鄧 健,張 丹,張 偉,任成杰,郝雯暉,劉 沖,韓新輝,*,楊改河

1 延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 延安 716000 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 楊凌 712100

C、N、P是植物生長(zhǎng)的必須元素,其循環(huán)和耦合關(guān)系對(duì)維持植物個(gè)體良好生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性具有重要意義[1]。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)為研究從個(gè)體到生態(tài)系統(tǒng)不同層次的能量平衡和多重化學(xué)元素平衡提供了新思路,并成為生物穩(wěn)態(tài)性和養(yǎng)分元素限制研究的新方法[2- 4]。植物、微生物等生物體為了應(yīng)對(duì)土壤養(yǎng)分限制等外界條件變化對(duì)自身生長(zhǎng)的影響,通過(guò)對(duì)體內(nèi)的化學(xué)元素濃度及不同化學(xué)元素間的計(jì)量比例進(jìn)行調(diào)節(jié),從而維持內(nèi)部化學(xué)組成相對(duì)穩(wěn)定,即內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)[5]。生物的內(nèi)穩(wěn)態(tài)性是生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)理論的基礎(chǔ)和核心,能夠綜合反映物種對(duì)生存環(huán)境變化的適應(yīng)性[2]。闡明生態(tài)系統(tǒng)土壤-植物-微生物生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征及其內(nèi)穩(wěn)態(tài)性對(duì)于了解生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性具有重要意義[6]。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)植物、土壤和微生物C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征進(jìn)行了大量研究,尤其是生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)在限制性養(yǎng)分元素判別方面的應(yīng)用形成了“限制元素穩(wěn)定性假說(shuō)”[7]、植物N∶P養(yǎng)分限制理論等一系列成果[8]；土壤微生物生物量C∶N∶P計(jì)量比也被廣泛用于指示植被恢復(fù)過(guò)程中土壤質(zhì)量和養(yǎng)分平衡特征[9]。然而,由于生物生存環(huán)境、養(yǎng)分供應(yīng)狀況、生長(zhǎng)發(fā)育階段等外界變化均會(huì)對(duì)植物和微生物養(yǎng)分元素計(jì)量比產(chǎn)生影響[10- 12],更多學(xué)者開(kāi)始關(guān)注陸地生態(tài)系統(tǒng)生物體的內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)。相關(guān)研究主要集中在草原植物內(nèi)穩(wěn)態(tài)特征、氮磷添加和鹽脅迫等處理對(duì)特定植物內(nèi)穩(wěn)性的影響、土壤微生物內(nèi)穩(wěn)態(tài)性與土壤中C、P元素的關(guān)系等方面[13- 16]。這些研究對(duì)豐富生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)和內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)理論有重要意義,但大多數(shù)研究主要關(guān)注某一組分(土壤、植物或者微生物)的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征,將“植物-土壤-微生物”連續(xù)體作為系統(tǒng)研究?jī)?nèi)部C、N、P計(jì)量學(xué)和內(nèi)穩(wěn)態(tài)特征及其相互關(guān)系的研究還比較少。土壤為植物和微生物生長(zhǎng)提供了基本環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)來(lái)源,而植物生長(zhǎng)和微生物活動(dòng)為土壤提供了養(yǎng)分來(lái)源和轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)力,而且隨植被生長(zhǎng)年限的變化,植物、微生物與土壤之間的養(yǎng)分循環(huán)關(guān)系也會(huì)發(fā)生改變[17]。因此,運(yùn)用生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)方法,將植物-土壤-微生物作為連續(xù)體,弄清生態(tài)系統(tǒng)植物和微生物元素計(jì)量比在植被生長(zhǎng)過(guò)程中隨土壤C、N、P含量及其化學(xué)計(jì)量比變化的穩(wěn)態(tài)性特征,對(duì)于闡明森林生態(tài)系統(tǒng)元素循環(huán)和制約變化規(guī)律,豐富陸地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)理論具有重要意義[2]。

