不同品種榧樹針葉-土壤C、N、P生態化學計量特征研究

原雅楠，李正才，王 斌，張雨潔，黃盛怡

(中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所，浙江 杭州 311400)

生態化學計量學綜合生物學、化學和物理學的基本原理，利用生態過程中多重化學元素的平衡關系，為研究C、N、P等營養元素在生態系統過程中的耦合關系提供了一種綜合方法，能更好地解釋生態系統各組分（植物、土壤等）養分比例的調控機制[1-2]。土壤作為植物立地和生長的基礎，為植物生長發育提供所需的養分，其C、N、P含量調控著植物的生長，并影響植物群落的組成、結構和功能[3-4]。作為植物光合作用的主要器官，葉片與土壤元素之間作用密切，葉片的養分含量狀況較好地反映了土壤養分的供給能力[5]。研究植物葉片與養分供給能力以及植物對環境的適應性都具有重要的意義[6]。

目前，一些學者對較大尺度下不同群落或樹種的植物-土壤的化學計量特征進行了研究，表明不同森林類型或樹種的植物-土壤C、N、P化學計量相關性存在差異[7]；一些學者對不同林齡、立地條件植物-土壤化學計量的變化特征進行研究，探討了植物在不同發育階段或不同環境下的養分限制因素和養分利用的策略[8-9]；但鮮有研究關注同一植物不同品種葉片-土壤化學計量的變化特征。榧樹（Torreya grandis Fort. et Lindl.）為常綠喬木，雌雄異株，是我國榧屬（Torreya Arn.）植物中最重要的一種。目前，對榧樹資源的分布[10]、種群結構與動態[11]等研究較深入，更多研究集中于香榧（T.grandis cv. ‘Merrilli’）的栽培技術管理[12]、林地養分[13]等。大多數榧樹處于野生狀態，其種內性狀變異復雜，有很多自然變異類型（如圓榧（T. grandis cv. ‘Dielsii’）、芝麻榧、米榧等）；但目前對榧樹品種的研究較少，對不同品種榧樹生態化學計量特征的研究更欠缺。本文以浙江諸暨香榧國家森林公園百年以上不同品種雌榧樹（實生雌榧樹（圓榧）、嫁接的雌榧樹香榧）以及實生雄榧樹為研究對象，探討品種差異對榧樹C、N、P生態化學計量特征的影響，以期為提高榧樹林地養分利用率以及經營管理提供科學依據。

1 研究地概況

研究地位于浙江省諸暨市趙家鎮宣家村的香榧國 家 森 林 公 園（29°21′～29°59′ N，119°53′～120°32′ E），該地區屬于亞熱帶季風氣候，四季分明，雨水豐沛，日照充足，年平均氣溫16.3℃，年平均降水量約1 373.6 mm，年平均日照時數約1 887.6 h。研究區屬于低山丘陵地貌，土壤類型為微酸性紅壤。諸暨香榧國家森林公園為國內規模最大的香榧古樹聚集地，樹齡100 a以上的榧樹達4 200多株，500 a以上的古樹1 600余株，1 000 a以上的古樹200余株，以雌株為主。

2 材料與方法

2.1 樣株選擇和樣品采集

2018年9月中旬，通過查閱資料、農戶訪問和實地調查，分別選取環境因子基本一致、樹齡300 a左右的實生雌榧樹（實生結果圓榧）、雄榧樹（實生不結果）和香榧（嫁接的榧樹）各6株，共18棵樣株為研究對象，對樣株胸徑、樹高等基本特征進行測定，同時在樹冠東、南、西、北4個方位和上、中、下3個部位采集適量針葉，每個樣株采集的針葉均勻混合后裝入袋中，帶回實驗室。同時在離開樹體50～100 cm的樹冠下（東、南、西、北4個方位），隨機挖取4個土壤剖面（避開粗根系），分別采集0～20、20～40、40～60 cm土層土樣，去掉可見植物根系、殘體和碎石，分別標號后帶回實驗室，自然風干備用。所有調查樣株分布在半徑為500 m的范圍內，以保證環境因子基本一致，試驗具有可比性[14]。樣地基本情況見表1。

