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        不同林齡柑橘園碳氮磷分配及生態(tài)化學(xué)計量特征研究

        2016-10-19 22:05:12楊好運賈國梅杜祥運張寶林許文年
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016年6期
        關(guān)鍵詞:柑橘土壤

        楊好運 賈國梅 杜祥運 張寶林 許文年

        摘要:選取了鄰近的3種林齡(10、20和30年)的柑橘(Citrus reticulata Blanco.)凋落物和土壤作為研究對象,研究其碳氮磷化學(xué)生態(tài)計量特征,了解三峽庫區(qū)柑橘園生態(tài)系統(tǒng)的碳氮磷分布格局及其生態(tài)化學(xué)計量特征。結(jié)果表明,碳氮磷含量均表現(xiàn)為凋落物<土壤。林齡對凋落物碳氮含量、凋落物C/N、土壤C/N和土壤C/P均無顯著影響,但是對凋落物磷、土壤碳氮磷、凋落物C/P和N/P以及土壤N/P影響顯著。隨著柑橘林齡的增大,土壤碳氮磷含量和土壤N/P逐漸提高,而凋落物磷隨著柑橘林齡的增大呈現(xiàn)出先提高,20年達到最大值,其后又降低的趨勢,凋落物C/P和N/P呈現(xiàn)降低的趨勢。

        關(guān)鍵詞:土壤;凋落物;生態(tài)化學(xué)計量;柑橘(Citrus reticulata Blanco.)

        中圖分類號:S666.2 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2016)06-1402-04

        DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.06.011

        生態(tài)化學(xué)計量學(xué)研究生態(tài)系統(tǒng)能量平衡和多重化學(xué)元素平衡,特別是碳氮磷循環(huán)及其相互關(guān)系[1],對于植物通過改變養(yǎng)分利用策略,進而適應(yīng)環(huán)境變化具有重要意義[2]。森林凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,能夠顯著改善土壤肥力,反之,土壤能夠提供樹木生長發(fā)育所需要的營養(yǎng)物質(zhì),兩者相輔相成。然而,目前對土壤和凋落物中碳/養(yǎng)分比值差異與生態(tài)系統(tǒng)功能之間關(guān)系的認識尚不清楚[3]。

        柑橘(Citrus reticulata Blanco.)果樹廣泛分布于長江流域,是三峽庫區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)之一,由于其樹木高大,根系分布范圍深而廣,能夠減少土壤流失和養(yǎng)分損失[4,5],所以又成為三峽庫區(qū)治理水土流失的重要措施和退耕還林模式之一[5]。然而,柑橘大多是純?nèi)斯そ?jīng)濟林,密植、中耕除草、修剪、噴藥和施肥強化了人為作用對柑橘林土壤的持續(xù)擾動,雖然提高了產(chǎn)量,但是改變了土壤營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)機制,創(chuàng)造了特有的生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)機制。但是很少有研究報道柑橘生態(tài)系統(tǒng)凋落物和土壤碳氮磷的生態(tài)化學(xué)計量特征。本研究主要探討不同林齡柑橘葉的凋落物和土壤碳氮磷的生態(tài)化學(xué)計量特征,為柑橘的可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        研究地點位于三峽庫區(qū)首市宜昌市秭歸縣郭家壩鎮(zhèn)。該區(qū)東經(jīng)110°41′25.2″-110°41′51.2″、北緯30°55′04.8″-30°55′10.2″,海拔236~267 m。年均降水量為1 140~1 200 mm。夏季雨水豐沛比較長的降水過程都發(fā)生在6~7月,雨熱同季,全年積溫較高,無霜期較長,年平均氣溫為17~19 ℃。

        1.2 研究方法

        選擇坡度大于15°的10、20和30年的柑橘樣地各兩個樣方(10 m×10 m),分別在每個樣方內(nèi)用土鉆隨機取0~10 cm土層的土樣按“S”形布設(shè)取樣點5個,混合為一個樣,迅速撿去枯枝落葉后,自然風(fēng)干用于土壤有機碳、全氮和全磷的分析。同時在相應(yīng)的柑橘林下選擇1 m×1 m的3個小樣方收集地表凋落物,將采集好的樣品混合均勻后放入紙質(zhì)檔案袋中,做好標記帶回實驗室。經(jīng)過105 ℃殺青、65 ℃烘干、機械磨碎后測定柑橘凋落物的C、N、P 含量。