黃土高原地區(qū)是我國(guó)生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一,開(kāi)展植被恢復(fù)是該區(qū)域減少水土流失、改善生態(tài)環(huán)境的重要手段[18]。植被恢復(fù)在增加植被覆蓋的同時(shí)也影響了該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程及其平衡特征,如隨著恢復(fù)年限增加土壤C庫(kù)不斷積累,但也可能導(dǎo)致植物受N或P元素限制等問(wèn)題[19]。由于不同的植被恢復(fù)方式和恢復(fù)階段的生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡存在較大差異[4,20],導(dǎo)致目前黃土高原典型人工林植物-土壤-微生物系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)耦合關(guān)系及其穩(wěn)定機(jī)制尚不明確。刺槐(Robiniapseudoacacia)是黃土高原地區(qū)主要的人工造林樹(shù)種,不同階段栽植的刺槐林發(fā)揮著巨大的水土保持、土壤改良等生態(tài)效益。因此,本研究選取黃土丘陵溝壑區(qū)栽植5年、10年、20年、30年和45年的人工刺槐林為對(duì)象,在分析刺槐林葉片-土壤-微生物化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)分析不同恢復(fù)年限葉片和微生物隨土壤養(yǎng)分變化的內(nèi)穩(wěn)態(tài)特征,研究有助于更深入認(rèn)識(shí)脆弱生境地區(qū)恢復(fù)植被系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律和系統(tǒng)穩(wěn)定性機(jī)制,為黃土高原植被恢復(fù)和經(jīng)營(yíng)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市安塞區(qū)五里灣流域內(nèi)(109°19′—109°22′ E,36°51′—36°52′ N),海拔1010—1400 m。屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū),土壤為黃土母質(zhì)發(fā)育形成的黃綿土,抗侵蝕能力差,水土流失嚴(yán)重；氣候類型為暖溫帶半干旱氣候,年平均降水量535 mm,降水主要集中在6—9月,年平均氣溫8.8°C,無(wú)霜期159 d。該流域自20世紀(jì)70年代開(kāi)始進(jìn)行人工造林,形成了不同恢復(fù)年限的人工植被群落。主要的造林樹(shù)種有刺槐、檸條(Caraganakorshinskii)、山杏(Armeniacasibirica)等,主要草本植物有鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、草木犀(Melilotusofficinalis)、長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus(Willd)Novopokr)、狗尾草(Setariaviridis)等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和采樣

試驗(yàn)于2016年8月中旬開(kāi)展,試驗(yàn)選取立地條件相似、干擾程度較低、分別種植5年、10年、20年、30年和45年的刺槐林(編號(hào)為RP5、RP10、RP20、RP30和RP45,林齡通過(guò)當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門造林記錄和走訪農(nóng)戶確定)進(jìn)行研究(表1),各年限刺槐林在造林前均為耕地,主要種植作物為谷子(Setariaitalica)、糜子(Panicummiliaceum)等。每個(gè)年限刺槐林選擇3塊立地條件相近的重復(fù)樣地,每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置大小為20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣方,每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選擇5個(gè)1 m×1 m的小樣方調(diào)查草本植被。每個(gè)20 m×20 m的樣方內(nèi)用梅花采樣法選取5個(gè)采樣點(diǎn),去除表面枯落物和植物殘?bào)w后,用土鉆(直徑為4 cm)采集距離樹(shù)干80 cm以外的0—10 cm土壤。將同一樣方內(nèi)5個(gè)樣點(diǎn)的土樣混勻后分成兩份,一份過(guò)2 mm土篩后在4°C冷藏保存用于測(cè)定微生物生物量養(yǎng)分；一份在陰涼處風(fēng)干保存用于測(cè)定土壤養(yǎng)分。每個(gè)20 m×20 m的樣方內(nèi)隨機(jī)選擇10株刺槐作為采樣樹(shù),分別在4個(gè)方向的樹(shù)冠不同部位采集葉片,將同一樣方內(nèi)的葉片混合后用四分法取部分裝入牛皮紙袋,帶回實(shí)驗(yàn)室用水洗去灰塵,表面風(fēng)干后置60°C烘干,用粉碎機(jī)粉碎后測(cè)定葉片養(yǎng)分。

表1 樣地基本信息

RP, 刺槐,Robiniapseudoacacia; 數(shù)字表示林齡 Figure indicates the stand age; EN, 東偏北, East to north; ES, 東偏南, East to south

