翁 俊 ，徐 璐

（江蘇省泰州市興化市，江蘇 泰州 225724）

20世紀以來，生物學的發(fā)展已經(jīng)逐漸走向成熟，其可預測性也越來越強。然而這種知識的逐漸分化，卻使得生物學系統(tǒng)化面臨著困難[1]。生態(tài)化學計量學在這方面進行了嘗試，并使之具備了相當?shù)目赡苄?。生態(tài)化學計量主要是指植物的元素組成及其相互關系，特別強調植物主要組成元素C、N、P之間的相互關系[2]。因此，目前國內外生態(tài)化學計量學的研究主要集中在C、N、P的計量關系上，包括限制因素判定及生態(tài)指示作用等方面[3]。

森林凋落物，一般是指植物在生長發(fā)育的過程中所產生的新陳代謝產物[4-5]。凋落葉是森林凋落物的主要組成部分。森林凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的一個重要過程。德國Ebermager早在19世紀60年代，便對森林凋落物在養(yǎng)分循環(huán)中的作用進行了科學研究，而后，國際林學界又深入的進行了一系列的研究[6]。

目前我國已成為世界上第三大氮沉降集中區(qū)[7]，僅次于歐洲、美國，并且氮沉降問題將越來越嚴重[8]。氮沉降的增加將不可避免地對森林生態(tài)系統(tǒng)產生影響[9]。大氣N沉降進入森林地表，會引起森林凋落物N含量及其它化學元素含量的變化。大氣N沉降數(shù)量的迅速增加已經(jīng)嚴重影響到陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)元素的供應狀況[10]。

中國是世界上竹類資源最豐富的國家，其中毛竹以其生長快、產量高、用途廣的特點，成為我國重要的森林資源。高強度的自然氮沉降必然會加重毛竹林的氮輸入量。在各生長階段，植物葉片的N含量、P含量具有較大的變異性[11-12]，那么兩者的比值(N:P)變化劇烈嗎？因此，弄清楚植物生態(tài)化學計量隨時間而變化的規(guī)律就顯得十分重要?，F(xiàn)有的大范圍植物葉片C、N、P含量及其計量學特征的研究結果，大多是基于不同年份的數(shù)據(jù)集合，其葉片采集的時間能相差1～3個月(如樣品采集時間為7-9月)[13-16]，那么，不同生長季節(jié)植物葉片C、N、P化學計量比是否變化且變化范圍又有多大？

為此，本試驗以粗放經(jīng)營毛竹林為對象，通過施氮的方式模擬N沉降增加情景，研究不同水平的氮沉降處理對毛竹凋落葉生態(tài)化學計量特征的影響和毛竹凋落葉化學計量特征在1年中的動態(tài)變化。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于浙江省杭州市臨安市青山鎮(zhèn)（119°42′E，30°14′N）。該區(qū)氣候溫和，年均無霜期 230 d左右，土壤為黃土壤，地形地貌為低山丘陵。研究區(qū)內的毛竹林為粗放經(jīng)營類型，經(jīng)營措施主要為保留林下灌木、雜草，不進行施肥和林地墾復，出筍時采筍，林中灌木種類主要有檵木（Loropetalum chinensis）、青岡櫟（Cyclobalanopsis glauca）、烏飯（Vaccinium bracteatum）和木荷 （Schima superba）和楊桐（Adinandra millettii）等。本研究采用典型選樣方法，在研究區(qū)設立林分條件和環(huán)境狀況較一致的代表性樣方12個。每個樣方面積為20 m×20 m，樣方間相隔20 m以免相互影響。樣地的林分和土壤特征見表1。

表1 試驗毛竹林林分結構和土壤特征Table.1 Stand and soil characteristics of study sites in extensively managed Moso bamboo forest

1.2 氮沉降模擬

依據(jù)我國亞熱帶地區(qū)的實際氮沉降量及未來增加趨勢[17–18]，氮沉降處理設置4個梯度水平：低氮（L,30 kg·N·ha-1·yr-1）、中氮（M,60 kg·N·ha-1·yr-1）、高氮（H,90 kg·N·ha-1·yr-1）和對照（CK,0 kg·N·ha-1·yr-1），每個處理設3個樣方即3個重復。每個月進行模擬氮沉降噴施一次，每年12次。具體方法為：每月月初將每個樣方所需噴施的一定量的NH4NO3溶解在10升自來水中（相當于年增加降水0.3 mm）。對照處理樣方則噴灑同樣多的水但不加任何氮。

