李苑菱

（1.海南省林業(yè)科學(xué)研究院（海南省紅樹林研究院），海南 ?？?71100；2.海南省熱帶林業(yè)資源監(jiān)測與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），海南 海口 571100）

生態(tài)化學(xué)計量是指對生態(tài)相互作用和過程很重要的化學(xué)元素的比率。通過化學(xué)計量對理解生態(tài)系統(tǒng)功能和營養(yǎng)循環(huán)是至關(guān)重要的[1]。植物和土壤碳（C），氮（N）和磷（P）化學(xué)計量特征是森林生態(tài)系統(tǒng)C-N-P 耦合循環(huán)的重要指標(biāo)，對提升生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況具有十分重要的意義[2-3]。由于陸地生態(tài)系統(tǒng)組成的復(fù)雜性和不均一性，土壤化學(xué)計量關(guān)系存在很大的變異性[4]。生態(tài)化學(xué)計量直接或間接影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，探析生態(tài)化學(xué)計量為揭示森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)和穩(wěn)定機(jī)制等生態(tài)研究提供新的思路[5]。

C、N、P 是植物生長和功能發(fā)育不可或缺的3 種主要營養(yǎng)元素[6]，同時N 和P 是陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳封存的限制因素[7]。土壤養(yǎng)分含量是陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要指標(biāo)[8]，其C、N、P 的化學(xué)計量平衡對植物生長和調(diào)節(jié)養(yǎng)分循環(huán)以及生態(tài)系統(tǒng)功能等方面起重要作用[9]。以往的研究報道，植被恢復(fù)是土壤養(yǎng)分積累的一個主要過程，能促進(jìn)土壤酶活性而影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促使生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[10]。C、N、P 化學(xué)計量學(xué)通常被用于研究生態(tài)系統(tǒng)不同組成之間的反饋和相互關(guān)系，從而探索生物過程中各元素之間的相互作用和平衡[11]。土壤C/N、C/P 和N/P 隨植被類型及其基質(zhì)不同而發(fā)生變化[12]。周麗麗等[3]人研究得出土壤養(yǎng)分元素及化學(xué)計量比多呈顯著的線性關(guān)系，在不同土層深度的土壤C、N、P 化學(xué)計量特征受影響因素有所差別，且深層土壤養(yǎng)分含量相對較低。植物-土壤系統(tǒng)的化學(xué)計量特征在不同植被類型中存在顯著差異，植物與土壤N:P 的耦合關(guān)系表明土壤中C、N、P 的濃度通常是平衡的[13]。此外，關(guān)于葉片C:N:P 化學(xué)計量的研究也頗多[14-15]，葉片N/P 比率已被廣泛用于預(yù)測植物生長的營養(yǎng)限制[16]?；瘜W(xué)計量的穩(wěn)態(tài)是生態(tài)化學(xué)計量的中心概念，是生物體維持其營養(yǎng)成分相對恒定的能力，而與環(huán)境營養(yǎng)狀況的變化無關(guān)。因此，不同植被類型下的土壤養(yǎng)分動態(tài)和生物學(xué)特性具有不同的生態(tài)化學(xué)計量特征[17]。

熱帶林是生物多樣性最高、生態(tài)功能最強(qiáng)的陸地生態(tài)系統(tǒng)，在維護(hù)地球生態(tài)平衡中具有至關(guān)重要的作用[18]。海南島是我國面積最大的熱帶林區(qū)，與我國大陸森林植被相比較，具有很高的多樣性、特有性和復(fù)雜性。根據(jù)海南島全島中高周低的地勢，中部山區(qū)主要分布一定面積的原始林和次生林。原始林是最穩(wěn)定的頂級群落森林，能維持地球的生態(tài)平衡；次生林是海南島常見的天然植物群落，在涵養(yǎng)水源、保持水土和維持生態(tài)平衡等方面發(fā)揮重要作用。本研究以海南島原始林和次生林作為研究對象，采用外業(yè)調(diào)查與內(nèi)業(yè)測定相結(jié)合方法對該地區(qū)主要植物進(jìn)行C、N、P化學(xué)元素含量測定，初步評估該區(qū)主要森林類型的植物和土壤化學(xué)計量學(xué)特征，目的在于了解植物與土壤之間的耦合關(guān)系，以期為該區(qū)域典型林分的科學(xué)評估及后續(xù)科學(xué)管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究選取了海南島2 種典型林分類型，分別是原始林和次生林。其中原始林研究區(qū)域位于海南省吊羅山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，屬于熱帶海洋季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫24.6℃，年均相對濕度85.9%，年均降水量2 160 mm，土壤類型為花崗巖或火成巖發(fā)育形成的濕潤、呈酸性的紅壤和山地黃壤，土壤pH為4～9。保護(hù)區(qū)內(nèi)植物資源極其豐富，植被類型復(fù)雜且多樣，既有大面積原始林，又有大面積次生林，本次研究范圍以原始林為主[19-21]。而次生林落于瓊中縣黎母山保護(hù)區(qū)內(nèi)，屬熱帶季風(fēng)氣候，常年濕潤溫暖，雨量充沛。年平均氣溫23.1℃，年日照1 773.5～1 918.3 h，年平均風(fēng)速1.1 m/s，降水量主要集中于5—10 月份，約1 809 mm。黎母山保護(hù)區(qū)以丘陵地形為主，植物類型可以分為季雨林、熱帶溝谷雨林、常綠針闊混交林、高山苔蘚矮林。土壤類型主要有黃壤、赤紅壤和磚紅壤[22]，土壤pH值為4～6。具體如表1 所示。