1.3 樣品分析

土壤和植物葉片有機(jī)碳含量均采用重鉻酸鉀-外加熱容量法測(cè)定；土壤和植物葉片全氮分別采用濃硫酸-高氯酸和濃硫酸-H2O2消煮后用全自動(dòng)凱氏定氮儀(KDY-9830)測(cè)定,全磷經(jīng)上述消煮后用鉬酸銨比色法測(cè)定；采樣時(shí)用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重[21]。土壤微生物生物量C采用氯仿熏蒸-K2SO4溶液浸提后用總有機(jī)碳分析儀(TOC,日本島津)測(cè)定,微生物量N采用氯仿熏蒸-K2SO4溶液浸提后用全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定；微生物生物量P采用氯仿熏蒸-NaHCO3溶液浸提后用鉬銻抗顯色法測(cè)定[22- 23]。

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

內(nèi)穩(wěn)態(tài)指數(shù)(Homeostasis index,H)采用如下公式進(jìn)行計(jì)算[5]：

式中,H為內(nèi)穩(wěn)態(tài)指數(shù),因變量y為葉片或微生物生物量C、N、P含量或計(jì)量比,自變量x為對(duì)應(yīng)的土壤C、N、P含量或計(jì)量比,c為積分常數(shù)。按照Persson等的分類,當(dāng)方程擬合顯著時(shí),將H>4、2

物種豐富度指數(shù)(R)=S,S為樣方內(nèi)物種數(shù)量[24]。

生態(tài)化學(xué)計(jì)量比用摩爾比表示；采用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗(yàn)各指標(biāo)不同處理間的差異,用Duncan法進(jìn)行多重比較,顯著性水平為P<0.05。采用Pearson相關(guān)性分析土壤養(yǎng)分指標(biāo)與葉片、微生物生物量C、N、P化學(xué)計(jì)量學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)性。數(shù)據(jù)整理和計(jì)算采用Microsoft Excel 2010,使用SAS 9.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,使用Origin 2016作圖。

2 結(jié)果

2.1 不同年限刺槐林葉片-土壤-微生物C、N、P含量變化特征

植物葉片C、N、P含量總體表現(xiàn)為隨恢復(fù)年限的增加先增加后減小的趨勢(shì),且均在恢復(fù)30年時(shí)達(dá)到最高(P<0.05)(表2),其中C、N、P含量分別比恢復(fù)5年高28.99%、96.59%和7.66%；但30年到45年間C、N、P含量分別下降了9.80%、10.33%和20.95%(P<0.05)。土壤C、N含量均表現(xiàn)出隨恢復(fù)年限顯著增加的趨勢(shì)(P<0.05,表2),從恢復(fù)5年到45年C、N分別增加了260.57%和302.41%；土壤P含量變化不顯著(P>0.05)。土壤微生物生物量C、N和P含量均隨恢復(fù)年限的增加顯著增加(P<0.05,表2),其中微生物C從恢復(fù)5年到30年增加了355.68%,但從30年到45年下降了6.00%；微生物N和P從恢復(fù)5年到45年分別增加了175.24%和249.40%。

2.2 不同年限刺槐林葉片、土壤、微生物生物量C∶N∶P計(jì)量比變化特征

不同恢復(fù)年限葉片、土壤、微生物生物量C∶N分別為17.03—26.03、9.55—16.94、5.57—10.76,總體表現(xiàn)為葉片C∶N>土壤C∶N>微生物生物量C∶N(圖1)。其中葉片C∶N隨恢復(fù)年限的增加先降低后穩(wěn)定,恢復(fù)30年最低,比恢復(fù)5年下降了34.58%。土壤C∶N隨恢復(fù)年限增加先降低后增加,從恢復(fù)5年到20年降低了43.61%,從恢復(fù)20年到45年增加了47.81%。微生物生物量C∶N從恢復(fù)5年到30年之間顯著增加了84.01%(P<0.05),在30年到45年之間下降了15.84%(P<0.05)。不同年限C∶N變異系數(shù)表現(xiàn)為微生物生物量(24.90%)>土壤(21.36%)>葉片(16.29%)。

不同恢復(fù)年限葉片、土壤、微生物生物量C∶P分別為465.04—634.48、19.89—65.81和39.64—110.53,各恢復(fù)年限均表現(xiàn)為葉片C∶P>微生物生物量C∶P>土壤C∶P(圖1)。葉片和土壤中C∶P均隨恢復(fù)年限增加而增加,從恢復(fù)5年到45年分別增加了36.43%和230.84%(P<0.05)。微生物生物量C∶P隨恢復(fù)年限的增加呈現(xiàn)波動(dòng)變化,從恢復(fù)10年到30年逐漸增加(P<0.05),但隨后出現(xiàn)下降。不同年限C∶P變異系數(shù)表現(xiàn)為土壤(49.30%)>微生物生物量(33.01%)>葉片(11.51%)。

