不同樹(shù)齡咖啡葉片與土壤的C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量研究

陳肖　崔現(xiàn)亮　羅婭婷　趙利坤　李學(xué)玲

關(guān)鍵詞：生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)；咖啡；葉片；土壤；樹(shù)齡

中圖分類(lèi)號(hào)：S571.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

咖啡（Coffea arabica L.）為茜草科咖啡屬的多年生經(jīng)濟(jì)作物，生長(zhǎng)速度快，產(chǎn)量高，價(jià)值高，銷(xiāo)售渠道廣，與茶葉、可可并稱(chēng)為世界三大飲料作物[1]。云南省普洱市氣候溫和，晝夜溫差大，熱量條件好，全年無(wú)霜期長(zhǎng)，雨量適中，海拔在317～3370 m 之間，冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，非常適合咖啡生長(zhǎng)[2]。

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的研究一般從分子水平、細(xì)胞個(gè)體水平、群落與生態(tài)系統(tǒng)、全球區(qū)域尺度幾個(gè)層次進(jìn)行。從全球區(qū)域尺度來(lái)看，土壤的化學(xué)計(jì)量比能反映內(nèi)部重要元素的循環(huán)，一方面有利于確定生態(tài)過(guò)程對(duì)全球變化的響應(yīng)，另一方面可以用來(lái)判斷土壤礦化作用和生物固持作用。植物N、P 作為敏感限制性元素，能反映土壤中N、P 的有效性，對(duì)此研究更深入了解全球碳模擬和宏觀生態(tài)學(xué)的變化[3-6]。土壤為植物提供了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，植物葉片的元素大部分來(lái)源于土壤，土壤養(yǎng)分的利用決定了植物元素的濃度，葉片中養(yǎng)分含量狀況能夠較好地反映土壤養(yǎng)分供給的能力[7]。植物和土壤是一體的，植物中的N∶P 可以預(yù)測(cè)土壤N、P 的養(yǎng)分供應(yīng)情況[8-9]。AERTS 等[10]和CHAPIN 等[11]的研究也表明N∶P 可作為當(dāng)前限制性養(yǎng)分判斷的指標(biāo)之一。閾值試驗(yàn)[11]研究表明，當(dāng)葉片N∶P<14 時(shí)，植物生長(zhǎng)主要受N 限制；葉片N∶P>16 時(shí)，植物生長(zhǎng)主要受P 限制；當(dāng)N∶P 比值為14～16 時(shí)，植物生長(zhǎng)受N 和P 共同限制[12]。此外，植物的碳同化速率可以通過(guò)葉片的C∶N 和C∶P 來(lái)反映[13]。

在國(guó)內(nèi)，ZHANG 等[14]最早對(duì)生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)進(jìn)行了綜述，目前熱點(diǎn)研究對(duì)象主要是生態(tài)系統(tǒng)、植物器官、生長(zhǎng)階段和種群。植物在不同生長(zhǎng)階段時(shí)，會(huì)根據(jù)植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)將有限的養(yǎng)分資源按照一定比例分配給不同器官，因此植物形成了一定的生長(zhǎng)特征和元素的分配規(guī)律。在不同生育階段，C∶N 隨著生長(zhǎng)呈增加的趨勢(shì)，一般來(lái)說(shuō)，幼齡的植物葉片含氮量最高，由于植物幼株要生長(zhǎng)發(fā)育，需要大量的N、P，因此幼齡植株的N∶P 相對(duì)較低[15]，到成熟期達(dá)到最高，造成這種趨勢(shì)的原因是由于隨著植物的衰老，氮代謝從同化向再分配轉(zhuǎn)化，其體內(nèi)N 的分解速度和釋放量相對(duì)大于C，所以使得比值下降。而C∶N隨著生長(zhǎng)呈降低的趨勢(shì)[16-17]。對(duì)植物器官的研究中主要集中在葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征、CNP 元素循環(huán)、生物養(yǎng)分限制判斷、氮磷添加與葉片相關(guān)性、C、N、P 生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征對(duì)植物生長(zhǎng)的指示性作用、葉片的動(dòng)態(tài)特征、植物葉片與土壤的相關(guān)性等方面[18-25]，其中把氣溫、水分、海拔、演替階段作為變量條件來(lái)進(jìn)行研究較多，而對(duì)不同樹(shù)齡喬木之間研究較少，有較少學(xué)者如葉柳欣等[26]在研究中表明：楊梅葉片C、N 含量與樹(shù)齡無(wú)關(guān)。土壤SOC、TN、TK 含量則隨著樹(shù)齡增長(zhǎng)而先降低而后升高，楊梅生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)P 較為敏感。鄧成華等[27]和吳家森等[5]研究中表明：油茶葉片C 含量在不同樹(shù)齡間差異并不顯著，油茶生長(zhǎng)的限制元素是N。馬任甜等[28]在對(duì)刺槐的研究中表明：P 相對(duì)缺乏，成為刺槐人工林生長(zhǎng)的主要限制因子。

