青海黃土高寒區(qū)4種典型人工林樹木葉片碳氮磷含量及化學(xué)計量特征*

溫文杰 王冬梅

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院 北京 100083)

碳(C)、氮(N)和磷(P)在樹木生長發(fā)育過程中具有重要作用，其化學(xué)計量比體現(xiàn)樹木的碳積累及氮、磷限制格局，并與氮固定、環(huán)境適應(yīng)等生態(tài)過程有關(guān)，能夠揭示樹木與環(huán)境間的關(guān)系(Elseretal.，2000；Woodsetal.，2003；Fanetal.，2015；Weietal.，2021)。多年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了許多植物葉片養(yǎng)分含量及其生態(tài)化學(xué)計量特征研究，并取得了一定突破(Niklasetal.，2005；Renteríaetal.，2011；Sistlaetal.，2012；Moetal.，2015)，如分析全球1 280種植物(Reichetal.，2004)和我國753種植物(Hanetal.，2005)葉片的養(yǎng)分含量和化學(xué)計量特征，還在我國喀斯特高原石漠化區(qū)(劉娜等，2020)、黃土高原(喬雨寧等，2020)、青藏高原(孫小妹等，2018)、阿拉善荒漠(張珂等，2014)、遼東山區(qū)(畢建華等，2017)、洞庭湖濕地(李旭等，2019)和海南島海岸帶(張書齊等，2020)等典型地貌區(qū)進行了植物葉片養(yǎng)分含量及其化學(xué)計量特征研究，但在青海黃土高寒區(qū)的研究鮮見報告。

植物生活型不同，其葉片的壽命和養(yǎng)分重吸收機制也有所差異，從而影響到葉片C、N和P含量及其生態(tài)化學(xué)計量比(Liuetal.，2006；王晶苑等，2011；劉冬等，2020)；而且在生長季不同階段，植物在養(yǎng)分利用效率的權(quán)衡策略上也可能不一致(吳鵬，2017；王樹力等，2018)。坡位一定程度上體現(xiàn)著水熱條件和養(yǎng)分等的環(huán)境梯度，可能通過水肥再分配影響植物的養(yǎng)分吸收利用(范葉青等，2012；樊月等，2019；余明等，2019)。鑒于此，本研究以青海黃土高寒區(qū)華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、青海云杉(Piceacrassifolia)、白樺(Betulaplatyphylla)和青楊(Populuscathayana)4種典型人工林樹種為對象，研究生長季不同階段和不同坡位時的葉片有機碳(organic carbon,OC)、全氮(total nitrogen,TN)、全磷(total phosphorus,TP)含量及化學(xué)計量特征的變化，以期為指導(dǎo)青海高寒森林的經(jīng)營管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海西寧市大通回族土族自治縣塔爾溝小流域(100°51′—101°56′E，36°43′—37°23′N)，地處青藏高原與黃土高原過渡地帶，屬大陸性高原氣候，年均氣溫2.8 ℃，降水量400～600 mm，主要集中在5—9月，約占全年降水量的87%。主要土壤類型為山地棕褐土和栗鈣土，土層深厚。小流域內(nèi)森林以青海云杉、華北落葉松、青楊和白樺等人工純林為主。

2 研究方法

2.1 葉片樣品采集與處理

葉片樣品采集于2019年5月15日—8月15日。在4種人工純林內(nèi)坡面的上、中、下3個坡位(彼此海拔差至少10 m)設(shè)置20 m×20 m樣地，除華北落葉松在下坡位設(shè)了3塊樣地外，每種林分類型每個坡位均設(shè)置2塊樣地，共計25塊樣地(表1)，對每塊樣地進行每木檢尺。將生長季的5月15日—8月15日劃分為3個階段：5月15日—6月15日(階段Ⅰ)、6月15日—7月15日(階段Ⅱ)和7月15日—8月15日(階段Ⅲ)。在階段Ⅰ，每塊樣地選取3～5株標準木，在其東、南、西和北4個方向采集健康、完整且成熟的葉片，每塊樣地混合葉片樣品不少于500 g。在其他生長季階段，除華北落葉松在下坡位選擇2塊樣地、在中坡位和上坡位各選擇1塊樣地進行采樣外，另外3種林分類型每個坡位僅選1塊樣地進行采樣。

