周國新, 王光軍,3, 李 櫟, 高吉權(quán), 何 丹,杜 昕
(1.中南林業(yè)科技大學(xué), 湖南 長沙 410004; 2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室, 湖南 長沙 410004;3.湖南會同杉木林國家重點野外科學(xué)觀測研究站, 湖南 會同 418307)
杉木根、枝和葉的C、N、P生態(tài)化學(xué)計量特征
周國新1,2, 王光軍1,2,3, 李 櫟1,2, 高吉權(quán)1,2, 何 丹1, 2,杜 昕1,2
(1.中南林業(yè)科技大學(xué), 湖南 長沙 410004; 2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室, 湖南 長沙 410004;3.湖南會同杉木林國家重點野外科學(xué)觀測研究站, 湖南 會同 418307)
以湖南會同杉木基地Ⅲ號集水區(qū)25年生杉木人工林為研究對象,測定1月份杉木根、枝和葉的C、N、P含量,研究其C、N、P生態(tài)化學(xué)計量特征。結(jié)果表明:杉木根、枝和葉中C含量平均值分別為561.04、515.93、513.56 g/kg,表現(xiàn)為根>枝>葉;N含量平均值分別為6.86、8.78、7.97 g/kg,表現(xiàn)為枝>葉>根;P含量平均值分別為1.45、0.71、1.54 g/kg,表現(xiàn)為葉>根>枝。根的C∶N、C∶P、N∶P的平均值分別為92.50、521.72、5.29;枝的C∶N、C∶P、N∶P的平均值分別為65.17、789.82、12.46;葉的C∶N、C∶P、N∶P的平均值分別為69.31、355.56、5.53。葉的C含量和枝的呈顯著正相關(guān);葉的N含量和枝的呈極顯著正相關(guān);葉的N含量和根的呈極顯著正相關(guān);P的含量在根、枝和葉之間均呈顯著正相關(guān)。
杉木; 生態(tài)化學(xué)計量特征; 根; 枝; 葉
生態(tài)化學(xué)計量學(xué)綜合了生物、化學(xué)、物理等學(xué)科的基本原理,用于研究生態(tài)系統(tǒng)中能量和養(yǎng)分元素的平衡,以及養(yǎng)分元素平衡對生態(tài)交互作用的影響,是當前全球氣候變化下生態(tài)學(xué)研究的熱門領(lǐng)域[1],是研究植物器官之間相互關(guān)系的新學(xué)科[2],在養(yǎng)分循環(huán)、限制性元素的判斷、養(yǎng)分利用效率等研究中得到了廣泛的應(yīng)用[3]。目前,國內(nèi)外許多學(xué)者對植物中C、N、P等元素的生態(tài)化學(xué)計量空間特征進行了研究,探討了養(yǎng)分元素之間的相關(guān)關(guān)系,取得了重要的研究成果[4]。植物器官中養(yǎng)分含量受到環(huán)境中養(yǎng)分含量的制約[5],而目前對植物器官生態(tài)化學(xué)計量特征的研究還不夠充分。杉木是我國長江流域、秦嶺以南地區(qū)栽培最廣、生長快、經(jīng)濟價值高的速生用材樹種。目前,對杉木器官的生態(tài)化學(xué)計量特征相關(guān)關(guān)系的研究還不多。本文對25年生杉木人工林杉木器官的C、N、P含量及其生態(tài)化學(xué)計量特征進行分析,探討其相關(guān)關(guān)系,為杉木林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分機制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[6]。
試驗地選在湖南會同杉木林國家重點野外科學(xué)觀測研究站Ⅲ號集水區(qū),位于我國亞熱帶中部,屬常綠闊葉林區(qū)[7],其地理位置為109°45′E,26°50′N,海拔300~500 m,年均降雨量1 100~1 400 mm,氣候?qū)賮啛釒駶櫄夂?,年平均氣?6.8 ℃。該地區(qū)處于云貴高原向長江中下游平原過渡的中山丘陵地段,其森林資源對長江中下游的生態(tài)文明建設(shè)有著重要的作用[8]。Ⅲ號集水區(qū)是1987年煉山整地后種植的杉木純林,林內(nèi)其它植物主要有的油桐(Verniciafordii)、冬青(Ilexpurpurea)、杜莖山(Myrsinaceae)、菝葜(Smilaxchina)、鐵笀箕(Dicranopterislinearis)、華南毛蕨(Cyclosorusparasiticus)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)等。杉木林分的基本情況見表1,樣地的土壤理化性質(zhì)見表2所示。
表1 樣地林分特征Tab.1 CharacteristicsofstandsofChinesefirplantations坡位林分密度(株/hm2)郁閉度平均胸徑(cm)平均樹高(m)凋落物量(g/m2)上坡19750.815.413410中坡13380.918.517480下坡9560.717.714450
表2 樣地土壤理化性質(zhì)Tab.2 Thephysicalandchemistrypropertiesofsoil坡位含水率(%)容重(g/cm3)pH值溫度(℃)C(g/kg)N(g/kg)P(g/kg)上坡27.131.264.9413.014.301.220.59中坡18.901.125.1612.514.730.930.62下坡24.401.015.0713.214.511.070.61
在Ⅲ號集水區(qū)的上坡、中坡、下坡3個不同坡位上各設(shè)置3塊半徑10 m的圓形樣地,每塊樣地面積為314 m2。根據(jù)“隨機、等量、多點混合”的原則,按照品字布點采集杉木的根、枝和葉的樣品。測定杉木林不同坡位植物器官的C、N、P等元素含量,重復(fù)3次,取其平均值,分析根、枝、葉的化學(xué)計量特征及其相關(guān)性。