1.3 毛竹凋落葉的收集，處理與測定

2012年12月底在每個毛竹林樣方內隨機布設6個1m×0.5m的凋落葉收集框，收集框距地表1m高。于2013年3月開始每月底收集一次凋落葉。把凋落葉帶回實驗室后放在65℃的烘箱里烘干至恒量。再把凋落葉粉碎，分析C、N和P含量。

1.4 C、N和P元素含量測定方法

C含量用重鉻酸鉀容量法-外加熱 （油浴加熱）法測定，N含量用H2SO4-H2O2消煮后，半微量凱氏法測定，P含量用H2SO4-H2O2消煮后，鉬銻抗比色法測定[19]。C、N、P含量用質量百分比表示。

1.5 數(shù)據(jù)處理

比較不同氮沉降強度樣地內和不同月份的凋落葉化學計量學特征的差異，統(tǒng)計分析用SPSS 13.0實現(xiàn)，用氮沉降強度水平和凋落葉收集時間作為影響因子進行雙因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 毛竹凋落葉C、N、P含量的月份變化及其對氮沉降的響應

從圖1a可見，凋落葉中的C含量在1年中隨著季節(jié)的變化沒有較明顯的變化，總體的趨勢較平穩(wěn)，變幅較小。對各月凋落葉C含量的進一步分析顯示，在2013年3月份，只有高氮處理顯著增加了C含量（P＜0.05），其他處理與對照間差異均不顯著；4月份，低氮處理顯著增加了C含量（P＜0.05），但在超過低氮后則下降；5月份，各處理之間的差異均不顯著；6月份和7月份，低氮和中氮處理均顯著增加了C含量（P＜0.05），但在氮沉降超過中氮后則下降；8月份，C含量在氮沉降超過中氮后下降，低氮和中氮處理與對照間差異不顯著；9月份各處理之間的差異均不顯著；10月份，高氮處理顯著增加了C含量（P＜0.05），低氮和中氮處理與對照間差異不顯著；11月份，各處理之間的差異均不顯著；12月份，高氮處理顯著降低了C含量（P＜0.05），低氮和中氮處理與對照間沒有顯著性差異；2014年1月份，低氮處理顯著增加了C含量（P＜0.05），但在氮沉降強度超過低氮后則下降；2月份，低氮和中氮處理均顯著增加了C含量（P＜0.05），但在氮沉降強度超過低氮后增加的幅度則開始逐漸變小。1年中，不同水平的氮沉降處理對毛竹凋落葉C含量的影響沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

植物葉片的元素特征與其自身的結構特征及生長節(jié)律間存在著相關關系。毛竹在不同月份的生理及代謝特征不同，尤其是光合作用，呼吸作用及同化物運輸和分配的不同，導致毛竹體內C、N和P含量的變化。一般認為，植物細胞內貯藏性物質的比例會隨著植物物候期的推遲而逐漸增多，因此，植物葉片C、N、P含量可能會隨著植物物候期的不同表現(xiàn)出很大的差異[15]。本試驗中，不同月份毛竹凋落葉C含量總體上差異不大。生態(tài)系統(tǒng)中，C是組成植物體的結構性物質，N和P則為生物體的功能性物質，其分布和貯量直接關系到生態(tài)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮。對于同一植物種而言，功能性和貯藏性物質的含量受環(huán)境影響變化較大，結構性物質受環(huán)境的影響較小，含量相對較穩(wěn)定[11]，這可能是不同月份毛竹凋落葉C含量總體上差異不大的原因。適度的氮沉降能增強毛竹的C同化能力，但在氮沉降超過一定強度后則下降。

圖1 試驗毛竹凋落葉C、N和P含量Figure 1 The contents of C,N and P of leaves of Moso bamboo forest under different N deposition level

從圖1b可見，凋落葉中的N含量隨著生長季節(jié)變化而發(fā)生改變，總體上呈現(xiàn)出先下降后增加的趨勢，N含量在夏季較低，其中在7月份是最低的。在2013年3月份和4月份，高氮處理顯著降低了凋落葉N含量（P＜0.05），低氮和中氮處理與對照間差異不顯著；5月份，低氮處理顯著增加了N含量（P＜0.05），但在氮沉降強度超過低氮后則下降；6月份，低氮處理與對照沒有顯著性差異，中氮處理顯著增加了N含量（P＜0.05），但N含量在氮沉降強度超過中氮后下降 ；7、8、9、11、12月份和 2014年 1月份，N含量總體上表現(xiàn)出隨氮沉降強度增加而增加的趨勢；10月份，高氮處理顯著增加了凋落物N含量（P＜0.05），低氮和中氮處理與對照間差異不顯著；2014年2月份，低氮、中氮和高氮處理均顯著增加了凋落物N含量（P＜0.05），但在氮沉降超過中氮后增加的幅度則開始變小。1年中，不同水平的氮沉降處理對毛竹凋落葉N含量的影響沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