表 1 樣地基本情況 Table 1 General information of sample plots

2.2 樣品處理及測定

將采集的榧樹針葉105℃殺青，60℃烘干后磨碎，備用；自然風干后的土樣分別過2.00、0.25、0.15 mm篩，備用。土壤有機碳（SOC）和針葉全碳（LTC）含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤全氮（STN）用濃硫酸消煮，采用凱氏定氮法測定；土壤全磷（STP）用H2SO4-HClO4消煮，鉬銻抗比色法測定。植物樣品首先用H2SO4-H2O2消煮，之后針葉全氮（LTN）用凱氏定氮法測定，針葉全磷（LTP）用鉬銻抗比色法測定[15]。

2.3 數據處理

試驗數據用Microsoft Office Excel 2010進行初步整理，采用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)、雙因素方差分析(Two-way ANOVAs)和多重比較(LSD)，顯著性水平設為0.05。

3 結果與分析

3.1 榧樹土壤C、N、P含量及C:N:P生態化學計量特征

由雙因素方差分析（表2）可知：品種對STP含量影響極顯著，品種和土層間的交互作用極顯著影響STP。從表3可見：0～20 cm土層香榧SOC、STN含量最高，20～40 cm和40～60 cm土層圓榧SOC、STN含量最高。香榧不同土層STP（2.9、1.5、0.9 g·kg-1）含量均顯著高于圓榧和雄榧樹。整體上，圓榧和雄榧樹SOC、STN和STP含量均無顯著差異。

由表2可見，土壤深度極顯著影響SOC、STN、STP。從不同土層（表3）可知：各土層SOC含量為11.2～26.4 g·kg-1，STN含量為1.0～2.4 g·kg-1，STP含 量 為0.3～2.9 g·kg-1，SOC、STN和STP含量均表現為0～20 cm土層 ＞ 20～40 cm土層 ＞ 40～60 cm土層，隨著土層的加深含量逐漸減小。

表 2 品種和土層對榧樹土壤和針葉C、N、P含量及化學計量的方差分析 Table 2 The correlation between each element in leaves, breaches, and roots of T. grandis

表 3 榧樹不同土層的C、N、P含量 Table 3 Content of C, N and P of the various soil layers of T. grandis

從表4可見：香榧、圓榧和雄榧樹三者C:P整體表現為圓榧 ＞ 雄榧樹 ＞ 香榧，香榧C:P（9.6、11.3、12.3）和N:P（0.9、0.9、1.1）顯著低于圓榧和雄榧樹。由雙因素方差分析（表2）可知：品種對C:N影響顯著，極顯著影響C:P、N:P，而品種和土層交互作用下化學計量比保持穩定。

從不同土層(表4)可知：各土層C:P為9.6～50.8，C:N為8.7～12.6，N:P為0.9～5.0。C:N、C:P和N:P比在不同土層的空間變異性小。土層深度對化學計量比均無顯著影響，土層深度和品種交互作用對土壤化學計量特征也無顯著影響（表2）。

3.2 不同品種榧樹針葉C、N、P含量及化學計量特征

從圖1可知：香榧針葉LTC、LTN含量分別為533.0、18.5 g·kg-1，圓榧針葉LTC、LTN含量分別為502.8、23.2 g·kg-1，雄榧樹針葉LTC、LTN含量分別為502.7、23.2 g·kg-1。香榧LTC含量顯著高于圓榧和雄榧樹，LTN含量顯著低于雄榧樹圓榧和雄榧樹，而圓榧和雄榧樹LTC、LTN含量差異均不顯著。3種榧樹LTP含量分別為2.0、1.9、2.1 g·kg-1，差異不顯著。由方差分析（表2）可知：品種對榧樹LTC和LTN含量影響顯著，對C:N影響極顯著。

香榧針葉C:N、N:P分別為29.2、9.1，圓榧C:N、N:P分 別 為22.0、12.8，雄 榧 樹C:N、N:P分別為21.6、11.4。香榧針葉C:N顯著高于圓榧和雄榧樹，與LTC含量變化趨勢一致；香榧針葉N:P顯著低于圓榧和雄榧樹，與LTN含量變化一致。3種榧樹C:P分別為264.0、277.3、245.3，差異不顯著。