表1 樣地概況Table1 Sample plot survey

2 材料與方法

2.1 樣品采集

于2020 年5—6 月進(jìn)行樣品采集。在吊羅山國家森林公園保護(hù)區(qū)和黎母山保護(hù)區(qū)研究區(qū)域內(nèi)，分別設(shè)置5 m×5 m 的大樣方40 個，在每個大樣方內(nèi)隨機(jī)布置4 個1 m×1 m 的小樣方，記錄各個小樣方的經(jīng)緯度坐標(biāo)，每小樣方都為單一物種，因調(diào)查區(qū)域群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采集范圍廣且樹種多樣。在每個小樣方內(nèi)使用高枝剪最大可能性采集冠層頂端成熟的葉片（過高樹除外），盡可能覆蓋小樣方的不同部位，采集量鮮重大約在50～100 g。將采集的葉子混合裝在牛皮紙內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室烘干至恒重，用于分析葉片總碳、總氮和總磷含量。

土壤樣品的采集與葉片采集同時進(jìn)行。在每個小樣方內(nèi)采用小鐵鍬采集土樣，挖去表層的枯枝落葉，采集下方2～10 cm 的土壤（鮮重約500 g），裝到樣品袋內(nèi)，貼上標(biāo)簽，帶回實(shí)驗(yàn)室。將土壤樣品進(jìn)行自然風(fēng)干，挑去活體根系，過60 目篩子，用于土壤pH、有機(jī)碳、全氮和全磷分析。

2.2 室內(nèi)分析

土壤和植物葉樣品的測定：土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化- 分光光度法（HJ 615-2011）[23]；土壤全氮采用半微量開氏法（NY/T 53-1987）[24]；土壤全磷采用堿熔法和酸溶法（LY/T 1232-2015）[25]；pH 采用電位法（NY/T1377-2007）[26]；葉片全碳參照《陸地生物群落調(diào)查觀測與分析》[27]；葉片全氮采用凱氏定氮儀法（NY/T 2017-2011）[28]；葉片全磷采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀法（GB 5009.268-2016）[29]。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 軟件對測定數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和制圖。統(tǒng)計分析在SPSS 22.0 中完成，其中采用單因素方差分析法（one-way ANOVA）分析相同組分不同森林類型間C、N、P 含量及化學(xué)計量比的差異性，各組分C/N、C/P 及N/P 均以質(zhì)量比表示，表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（n=40），顯著性水平設(shè)定為α=0.05；采用Pearson 相關(guān)分析法分析各森林類型中冠層葉片與土壤間C、N、P 化學(xué)計量特征的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 植物葉片和土壤C、N、P 含量

如表2 所示，2 種林分類型植物葉和土壤C、N、P 含量間存在顯著差異（P＜0.05）。2 種林型植物葉C、N、P 平均含量分別為410.67、15.18、0.63 g/kg；而土壤C、N、P 平均含量分別為36.64、1.69、0.21 g/kg。

表2 2 種林分類型植物葉與土壤C、N、P 含量Table2 C, N and P contents in leaf and soil in two forest types