        有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定,全氮用凱式定氮法測定,全磷用鉬銻抗比色法測定。

        1.3 統(tǒng)計分析

        試驗數(shù)據(jù)的處理比較用Turkeys-b單因素方差分析,相關(guān)性分析用Pearsons test分析,用SPSS 11.5軟件進行分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同年限柑橘凋落物和土壤碳氮磷含量

        由表1可見,碳氮含量表現(xiàn)為凋落物>土壤,而磷含量卻是土壤>凋落物。隨著柑橘林齡的增加,凋落物碳氮的質(zhì)量分數(shù)并無顯著的變化,而土壤碳氮的含量呈現(xiàn)逐漸提高的趨勢;凋落物的磷含量的排序是20年>30年>10年,而土壤磷的含量是隨著柑橘林齡的增大而逐漸增大。這意味著隨著柑橘林齡的增大,凋落物對土壤碳氮的影響并不顯著。

        2.2 不同年限柑橘土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計量

        由表2可見,土壤的C/N平均值為147.33,3個林齡之間均無顯著性的差異,而凋落物C/P平均值為2 025.02,10年林齡的凋落物C/P顯著大于20和30年林齡的凋落物C/P,20和30年林齡的凋落物C/P之間無顯著性差異,土壤C/P在3個林齡之間均無顯著性差異;凋落物的N/P平均值為14.36,且隨著林齡的增大逐漸降低,而土壤N/P卻隨著林齡的增大而增大,意味著凋落物和土壤C/N都有內(nèi)穩(wěn)態(tài)。N/P值越高,尤其是N/P值大于25∶00時意味著凋落物的分解受P的限制越強[6]。柑橘地凋落物C∶N∶P比值為1 904∶17∶1,全球尺度下凋落物比值為3 007∶45∶1[7],可見柑橘地凋落物C∶N∶P比值比全球平均值低。

        2.3 凋落物和土壤碳氮磷之間的相關(guān)性分析

        相關(guān)性分析的結(jié)果(表3)表明,土壤碳與土壤氮(P<0.01)、磷(P<0.05)之間具有顯著的正相關(guān)性,土壤氮與土壤磷之間具有顯著的負相關(guān)性。而凋落物碳氮磷之間卻無顯著相關(guān)性,土壤碳氮磷與凋落物碳氮磷之間也無顯著的相關(guān)性。這進一步說明,凋落物碳氮磷對土壤碳氮磷的影響并不顯著。

        由表4可知,土壤C/N與其他的比值之間均無顯著的相關(guān)性。土壤C/P與土壤N/P之間具有極顯著的正相關(guān)性(P<0.01),與凋落物C/P之間具有極顯著的負相關(guān)性(P<0.01)。土壤N/P與凋落物N/P及凋落物C/P之間均具有極顯著的負相關(guān)性(P<0.01)。凋落物C/P與凋落物N/P之間具有極顯著的正相關(guān)性(P<0.01)。

        3 小結(jié)與討論

        凋落物碳氮含量顯著大于土壤的碳氮含量,而磷的含量卻是土壤大于凋落物。隨著柑橘林齡的延長,凋落物碳氮含量并無顯著差異,土壤碳氮磷含量逐漸提高。隨著柑橘林齡的延長,凋落物和土壤C/N均無顯著變化,而凋落物N/P呈現(xiàn)降低的趨勢,土壤N/P呈現(xiàn)提高的趨勢。柑橘林地整體上循環(huán)速率有提高的趨勢,凋落物基質(zhì)趨向更有利于養(yǎng)分釋放和碳固持的方向發(fā)展。

        3.1 不同林齡柑橘凋落物、土壤的C、N、P含量

        研究表明,隨林齡的增加土壤中C、N、P含量不斷積累,呈上升趨勢。土壤有機質(zhì)是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ),是以氮元素為主的各種營養(yǎng)元素的主要來源,而土壤中有機質(zhì)的最主要來源是凋落物和根系分泌物[8],凋落物能夠在土壤動物與微生物的作用下較快分解并將養(yǎng)分釋放到土壤中[9],因而凋落物養(yǎng)分歸還會直接影響土壤C、N、P含量。孫寶偉等[10]和Luyssaert等[11]的研究也表明植被群落年齡顯著影響著土壤有機碳積累。隨著林齡增加,柑橘樹生長相對減緩,自身物質(zhì)合成量減少,對C、N、P的需求降低,土壤中C、N、P的積累量遠大于消耗量,故土壤C、N、P均在成熟林時期得到積累。