表1 樣地基本特征Tab.1 Characteristics of sampling plots

采集的葉片樣品裝入牛皮紙袋，做好記錄帶回實驗室。置于105 ℃烘箱中殺青30 min后，65 ℃下烘干至恒重。烘干樣品用粉碎機粉碎并過0.15 mm篩，采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定葉片OC含量，凱氏定氮法測定葉片TN含量，堿溶-鉬銻抗比色法測定葉片TP含量。

2.2 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)利用SPSS 25軟件處理，化學(xué)計量比均為摩爾比。采用Shapiro-Wilk檢驗對數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗，當(dāng)P>0.05時數(shù)據(jù)為正態(tài)分布。采用單因素方差分析比較葉片OC、TN和TP含量及化學(xué)計量比C∶N(OC∶TN)、C∶P(OC∶TP)和N∶P(TN∶TP)在不同生活型、生長季階段和坡位間的差異顯著性，并用 Duncan法進行多重比較。對葉片OC、TN和TP含量進行Spearman相關(guān)性分析，利用Canoco 5軟件對葉片養(yǎng)分含量及其化學(xué)計量比與影響因子(生活型、生長季階段和坡位)的關(guān)系進行除趨勢對應(yīng)分析(detrended correspondence analysis,DCA)、冗余分析(redundancy analysis,RDA)和蒙特卡洛置換檢驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 葉片OC、TN和TP含量的總體特征

3.1.1 葉片OC、TN和TP含量的統(tǒng)計特征 表2表明：華北落葉松和青楊葉片的OC、TN和TP含量及青海云杉和白樺葉片的TN含量服從正態(tài)分布，可用算術(shù)平均值(arithmetic mean,AM)反映樣本總體特征，但青海云杉和白樺葉片的OC和TP含量不服從正態(tài)分布，故用幾何平均值(gemetric mean,GM)能更真實反映樣本總體特征；華北落葉松葉片OC、TN和TP含量的算術(shù)平均值(AM)分別為599.81、22.67和2.65 g·kg-1，變異系數(shù)分別為2.08%、19.41%和44.91%；青海云杉葉片OC、TN和TP含量的平均值分別為590.69 g·kg-1(GM)、7.14 g·kg-1(AM)和0.81 g·kg-1(GM)，變異系數(shù)分別為5.16%、11.90%和37.65%；白樺葉片OC、TN和TP含量的平均值分別為605.67 g·kg-1(GM)、27.62 g·kg-1(AM)和1.18 g·kg-1(GM)，變異系數(shù)分別為1.90%、14.67%和66.24%；青楊葉片OC、TN和TP含量的算術(shù)平均值(AM)分別為571.19、23.31和2.25 g·kg-1，變異系數(shù)分別為2.02%、26.08%和68.00%；4種樹木葉片OC、TN和TP含量的變異性規(guī)律相同，即變異系數(shù)表現(xiàn)為TP>TN>OC。

表2 樹木葉片OC、TN和TP含量的統(tǒng)計特征①Tab.2 Statistical characteristics of OC,TN,and TP content in tree leaves

3.1.2 葉片OC、TN和TP含量的生活型、生長季階段和坡位比較 將4種樹木劃為針葉樹和闊葉樹2種生活型。由表3可看出：針葉樹和闊葉樹葉片的OC含量在不同生長季階段無顯著差異(P2>0.05)；闊葉樹葉片TN含量在階段Ⅰ和Ⅱ顯著高于針葉樹(P2<0.05)，并在階段Ⅲ也高于針葉樹，但差異不顯著(P2>0.05)；針葉樹和闊葉樹葉片TP含量在階段Ⅰ和Ⅱ無顯著差異(P2>0.05)，但在階段Ⅲ表現(xiàn)出針葉樹葉片TP含量顯著高于闊葉樹(P2<0.05)。

由表3還可看出：針葉樹和闊葉樹葉片OC含量、針葉樹葉片TN和TP含量均在各生長季階段之間差異不顯著(P1>0.05)；闊葉樹葉片TN和TP含量均存在顯著的生長季階段差異(P1<0.05)，表現(xiàn)為TN在階段I顯著高于階段Ⅱ和Ⅲ；TP在階段Ⅰ顯著高于階段Ⅱ，在階段Ⅱ又顯著高于階段Ⅲ。總體來看，闊葉樹葉片TN和TP含量受生長季階段的影響大于針葉樹。

表3 樹木葉片OC、TN和TP含量的生活型和生長季階段比較①Tab.3 Comparison of OC,TN,and TP content in tree leaves under different life forms and stages of the growing season

