溫文杰 王冬梅
(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院 北京 100083)
碳(C)、氮(N)和磷(P)在樹(shù)木生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中具有重要作用,其化學(xué)計(jì)量比體現(xiàn)樹(shù)木的碳積累及氮、磷限制格局,并與氮固定、環(huán)境適應(yīng)等生態(tài)過(guò)程有關(guān),能夠揭示樹(shù)木與環(huán)境間的關(guān)系(Elseretal.,2000;Woodsetal.,2003;Fanetal.,2015;Weietal.,2021)。多年來(lái),國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開(kāi)展了許多植物葉片養(yǎng)分含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征研究,并取得了一定突破(Niklasetal.,2005;Renteríaetal.,2011;Sistlaetal.,2012;Moetal.,2015),如分析全球1 280種植物(Reichetal.,2004)和我國(guó)753種植物(Hanetal.,2005)葉片的養(yǎng)分含量和化學(xué)計(jì)量特征,還在我國(guó)喀斯特高原石漠化區(qū)(劉娜等,2020)、黃土高原(喬雨寧等,2020)、青藏高原(孫小妹等,2018)、阿拉善荒漠(張珂等,2014)、遼東山區(qū)(畢建華等,2017)、洞庭湖濕地(李旭等,2019)和海南島海岸帶(張書(shū)齊等,2020)等典型地貌區(qū)進(jìn)行了植物葉片養(yǎng)分含量及其化學(xué)計(jì)量特征研究,但在青海黃土高寒區(qū)的研究鮮見(jiàn)報(bào)告。
植物生活型不同,其葉片的壽命和養(yǎng)分重吸收機(jī)制也有所差異,從而影響到葉片C、N和P含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比(Liuetal.,2006;王晶苑等,2011;劉冬等,2020);而且在生長(zhǎng)季不同階段,植物在養(yǎng)分利用效率的權(quán)衡策略上也可能不一致(吳鵬,2017;王樹(shù)力等,2018)。坡位一定程度上體現(xiàn)著水熱條件和養(yǎng)分等的環(huán)境梯度,可能通過(guò)水肥再分配影響植物的養(yǎng)分吸收利用(范葉青等,2012;樊月等,2019;余明等,2019)。鑒于此,本研究以青海黃土高寒區(qū)華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、青海云杉(Piceacrassifolia)、白樺(Betulaplatyphylla)和青楊(Populuscathayana)4種典型人工林樹(shù)種為對(duì)象,研究生長(zhǎng)季不同階段和不同坡位時(shí)的葉片有機(jī)碳(organic carbon,OC)、全氮(total nitrogen,TN)、全磷(total phosphorus,TP)含量及化學(xué)計(jì)量特征的變化,以期為指導(dǎo)青海高寒森林的經(jīng)營(yíng)管理提供科學(xué)依據(jù)。
研究區(qū)位于青海西寧市大通回族土族自治縣塔爾溝小流域(100°51′—101°56′E,36°43′—37°23′N(xiāo)),地處青藏高原與黃土高原過(guò)渡地帶,屬大陸性高原氣候,年均氣溫2.8 ℃,降水量400~600 mm,主要集中在5—9月,約占全年降水量的87%。主要土壤類(lèi)型為山地棕褐土和栗鈣土,土層深厚。小流域內(nèi)森林以青海云杉、華北落葉松、青楊和白樺等人工純林為主。