每塊樣地隨機選取3株杉木: ①在每株杉木樹上采集約各500 g的葉片、枝;在樹干基部1 m的范圍內(nèi)挖取50 cm深的土塊,清理土壤和雜質(zhì),采集約500 g的細根,分別裝入布袋后帶回實驗室。 ②用烘箱烘干至恒重,烘干后用粉碎機粉碎過篩,用于C、N、P含量測定。
稱樣測定C、N、P含量。有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定;全氮采用凱氏定氮法測定;全磷采用硝酸-高氯酸消煮-鉬銻抗分光光度法測定[9]。
應(yīng)用Excel 2010和SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析;采用One-Way ANOVA,對不同器官之間C、N、P含量以及C∶N、C∶P、N∶P、C∶N∶P進行差異性檢驗;采用Pearson對不同器官之間C、N、P、C∶N、C∶P、N∶P、C∶N∶P進行相關(guān)性分析。C、N、P含量以單位質(zhì)量的養(yǎng)分含量(g/kg)表示,C∶N、C∶P、N∶P、C∶N∶P采用質(zhì)量比。
表3結(jié)果表明:根、枝和葉中C含量平均值分別為561.04、515.93、513.56 g/kg,表現(xiàn)為根>枝>葉;N含量平均值分別為6.86、8.78、7.97 g/kg,表現(xiàn)為枝>葉>根;P含量平均值分別為1.45、0.71、1.54 g/kg,表現(xiàn)為葉>根>枝。根的C∶N、C∶P、N∶P平均值分別為92.50、521.72、5.29,枝的C∶N、C∶P、N∶P平均值分別為65.17、789.82、12.46,葉的C∶N、C∶P、N∶P平均值分別為69.31、355.56、5.53。由單因素分析可知,根、枝和葉中的C、N、P含量以及C∶N、C∶P、N∶P的差異性均不顯著。
表3 杉木根、莖和葉的C、N、P生態(tài)化學(xué)計量特征Tab.3 C,N,Pstoichiometrycharacteristicofroot,stemandleafofChinesefir植物器官C(g/kg)N(g/kg)P(g/kg)C∶NC∶PN∶P葉513.56±52.77a7.97±2.30a1.54±0.47a69.31±27.15a355.56±110.2a5.53±1.39a枝515.93±17.32a8.78±3.19a0.71±0.19a65.17±26.92a789.82±162.3a12.46±5.01a 根561.04±25.92a6.86±2.66a1.45±0.93a92.50±36.54a521.72±240.3a5.29±1.16a 注:數(shù)據(jù)為平均值±標準差;相同字母表示植物器官之間差異性不顯著(P>0.05)。
由表4~表6杉木根、枝、葉的生態(tài)化學(xué)計量相關(guān)性分析結(jié)果可知:葉的N含量與枝的N含量呈極顯著正相關(guān),葉的N含量與枝的P含量、葉的C∶N與枝的C∶P、葉的C∶N∶P與枝的C∶P及N∶P均呈顯著正相關(guān)。葉的N含量與根的P含量呈極顯著正相關(guān),葉的N含量與根的N含量呈顯著正相關(guān)。枝的N含量與根的P含量、枝的P含量與根的N含量及P含量均呈極顯著正相關(guān);枝的N含量與根的N含量呈顯著正相關(guān)。
杉木葉、枝、根中的C含量分別為513.56 g/kg、515.93 g/kg、561.04 g/kg,N含量分別為7.97 g/kg、8.78 g/kg、6.86 g/kg,P含量分別為1.54 g/kg、0.71 g/kg、1.45 g/kg,C∶N分別為69.31、65.17、92.50,C∶P分別為355.56、789、82、521、72,N∶P分別為5.53、12.46、5.29。這與田大倫[10]等對杉木林生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果接近。
表4 杉木葉與枝C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計量的相關(guān)性Tab.4 TherelationshipofC∶N∶Pstoichiometrycharacteristicsbetweenleafandbranch枝葉CNPC∶NC∶PN∶PC∶N∶PC0.5320.176-0.724-0.228-0.1050.167-0.472N-0.7551.000**0.570-0.598-0.4080.251-0.756P-0.8440.985*0.686-0.570-0.3960.230-0.693C∶N0.919-0.598-0.9210.5670.5620.2950.419C∶P0.455-0.713-0.3020.989*0.9260.4690.961*N∶P0.108-0.6040.0880.9130.8260.3750.972* 注:“*”表示顯著相關(guān)(P<0.05);“**”表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。下表5、表6同。
表5 杉木葉與根C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計量特征的相關(guān)性Tab.5 TherelationshipofC∶N∶Pstoichiometrycharacteristicsbetweenleafandroot根葉CNPC∶NC∶PN∶PC∶N∶PC0.2130.500-0.448-0.408-0.2330.235-0.678N-0.8890.966*0.748-0.549-0.3860.213-0.649P-0.8190.992**0.652-0.580-0.4000.237-0.714C∶N-0.6450.0870.7690.4470.4410.3970.508C∶P-0.1810.661-0.0180.0170.2520.793-0.315N∶P0.1690.474-0.384-0.0470.1630.602-0.376