由表4可看出：3個坡位針葉樹葉片OC含量均高于闊葉樹，但差異不顯著(P2>0.05)；闊葉樹葉片TN含量在各坡位均高于針葉樹，但僅在中、上坡位顯著(P2<0.05)，在下坡位不顯著(P2>0.05)；針葉樹和闊葉樹葉片TP含量在3個坡位之間無顯著差異(P2>0.05)。

由表4還可看出：針葉樹和闊葉樹葉片OC含量在下坡位均高于中、上坡位，但未達到顯著水平(P3>0.05)；TN和TP含量在不同坡位間均差異不顯著(P3>0.05)。

表4 樹木葉片OC、TN和TP含量的生活型和坡位比較①Tab.4 Comparison of OC,TN,and TP content in tree leaves under different life forms and slope positions

3.2 葉片C∶N、C∶P和N∶P的總體特征

3.2.1 葉片C∶N、C∶P和N∶P的統(tǒng)計特征 表5表明：4種樹木葉片的C∶N和青海云杉葉片C∶P均服從正態(tài)分布，采用算術(shù)平均值(AM)，4種樹木葉片的N∶P以及華北落葉松、白樺和青楊葉片C∶P不服從正態(tài)分布，采用幾何平均值(GM)；華北落葉松葉片C∶N、C∶P和N∶P的平均值分別為32.04(AM)、667.53(GM)和21.24(GM)，變異系數(shù)分別為19.79%、71.89%和70.28%；青海云杉葉片C∶N、C∶P和N∶P的平均值分別為97.73(AM)、1 971.00(AM)和18.87(GM)，變異系數(shù)分別為11.48%、30.39%和24.71%；白樺葉片C∶N、C∶P和N∶P的平均值分別為26.04(AM)、1 330.24(GM)和51.50(GM)，變異系數(shù)分別為12.90%、87.87%和83.61%；青楊葉片C∶N、C∶P和N∶P的平均值分別為30.45(AM)、938.01(GM)和31.80(GM)，變異系數(shù)分別為26.01%、120.79%和99.71%?？梢钥闯?，4種樹木葉片C∶N的變異系數(shù)小于N∶P的變異系數(shù)，N∶P的變異系數(shù)又小于C∶P的變異系數(shù)。

表5 樹木葉片C∶N、C∶P和N∶P的統(tǒng)計特征Tab.5 Statistical characteristics of C∶N,C∶P,and N∶P in tree leaves

3.2.2 葉片C∶N、C∶P和N∶P的生活型、生長季階段和坡位比較 由表6可看出：針葉樹葉片C∶N在階段Ⅰ和Ⅱ顯著高于闊葉樹(P2<0.05)，在階段Ⅲ也高于闊葉樹但差異不顯著(P2>0.05)；針葉樹葉片C∶P在階段Ⅰ顯著高于闊葉樹(P2<0.05)，但在階段Ⅲ顯著低于闊葉樹(P2<0.05)，在階段Ⅱ不顯著低于闊葉樹(P2>0.05)；闊葉樹葉片N∶P在階段Ⅰ和Ⅲ顯著高于針葉樹(P2<0.05)，在階段Ⅱ不顯著高于針葉樹(P2>0.05)。

由表6還可看出：針葉樹葉片C∶N和C∶P在3個生長季階段間差異不顯著(P1>0.05)，而N∶P在3個生長季階段間則差異顯著(P1<0.05)，階段Ⅲ顯著高于階段Ⅰ和Ⅱ；闊葉樹葉片C∶N、C∶P和N∶P在3個生長季階段間均差異顯著(P1<0.05)，C∶N在階段Ⅱ和Ⅲ顯著高于階段Ⅰ，C∶P在階段Ⅲ顯著高于階段Ⅰ和Ⅱ，N∶P在階段Ⅲ也顯著高于階段Ⅰ和Ⅱ?？傮w來看，闊葉樹葉片C∶N和C∶P受生長季階段的影響大于針葉樹。

表6 樹木葉片C∶N、C∶P和N∶P的生活型和生長季階段比較Tab.6 Comparison of C∶N,C∶P,and N∶P in tree leaves under different life forms and stages of the growing season

由表7可看出：針葉樹葉片C∶N高于闊葉樹，在中和上坡位差異顯著(P2<0.05)，在下坡位差異不顯著(P2>0.05)；針葉樹葉片C∶P與闊葉樹在3個坡位均無顯著差異(P2>0.05)；闊葉樹葉片N∶P高于針葉樹，下坡位差異顯著(P2<0.05)，中和上坡位差異不顯著(P2>0.05)。