葉片樣品采集于2019年5月15日—8月15日。在4種人工純林內(nèi)坡面的上、中、下3個(gè)坡位(彼此海拔差至少10 m)設(shè)置20 m×20 m樣地,除華北落葉松在下坡位設(shè)了3塊樣地外,每種林分類(lèi)型每個(gè)坡位均設(shè)置2塊樣地,共計(jì)25塊樣地(表1),對(duì)每塊樣地進(jìn)行每木檢尺。將生長(zhǎng)季的5月15日—8月15日劃分為3個(gè)階段:5月15日—6月15日(階段Ⅰ)、6月15日—7月15日(階段Ⅱ)和7月15日—8月15日(階段Ⅲ)。在階段Ⅰ,每塊樣地選取3~5株標(biāo)準(zhǔn)木,在其東、南、西和北4個(gè)方向采集健康、完整且成熟的葉片,每塊樣地混合葉片樣品不少于500 g。在其他生長(zhǎng)季階段,除華北落葉松在下坡位選擇2塊樣地、在中坡位和上坡位各選擇1塊樣地進(jìn)行采樣外,另外3種林分類(lèi)型每個(gè)坡位僅選1塊樣地進(jìn)行采樣。
表1 樣地基本特征Tab.1 Characteristics of sampling plots
采集的葉片樣品裝入牛皮紙袋,做好記錄帶回實(shí)驗(yàn)室。置于105 ℃烘箱中殺青30 min后,65 ℃下烘干至恒重。烘干樣品用粉碎機(jī)粉碎并過(guò)0.15 mm篩,采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測(cè)定葉片OC含量,凱氏定氮法測(cè)定葉片TN含量,堿溶-鉬銻抗比色法測(cè)定葉片TP含量。
所有數(shù)據(jù)利用SPSS 25軟件處理,化學(xué)計(jì)量比均為摩爾比。采用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn),當(dāng)P>0.05時(shí)數(shù)據(jù)為正態(tài)分布。采用單因素方差分析比較葉片OC、TN和TP含量及化學(xué)計(jì)量比C∶N(OC∶TN)、C∶P(OC∶TP)和N∶P(TN∶TP)在不同生活型、生長(zhǎng)季階段和坡位間的差異顯著性,并用 Duncan法進(jìn)行多重比較。對(duì)葉片OC、TN和TP含量進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析,利用Canoco 5軟件對(duì)葉片養(yǎng)分含量及其化學(xué)計(jì)量比與影響因子(生活型、生長(zhǎng)季階段和坡位)的關(guān)系進(jìn)行除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(detrended correspondence analysis,DCA)、冗余分析(redundancy analysis,RDA)和蒙特卡洛置換檢驗(yàn)。
3.1.1 葉片OC、TN和TP含量的統(tǒng)計(jì)特征 表2表明:華北落葉松和青楊葉片的OC、TN和TP含量及青海云杉和白樺葉片的TN含量服從正態(tài)分布,可用算術(shù)平均值(arithmetic mean,AM)反映樣本總體特征,但青海云杉和白樺葉片的OC和TP含量不服從正態(tài)分布,故用幾何平均值(gemetric mean,GM)能更真實(shí)反映樣本總體特征;華北落葉松葉片OC、TN和TP含量的算術(shù)平均值(AM)分別為599.81、22.67和2.65 g·kg-1,變異系數(shù)分別為2.08%、19.41%和44.91%;青海云杉葉片OC、TN和TP含量的平均值分別為590.69 g·kg-1(GM)、7.14 g·kg-1(AM)和0.81 g·kg-1(GM),變異系數(shù)分別為5.16%、11.90%和37.65%;白樺葉片OC、TN和TP含量的平均值分別為605.67 g·kg-1(GM)、27.62 g·kg-1(AM)和1.18 g·kg-1(GM),變異系數(shù)分別為1.90%、14.67%和66.24%;青楊葉片OC、TN和TP含量的算術(shù)平均值(AM)分別為571.19、23.31和2.25 g·kg-1,變異系數(shù)分別為2.02%、26.08%和68.00%;4種樹(shù)木葉片OC、TN和TP含量的變異性規(guī)律相同,即變異系數(shù)表現(xiàn)為T(mén)P>TN>OC。
表2 樹(shù)木葉片OC、TN和TP含量的統(tǒng)計(jì)特征①Tab.2 Statistical characteristics of OC,TN,and TP content in tree leaves