表 4 不同品種榧樹不同土層的C、N、P化學計量變化Table 4 Content of C, N and P of the various soil layers of T. grandis

圖 1 不同品種榧樹針葉C、N、P含量及化學計量變化Fig. 1 The Stoichiometric Characteristics of C, N, and P in leaves of different varieties of T. grandis

3.3 不同品種榧樹土壤與針葉C、N、P含量化學計量特征相關性

從相關分析結果（表5）可知：香榧LTN與不同土層SOC、STN和STP均呈負相關關系，相關系數為-0.631～-0.327；LTP與0～20 cm土層STN顯著負相關，相關系數為-0.836。整體上，榧樹LTC、LTN、LTP與土壤SOC、STN、STP呈不顯著相關。

由表6可知：僅圓榧針葉C:N與土壤40～60 cm土層的C:N顯著相關，相關系數為0.883。整體上，不同品種榧樹針葉C:N、C:P、N:P和土壤C:N、C:P、N:P呈不顯著相關。

表 5 榧樹針葉與土壤C、N、P含量的相關性Table 5 The correlation between each element in leaves and soil of T. grandis

表 6 榧樹針葉與土壤C:N、C:P、N:P比相關性分析Table 6 The correlation between C:N, C:P, N:P in leaves and soil of T. grandis

4 討論

4.1 不同品種榧樹土壤C、N、P含量及其化學計量特征

土壤C、N、P化學計量特征不僅反映土壤系統功能的變異性，且是土壤有機質構成、土壤質量狀況和養分供給能力的重要表現指標[16]。本研究中，3種榧樹0～20、20～40 cm土層SOC含量無顯著差異，香榧40～60 cm土層SOC、STN含量顯著低于圓榧。這可能是因為香榧林地長期施復合肥，一定程度上對土壤結構造成破壞作用，從而減小了土壤深層的總有機碳含量[17]，且香榧林地的墾覆、鋤草等人為管理，造成土壤的嚴重攪動，翻耕使得土壤有機質充分暴露在有氧環境中，促使土壤礦物質化，從而導致更多的C、N的排放。香榧和圓榧0～20 cm土層SOC、STN含量顯著高于20～40、40～60 cm土層，與呂金林等[18]研究報道一致。土壤P素作為一種沉積的礦質，在土壤中的遷移率很低，全磷的垂直變化較穩定[19]。香榧各土層STP含量均顯著高于圓榧和雄榧樹，P元素供應充足，這可能是因為香榧林地長期施入磷肥，導致香榧土壤C:P和N:P顯著低于圓榧和雄榧樹。

香榧、圓榧和雄榧樹土壤C:N較C:P、N:P穩定，這與C、N元素含量對同一環境因素變化的響應基本同步有關，作為結構性成分，二者的積累和消耗過程存在相對穩定的比值[20]。除40～60 cm土層香榧和圓榧C:N顯著高于雄榧樹外，香榧、圓榧和雄榧樹其他土層的C:N均無顯著差異，一定程度上反映出不同品種榧樹土壤氮素礦化能力與有機質的分解速率相近；同時，表層土壤C:N能夠很好地指示土壤供N狀況[21]。本研究結果表明，香榧、圓榧和雄榧樹土壤N供應能力基本一致，較高的C:P是P有效性低的一個指標[22]，香榧、圓榧和雄榧樹土壤C:P和N:P均表現為圓榧 ＞雄榧樹 ＞ 香榧，且圓榧和雄榧樹N:P也顯著高于香榧，表明二者土壤可利用P低，與其STP含量少表現一致。出現這種現象的原因可能是研究區凋落物較少且巖石風化過程漫長，P元素積累緩慢。

