滇池流域磷礦山區優勢植物葉片與土壤養分生態化學計量特征①

趙洛琪，吳曉妮，付登高*，徐子萱，朱安琪

(1 云南大學生態與環境學院暨云南省高原山地生態與退化環境修復重點實驗室，昆明 650091；2 昆明學院農學與生命科學學院，昆明650214)

選擇合適的植物物種進而構建植物群落一直是恢復生態學研究的重點領域。在受損生態環境中，植物不僅要面臨土壤養分含量缺乏的限制，甚至會受到極端環境的脅迫，所以在植被恢復的過程中，植物的選擇尤為重要[1]。針對不同類型 (如森林、草地、農田、濕地、湖泊、河流、海洋)、不同程度的退化生態系統，其恢復方法亦不同[2]，而對于退化山區的植被恢復，首要任務是增加貧瘠土壤的養分含量，以緩解土壤養分含量對當地植被生長的限制作用。

生態化學計量學集生物學、化學計量學和其他相關學科的一些基本原理于一身[3-4]，是研究生物系統能量平衡和多重化學元素平衡的一門學科[5]。目前國外有很多關于 C、N、P 化學計量學研究，研究對象由水生生態系統和濕地生態系統延伸到陸地生態系統，主要集中在種群動態變化和生態系統養分供求平衡及其應用[6-7]。土壤和植被是陸地生態系統的重要組成部分，兩者之間具有密切的相互作用。土壤是植物生長的基礎，為植物提供生長所需的各種養分，對植物群落的發生和演替，群落的物種組成、多樣性以及生態系統的結構和功能具有重要影響[8-9]。因此，深入了解土壤及植物不同元素含量及其生態化學計量對探究土壤養分元素在循環過程中的相互耦合關系及其生態效應具有重要作用[10]。例如，植物體內的 C:N 和 C:P 通常能反映植物對N 和 P 養分的利用效率，一定程度上也能表征土壤中 N 和 P 的供應狀況[11]。植物葉片的N:P 臨界值被認為可以指示土壤對植物生長的養分供給狀況，并且被廣泛應用于診斷植物個體、群落和生態系統的 N、P 養分限制格局[5]。土壤作為植物 N、P 養分來源，直接影響植物對N、P 養分的吸收利用及植物化學計量關系[12]，尤其在土壤養分比例失衡的立地條件下，探討土壤和植物之間的養分含量及其計量特征將有助于生態修復進程及有效管理。