3.1.2 葉片OC、TN和TP含量的生活型、生長(zhǎng)季階段和坡位比較 將4種樹(shù)木劃為針葉樹(shù)和闊葉樹(shù)2種生活型。由表3可看出:針葉樹(shù)和闊葉樹(shù)葉片的OC含量在不同生長(zhǎng)季階段無(wú)顯著差異(P2>0.05);闊葉樹(shù)葉片TN含量在階段Ⅰ和Ⅱ顯著高于針葉樹(shù)(P2<0.05),并在階段Ⅲ也高于針葉樹(shù),但差異不顯著(P2>0.05);針葉樹(shù)和闊葉樹(shù)葉片TP含量在階段Ⅰ和Ⅱ無(wú)顯著差異(P2>0.05),但在階段Ⅲ表現(xiàn)出針葉樹(shù)葉片TP含量顯著高于闊葉樹(shù)(P2<0.05)。
由表3還可看出:針葉樹(shù)和闊葉樹(shù)葉片OC含量、針葉樹(shù)葉片TN和TP含量均在各生長(zhǎng)季階段之間差異不顯著(P1>0.05);闊葉樹(shù)葉片TN和TP含量均存在顯著的生長(zhǎng)季階段差異(P1<0.05),表現(xiàn)為T(mén)N在階段I顯著高于階段Ⅱ和Ⅲ;TP在階段Ⅰ顯著高于階段Ⅱ,在階段Ⅱ又顯著高于階段Ⅲ??傮w來(lái)看,闊葉樹(shù)葉片TN和TP含量受生長(zhǎng)季階段的影響大于針葉樹(shù)。
表3 樹(shù)木葉片OC、TN和TP含量的生活型和生長(zhǎng)季階段比較①Tab.3 Comparison of OC,TN,and TP content in tree leaves under different life forms and stages of the growing season
由表4可看出:3個(gè)坡位針葉樹(shù)葉片OC含量均高于闊葉樹(shù),但差異不顯著(P2>0.05);闊葉樹(shù)葉片TN含量在各坡位均高于針葉樹(shù),但僅在中、上坡位顯著(P2<0.05),在下坡位不顯著(P2>0.05);針葉樹(shù)和闊葉樹(shù)葉片TP含量在3個(gè)坡位之間無(wú)顯著差異(P2>0.05)。
由表4還可看出:針葉樹(shù)和闊葉樹(shù)葉片OC含量在下坡位均高于中、上坡位,但未達(dá)到顯著水平(P3>0.05);TN和TP含量在不同坡位間均差異不顯著(P3>0.05)。
表4 樹(shù)木葉片OC、TN和TP含量的生活型和坡位比較①Tab.4 Comparison of OC,TN,and TP content in tree leaves under different life forms and slope positions
3.2.1 葉片C∶N、C∶P和N∶P的統(tǒng)計(jì)特征 表5表明:4種樹(shù)木葉片的C∶N和青海云杉葉片C∶P均服從正態(tài)分布,采用算術(shù)平均值(AM),4種樹(shù)木葉片的N∶P以及華北落葉松、白樺和青楊葉片C∶P不服從正態(tài)分布,采用幾何平均值(GM);華北落葉松葉片C∶N、C∶P和N∶P的平均值分別為32.04(AM)、667.53(GM)和21.24(GM),變異系數(shù)分別為19.79%、71.89%和70.28%;青海云杉葉片C∶N、C∶P和N∶P的平均值分別為97.73(AM)、1 971.00(AM)和18.87(GM),變異系數(shù)分別為11.48%、30.39%和24.71%;白樺葉片C∶N、C∶P和N∶P的平均值分別為26.04(AM)、1 330.24(GM)和51.50(GM),變異系數(shù)分別為12.90%、87.87%和83.61%;青楊葉片C∶N、C∶P和N∶P的平均值分別為30.45(AM)、938.01(GM)和31.80(GM),變異系數(shù)分別為26.01%、120.79%和99.71%。可以看出,4種樹(shù)木葉片C∶N的變異系數(shù)小于N∶P的變異系數(shù),N∶P的變異系數(shù)又小于C∶P的變異系數(shù)。
表5 樹(shù)木葉片C∶N、C∶P和N∶P的統(tǒng)計(jì)特征Tab.5 Statistical characteristics of C∶N,C∶P,and N∶P in tree leaves
3.2.2 葉片C∶N、C∶P和N∶P的生活型、生長(zhǎng)季階段和坡位比較 由表6可看出:針葉樹(shù)葉片C∶N在階段Ⅰ和Ⅱ顯著高于闊葉樹(shù)(P2<0.05),在階段Ⅲ也高于闊葉樹(shù)但差異不顯著(P2>0.05);針葉樹(shù)葉片C∶P在階段Ⅰ顯著高于闊葉樹(shù)(P2<0.05),但在階段Ⅲ顯著低于闊葉樹(shù)(P2<0.05),在階段Ⅱ不顯著低于闊葉樹(shù)(P2>0.05);闊葉樹(shù)葉片N∶P在階段Ⅰ和Ⅲ顯著高于針葉樹(shù)(P2<0.05),在階段Ⅱ不顯著高于針葉樹(shù)(P2>0.05)。