由表7還可看出：針葉樹和闊葉樹葉片C∶N和C∶P在下坡位均高于中和上坡位，但未達到顯著水平(P3>0.05)；針葉樹和闊葉樹葉片的N∶P在不同坡位間也差異不顯著(P3>0.05)。

表7 樹木葉片C∶N、C∶P和N∶P的生活型和坡位比較Tab.7 Comparison of C∶N,C∶P,and N∶P in tree leaves under different life forms and slope positions

3.3 葉片OC、TN和TP含量之間的相關(guān)性

對青海黃土高寒區(qū)4種典型人工林樹木在生長季(5月15日—8月15日)的葉片OC、TN和TP含量進行Spearman相關(guān)性分析，結(jié)果(表8)表明，4種樹木葉片OC含量與TN、TP含量均不存在顯著相關(guān)關(guān)系，除青海云杉外，其他3種樹木葉片TN與TP含量均極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

表8 樹木葉片OC、TN和TP含量的Spearman相關(guān)性分析①Tab.8 Spearman correlation analysis of OC,TN,and TP content in tree leaves

3.4 葉片OC、TN、TP含量和化學(xué)計量比對生活型、生長季階段和坡位的響應(yīng)

DCA結(jié)果顯示，排序軸的梯度長度小于3，適合采用線性排序法(線性模型)，故本研究用RDA來研究葉片OC、TN和TP含量以及化學(xué)計量比與生活型、生長季階段和坡位之間的關(guān)系。由圖1可知，生長季階段(SGS，從Ⅰ、Ⅱ到Ⅲ)與葉片C∶N、C∶P和N∶P正相關(guān)，與葉片OC、TN和TP含量負相關(guān)。生活型(LF，從針葉樹到闊葉樹)與葉片TN含量、C∶P和N∶P正相關(guān)，與OC含量和C∶N負相關(guān)，對TP含量影響較小(投影點在原點附近)。坡位(SP，從下坡、中坡到上坡)與葉片TP和TN含量正相關(guān)，與葉片C∶P和N∶P負相關(guān)，對葉片OC含量和C∶N影響較小(投影點在原點附近)。

圖1 生長季階段、生活型和坡位與葉片OC、TN和TP含量及化學(xué)計量比的RDA排序Fig.1 RDA ranking of different stages of the growing season,life forms,and slope positions of trees and the leaf OC,TN,and TP content and stoichiometric ratiosSGS：生長季階段Stage of the growing season；LF：生活型Life form；SP：坡位Slope position.

蒙特卡洛置換檢驗結(jié)果表明(表9)：生長季階段和生活型對葉片OC、TN和TP含量及化學(xué)計量比的影響均達極顯著水平(P<0.01)，且二者的解釋程度相差不大，分別為17.5%和15.0%。相比之下，坡位的解釋程度最低，僅為1.3%。

表9 生長季階段、生活型和坡位對葉片OC、TN和TP含量及化學(xué)計量比的解釋程度Tab.9 Interpretation degree of leaf OC,TN,and TP content and stoichiometric ratios under different stages of the growing season,life forms,and slope positions of trees

4 討論

本研究中，青海黃土高寒區(qū)4種典型人工林樹木葉片OC含量平均值(變化范圍)為591.84 (571.19～605.67)g·kg-1，遠高于全球植物葉片的均值464 g·kg-1(Elseretal.，2000)，可能是處在高寒區(qū)的樹木生長較慢，光合速率較低，導(dǎo)致OC含量累積有關(guān)。全球陸生植物葉片TN含量平均值為20.1 g· kg-1(Reichetal.，2004)，我國植物葉片平均TN含量為20.2 g·kg-1(Hanetal.，2005)，我國北方山區(qū)人工林樹木葉片平均TN含量為21.6 g·kg-1(宗寧等，2017)，本研究中4種樹木葉片TN含量平均值(變化范圍)為17.76(7.14～27.62)g·kg-1，其中青海云杉葉片TN含量(7.14 g·kg-1)遠低于全球、我國植物葉片及我國北方山區(qū)人工林樹木葉片均值。研究表明，葉片TN含量較高的植物具有較高的光合速率，生長也較快(楊斌等，2019；胡啟武等，2014)，故青海黃土高寒區(qū)的青海云杉生長較慢。全球陸生植物葉片TP含量平均值為1.77 g·kg-1(Reichetal.，2004)，我國植物葉片平均TP含量為1.46 g·kg-1(Hanetal.，2005)，我國北方山區(qū)人工林樹木葉片平均TP含量為2.35 g·kg-1(宗寧等，2017)，本研究中4種樹木葉片TP含量平均值(變化范圍)為1.47(0.81～2.65)g·kg-1，其中青海云杉葉片TP含量(0.81 g·kg-1)遠低于全球、我國植物葉片及我國北方山區(qū)人工林樹木葉片均值。由此可知，青海云杉葉片TN和TP含量均較低。