表2 不同恢復(fù)年限葉片-土壤-微生物C、N、P含量

同列數(shù)據(jù)后具有不同字母表示不同年限數(shù)據(jù)間差異顯著(P<0.05); 數(shù)據(jù)格式為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤

不同恢復(fù)年限葉片、土壤、微生物生物量N∶P分別為17.89—37.03、1.24—4.68和7.15—10.26,總體表現(xiàn)為葉片N∶P>微生物生物量N∶P >土壤N∶P(圖1)。葉片中N∶P和土壤N∶P均隨恢復(fù)年限增加而增加,從恢復(fù)5年到45年分別增加了106.92%和275.98%(P<0.05)。微生物生物量N∶P隨著恢復(fù)年限的增加呈現(xiàn)波動(dòng)變化,從恢復(fù)10年到30年顯著增加了43.43%(P<0.05),但隨后出現(xiàn)下降。不同年限N∶P變異系數(shù)表現(xiàn)為土壤(41.27%)>葉片(24.41%)>微生物生物量(14.61%)。

圖1 不同恢復(fù)階段葉片、土壤、微生物C∶N∶P化學(xué)計(jì)量比Fig.1 C∶N∶P stoichiometry of leaf, soil and microbe in different restoration years不同的小寫(xiě)字母表示不同恢復(fù)年限之間差異顯著(P<0.05)

2.3 土壤養(yǎng)分與葉片、微生物生物量C∶N∶P化學(xué)計(jì)量學(xué)的關(guān)系

土壤C、N、P含量和計(jì)量學(xué)特征與葉片、微生物生物量C∶N∶P化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的關(guān)系分析結(jié)果(表3)顯示,土壤C、N含量與除微生物N∶P外的其他計(jì)量學(xué)指標(biāo)均具有顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.05),除與葉片C∶N為負(fù)相關(guān)關(guān)系外,與其他指標(biāo)均為正相關(guān)關(guān)系；土壤P與葉片和微生物C∶N∶P計(jì)量學(xué)特征相關(guān)性不顯著。土壤C∶N僅與葉片C∶N正相關(guān),與其他指標(biāo)關(guān)系不顯著；土壤C∶P、N∶P與除微生物C∶P和N∶P外的其他指標(biāo)均顯著相關(guān)(P<0.05)。

表3 土壤養(yǎng)分與葉片、微生物生物量C∶N∶P化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的關(guān)系

*P<0.05; **P<0.01

2.4 葉片和微生物生物量隨土壤養(yǎng)分變化的內(nèi)穩(wěn)態(tài)分析

對(duì)恢復(fù)過(guò)程中葉片和微生物生物量C、N、P養(yǎng)分和化學(xué)計(jì)量學(xué)比隨土壤變化的內(nèi)穩(wěn)態(tài)特征分析結(jié)果表明(表4),葉片P、C∶N和微生物生物量P、C∶N、N∶P利用穩(wěn)態(tài)性模型模擬結(jié)果不顯著,屬于絕對(duì)穩(wěn)態(tài)型；其他指標(biāo)中,葉片C內(nèi)穩(wěn)態(tài)指數(shù)為9.001(>4),屬于穩(wěn)態(tài)型指標(biāo)；葉片C∶P和N內(nèi)穩(wěn)態(tài)指數(shù)較低,屬于弱穩(wěn)態(tài)型指標(biāo),而N∶P內(nèi)穩(wěn)態(tài)指數(shù)較最低(1.949),屬于弱敏感型指標(biāo)。微生物生物量C(0.835)和N(1.317)內(nèi)穩(wěn)態(tài)指數(shù)都小于1.33,屬于敏感型指標(biāo)；微生物生物量C∶P穩(wěn)態(tài)性指數(shù)為2.585,屬于弱穩(wěn)態(tài)類型。綜合來(lái)看,葉片的養(yǎng)分和計(jì)量學(xué)指標(biāo)的內(nèi)穩(wěn)態(tài)性高于微生物。

表4 葉片和微生物生物量養(yǎng)分和計(jì)量比內(nèi)穩(wěn)態(tài)指數(shù)

H, 內(nèi)穩(wěn)態(tài)指數(shù), Homeostasis index

3 討論

3.1 植被恢復(fù)過(guò)程中葉片-土壤-微生物養(yǎng)分含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