由表6還可看出:針葉樹(shù)葉片C∶N和C∶P在3個(gè)生長(zhǎng)季階段間差異不顯著(P1>0.05),而N∶P在3個(gè)生長(zhǎng)季階段間則差異顯著(P1<0.05),階段Ⅲ顯著高于階段Ⅰ和Ⅱ;闊葉樹(shù)葉片C∶N、C∶P和N∶P在3個(gè)生長(zhǎng)季階段間均差異顯著(P1<0.05),C∶N在階段Ⅱ和Ⅲ顯著高于階段Ⅰ,C∶P在階段Ⅲ顯著高于階段Ⅰ和Ⅱ,N∶P在階段Ⅲ也顯著高于階段Ⅰ和Ⅱ。總體來(lái)看,闊葉樹(shù)葉片C∶N和C∶P受生長(zhǎng)季階段的影響大于針葉樹(shù)。
表6 樹(shù)木葉片C∶N、C∶P和N∶P的生活型和生長(zhǎng)季階段比較Tab.6 Comparison of C∶N,C∶P,and N∶P in tree leaves under different life forms and stages of the growing season
由表7可看出:針葉樹(shù)葉片C∶N高于闊葉樹(shù),在中和上坡位差異顯著(P2<0.05),在下坡位差異不顯著(P2>0.05);針葉樹(shù)葉片C∶P與闊葉樹(shù)在3個(gè)坡位均無(wú)顯著差異(P2>0.05);闊葉樹(shù)葉片N∶P高于針葉樹(shù),下坡位差異顯著(P2<0.05),中和上坡位差異不顯著(P2>0.05)。
由表7還可看出:針葉樹(shù)和闊葉樹(shù)葉片C∶N和C∶P在下坡位均高于中和上坡位,但未達(dá)到顯著水平(P3>0.05);針葉樹(shù)和闊葉樹(shù)葉片的N∶P在不同坡位間也差異不顯著(P3>0.05)。
表7 樹(shù)木葉片C∶N、C∶P和N∶P的生活型和坡位比較Tab.7 Comparison of C∶N,C∶P,and N∶P in tree leaves under different life forms and slope positions
對(duì)青海黃土高寒區(qū)4種典型人工林樹(shù)木在生長(zhǎng)季(5月15日—8月15日)的葉片OC、TN和TP含量進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析,結(jié)果(表8)表明,4種樹(shù)木葉片OC含量與TN、TP含量均不存在顯著相關(guān)關(guān)系,除青海云杉外,其他3種樹(shù)木葉片TN與TP含量均極顯著正相關(guān)(P<0.01)。
表8 樹(shù)木葉片OC、TN和TP含量的Spearman相關(guān)性分析①Tab.8 Spearman correlation analysis of OC,TN,and TP content in tree leaves
DCA結(jié)果顯示,排序軸的梯度長(zhǎng)度小于3,適合采用線(xiàn)性排序法(線(xiàn)性模型),故本研究用RDA來(lái)研究葉片OC、TN和TP含量以及化學(xué)計(jì)量比與生活型、生長(zhǎng)季階段和坡位之間的關(guān)系。由圖1可知,生長(zhǎng)季階段(SGS,從Ⅰ、Ⅱ到Ⅲ)與葉片C∶N、C∶P和N∶P正相關(guān),與葉片OC、TN和TP含量負(fù)相關(guān)。生活型(LF,從針葉樹(shù)到闊葉樹(shù))與葉片TN含量、C∶P和N∶P正相關(guān),與OC含量和C∶N負(fù)相關(guān),對(duì)TP含量影響較小(投影點(diǎn)在原點(diǎn)附近)。坡位(SP,從下坡、中坡到上坡)與葉片TP和TN含量正相關(guān),與葉片C∶P和N∶P負(fù)相關(guān),對(duì)葉片OC含量和C∶N影響較小(投影點(diǎn)在原點(diǎn)附近)。
圖1 生長(zhǎng)季階段、生活型和坡位與葉片OC、TN和TP含量及化學(xué)計(jì)量比的RDA排序Fig.1 RDA ranking of different stages of the growing season,life forms,and slope positions of trees and the leaf OC,TN,and TP content and stoichiometric ratiosSGS:生長(zhǎng)季階段Stage of the growing season;LF:生活型Life form;SP:坡位Slope position.