表6 杉木枝與根C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計量特征的相關(guān)性Tab.6 TherelationshipofC∶N∶Pstoichiometrycharacteristicsbetweenbranchandroot根枝CNPC∶NC∶PN∶PC∶N∶PC0.9410.4800.3430.315-0.450-0.739-0.408N-0.0850.972*0.996**-0.761-0.661-0.453-0.882P0.0510.995**0.999**-0.682-0.694-0.536-0.899C∶N-0.8350.1060.234-0.4380.3710.6950.086C∶P0.5660.6500.5720.112-0.158-0.212-0.344N∶P0.8440.4560.3340.322-0.119-0.446-0.266
植物不同器官中的N、P含量均為正相關(guān)關(guān)系,是由于植物生長需要消耗大量的ATP來合成蛋白質(zhì),也體現(xiàn)了環(huán)境供應(yīng)養(yǎng)分元素的共變性[11]。另外,葉片的N∶P受P限制,而根的N∶P表現(xiàn)為受N限制[12]??傮w來看,植物器官中的P對N∶P的影響更大,這是由于植物能從環(huán)境中直接吸收利用的P比N更少[13]。N對根系的影響較大,因為根上附著很多的微生物,微生物維持生長會儲存大部分的N,而凋落物分解N的速度要快于N從有機物轉(zhuǎn)化成為植物可利用的狀態(tài)[14]。植物器官的生態(tài)化學(xué)計量特征會隨著環(huán)境中養(yǎng)分因子的限制情況而呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化,這種適應(yīng)性可通過植物發(fā)育和不同器官的功能性狀進行闡述[15]。研究植物器官養(yǎng)分的生態(tài)化學(xué)計量特征對杉木林的養(yǎng)分儲存和維持長期的生產(chǎn)力有著重要的意義。
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(文字編校:唐效蓉)
C,N,PstoichiometrycharacteristicofChinesefirroot,branchandleaf
ZHOU Guoxin1,2,WANG Guangjun1,2,3,LI Li1,2,GAO Jiquan1,2,HE Dan1,2,DU Xin1,2
(1.Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China;2.National Engineering Lab for Applied Technology of Forestry and Ecology in South China, Changsha 410004, China;3.Huitong Ecological Station for Chinese Fir Plantation, Huitong 418307, China)
Taken the 25 years old Chinese fir forest in different slope positions in Huitong of Hunan Province as research object,the C,N,P contents of the Chinese fir root,branch and leaf were examined in January.The results indicated that,the average values of C content in the root,branch and leaf were 561.04 g/kg,515.93g/kg and 513.56 g/kg respectively,expressed root>branch>leaf.The average values of the N content in the root,branch and leaf were 6.86 g/kg,8.78g/kg and 7.97 g/kg respectively,expressed branch>leaf>root.The average values of the P content in the root,branch and leaf were 1.45g/kg,0.71g/kg and 1.54 g/kg respectively,,expressed leaf>root>branch.The value of C∶N,C∶P,N∶P were 92.50,521.72 and 5.29 in root,65.17,789.82 and 12.46 in branch,69.31,355.56 and 5.53 in leaf.By the analysis of correlation,C content of the leaf and branch was a significant positive correlation,N content of the leaf and branch,the leaf and root were very significant positive correlation,P content of root,branch and leaf were significant positive correlation.
Chinese fir; stoichiometry characteristics; root; branch; leaf
2014-11-19
湖南省研究生科研創(chuàng)新課題項目(CX2013B355);中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項目(CX2013B23)。
周國新(1989-),男,江蘇省東臺市人,碩士生,主要從事森林生態(tài)學(xué)研究。
Q 946
A
1003 — 5710(2015)01 — 0015 — 04
10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2015. 01. 004