不同林型間，植物葉C 含量分別為412.43、408.91 g/kg，以次生林最高；土壤C 含量以原始林顯著最高（40.94 g/kg），次生林次之（32.34 g/kg）。不同林型N 含量在植物葉中表現(xiàn)為次生林（17.91 g/kg）顯著高于原始林（12.47g/kg）；反之土壤N 含量表現(xiàn)為原始林顯著高于次生林。不同林型P 含量在植物中存在顯著差異（P＜0.05），表現(xiàn)為次生林最高（0.74 g/kg），原始林最?。?.52 g/kg）；而土壤P 含量在不同林型間則無明顯差異（P＞0.05）。

3.2 植物葉片和土壤C、N、P 化學(xué)計量比

2 種林分類型植物葉片、土壤C、N、P 化學(xué)計量比間存在顯著差異（P＜0.05）（圖2）。結(jié)果顯示，本研究中2 種林型C/N、C/P、N/P 表現(xiàn)為植物葉＞土壤。2 種林型植物葉和土壤C/N 均值分別為31.60、24.21，C/P 均值分別為841.53、225.16。植物葉C/N 表現(xiàn)為原始林顯著高于次生林；植物葉、土壤C/P 均表現(xiàn)為次生林＜原始林，且2 種林型間差異顯著。

圖2 2 種林分植物葉與土壤化學(xué)計量比Fig.2 The stoichiometric ratio of leaf and soil in two forest types

2 種林型植物葉N/P 在16.11 ～ 56.77 間，均值為27.17；土壤N/P 在2.22 ～ 27.86 間，均值為9.76，原始林顯著高于次生林（P＜ 0.05）。

3.3 植物葉和土壤C、N、P 及其化學(xué)計量比相關(guān)性

對2 種林分植物葉、土壤各組分間C、N、P含量及其化學(xué)計量比進(jìn)行Pearson 相關(guān)分析（表3），結(jié)果表明：除了原始林植物葉與土壤C 含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），其余C、N、P 含量及其化學(xué)計量比在植物葉和土壤之間Pearson 相關(guān)性不顯著。綜合分析結(jié)果與林分單獨(dú)分析結(jié)果基本一致，植物葉與土壤C 呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），其余元素相關(guān)性不顯著。以上表明植物葉與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性不是很突出，因?yàn)橥寥繡、N 養(yǎng)分主要來源于凋落物的分解，凋落物來源于植物葉的自然脫落，可以認(rèn)為植物葉對土壤養(yǎng)分的形成起到間接作用。

表3 2 種林分植物葉和土壤C、N、P 含量及化學(xué)計量比相關(guān)性Table3 Correlation of leaf and soil C,N,P contents and stoichiometric ratio in two forest types

2 種林分植物葉與土壤主要元素N、P 間相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果表明（圖3）：2 種林分植物葉片中N 和P 含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（R2=0.770 2，P＜0.001）；土壤中N 和P 含量無明顯相關(guān)性（R2=0.188 9，P＞0.05），但分別求算原始林和次生林土壤N、P 間相關(guān)關(guān)系結(jié)果顯示，原始林土壤中N 和P 含量無明顯相關(guān)性（R2=0.170 9，P ＞0.05），次生林土壤中N 和P 含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（R2=0504 5，P＜0.001）；2 種林分N、P 含量在植物葉和土壤中存在較大變異。

圖3 植物葉和土壤N、P 含量相關(guān)關(guān)系Fig.3 The correlation between N and P contents in leaf and soil

3 討論與結(jié)論

本研究對海南島不同森林類型土壤和植物葉C、N、P 化學(xué)計量特征進(jìn)行分析。研究表明，土壤C、N、P 化學(xué)計量特征是林地土壤肥力和養(yǎng)分循環(huán)變化的響應(yīng)指標(biāo)[30-31]，其C、N 通過影響微生物活性來調(diào)控有機(jī)質(zhì)分解速率，進(jìn)而影響土壤碳氮循環(huán)。An 等[32]人研究表明，C/N 與有機(jī)質(zhì)分解速率呈負(fù)相關(guān)，本研究中，各林分土壤C/N 分別為23.05（原始林）、25.36（次生林），均高于我國和全球土壤C/N 平均水平（11.9，14.3）。結(jié)合何高迅等[33]人的研究結(jié)論，當(dāng)土壤C/N 較高時，越有利于有機(jī)物的積累。因此認(rèn)為該區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率較慢，養(yǎng)分循環(huán)的速度被限制，尚屬于有機(jī)物的積累周期。土壤C/P 是表征土壤的磷素有效性的指標(biāo)[34]，可以衡量微生物對土壤有機(jī)質(zhì)的礦化，本研究中，2 種林分土壤C/P 平均值為225.16，高于全國平均值（61）[35]。王紹強(qiáng)等[4]人指出，當(dāng)C/P 較高時容易出現(xiàn)微生物與植被競爭性吸收土壤有效P 的現(xiàn)象。土壤N、P 是植物生長發(fā)育所必需的礦質(zhì)養(yǎng)分，N/P 是養(yǎng)分限制的預(yù)測因子，同時也是N 飽和的判斷指標(biāo)[36]，原始林和次生林土壤N/P 平均值分別為12.70、6.83，均高于我國和全球森林土壤平均水平（3.9，5.9）[35]。當(dāng)土壤N/P ＜10 時，植被生長受N 限制[37]，因此認(rèn)為次生林植被生長過程傾向于受土壤N 的限制。