植物-土壤-微生物系統(tǒng)中C、N、P的積累和轉(zhuǎn)化是陸地生態(tài)系統(tǒng)元素循環(huán)的基礎(chǔ)和核心環(huán)節(jié)[25]。植被恢復(fù)會(huì)通過(guò)增加有機(jī)物歸還、改變土壤理化環(huán)境等途徑影響土壤養(yǎng)分[26- 27]。本研究中土壤C、N含量和微生物生物量C、N、P含量均隨著刺槐恢復(fù)年限的增加而增加,這與現(xiàn)有研究結(jié)果一致[28],說(shuō)明植被恢復(fù)促進(jìn)了土壤養(yǎng)分積累和微生物養(yǎng)分轉(zhuǎn)化；但土壤P含量沒(méi)有發(fā)生顯著變化。隨著恢復(fù)年限和土壤條件的變化,植物葉片中的C、N、P含量及其平衡狀態(tài)也會(huì)發(fā)生改變,結(jié)果顯示不同年限刺槐葉片C、N、P含量平均值分別為414.36、24.89 g/kg和2.03 g/kg,其中葉片C含量低于全球陸生植物葉片碳平均含量464 g/kg[29]；變化趨勢(shì)隨恢復(fù)年限增加先增加后降低,這與馬任甜等發(fā)現(xiàn)的黃土高原刺槐林不同林齡間C含量表現(xiàn)為中齡林>成熟林>幼齡林的趨勢(shì)基本一致[30],主要可能是生長(zhǎng)中后期葉片富含C的結(jié)構(gòu)性物質(zhì)積累導(dǎo)致C含量上升[30- 31]。各恢復(fù)階段葉片N含量均明顯高于我國(guó)植物葉片平均N含量(18.60 g/kg)[32]和黃土高原刺槐葉片平均N含量(21.61 g/kg)[33],而葉片P含量接近甚至低于全球葉片P含量 (2.00 g/kg)[29]和黃土高原刺槐葉片平均P含量(2.09 g/kg)[33],總體表現(xiàn)為氮含量豐富,而磷相對(duì)缺乏,尤其是生長(zhǎng)30年以后更加明顯,這與此前的相關(guān)研究結(jié)果一致[34- 35]。

植物、土壤、微生物中的C∶N∶P計(jì)量學(xué)特征能夠更好地反應(yīng)恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分限制和平衡狀態(tài)[36]。土壤養(yǎng)分庫(kù)是植物和微生物吸收養(yǎng)分的主要來(lái)源,本研究中土壤C∶N隨恢復(fù)年限增加先下降后上升,主要可能是恢復(fù)前期刺槐根系固氮促使土壤氮素含量快速增加,而后期凋落物增加引起有機(jī)碳大量輸入[37]；C∶P和N∶P均隨恢復(fù)年限不斷增加,主要是由于土壤C、N的持續(xù)增加而P沒(méi)有顯著變化導(dǎo)致[30]。土壤微生物生物量C∶N、C∶P和N∶P均隨著恢復(fù)年限的增加呈波動(dòng)變化,主要是由于植被恢復(fù)過(guò)程中微生物群落可通過(guò)自身結(jié)構(gòu)和代謝進(jìn)行C∶N∶P計(jì)量學(xué)特征的調(diào)節(jié)[38]。葉片C∶N∶P計(jì)量學(xué)特征變化能夠反映植物體從土壤中獲取養(yǎng)分和利用養(yǎng)分的能力,本研究中刺槐葉片C∶N平均為20.11,明顯高于黃土高原刺槐葉片C∶N平均水平(16.27)[30],但低于全球葉片C∶N平均值(22.5)[29]。C∶N隨恢復(fù)年限增加而不斷降低,說(shuō)明葉片中N的吸收和積累速率要快于C。葉片C∶P和N∶P均隨著恢復(fù)年限的增加而增加,表明刺槐林地生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)P元素的吸收利用效率不斷增加；恢復(fù)45年的刺槐葉片C∶P和N∶P分別為634.48和37.03,明顯高于全球葉片C∶P(595)[31]和全國(guó)植物葉片平均N∶P(32)[32]；而現(xiàn)有研究表明植物葉片N∶P>35(轉(zhuǎn)換質(zhì)量比為16)可能導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受到P限制[8]。植物和微生物吸收的P元素主要來(lái)自于土壤,受土壤中P元素含量和有效性限制較大[19,33]；而土壤中可供植物和微生物吸收的有效P元素主要來(lái)自磷酸鹽分解,植物根系分泌物(如有機(jī)酸)和微生物胞外酶(如堿性磷酸酶)會(huì)促進(jìn)土壤P元素向活性態(tài)無(wú)機(jī)磷轉(zhuǎn)化以利于吸收利用[39]。隨植被恢復(fù)年限的增加,植物生物量增加儲(chǔ)存了大量從土壤吸收的P元素抵消了外界向土壤輸入的P元素(如磷沉降),從而導(dǎo)致土壤P含量的變化不顯著。同時(shí),隨生長(zhǎng)年限的增加植物很容易從大氣和土壤吸收固定C、N,但土壤可供植物吸收的有效P元素相對(duì)不足,從而造成了植物葉片C∶P和N∶P的升高,這在此前多項(xiàng)黃土高原地區(qū)的研究中均被提出[30,35],結(jié)合土壤養(yǎng)分的不協(xié)調(diào)變化,說(shuō)明該區(qū)域植被恢復(fù)可能面臨著生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分失衡的問(wèn)題,P元素可能成為黃土丘陵區(qū)刺槐生長(zhǎng)后期的限制養(yǎng)分。