葉片C∶N和C∶P代表植物吸收營養(yǎng)元素時同化OC的能力，一定程度上可反映植物的營養(yǎng)利用效率。在低營養(yǎng)條件下，植物生長緩慢，C∶N和C∶P將增大，植物的營養(yǎng)利用率提高，所以高的C∶N和C∶P表征植物生長較慢(楊惠敏等，2011；李從娟等，2014；鄧成華等，2019；龔雪偉等，2017)。我國東部南北森林樣帶102 個優(yōu)勢種葉片的C∶N∶P摩爾比算術(shù)平均值為810.9∶ 25.4∶1(任書杰等，2012)，本研究青海黃土高寒區(qū)4種樹木中，青海云杉葉片C∶N和C∶P遠高于其他3個樹種，也高于我國東部森林樣帶，青海云杉生長較慢。

TN和TP是陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要限制因子，N∶P通常用來描述群落水平的TN和TP相對限制。我國753種陸生植物葉片N∶P質(zhì)量比平均為16.3(Hanetal.，2005)，換算成摩爾比為36.09。本研究中，青海云杉葉片N∶P平均值為18.87，在4種樹木中最低，且遠低于我國植物葉片均值。白樺葉片N∶P平均值為51.50，在4種樹木中最高，且遠高于我國植物葉片均值，說明青海云杉的生長更多受TN限制，白樺生長更多受TP限制。

本研究Spearman相關(guān)性分析表明，除青海云杉葉片外，其他3種樹木葉片TN和TP含量均極顯著正相關(guān)(P<0.01)，而近年來有研究表明，若葉片TN含量較高時，通常也具有相對較高的TP含量(Rongetal.，2015；Wuetal.，2014)，這可以為今后探討葉片內(nèi)養(yǎng)分的循環(huán)和利用提供一定理論依據(jù)。

本研究通過RDA分析得到，青海黃土高寒區(qū)4種樹木葉片OC、TN和TP含量及化學(xué)計量比受生長季階段和生活型的影響均達極顯著水平(P<0.01)，解釋程度較高，而受坡位的影響未達顯著水平(P>0.05)，解釋程度也最低。

青海黃土高寒區(qū)4個樹種葉片OC、TN和TP含量及其化學(xué)計量比隨生活型、生長季階段和坡位變化的一般性規(guī)律為：闊葉樹葉片TN含量高于針葉樹，闊葉樹葉片TN和TP含量及C∶N和C∶P受生長季階段的影響大于針葉樹，這可能與針葉和闊葉樹木葉片結(jié)構(gòu)不同有關(guān)，還需要進一步研究；下坡位針葉樹和闊葉樹葉片的OC含量、C∶N和C∶P均高于中坡位和上坡位，雖然未達到顯著水平，但在一定程度上也可以說明下坡位樹木生長相對較慢，這可能是由于下坡位樹木受人類活動干擾較大。

5 結(jié)論

本研究探討青海黃土高寒區(qū)華北落葉松、青海云杉、白樺和青楊這4種典型人工林樹木(針葉和闊葉2種生活型)葉片的OC、TN、TP含量和化學(xué)計量特征，及其隨生長季階段和坡位的變化，結(jié)果表明：

1)青海云杉葉片C∶N和C∶P較高，N∶P較低，說明青海云杉生長較慢，且更多受TN限制，要注意TN養(yǎng)分的補給。

2)生長季階段和針葉、闊葉生活型是影響青海黃土高寒區(qū)4種樹木葉片養(yǎng)分含量和化學(xué)計量比的顯著因素(P<0.01)。闊葉樹葉片TN含量高于針葉樹，生長季階段對闊葉樹葉片TN和TP含量及C∶N和C∶P的影響大于針葉樹，養(yǎng)分管理時要關(guān)注樹木所屬的生活型和所處的生長季階段。