滇池流域南部是我國著名的磷礦開采區，占據了滇池流域總面積的13%。在該區域退化山地環境中，土壤中極高的P負荷極易產生淋溶和侵蝕，大量的P隨著地表徑流匯入滇池[13]。磷礦山區內一般土壤中含P量平均達到 0.42% 以上，遠遠高于本地土壤P正常值 0.14%，可溶磷含量達到 52 ~160 mg/kg，遠遠高于本地可溶磷正常值17.8 ~32.0 mg/kg，目前流域內人類的各種活動已顯著地影響P素的生物地球化學循環。因此，該區域的生態修復對滇池富營養化的防控具有重要影響。前期調查發現該區域內存在多種不同生活型的優勢植物，其中云南松(Pinus yunnanensis)能夠應對水分與干旱的脅迫并適應云南雨旱分明的自然條件[14]；馬桑(Coriaria nepalensis)作為固N物種[15]，能夠減少土壤低N環境對自身生長發育的限制；蔗茅(Erianthus fulvus)在云南各地有著廣泛的分布；而紫莖澤蘭(Euapatorium adenophorum)作為入侵植物，對當地生物多樣性和生態系統過程及功能的影響受到人們的持續關注[16]。因此本研究選取了滇池流域磷礦退化山區內4種不同生活型優勢植物，通過對植物葉片以及在植物影響下的土壤營養元素含量及其計量比的分析，深入了解該區域土壤和植物的營養元素格局及影響植物生長發育的主要限制因子，并在此基礎上為該區域生態修復過程中的植物選取及植物群落組配提供參考，以期達到固持水土、削減P素流失的效果。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究樣地位于滇池流域南部，地理位置為24°36′ ~ 24°37′N，102°41′ ~ 102°42′E，海拔1 936 ~2 256 m，平均溫度14.7 ℃，多年降雨量797 ~1 007 mm，大多集中在雨季的7、8月份。地貌為山地半山地，處于自東南向西北匯入滇池的柴河子流域內。該流域是滇池流域主要的磷礦開采區，也是滇池流域內3個面積超過300 km2的子流域之一。該研究區內有多處早年磷礦開采面，多分布于1/3 ~ 2/3山腰區域。土壤類型為山地黃紅壤與棕紅壤，土壤含水率為14.29%，pH 6.23，土壤全氮0.78 g/kg，全磷6.57 g/kg，全鉀3.36 g/kg，有機質32.1 g/kg。流域內自然植被以亞熱帶半濕潤常綠闊葉林為主，由于前期人類活動，幾乎已沒有成片分布。而在經自然恢復后植被覆蓋度較好的區域內，廣泛分布著成片的灌草叢及云南松林，兩種植物群落的立地條件、土壤母質和水熱條件等均相對一致。其中云南松林的優勢喬木及灌木分別為云南松(P. yunnanensis)和碎米花杜鵑(R. spiciferum)；灌草叢中優勢灌木為馬桑(C. nepalensis)，優勢草本植物為蔗茅(E. fulvus)和典型的外來入侵物種紫莖澤蘭(E. adenophorum)。

1.2 樣品的采集與參數測定

基于前期調查基礎上，于2017年8月在該區域磷礦山區內選擇典型的坡向、坡位相似的荒坡灌草叢及云南松林樣地，各樣地設4個大小為10 m ×10 m的樣方，樣方之間的距離不少于100 m。在灌草叢樣地中，根據馬桑、蔗茅及紫莖澤蘭的生長情況，各物種隨機選擇植株高度相對一致、生長良好且成熟的植株各3株，4個樣方中每個物種共選擇12株個體。在云南松樣地中，選擇8株高度及胸徑相似且長勢良好的云南松，每個樣方各2株。植株選擇完畢后，在植物冠幅下采集土樣，由于不同生活型植物根系分布的差異，故云南松采集0 ~30 cm土壤，其余3種植物采集0 ~ 20 cm土壤，在馬桑、蔗茅及紫莖澤蘭灌叢中隨機采3個樣點土壤樣品進行均勻混合；由于云南松冠幅相比灌木和草本較大，故在云南松冠幅內隨機采6個樣點并均勻混合。采集樣方內植物葉片，在4個方向各隨機采集目標植物成熟葉片樣品。葉片樣品帶回實驗室后，用蒸餾水清洗干凈后置于105 ℃ 烘箱內殺青20 min后調至80 ℃ 烘干至恒重，過0.1 mm篩后裝瓶待測；土壤樣品按測試要求風干研磨過2 mm和0.25 mm篩，以測定土壤養分指標。

土壤和葉片全氮的測定采取半微量凱氏定氮法，土壤速效氮的測定采取堿解擴散吸收法，土壤和葉片全磷的測定采取酸溶-鉬銻抗比色法，土壤有效磷的測定采取雙酸浸提-鉬銻抗比色法，土壤和葉片有機質的測定采取重鉻酸鉀氧化外加熱法，土壤pH的測定采取電極法[17]。

1.3 數據分析

利用單因素方差分析比較不同植物影響下的土壤和植物葉片的養分含量及其計量比之間的差異；利用相關性分析了解土壤與葉片養分含量之間的關系。其中土壤N有效性=堿解氮/全氮，土壤P有效性=有效磷/全磷。使用Excel 2007對數據進行整理歸納，所有統計分析均使用SPSS 23.0進行。

