黔西南北盤(pán)江鎮(zhèn)喀斯特高原峽谷區(qū)植被演替階段碳氮穩(wěn)定同位素特征

吳銀菇， 喻陽(yáng)華， 李一彤， 鄭 維

( 1. 貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 貴陽(yáng) 550025； 2. 貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院/國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心， 貴陽(yáng) 550001 )

碳(C)、氮(N)作為必需生命元素，其生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程一直都是生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)(熊鑫等，2016)。植物-土壤δC、δN組成能夠準(zhǔn)確記錄影響植物新陳代謝和生態(tài)系統(tǒng)C、N循環(huán)的綜合作用(姚凡云等，2012；劉建鋒等，2018)，揭示植物對(duì)特定環(huán)境資源利用策略的響應(yīng)與適應(yīng)機(jī)制。穩(wěn)定C、N同位素技術(shù)可示蹤、整合和指示目標(biāo)物，具有檢測(cè)迅速、結(jié)果準(zhǔn)確、不受時(shí)間限制等優(yōu)點(diǎn)(鄭秋紅和王兵，2009)，是研究森林演替過(guò)程中C、N循環(huán)的理想方法。

近年來(lái)，δC、δN值被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛用來(lái)指示植物水分利用效率和生態(tài)系統(tǒng)C、N循環(huán)機(jī)理(Zheng et al., 2018; 刁浩宇等，2019)。司高月等(2017)和Twohey等(2018)研究發(fā)現(xiàn)葉片δC值可表征植物水分利用率和固C耗水成本，其組成能夠揭示C固定的綜合特征；姚凡云等(2012)研究認(rèn)為植物-土壤δN值可作為生態(tài)系統(tǒng)N飽和程度和N循環(huán)長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的指示因子。顯然，穩(wěn)定同位素技術(shù)的發(fā)展為研究生態(tài)系統(tǒng)化學(xué)元素循環(huán)開(kāi)啟了窗口。葉片-凋落物-土壤作為生態(tài)系統(tǒng)C、N循環(huán)的主要載體(張萍等，2018)，其同位素特征能精準(zhǔn)刻畫(huà)與森林植物群落演替相關(guān)的影響因素和環(huán)境信息變化，亦能厘清生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化過(guò)程，因而研究三者之間C、N及穩(wěn)定同位素基本特征與內(nèi)在關(guān)聯(lián)，有助于深入闡明喀斯特高原峽谷區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)C、N循環(huán)特征和養(yǎng)分分布隨演替進(jìn)程的變化格局。目前，針對(duì)喀斯特森林演替過(guò)程，主要集中在生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征、土壤理化屬性和土壤微生物等角度(盛茂銀等，2015；皮發(fā)劍等，2016；吳求生等，2019)，但基于C、N穩(wěn)定同位素方法對(duì)喀斯特森林演替過(guò)程及規(guī)律研究的報(bào)道鮮見(jiàn)。對(duì)喀斯特生態(tài)系統(tǒng)演替過(guò)程中δC、δN變化特征的了解尚不全面，特別是森林演替過(guò)程中葉片-凋落物-土壤連續(xù)體的δC、δN值的分布特征及其如何指示生態(tài)學(xué)效應(yīng)等，均需深入研究。