蒙特卡洛置換檢驗(yàn)結(jié)果表明(表9):生長(zhǎng)季階段和生活型對(duì)葉片OC、TN和TP含量及化學(xué)計(jì)量比的影響均達(dá)極顯著水平(P<0.01),且二者的解釋程度相差不大,分別為17.5%和15.0%。相比之下,坡位的解釋程度最低,僅為1.3%。
表9 生長(zhǎng)季階段、生活型和坡位對(duì)葉片OC、TN和TP含量及化學(xué)計(jì)量比的解釋程度Tab.9 Interpretation degree of leaf OC,TN,and TP content and stoichiometric ratios under different stages of the growing season,life forms,and slope positions of trees
本研究中,青海黃土高寒區(qū)4種典型人工林樹(shù)木葉片OC含量平均值(變化范圍)為591.84 (571.19~605.67)g·kg-1,遠(yuǎn)高于全球植物葉片的均值464 g·kg-1(Elseretal.,2000),可能是處在高寒區(qū)的樹(shù)木生長(zhǎng)較慢,光合速率較低,導(dǎo)致OC含量累積有關(guān)。全球陸生植物葉片TN含量平均值為20.1 g· kg-1(Reichetal.,2004),我國(guó)植物葉片平均TN含量為20.2 g·kg-1(Hanetal.,2005),我國(guó)北方山區(qū)人工林樹(shù)木葉片平均TN含量為21.6 g·kg-1(宗寧等,2017),本研究中4種樹(shù)木葉片TN含量平均值(變化范圍)為17.76(7.14~27.62)g·kg-1,其中青海云杉葉片TN含量(7.14 g·kg-1)遠(yuǎn)低于全球、我國(guó)植物葉片及我國(guó)北方山區(qū)人工林樹(shù)木葉片均值。研究表明,葉片TN含量較高的植物具有較高的光合速率,生長(zhǎng)也較快(楊斌等,2019;胡啟武等,2014),故青海黃土高寒區(qū)的青海云杉生長(zhǎng)較慢。全球陸生植物葉片TP含量平均值為1.77 g·kg-1(Reichetal.,2004),我國(guó)植物葉片平均TP含量為1.46 g·kg-1(Hanetal.,2005),我國(guó)北方山區(qū)人工林樹(shù)木葉片平均TP含量為2.35 g·kg-1(宗寧等,2017),本研究中4種樹(shù)木葉片TP含量平均值(變化范圍)為1.47(0.81~2.65)g·kg-1,其中青海云杉葉片TP含量(0.81 g·kg-1)遠(yuǎn)低于全球、我國(guó)植物葉片及我國(guó)北方山區(qū)人工林樹(shù)木葉片均值。由此可知,青海云杉葉片TN和TP含量均較低。
葉片C∶N和C∶P代表植物吸收營(yíng)養(yǎng)元素時(shí)同化OC的能力,一定程度上可反映植物的營(yíng)養(yǎng)利用效率。在低營(yíng)養(yǎng)條件下,植物生長(zhǎng)緩慢,C∶N和C∶P將增大,植物的營(yíng)養(yǎng)利用率提高,所以高的C∶N和C∶P表征植物生長(zhǎng)較慢(楊惠敏等,2011;李從娟等,2014;鄧成華等,2019;龔雪偉等,2017)。我國(guó)東部南北森林樣帶102 個(gè)優(yōu)勢(shì)種葉片的C∶N∶P摩爾比算術(shù)平均值為810.9∶ 25.4∶1(任書(shū)杰等,2012),本研究青海黃土高寒區(qū)4種樹(shù)木中,青海云杉葉片C∶N和C∶P遠(yuǎn)高于其他3個(gè)樹(shù)種,也高于我國(guó)東部森林樣帶,青海云杉生長(zhǎng)較慢。