2 結果與分析

2.1 植物對土壤養分的影響

不同植物影響下的土壤養分含量如表1所示：云南松影響下土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷含量最高，分別為22.42 g/kg、1.85 g/kg、140.78 mg/kg和1 048.89 mg/kg，其中有機質含量顯著高于其他植物；云南松下的土壤全磷含量最低，為2.51 g/kg，顯著低于其他植物。pH與有效磷含量在不同植物之間差異并不顯著。

表1 不同植物影響下的土壤養分含量Table 1 Soil nutrient contents under different plants

2.2 植物對土壤生態化學計量比及氮磷有效性的影響

分析不同植物對土壤生態化學計量比及N、P有效性的影響可以發現(表2)：云南松影響下土壤C︰P、N︰P分別為8.93和0.74，顯著高于其他植物土壤，且P有效性最高；紫莖澤蘭C︰N及N有效性最高，但差異并不顯著。

2.3 不同植物葉片養分含量及生態化學計量比特征

不同植物葉片養分含量及其計量比特征具體見圖1。不同植物葉片C含量表現為云南松葉片C含量顯著高于其他植物。不同植物葉片N含量表現為紫莖澤蘭>馬桑>蔗茅>云南松，其中紫荊澤蘭和馬桑葉片N含量顯著高于云南松和蔗茅。不同植物葉片P含量表現為紫莖澤蘭>馬桑>蔗茅>云南松，且相互之間均差異顯著。不同植物葉片C︰N和C︰P均表現為云南松>蔗茅>馬桑>紫莖澤蘭，且云南松顯著高于其他植物；不同植物葉片N︰P表現為馬桑和紫莖澤蘭顯著高于蔗茅和云南松。

表2 不同植物影響下的土壤C、N、P計量比及土壤N、P有效性Table 2 Eco-stoichiometric ratios among soil C, N and P and soil N and P availability under different plants

2.4 不同植物影響下土壤與葉片養分含量相關關系

不同植物影響下土壤與葉片養分含量及其化學計量比的相關關系見圖2。其中土壤C含量與葉片C含量及葉片C︰P均表現出顯著的正相關關系。土壤N含量與葉片C含量、葉片C︰N呈顯著正相關，而土壤N含量與葉片N︰P表現出顯著的負相關關系。土壤P含量與葉片P含量呈顯著正相關，但與葉片C含量及葉片C︰P均表現出顯著負相關。

3 討論

3.1 磷礦山區土壤養分含量及其生態化學計量特征

從整體來看，磷礦山區不同植物影響下土壤C、N、P含量為16、1.19、3.19 g/kg，相較于該區域磷礦開采廢棄地土壤C、N、P含量1.82、0.66、20 g/kg[18]，C、N含量明顯上升，P含量明顯下降。而磷礦山區土壤在不同植物影響下，各項養分指標表現出不同的變化。云南松影響下土壤C、N、P含量分別為22.42、1.85、2.51 g/kg，云南松能夠提升土壤C、N養分含量，并且通過吸收削減土壤P含量；荒坡灌草叢土壤C、N、P含量分別為13.87、0.97、3.42 g/kg。相較于滇中非磷礦區土壤平均C、N、P含量20.25、0.78、0.2 g/kg[19]，磷礦區荒坡灌草叢土壤C含量偏低，N含量相近；而云南松群落土壤養分狀況較好。