基于此，本文以貴州喀斯特高原峽谷區(qū)不同演替階段植物群落為對(duì)象，采用穩(wěn)定C、N同位素方法，通過(guò)測(cè)定4個(gè)演替階段植物葉片-凋落物-土壤C、N及穩(wěn)定同位素，分析其互作效應(yīng)，試圖回答以下2個(gè)科學(xué)問(wèn)題：(1)探討喀斯特森林不同演替階段植物葉片-凋落物-土壤C、N及穩(wěn)定同位素特征，闡明森林δC、δN值隨演替發(fā)生的變化規(guī)律；(2)探究隨森林演替過(guò)程，植物葉片-凋落物-土壤C、N與其穩(wěn)定同位素間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，揭示喀斯特森林演替過(guò)程中植物資源利用與適應(yīng)策略的變化規(guī)律，為診斷養(yǎng)分狀況和制定喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)措施提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省黔西南州貞豐縣北盤(pán)江鎮(zhèn)(105°38′11″ E、25°40′16″ N)，屬典型的喀斯特高原峽谷地貌，地表破碎，地勢(shì)起伏大，海拔為370～1 473 m。區(qū)內(nèi)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降水量為1 100 mm，但時(shí)間分布不均，集中在5—10月，季節(jié)性干旱嚴(yán)重。年總積溫為6 542.9 ℃，年均溫為18.4 ℃，年均最高、最低溫度依次為32.4、6.6 ℃，四季干濕、冷熱明顯，光熱條件豐富。土壤類(lèi)型以石灰土為主，土層淺薄且肥力較低，基巖裸露率高。植被以亞熱帶常綠落葉針闊混交林為主，受人為活動(dòng)干擾，原生植被基本被破壞，次生植被和人工林分布居多(杜家穎等，2017)。突出的生態(tài)問(wèn)題包括水土流失嚴(yán)重、生態(tài)系統(tǒng)脆弱等。

草灌階段以毛葡萄()、葉下珠()、多花木藍(lán)()等為主；灌木階段以川釣樟()為優(yōu)勢(shì)種，滇鼠刺()、清香木()等均有分布；喬灌階段以樸樹(shù)()、毛八角楓()、山麻桿()居多；喬木階段以圓葉烏桕()、翅莢香槐()為主，南酸棗()、構(gòu)樹(shù)()等亦有分布。

1.2 群落調(diào)查

2019年7—8月，在對(duì)研究區(qū)進(jìn)行全面踏查的基礎(chǔ)上，參考盧永飛等(2015)對(duì)喀斯特植被演替階段的劃分方法，將植物群落劃分為草灌、灌木、喬灌和喬木4個(gè)演替階段(表1)。每個(gè)演替階段設(shè)置3個(gè)20 m × 20 m的調(diào)查樣地(海拔810 ～ 850 m，經(jīng)度、緯度和坡度差異均較小，坡向一致)，進(jìn)行植物群落學(xué)調(diào)查。受喀斯特地表破碎、土層淺薄等特殊地形地貌的影響，采樣時(shí)將樣地間距確定為>10 m。灌木和草本調(diào)查樣方大小依次為10 m × 10 m、1 m × 1 m，在每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置4個(gè)灌木小樣方和4個(gè)草本小樣方，樹(shù)高<2 m的木本植物即記為灌木。同時(shí)，記錄喬本名稱(chēng)、樹(shù)高、胸徑、冠幅；灌木名稱(chēng)、樹(shù)高、地徑、蓋度；草本名稱(chēng)、蓋度、平均高度。調(diào)查的環(huán)境因子包括經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向等。

表 1 樣地基本概況Table 1 Basic situation of plots

不同字母表示演替階段之間存在顯著性差異(P<0.05)。下同。Different letters indicate significant differences among the succession stages(P<0.05). The same below.圖 1 不同演替階段植物群落葉片C、N含量及穩(wěn)定同位素值Fig. 1 Contents and stable isotope ratios of C and N in leaves of plant communities at different succession stages

1.3 樣品采集方法

在對(duì)樣地進(jìn)行調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，將重要值大于0.2的樹(shù)種視為優(yōu)勢(shì)種，每個(gè)樣地隨機(jī)選取5株優(yōu)勢(shì)種，摘取東、南、西、北、中5個(gè)方位無(wú)病蟲(chóng)害、健康成熟的葉片，混勻制成1個(gè)樣品裝入尼龍袋。每個(gè)樣地按S形路線(xiàn)采集未分解、半分解及全分解層凋落物(全分解層凋落物以不能辨識(shí)種類(lèi)但未形成腐殖質(zhì)層為判斷依據(jù))，組成1個(gè)混合樣裝入尼龍袋。同時(shí)在采集凋落物的地方，采集0～20 cm土壤，組成混合土樣，采用四分法保留鮮土約0.5 kg。4個(gè)演替階段植物葉片、凋落物和土壤樣品各12份(4個(gè)演替階段 × 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地)。