4.2 不同品種榧樹針葉C、N、P含量及其化學計量特征

本研究中，香榧LTC含量顯著高于圓榧和雄榧樹，這與C在多數植物體內含量很高且變異較小不一致[23]，這可能因為研究地對香榧的施肥、除草等人為經營，有利于植物的光合作用，從而固定更多的C。香榧LTN含量顯著低于圓榧，與陳佳妮等[24]報道香榧LTN含量高于榧樹的結果不同，研究結果的差異可能因為試驗的時間不同，其研究選擇在4—5月榧樹開花后，而本研究在榧樹果實成熟的9月，更多的N用于果實生長發育。香榧深層的STN含量顯著低于圓榧也可能是造成該現象的原因。植物P含量一方面反映了植物對P元素的利用效率，另一方面反映土壤P元素的供應能力[25]。3種榧樹LTP含量表現為雄榧樹 ＞ 香榧 ＞圓榧，這與香榧林地STP含量顯著高于圓榧和雄榧樹表現并不一致。有研究認為，林地N肥施入促進土壤磷酸酶活性，進而提高土壤中植物可利用性P含量[26]，進而有利于植物對P的吸收，增加植物P含量；然而，香榧林地P含量顯著高于圓榧和雄榧樹，而香榧LTP含量與圓榧和雄榧樹并無顯著差異，這可能是植物的生物增長速率大于植物P元素吸收速率時，會產生“生物量稀釋作用”，植物葉片P含量表現為無顯著變化甚至減少[27-28]。

葉片C:N和C:P一定程度能反映植物的養分利用效率[29]。香榧針葉C:N顯著高于圓榧和雄榧樹，且C:P也較高，說明香榧有較高的養分利用效率。很多研究將植物葉片N:P比作為限制因子判斷的指標，N:P ＜ 14受N限制，N:P ＞ 16受P限制，位于二者中間N、P共同限制或均不限制[30]。本研究中，3種榧樹N:P分別為9.1、12.8和11.4，小于受N限制的閾值（14.0）。土壤是陸地植物生長最重要的基質，其N:P可用作N飽和的診斷指標，并常被用于確定養分限制的閾值[31]。本研究中，3種榧樹土壤N:P遠小于14.0，造成香榧土壤N:P小的主要原因是STP含量高，因此，單純靠閾值判斷植物養分限制存在局限性，更應結合林地實際情況。

4.3 榧樹針葉-土壤C、N、P化學計量相關性分析

諸多研究表明，葉片的養分含量狀況能較好地反應土壤養分的供給能力，植物葉片與土壤C、N、P含量及化學計量比有一定的相關性。李喜霞等對紅松（Pinus koraiensisSieb. et Zucc.）林的研究表明，LTN、LTP含量與STN、STP顯著相關（p＜0.05）[32]；鄧成華等[33]研究發現，油茶（Camellia oleiferaAbel.）LTP含量與STP含量顯著正相關，且土壤C:N、C:P、N:P與葉片C:N、C:P呈顯著正相關，葉片N:P與土壤C:P、N:P呈顯著正相關（p＜0.05）；顧大形等[34]對四季竹（Oligostachyum lubricum(Wen) King f.）的研究表明，STN含量分別與LTN含量、葉片N:P呈極顯著正相關（p＜0.01）。這與土壤為植物提供生長所需養分，植物通過光合作用，然后以植物殘體的形式返還給土壤有很強的關系[35]；但也有一些研究表明，植物-土壤C、N、P化學計量特征相關性較小。靖磊等[36]對楊樹（Populusspp.）的研究表明，LTC、LTN、LTP含量及其比值與土壤之間相關關系并不顯著；姜沛沛等對刺槐（Robinia pseudoacacia L.）、遼東櫟（Quercus liaotungensis Koidz.）的研究中發現，LTN、LTP含量與STN、STP含量均無顯著關系，且環境因子對葉片和土壤N、P影響較大[37]。本研究中，榧樹LTC、LTN和LTP含量以及化學計量特征與STC、STN、STP含量及化學計量特征的相關關系并不顯著，這可能因為當地榧樹樹齡較大，植物有較強的內穩性。本研究結果與姜沛沛等[37]、張藤子等[8]發現油松（P. tabulaeformis Carr.）植物養分與土壤養分含量及化學特征相關關系較弱的結果一致。

5 結論

本研究中，實生榧樹圓榧和雄榧樹針葉-土壤化學計量特征均無差異，雌雄異株對實生榧樹化學計量特征無顯著影響；香榧林地土壤P含量顯著高于圓榧和雄榧樹，施肥等人為經營管理對榧樹林地土壤P含量影響較大。榧樹針葉-土壤C、N、P含量及化學計量相關關系較弱。