有關(guān)植物C/N、C/P 的作用，可以歸納為2個方面，一是表征植物吸收N、P 和同化C 的效率[38]，二是可以反映土壤N、P 的供應(yīng)狀況。邢雪榮等人[39]的研究得出土壤養(yǎng)分供應(yīng)與植物光合代謝生理過程有緊密關(guān)系，植物在養(yǎng)分元素供應(yīng)不足或過剩的情況下會表現(xiàn)出較高或較低的養(yǎng)分利用效率。本研究中熱帶地區(qū)2 種林分植物葉片C/N 和C/P 平均值分別為31.88 和840.74，同時高于全球平均水平的22.5 和232[40]和溫帶針闊混交林的24.7 和321[41]。由此認(rèn)為該區(qū)植物的N 和P利用率相對較高[42]，因?yàn)闊釒У貐^(qū)土壤養(yǎng)分元素相對缺乏，有研究也表明植物在土壤養(yǎng)分缺乏時提高養(yǎng)分利用率是植物適應(yīng)養(yǎng)分貧瘠狀況時的生存策略[43]。而在不同林分內(nèi)，植物葉C/N、C/P 基本表現(xiàn)為次生林＜原始林，與張雨鑒等[44]人研究結(jié)果相一致。本研究中2 種林分植物葉N/P 范圍為16.11 ～ 56.77，均值為27.17，均高于全國森林平均值的16，總體認(rèn)為海南島2 種林分對N 和P元素的利用率較高。

隨著植物的生長，其內(nèi)部生理生化會應(yīng)對外界環(huán)境變化而逐漸形成自我調(diào)節(jié)能力，植物C、N、P 含量也會發(fā)生改變，但因植物生理生化過程的內(nèi)在聯(lián)系，C、N、P 之間存在明顯的相關(guān)性[45]，前人劉小菊等[46]和陳小雪等[47]也得出植物和土壤C、N 間相互促進(jìn)、協(xié)同增長的正相關(guān)關(guān)系。本研究結(jié)果顯示，海南島2 種林分植物葉和土壤N、P 含量基本呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān)，說明養(yǎng)分元素在植物和土壤中具有明顯的耦合性，在植物與土壤之間緊密關(guān)聯(lián)、相互作用。而原始林土壤N、P 含量間無明顯相關(guān)性，這也表明了土壤養(yǎng)分含量在不同地理界限位置具有不一致的相關(guān)關(guān)系，何家莉等[48]研究指出土壤養(yǎng)分受生長期階段和生物地理界線及其交互作用的顯著影響，其中土壤TP 含量在生物地理界限間無明顯差異。此外，不同林型植物葉和土壤C/N、C/P 沒有表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，這與不同林型生態(tài)系統(tǒng)的植物構(gòu)成相對復(fù)雜，且各植物C 同化能力及養(yǎng)分需求差異較大有關(guān)[49]，同時高溫、高降水及快速的植物生長可以提高土壤養(yǎng)分間的正相關(guān)關(guān)系[48]。

綜上認(rèn)為，研究結(jié)果為了解海南島原始林和次生林生態(tài)系統(tǒng)植物葉-土壤養(yǎng)分狀況和養(yǎng)分循環(huán)特征提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對今后熱帶林區(qū)的保護(hù)和恢復(fù)具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。但為考慮環(huán)境因子等對化學(xué)計量特征的影響，下一步將結(jié)合地形、溫度、降雨、物種結(jié)構(gòu)等因子對不同森林類型“植物葉-凋落葉-土壤”三者之間耦合關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究。