圖2 試驗毛竹凋落葉C:N、C:P和N:PFigure2 The characteristics of C︰N,C︰P and N︰P of leaves of Moso bamboo forest under different N deposition level

植物體內的N含量因季節(jié)變動很大，生長初期N素濃度最高，隨生長季的延長，生物產量的增加而被稀釋，直到生長季結束，植物體內N素濃度降到最低值，相對于C積累而言，葉片積累在初期速度較快，而后期較慢，且往往因淋溶而積累減少[20]。本試驗中，從1月開始，由于氣溫下降，土壤溫度也隨之降低，毛竹地上部分生長緩慢甚至停止，導致毛竹凋落葉N含量上升；到3月，隨著氣溫的回升，土溫也跟著上升，土壤開始解凍，毛竹地上部分生長加劇，同時3-6月又正值毛竹出筍成竹季節(jié)，對養(yǎng)分需求特別是N的需求量增加，毛竹凋落葉N含量開始下降；毛竹凋落葉N含量在夏季較低，原因可能是在夏季高溫濕潤條件下，毛竹凋落葉的分解和養(yǎng)分離子釋放速度都會加快，此外，這季節(jié)的毛竹葉子都是新葉，伴隨著水分的輸送，營養(yǎng)元素向幼嫩組織遷移，毛竹體內的N含量較高，其中凋落葉N含量在7月是最低的，即返回到林地土壤的N含量在1年中最小，這與5-8月的毛竹林地土壤養(yǎng)分耗竭最嚴重的研究結論是一致的[21]，此時的毛竹需要補充一定量的肥料。因此，該區(qū)域內，未來氮沉降的適量增強仍有利于粗放經(jīng)營毛竹林的生長，國內外大量的研究也表明：適度的氮沉降，能使森林生態(tài)系統(tǒng)的生產力有所提高[22]。Aber[23]等認為，在N輸入持續(xù)增加直到飽和之前,植物體會吸收大部分N；7月后，急劇地上升；9月后開始有小幅的回落；10月-12月份維持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

從圖1c可見，凋落葉中的P含量也隨著生長季節(jié)變化而發(fā)生改變，總體上呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，在 12、1、2、3、4、5 月份較高，費世民[24]等也發(fā)現(xiàn)凋落物中的P含量呈下降的趨勢，和本研究結果基本一致。在2013年3、5月份，低氮處理顯著增加了凋落葉P含量（P＜0.05），但在氮沉降強度超過低氮后則下降；4、8、9和 10月份，P含量總體上表現(xiàn)出隨氮沉降強度增加而增加的趨勢，表明適量的氮沉降會提高毛竹對P的利用效率；6月份，低氮處理與對照沒有顯著性差異，但在氮沉降強度超過低氮后則下降；7月份，P含量總體上呈現(xiàn)出隨氮沉降強度增加而減少的趨勢；11月份，低氮、中氮處理和高氮處理均顯著增加了P含量，但在氮沉降超過中氮后增加的幅度則開始變小，11月份，低氮、中氮處理和高氮處理均顯著增加了P含量，但在氮沉降超過中氮后增加的幅度則開始變小。1年中，不同水平的氮沉降處理對毛竹凋落葉P含量的影響亦沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

一般來說，不同元素的內穩(wěn)性是不同的。N元素的內穩(wěn)性高于P，這主要是因為在植物體中，N元素的含量遠遠大于P元素。關于浮游動物的研究表明浮游動物的大量元素的內穩(wěn)性高于微量元素，且微量元素高于非必要元素[25]，本試驗中，凋落葉中的N含量也遠遠大于P含量。此外費世民[24]等研究表明，毛竹凋落葉中N素的生物自肥潛力高于P元素，因此，毛竹林土壤施肥制度要特別注意保持生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡和土壤肥力的提高。