研究表明土壤養分組成是植物外部環境中重要的影響因子，植物的光合作用、礦質代謝等過程與土壤養分供應狀況關系密切[20]。土壤養分計量比可以從以下4個方面進行分析(表2)：①土壤C︰N：土壤C︰N是土壤質量的敏感指標，影響土壤中有機C和N的循環[21]。一般來講，土壤C︰N與有機質分解速率呈反比關系[22]。本研究表明植物影響下的土壤C︰N的范圍為9.66 ~ 21.89，大體高于中國土壤C︰N平均水平10 ~ 12[23]，說明該區域土壤有機質的分解速率相對較慢，進而限制養分循環的速度，尤其對于云南松和蔗茅，較低的C︰N表明其凋落物分解是影響養分循環的關鍵過程之一；②土壤C︰P：較低的C︰P 可以作為土壤磷素高有效性的一個指標[9]，在本研究中植物影響下的土壤C︰P為3.13 ~ 8.93，P的有效性平均為0.28，雖然研究表明該地區最容易被植物利用的樹脂態磷在土壤全磷中只占0.15%[24]，但由于研究區域內土壤P含量的高背景值，并結合不同植物葉片P含量來看，土壤P含量能夠滿足當地植物生長發育的需要，所以相較于土壤P，植物生長受到C的限制；③土壤N︰P：土壤中的N、P是植物生長所必需的礦質營養元素和生態系統中最常見的限制性元素，二者之間具有重要的相互作用，因此將N︰P作為衡量系統N、P養分限制的一個指標。本研究中土壤N︰P介于0.15 ~ 0.74，遠低于全球森林土壤N︰P(6.60)[25]，這不僅與研究區域內土壤較高磷素背景值有關，并且表明研究區域內植物生長受到土壤N含量限制；④土壤N、P有效性：土壤N、P有效性可以表明土壤N、P養分的有效利用程度，其中由于較高的P素背景值，其有效磷不是影響植物生長的限制因子；但對于N有效性而言，云南松和蔗茅明顯低于馬桑和紫荊澤蘭，說明云南松和蔗茅不僅受到N素含量的影響，其N的有效性也是影響該兩種植物生長的限制因子。綜合以上分析，在磷礦山區，土壤C、N是影響植物生長的主要限制因子，尤其對于云南松和蔗茅而言，其養分限制程度更高。

3.2 磷礦山區不同生活型植物葉片養分含量及其生態化學計量特征

云南松葉片C含量為492.86 g/kg，大于全球葉片平均C含量(461.6 g/kg)[23]，荒坡灌草叢植物葉片C含量低于全球平均水平，原因可能為根系較淺，無法獲得足夠的水分，導致葉片的氣孔導度降低從而減少葉片CO2的吸收[25]；葉面積減小，ATP 的合成減弱，羧化酶活性降低，導致光合作用受阻，阻礙了C的固定[26]。葉片N含量介于11.26 ~ 24.68 g/kg，接近于中國陸地植被葉平均N含量(18.6 g/kg)[27]，N元素是植物葉片光合作用酶的重要組成成分，葉片N含量可以表征植物葉片光合作用速率的高低，并且植物體內的 N 以蛋白酶的形式參與 C 的固定[28]；紫莖澤蘭葉片N含量最高，旺盛的光合作用導致紫莖澤蘭葉片中C的積累與自身快速生長繁殖。植物葉片P含量介于2.78 ~ 4.07 g/kg，遠高于中國陸地植被葉平均P含量 1.21 g/kg[27]，這與當地土壤高P含量有關。P以核酸的形式參與蛋白酶的裝配并且以ATP的形式進行能量的傳遞[28]，高P含量有利于植物自身的能量傳遞。

通常情況下，植物葉C︰N和C︰P能反映植物N和P的養分利用效率，植物在養分供應缺乏的情況下往往具有較高的養分利用效率，相反，營養元素供應充足時，養分利用效率較低[29]。研究區域內植物葉片C︰N介于17.46 ~ 43.95，而全球植物葉片平均C︰N為23.8[27]，表明在C、N養分相對匱乏的情況下，云南松和蔗茅葉片能夠固定更多的C；相反紫莖澤蘭和馬桑葉片能夠固定較多的N，在土壤N含量限制的條件下也能夠較為良好地生長發育。Rong等[30]的研究結果表明葉片C︰N和C︰P較高的植物，在固碳和養分利用策略等方面都具有優勢。植物葉片C︰P均遠低于全球平均水平(300.9)[27]，可能與研究區域內土壤P含量的高背景值有關。植物葉片的N︰P可衡量植物生長對于N和P的倚重程度的大小，Koerselman和Meulema[31]研究發現，當葉片的N︰P<14時，植物生長主要受N限制；當1416時，植物生長主要受P限制。研究區域內植物N︰P介于4.03 ~6.32，說明植物生長受到土壤N限制。