1.4 樣品處理與分析

樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，葉片和凋落物在(65±2)℃溫度下烘干至恒重后，粉碎、過(guò)篩備用；土壤用鑷子剔除根系、凋落物、石塊和動(dòng)植物殘?bào)w，置于室內(nèi)自然風(fēng)干后，用研磨機(jī)粉碎并依次通過(guò)2.00、0.15 mm篩，裝入專(zhuān)用玻璃瓶中密閉保存，用于測(cè)定C、N含量及穩(wěn)定同位素自然豐度。

葉片-凋落物-土壤C、N含量及δC和δN值在自然資源部第三海洋研究所實(shí)驗(yàn)室采用元素分析儀-穩(wěn)定性同位素質(zhì)譜儀聯(lián)機(jī)(Vario ISOPOTE Cube-Isoprime, Elementar公司)完成測(cè)定，同位素比值采用千分比單位(‰)，用δ表示。

δC值以PDB國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算公式如下：

(‰)=[()/()-1] ×1000。式中，()為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)物PDB(Peedee Belemnite)的C同位素比值，值的分析精度為±0.2‰。

δN值以空氣中N作為參考標(biāo)準(zhǔn)，δN計(jì)算公式如下：

(‰)=[()/()-1] ×1000。式中，()為空氣中N的N同位素比值，值分析精度為±0.25‰。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

利用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗(yàn)森林不同演替階段葉片-凋落物-土壤C、N含量和δC、δN比值之間的差異，利用最小顯著差異法(least significant difference，LSD)進(jìn)行多重比較，采用Pearson相關(guān)分析法對(duì)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)。數(shù)據(jù)整理、分析、制圖等采用Microsoft Excel 2010、SPSS 20.0、Origin Pro 2018軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同演替階段葉片C、N含量及δ13C、δ15N值特征

不同演替階段優(yōu)勢(shì)種葉片C以灌木階段為最小(402.55 g·kg)，說(shuō)明其有機(jī)物含量較低，暗示潛在的C積蓄相對(duì)較弱。葉片δC值以喬灌階段為最低(-31.31‰)，且與草灌、灌木和喬木階段間差異顯著(<0.05，下同)，隨演替進(jìn)程先減小后增加，表明植物水分利用效率隨演替進(jìn)行發(fā)生了部分調(diào)整。葉片N含量、δN值依次為11.97～29.35g·kg、-3.41‰～1.52‰，均以喬灌階段為最低，隨演替進(jìn)行無(wú)明顯變化規(guī)律，葉片N含量、δC和δN演替前期總體上大于演替后期(圖1)。

凋落物C含量以喬灌階段為最大(475.9 g·kg)，顯著高于草灌、灌木和喬木階段，表明喬灌群落有利于生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分回歸。凋落物N含量以喬灌階段為最小(10.55 g·kg)，草灌和喬木、灌木和喬木階段之間均無(wú)顯著差異(>0.05，下同)。凋落物δC值為-29.96‰～-20.07‰，以草灌階段為最高，隨演替進(jìn)行呈降低趨勢(shì)，說(shuō)明凋落物演替初期更易于分解。凋落物δN值為-2.61‰～0.99‰，隨演替發(fā)生表現(xiàn)出正、負(fù)值交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，表明該值的變異率較大(圖2)。

圖 2 不同演替階段植物群落凋落物C、N含量及穩(wěn)定同位素值Fig. 2 Contents and stable isotope ratios of C and N in litters of plant communities at different succession stages

2.2 不同演替階段凋落物C、N含量及δ13C、δ15N值特征

2.3 不同演替階段土壤C、N含量及δ13C、δ15N值特征

土壤C、N含量依次為57.3～147.65 g·kg、5.45～16.15 g·kg，均表現(xiàn)為灌木、喬木階段最高，喬灌階段其次，草灌階段最低，說(shuō)明C、N循環(huán)之間存在緊密的耦合關(guān)系。土壤δC值為-26.83‰～-21.14‰，隨演替進(jìn)行呈降低趨勢(shì)，草灌階段顯著高于其他3個(gè)階段，暗示其土壤有機(jī)質(zhì)分解更徹底。土壤δN值為5.36‰～8.63‰，隨演替進(jìn)行先減小后增大，總體上，土壤更表現(xiàn)出N富集，表明隨森林演替，土壤礦化過(guò)程N(yùn)分餾增強(qiáng)(圖3)。