2.2 毛竹凋落葉C:N、C:P和N:P的月份變化及其對氮沉降的響應

從圖2(a)可見，凋落葉的C:N比值在7月份最高，其他月份的比值變幅較小，接近一個常數(shù)。在2013年3月和4月份，C:N比值總體上隨氮沉降強度增加而增加，在高氮處理下最高；5、6月份，C:N比值在氮沉降強度超過低氮后則開始降低，在低氮處理下最高；7月份，C：N比值亦隨氮沉降強度增加而增加；8月份至14年2月份，C:N比值總體上表現(xiàn)出隨氮沉降強度增加而降低的趨勢。適量的氮沉降可以提高毛竹對N的利用效率，此外，生態(tài)系統(tǒng)組分的C:N增加是生態(tài)系統(tǒng)碳儲存量增加的重要途徑。

Mcgroddy[26]等發(fā)現(xiàn)盡管生物群系的葉C:N比存在較大差異，但是全球凋落物C:N比接近一個常數(shù)，表明了植物的養(yǎng)分再吸收過程對氮磷關系有著廣泛的影響。本試驗中，除了7月份，其他月份凋落葉C:N比值相對穩(wěn)定，和McGroddy等的研究結果一致。其中7月份的凋落葉C:N比值較高，表明7月份毛竹對N的利用效率較高，原因可能是因為7月份，毛竹葉都是新葉，處于生長初期。

從圖 2（b）可見，從 2013年 3月至 11月份，凋落葉的C:P比值總體上表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，11月份出現(xiàn)一個峰值，然后急劇下降。在2013年3月、4月份，C:P比值總體上亦表現(xiàn)出隨氮沉降強度增加而增加的趨勢；5、6、7月份，C:P比值亦呈現(xiàn)出隨氮沉降強度增加而增加的趨勢，但在氮沉降強度超過中氮后則下降；8月份，C:P比值在氮沉降強度超過低氮后則開始下降；9月份至2014年2月份，C:P比值總體上表現(xiàn)出隨氮沉降強度增加而降低的趨勢。

植物葉片C:N和C:P可表示植物吸收營養(yǎng)所能同化C的能力，在一定程度上反映了植物的營養(yǎng)利用效率。凋落葉的C:P比值總體上表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，11月份出現(xiàn)一個峰值，然后急劇下降。表明毛竹對P的利用效率逐漸增加，11月份利用效率最高。適量的氮沉降會提高毛竹對N、P的利用效率。

表2 氮沉降和時間對毛竹凋落葉生態(tài)化學計量特征影響的雙因素方差分析Table 2 The two-way ANOVA of the effects of N deposition and time on stoichiometry of leaves

從圖2（c）可見，凋落葉的N:P比值在7月份最低，在 11 月份最高，1 年中，除了 9、10、11 月份，其他月份的N:P比值均小于20。在2013年3、4、6和8月份，N:P比值在氮沉降強度超過中氮后顯著降低；5月份，N:P比值在氮沉降強度超過低氮后顯著降低；7月份，N:P比值隨氮沉降強度增加而增加；9月至11月份，N:P比值總體上呈現(xiàn)出隨氮沉降強度增加而降低的趨勢；12月至2014年2月份，N:P比值總體上呈現(xiàn)出隨氮沉降強度增加而增加的趨勢。

Elser[27]等認為，植物體內氮磷比值會隨著植物體的高速率生長而變化。本試驗中，分別比較不同氮沉降水平之間、不同月份的氮磷比值的變化，可以看到氮沉降總體上改變了毛竹凋落葉的氮磷比值，毛竹在不同月份的氮磷比值是不同的，這也充分證明了植物元素計量的自我調節(jié)機制。楊闊[28]等對青藏高原草地植物的研究發(fā)現(xiàn)，群落水平葉片的N、P含量及N:P比存在顯著的年際變化。研究發(fā)現(xiàn)，植物葉片N:P會隨著生長季節(jié)變化而發(fā)生改變[29]，但葉片N:P值隨季節(jié)變化沒有一致規(guī)律[30]。葉片N:P值的季節(jié)變化是否意味著植物生長所需的元素的限制性也會隨著生長期的不同而改變？這種變化在不同生態(tài)系統(tǒng)間是否具有普遍性也有待于進一步研究。

如表2所示，雙因素方差分析結果表明，氮沉降水平、時間及其與氮沉降的的交互作用對凋落葉C含量、N 含量、P 含量、C：N、C：P 和 N：P 均有顯著的影響。

毛竹一次造林后可數(shù)十年連續(xù)收獲、年年萌發(fā)新竹新鞭自我更新，生長速度非常驚人，其年固碳能力也非常巨大。因此，當前及未來持續(xù)增強的氮沉降對毛竹林生產力進而對其固碳能力的影響應該引起足夠的重視。

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