3.3 不同植物葉片、土壤養分相關性特征

植物與土壤作為生物地球化學循環的不同環節，兩者之間存在必然的聯系，植物體內養分含量體現了植物對環境適應特征，土壤養分條件反映了植物的營養狀況[32]。李從娟等[8]研究表明在自然條件下植物的生境存在異質性，土壤養分也具有明顯的差異性，而這種差異則會影響植物葉片的化學計量特征。在本研究中，植物葉片C含量與土壤N含量存在顯著正相關關系，這與陸遠鴻等人[33]的研究結果相同。土壤N含量能夠有效促進植物C含量的積累，表明植物生長發育受到高度的N限制。植物葉片C︰N與土壤N含量表現出極顯著的正相關關系，說明植物在生長發育過程中不僅受到N限制，并且植物對N元素的利用效率較高。植物葉片與土壤P含量負相關，說明土壤P含量過剩[34]。磷礦山區植物葉片及土壤C、N、P含量化學計量比的變化以土壤C、P元素變化為主導，在土壤N元素缺乏的條件下，固N物種的存在十分必要。

3.4 不同生活型植物屬性特征及其磷礦山區的植被恢復

云南松為當地優勢喬木，土壤有機質、氮及有效磷含量均為最高，表明云南松對土壤有很高的改良效益，云南松林內枯落物厚度大，能夠有效增加地表粗糙程度，枯落物腐爛增加土壤有機質含量、土壤孔隙度等，改變土壤入滲能力、含蓄水分，進而增強植物群落改良土壤的能力[35]。雖然云南松葉片P含量較低，但由于云南松生物量遠高于其他目標植物，能夠固定大量土壤P，達到削減土壤P素流失的目的。馬桑土壤的有機質含量雖然最低，但馬桑作為固N物種，由于固N菌的存在，能在根際形成較高的N含量，能夠適應并逐步改良磷礦山區土壤N缺乏的條件[36-37]。蔗茅作為本地優勢物種，其貧瘠土壤的適應能力較強，并能夠改善土壤C和N含量，但其土壤N的有效性不高，因此可以與固N植物馬桑構建荒坡灌草叢群落以提高土壤養分，并改善土壤水土保持功能。作為入侵植物的紫莖澤蘭，其能夠在土壤C、N元素缺乏的條件下快速生長繁殖，這對于進一步探究植物對C、N養分貧瘠土壤適應的機制具有重要意義，但其作為入侵植物，強烈的化感作用容易形成單優種并對當地的生態環境造成一系列的負面影響，故不推薦用于植被恢復。

研究結果表明：磷礦山地土壤有機質及N是影響植物生長的主要限制因子，在這種C、N養分相對匱乏的情況下，云南松和蔗茅葉片能夠固定更多的C；相反馬桑葉片能夠固定較多的N。因此，結合不同生活型植物的屬性特征及該區域內群落的演替特征，磷礦山區廢棄地的生態恢復可以通過構建蔗茅和馬桑為主的灌草叢植物群落，一方面能夠適應較貧瘠的立地環境，另外也能在一定程度上改善立地環境。當立地達到一定條件，引入喬木云南松，形成喬灌草立地群落，并逐步向云南松林進行演替；由于云南松生長受土壤N素的限制，在演替后期，引入固N闊葉喬木，如旱冬瓜，形成針闊混交林[38]。

因此，在磷礦退化山區的植被恢復過程中，從土壤養分含量的角度出發，應在開始階段人工引入馬桑與蔗茅形成荒坡灌草叢群落，以逐步緩解土壤N含量限制的狀況；進而引入云南松以增加土壤C含量，隨后適當種植以旱冬瓜為代表的固N闊葉樹種形成針闊混交林，以達到全面改善土壤養分，保持水土并控制土壤P素流失的目的。