圖 3 不同演替階段植物群落土壤C、N含量及穩(wěn)定同位素值Fig. 3 Contents and stable isotope ratios of C and N in soil of plant communities at different succession stages

2.4 葉片-凋落物-土壤C、N含量及δ13C、δ15N值之間的相關(guān)關(guān)系

由表2可見(jiàn)，葉片-土壤C、N及其同位素之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，表明植物-土壤之間養(yǎng)分循環(huán)存在緊密關(guān)聯(lián)，具有顯著協(xié)同或權(quán)衡效應(yīng)。凋落物N、δC和δN與其他指標(biāo)均無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，凋落物C與土壤N、δN分別呈顯著、極顯著負(fù)相關(guān)(-0.777、-0.845)，說(shuō)明凋落物與土壤之間的互作關(guān)系強(qiáng)于凋落物與葉片。

3 討論與結(jié)論

3.1 葉片-凋落物-土壤連續(xù)體δ13C、δ15N值特征

本文研究區(qū)森林4個(gè)演替階段葉片δC值為-31.31‰～-28.23‰，較鼎湖山非喀斯特森林偏正(表3)，原因可能是：其一，該研究區(qū)屬于喀斯特高原峽谷，而鼎湖山基巖為泥盆系的厚層砂巖、砂頁(yè)巖，屬于非喀斯特地區(qū)，土壤類(lèi)型主要為赤紅壤，其保水性能較喀斯特地區(qū)好，加之鼎湖山降水量(1 955 mm)亦高于該區(qū)(1 100 mm)，使土壤水分趨于豐富；其二，喀斯特地貌特殊的地上、地下二元結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致水分可利用性偏低，而水分可利用性與其利用效率、葉片δC值均呈負(fù)相關(guān)(Xu et al., 2017)，據(jù)此推斷該區(qū)較低的水分可利用性導(dǎo)致葉片δC值更高。葉片δN值為-3.41‰～1.54‰，與濱海沙地人工林植物葉片相比偏正(表3)，表明該研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)N飽和程度相對(duì)較高，N含量愈加豐富，原因是喀斯特高原峽谷區(qū)生境脆弱，資源供應(yīng)能力相對(duì)匱乏，植物通過(guò)提高對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)能力來(lái)適應(yīng)這一特殊生境，將更多養(yǎng)分用于器官構(gòu)建。

表 2 不同演替階段葉片-凋落物-土壤C、N含量及δ13C、δ15N值之間的相關(guān)分析Table 2 Correlation analyses between for C and N contents and δ13C and δ15N values of leaf-litter-soil at different succession stages

本文4個(gè)演替階段凋落物δC值為-29.96‰～-20.07‰，高于黔西北次生林優(yōu)勢(shì)種凋落物C值(表3)，原因可能是凋落物種類(lèi)、微生物數(shù)量及活性等均存在差異，加之不同樣區(qū)生境水分、巖石裸露率等異質(zhì)性較高，影響了凋落物的分解速率和程度。凋落物δN值為-2.61‰～0.99‰，高于羅緒強(qiáng)等(2014)在貴州清鎮(zhèn)研究的結(jié)果(表3)，原因是研究區(qū)采取了植樹(shù)造林、退耕還林等森林生態(tài)修復(fù)與保護(hù)措施，植物群落發(fā)生正向演替，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，地表凋落物組成向多樣化發(fā)展，微生物數(shù)量增多，凋落物分解速率加快，有利于N富集的氨揮發(fā)增加，從而導(dǎo)致地表凋落物N值偏高(潘復(fù)靜等，2011; 羅緒強(qiáng)等，2014)。