3.2 植物和微生物生物量對(duì)土壤養(yǎng)分變化的響應(yīng)及其穩(wěn)態(tài)性

土壤是植物生長(zhǎng)和微生物活動(dòng)的重要基礎(chǔ)條件,植物和微生物吸收的養(yǎng)分及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征受到土壤養(yǎng)分條件的強(qiáng)烈影響[36]。通過(guò)分析土壤養(yǎng)分指標(biāo)與刺槐葉片和土壤微生物生物量C∶N∶P化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的關(guān)系發(fā)現(xiàn),土壤C、N含量與除微生物N∶P外的其他計(jì)量學(xué)指標(biāo)顯著相關(guān)(P<0.05),而土壤C∶P、N∶P也與除微生物C∶P和N∶P外的其他指標(biāo)顯著相關(guān)(P<0.05),說(shuō)明在植被恢復(fù)過(guò)程中土壤養(yǎng)分與植物和微生物養(yǎng)分計(jì)量學(xué)特征存在較強(qiáng)的耦合關(guān)系,其中又以植物與土壤的關(guān)系更加緊密。

在面對(duì)土壤養(yǎng)分改變等外界環(huán)境因子變化時(shí),植物和微生物通過(guò)內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)來(lái)保持體內(nèi)化學(xué)構(gòu)成的穩(wěn)定[2,16],生物對(duì)體內(nèi)元素的內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)是生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)中的重要參數(shù)。本研究中刺槐葉片的N∶P內(nèi)穩(wěn)態(tài)指數(shù)僅為1.949,屬于弱敏感型指標(biāo),遠(yuǎn)低于羊草及其他草原維管束植物地上部分的內(nèi)穩(wěn)態(tài)指數(shù)(分別為4.61—5.61和3.08—14.09)[14,16],表明刺槐葉片N∶P容易受到土壤養(yǎng)分條件的影響而發(fā)生變化,進(jìn)一步支持了植物葉片N∶P可以作為判定植物養(yǎng)分平衡狀態(tài)的重要指標(biāo)[8],說(shuō)明植物N和P的綜合管理對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程具有重要意義[6]。刺槐葉片C、N和C∶P相對(duì)于N∶P的穩(wěn)態(tài)性指數(shù)高,屬于穩(wěn)態(tài)或弱穩(wěn)態(tài)指標(biāo),其中C主要通過(guò)光和作用合成調(diào)節(jié),而N主要通過(guò)根瘤菌固氮和根系吸收N素進(jìn)行調(diào)節(jié),在面對(duì)土壤養(yǎng)分變化時(shí)植物能夠調(diào)節(jié)這些指標(biāo)在體內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),說(shuō)明刺槐在研究區(qū)域具有較好的適應(yīng)能力。土壤微生物在應(yīng)對(duì)代謝底物養(yǎng)分條件變化時(shí)會(huì)通過(guò)自身化學(xué)計(jì)量學(xué)比、胞外酶、群落結(jié)構(gòu)和代謝過(guò)程等多種途徑進(jìn)行調(diào)節(jié),因此能夠維持微生物生物量C∶N∶P計(jì)量學(xué)特征的基本穩(wěn)定[38],本研究結(jié)果也證實(shí)了微生物生物量C∶N、C∶P和N∶P均具有相對(duì)較高的內(nèi)穩(wěn)態(tài)性。隨植被恢復(fù)年限的增加,土壤微生物生物量和多樣性均會(huì)伴隨著代謝底物中C和N積累而顯著增加[40],而C和N作為微生物體的基本結(jié)構(gòu)性元素,也會(huì)隨微生物群落的變化而變化,由此導(dǎo)致了微生物生物量C、N穩(wěn)態(tài)性指數(shù)均較低(0.835和1.317),屬于敏感型指標(biāo)。