TN和TP是陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要限制因子,N∶P通常用來(lái)描述群落水平的TN和TP相對(duì)限制。我國(guó)753種陸生植物葉片N∶P質(zhì)量比平均為16.3(Hanetal.,2005),換算成摩爾比為36.09。本研究中,青海云杉葉片N∶P平均值為18.87,在4種樹(shù)木中最低,且遠(yuǎn)低于我國(guó)植物葉片均值。白樺葉片N∶P平均值為51.50,在4種樹(shù)木中最高,且遠(yuǎn)高于我國(guó)植物葉片均值,說(shuō)明青海云杉的生長(zhǎng)更多受TN限制,白樺生長(zhǎng)更多受TP限制。
本研究Spearman相關(guān)性分析表明,除青海云杉葉片外,其他3種樹(shù)木葉片TN和TP含量均極顯著正相關(guān)(P<0.01),而近年來(lái)有研究表明,若葉片TN含量較高時(shí),通常也具有相對(duì)較高的TP含量(Rongetal.,2015;Wuetal.,2014),這可以為今后探討葉片內(nèi)養(yǎng)分的循環(huán)和利用提供一定理論依據(jù)。
本研究通過(guò)RDA分析得到,青海黃土高寒區(qū)4種樹(shù)木葉片OC、TN和TP含量及化學(xué)計(jì)量比受生長(zhǎng)季階段和生活型的影響均達(dá)極顯著水平(P<0.01),解釋程度較高,而受坡位的影響未達(dá)顯著水平(P>0.05),解釋程度也最低。
青海黃土高寒區(qū)4個(gè)樹(shù)種葉片OC、TN和TP含量及其化學(xué)計(jì)量比隨生活型、生長(zhǎng)季階段和坡位變化的一般性規(guī)律為:闊葉樹(shù)葉片TN含量高于針葉樹(shù),闊葉樹(shù)葉片TN和TP含量及C∶N和C∶P受生長(zhǎng)季階段的影響大于針葉樹(shù),這可能與針葉和闊葉樹(shù)木葉片結(jié)構(gòu)不同有關(guān),還需要進(jìn)一步研究;下坡位針葉樹(shù)和闊葉樹(shù)葉片的OC含量、C∶N和C∶P均高于中坡位和上坡位,雖然未達(dá)到顯著水平,但在一定程度上也可以說(shuō)明下坡位樹(shù)木生長(zhǎng)相對(duì)較慢,這可能是由于下坡位樹(shù)木受人類(lèi)活動(dòng)干擾較大。
本研究探討青海黃土高寒區(qū)華北落葉松、青海云杉、白樺和青楊這4種典型人工林樹(shù)木(針葉和闊葉2種生活型)葉片的OC、TN、TP含量和化學(xué)計(jì)量特征,及其隨生長(zhǎng)季階段和坡位的變化,結(jié)果表明:
1)青海云杉葉片C∶N和C∶P較高,N∶P較低,說(shuō)明青海云杉生長(zhǎng)較慢,且更多受TN限制,要注意TN養(yǎng)分的補(bǔ)給。
2)生長(zhǎng)季階段和針葉、闊葉生活型是影響青海黃土高寒區(qū)4種樹(shù)木葉片養(yǎng)分含量和化學(xué)計(jì)量比的顯著因素(P<0.01)。闊葉樹(shù)葉片TN含量高于針葉樹(shù),生長(zhǎng)季階段對(duì)闊葉樹(shù)葉片TN和TP含量及C∶N和C∶P的影響大于針葉樹(shù),養(yǎng)分管理時(shí)要關(guān)注樹(shù)木所屬的生活型和所處的生長(zhǎng)季階段。