本研究區(qū)4個(gè)演替階段土壤δC值為-26.83‰～-21.14‰，較高寒草甸土壤偏正(表3)，原因是不同研究區(qū)溫度具有較大差異，高寒草甸屬高原大陸性氣候，而該研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，溫度明顯較高，高溫促進(jìn)了土壤微生物活性，使土壤有機(jī)質(zhì)分解速率加快(周詠春等，2019)，進(jìn)而導(dǎo)致土壤δC值升高。土壤δN值為5.36‰～8.63‰，較鼎湖山森林土壤偏高(表3)，這與微生物分解凋落物補(bǔ)償土壤養(yǎng)分過(guò)程有關(guān)，Collins等(2008)研究認(rèn)為微生物C限制條件下，土壤礦化過(guò)程N(yùn)分餾加強(qiáng)，本文結(jié)果顯示凋落物C與土壤δN值極顯著負(fù)相關(guān)，與該結(jié)論一致，原因是喀斯特高原峽谷區(qū)森林凋落物蓄積量雖逐漸增加，但總體偏少，分解補(bǔ)充到土壤中的C量仍較低，導(dǎo)致其C含量低于非喀斯特地區(qū)，微生物主要受C限制，礦化過(guò)程N(yùn)分餾增強(qiáng)，土壤δN值增大。

表 3 貴州喀斯特森林與其他研究區(qū)域葉片-凋落物-土壤δ13C、δ15N值比較Table 3 δ13C and δ15N values in leaf-litter-soil in Guizhou karst forest communities in comparison with forests of other regions

3.2 葉片-凋落物-土壤δ13C、δ15N值與其元素相關(guān)性隨群落演替的關(guān)系

不同層次間C含量變異較為顯著，原因可能是：其一，隨著演替進(jìn)展，植物群落結(jié)構(gòu)、林內(nèi)小氣候以及凋落物的輸入、輸出和分解狀況等均發(fā)生改變，導(dǎo)致歸還土壤的養(yǎng)分含量不同(熊鑫等，2016)；其二，生態(tài)系統(tǒng) C、N循環(huán)之間有著密切關(guān)聯(lián)，固C潛力較大程度受限于土壤供N能力(李德軍等，2018)，受群落結(jié)構(gòu)、環(huán)境因子和供N能力等諸多因素協(xié)同作用，森林C含量變異尤為明顯。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)葉片-凋落物-土壤δC、δN隨演替進(jìn)程變化規(guī)律較弱，說(shuō)明森林演替過(guò)程發(fā)生了同位素分餾，原因是隨演替發(fā)生，地表植被類(lèi)型、水熱條件以及生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分分配格局等均存在顯著差異，植物為適應(yīng)環(huán)境、維持生存，亦采取了相應(yīng)的資源利用和適應(yīng)策略。伴隨著資源利用策略和生存方式的改變，植物光合作用、呼吸作用也會(huì)同步變化，進(jìn)而影響森林穩(wěn)定C、N同位素分餾機(jī)制，最終導(dǎo)致各組分δC、δN值隨演替過(guò)程的變化規(guī)律各異。但植物新陳代謝如何驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定C、N同位素分餾尚需深入研究。

本文研究結(jié)果還顯示，喬灌階段植物群落葉片δC值最低，原因是喬、灌木混交林中，上層喬木枝葉茂盛，其葉片阻擋了進(jìn)入林中的部分光線(xiàn)，導(dǎo)致林內(nèi)光照強(qiáng)度和溫度降低(劉效東等，2014)，致使光合能力下降，林內(nèi)大氣CO濃度上升，導(dǎo)致升高，δC值降低。物種水平上，葉片δC值可表征植物長(zhǎng)期的水分利用效率(Yu et al., 2008)，指示固C耗水成本，亦能評(píng)價(jià)植物對(duì)逆境的適應(yīng)能力(Hussain et al., 2018)。通常，葉片δC值越大，水分利用效率越高，固C耗水成本越低(Yu et al., 2008)，固定相同數(shù)量C所消耗的水分越少。本研究發(fā)現(xiàn)，該研究區(qū)內(nèi)川釣樟、圓葉烏桕和翅莢香槐等優(yōu)勢(shì)種葉片δC值較高，表明該區(qū)灌木和喬木階段的樹(shù)種具有較高的水分利用效率，光合作用固C耗水成本較低， 適應(yīng)水分脅迫生境的能力更強(qiáng)，可作為生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的優(yōu)選樹(shù)種。