本研究中葉片P、C∶N和微生物生物量P、C∶N、N∶P利用內(nèi)穩(wěn)態(tài)模型模擬結(jié)果不顯著,擬合優(yōu)度都比較低(R2∈[0.019,0.180]),且這些指標(biāo)的內(nèi)穩(wěn)態(tài)指數(shù)差異大(H∈[0.796,17.241]),這在相關(guān)研究中也曾遇到[5],庾強(qiáng)等認(rèn)為由于其檢驗(yàn)不顯著說(shuō)明這些指標(biāo)伴隨著土壤養(yǎng)分變化的趨勢(shì)不顯著,說(shuō)明這些指標(biāo)具有絕對(duì)穩(wěn)定性[6,16]。如由于土壤P相對(duì)C、N處于缺乏狀態(tài),植物和微生物通過(guò)分泌磷酸酶等途徑獲取自身所需的P元素[38],由此導(dǎo)致隨著恢復(fù)年限增加,土壤P變化不顯著但植物和微生物P不斷積累,因而二者的關(guān)系不能被內(nèi)穩(wěn)態(tài)模型很好地解釋；而植物C和N可以從大氣固定,因而對(duì)土壤養(yǎng)分的依賴程度也較低,造成C∶N隨土壤C∶N變化不顯著。然而需要注意的是,理想情況下分析誤差是模型中指標(biāo)變異的唯一來(lái)源,可以將回歸模擬不顯著(P>0.05)的指標(biāo)歸為絕對(duì)穩(wěn)定[41],但這種歸類忽略了微生物或植物某一指標(biāo)本身在環(huán)境中是高度可變的情形,或者其與土壤指標(biāo)之間不具有事實(shí)上的必然聯(lián)系,這種情況下就無(wú)法期望通過(guò)內(nèi)穩(wěn)態(tài)模型驗(yàn)證指標(biāo)的內(nèi)穩(wěn)態(tài)性。因此,也有研究認(rèn)為擬合優(yōu)度較低的指標(biāo)內(nèi)穩(wěn)態(tài)指數(shù)不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,需要結(jié)合長(zhǎng)期觀測(cè)和控制實(shí)驗(yàn)才能進(jìn)一步揭示其穩(wěn)態(tài)性特征[5,14]。

4 結(jié)論

(1)除土壤P含量外,葉片、土壤和微生物生物量C、N、P含量及其計(jì)量學(xué)特征其他指標(biāo)均隨著恢復(fù)年限增加而發(fā)生顯著變化,總體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)；人工刺槐林生長(zhǎng)后期可能面臨P限制。

(2)土壤C、N、C∶P、N∶P與大部分葉片和微生物生物量計(jì)量學(xué)指標(biāo)關(guān)系緊密,說(shuō)明在植被恢復(fù)過(guò)程中其對(duì)植物和微生物生長(zhǎng)具有重要作用。

(3)葉片和微生物生物量C、N、P及其計(jì)量學(xué)特征中大部分指標(biāo)與土壤的關(guān)系能夠被內(nèi)穩(wěn)態(tài)模型很好地模擬(P<0.01)；其中葉片N∶P、微生物C、N對(duì)土壤養(yǎng)分變化較為敏感；其他指標(biāo)比較穩(wěn)定,說(shuō)明植物和微生物均會(huì)通過(guò)內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)來(lái)改變自身元素構(gòu)成以適應(yīng)土壤養(yǎng)分變化,刺槐在黃土丘陵區(qū)具有較好的適應(yīng)性；微生物的內(nèi)穩(wěn)態(tài)指數(shù)低于刺槐,對(duì)土壤養(yǎng)分的變化更加敏感。

致謝：中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所安塞水土保持綜合試驗(yàn)站為本研究野外采樣提供幫助,特此致謝。