        本研究中柑橘林地凋落物C、N含量在不同林齡間沒有顯著性差異,這與前人對凋落物C、N含量隨林齡增加的結(jié)果有所不同[12],主要原因為:一方面由于柑橘地屬于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),作為農(nóng)產(chǎn)品的柑橘果實當中的C、N部分不能歸還于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),無法參與其物質(zhì)循環(huán);另一方面養(yǎng)分含量較低的土壤環(huán)境也會影響凋落物的分解。有研究表明,凋落物的分解速度與土壤中養(yǎng)分含量以及凋落物的C/N值有關(guān)[8]。柑橘地土壤養(yǎng)分含量隨林齡增加不斷積累,凋落物的C/N值也呈現(xiàn)緩慢的上升趨勢,微生物數(shù)量及酶活性提高,凋落物的分解也逐漸加快,化合物分解加快且難分解部分比例減少。凋落物中C、N增加的量與作為農(nóng)產(chǎn)品輸出農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的量相當,故凋落物C、N含量在不同林齡間差異不明顯。凋落物P含量則是20年林齡最高,通過凋落物分解等養(yǎng)分釋放過程,土壤的養(yǎng)分含量受到植物的影響,這表明此階段柑橘葉片有較高的P濃度[13]。而且有研究表明林分密度較大,林下凋落物較多,較高的郁閉度使林下光照減少,光照不足也會降低凋落物的分解速度與養(yǎng)分釋放量。

        3.2 不同林齡柑橘凋落物、土壤的C、N、P養(yǎng)分化學(xué)計量特征

        凋落物是連接植物與土壤養(yǎng)分循環(huán)的重要紐帶,影響著生產(chǎn)力的高低[14,15],而植物調(diào)整自身的生長速率對環(huán)境的適應(yīng)可以通過對植物組織C∶N∶P等元素的化學(xué)計量比值的變化表現(xiàn),因此,凋落物的積累和分解速度一定程度上受其本身養(yǎng)分元素化學(xué)計量比例影響[16,17]。本研究中隨著林齡的增加,凋落物的C∶N和N∶P的值均顯著性降低,這與劉亞迪等[18]對雷竹林凋落物養(yǎng)分的研究結(jié)果一致,有研究顯示,N∶P值是制約凋落物分解和養(yǎng)分循環(huán)的重要因素,凋落物在N素較低的情況下具有較高的P素含量。較高的N∶P值以及較低P含量情況下,由于P元素的缺乏顯著限制著凋落物的分解,凋落物中的養(yǎng)分分解速率緩慢[19];相反,N∶P值較低以及較高的P含量,分解速度相對較快。當植物生長旺盛時,為了滿足其生理需要,可通過對P素的吸收與富集來合成更多的rRNA[20],此時C∶P與N∶P值較低。但是,植物P素主要由土壤提供,與土壤P含量有較強的偶聯(lián)性[21],因此P含量隨林齡的變化對植物的元素比值有較大影響。本研究中林齡為20年、30年凋落物N∶P比值要比林齡為10年顯著降低,而P含量明顯升高,表明隨著柑橘林地林齡增加,凋落物分解速率加快,受P素的限制作用降低,轉(zhuǎn)化為土壤腐殖質(zhì)的過程越強烈,從一定程度上改善了土壤的狀況。

        有研究表明[22],C∶N值、C∶P值及N∶P值對凋落物分解速率的影響有所不同,C∶N值、C∶P值與分解速率具有正相關(guān)關(guān)系,而N∶P值具有相反的現(xiàn)象。凋落物P含量偏低時N及木質(zhì)素的含量就會較高,即此時N∶P值較高,分解速率較低。N∶P值大于25且P含量低于0.22 g/kg的狀況下,N∶P值越高,P元素缺乏對凋落物的分解限制越顯著[23]。研究區(qū)各林齡植被群落的凋落物N∶P值均小于25,林齡為10年時P含量小于0.22 mg/g,20、30年時P含量均大于0.22 mg/g,表明凋落物的分解受到P元素限制較小,分解加快,但不利于養(yǎng)分的存儲,而林齡為10年的柑橘地凋落物分解速率相對較慢。以上結(jié)界表明,隨著林齡的增加,柑橘林地植被返還的凋落物C、N和P含量增加而使其本身的C、N和P儲量下降,而C∶N、C∶P和N∶P呈現(xiàn)降低的趨勢,整體上循環(huán)速率有提高的趨勢,柑橘林地凋落物基質(zhì)趨向更有利于養(yǎng)分釋放和碳固持的方向發(fā)展。

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