綜上所述，生態(tài)化學(xué)計(jì)量的研究層次范圍較廣，在咖啡土壤方面從生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)方面來(lái)研究的還未涉及，鑒于此，本研究通過(guò)對(duì)不同樹(shù)齡咖啡葉片和土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特性的研究，了解咖啡土壤和葉片元素間的相關(guān)性、養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程和養(yǎng)分限制關(guān)系，判斷限制元素，有助于系統(tǒng)揭示咖啡在不同生長(zhǎng)階段植物－土壤養(yǎng)分的分布特征，為咖啡的土壤養(yǎng)分管理提供理論依據(jù)，同時(shí)為生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)理論研究提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料

研究地點(diǎn)位于云南省普洱市思茅區(qū)南屏鎮(zhèn)某咖啡莊園（100°57′28″E，22°39′40″N），面積約20 hm。海拔1070～1200 m，年均氣溫17.8 ℃，年均降雨量1524.4 mm，無(wú)霜期318 d，氣候類(lèi)型多樣，降雨充沛、緯度較低、溫度較高、濕潤(rùn)。土壤類(lèi)型主要為磚紅壤，受生物積累作用呈灰棕色，土體深厚，質(zhì)地偏沙，土壤偏酸性，分散性大，絮固作用小，耕作容易，宜種性廣。

1.2 方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與采樣 研究的咖啡樹(shù)齡有1、7、10、20 a 四個(gè)不同樹(shù)齡，設(shè)4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)咖啡樹(shù)的株高、徑圍和冠幅并計(jì)算其平均值（表1）。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)設(shè)10 m×10 m 的樣方4 個(gè)，共計(jì)16 個(gè)，在每個(gè)樣方內(nèi)根據(jù)地形用對(duì)角線(xiàn)取樣法，進(jìn)行5 個(gè)點(diǎn)的取樣，用土鉆在每個(gè)樣點(diǎn)取咖啡樹(shù)根際集中區(qū)域0～10、10～30 cm 兩個(gè)土層的土樣，把相同土層深度同一樹(shù)齡的土樣進(jìn)行混合，用四分法分取約1 kg，共計(jì)32 個(gè)土樣，密封帶回實(shí)驗(yàn)室；在土樣采集的同一咖啡樹(shù)上，沿咖啡樹(shù)東南西北4 個(gè)方位，按照樹(shù)冠外部和內(nèi)部剪取無(wú)病害成熟葉片30 片，共計(jì)16 個(gè)葉片樣品，將葉片放入自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.2.2 樣品處理 （1）土樣處理。將帶回實(shí)驗(yàn)室的土樣除去肉眼可見(jiàn)的砂石、根系、腐爛葉片等雜質(zhì)，將大塊土樣碾碎后，于通風(fēng)的地方平鋪風(fēng)干1 周，過(guò)80 目篩后備用。

（2）葉片樣品處理。將帶回的新鮮葉片先用蒸餾水清洗，然后在105 ℃殺青30 min，最后烘箱80 ℃烘干至恒重，粉碎機(jī)粉碎過(guò)100 目篩備用。

1.2.3 樣品測(cè)定[29] 采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定植物碳（C）和土壤的有機(jī)碳（SOC）含量；用k9840 自動(dòng)凱氏定氮儀進(jìn)行土壤全氮（TN）的測(cè)定；HSO-HO 消煮，奈氏比色法測(cè)植物氮（N）；HClO-HSO 法測(cè)土壤全磷（TP）； 用HSO-HO 消煮，鉬銻抗比色法測(cè)植物中的磷（P）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 26 軟件進(jìn)行分析。對(duì)咖啡葉片的C、N、P和土壤的SOC、TN、TP和C∶N、C∶P、N∶P 間的差異顯著性采用單因素方差分析。咖啡葉片與土壤C、N、P 含量之間的關(guān)系采用Pearson 相關(guān)性分析判斷。數(shù)據(jù)表示均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹(shù)齡咖啡葉片C、N、P 含量及化學(xué)計(jì)量比

由表2 可知， 葉片C 含量介于247.08～388.07 g/kg 之間，C 含量均值為329.76 g/kg，其中1 a 的咖啡葉片C 含量最高，隨樹(shù)齡段的增加C 含量逐漸減少，20 a 的咖啡葉片C 含量和其余3 個(gè)樹(shù)齡段差異顯著（P<0.05）；N 含量為2.87～10.13，均值為2.76 g/kg，隨樹(shù)齡的增加，N 含量增加，1 a和其他3 個(gè)樹(shù)齡段達(dá)到顯著水平（P<0.05），7、10、20 a 的差異不明顯；P 含量為0.79～2.70，均值為1.54 g/kg，隨著樹(shù)齡的增加，P 含量顯著增加，差異達(dá)到顯著水平（P<0.05），其中1、7、10、20 a四個(gè)樹(shù)齡差異達(dá)到顯著水平（P<0.05）；C∶N 均值為64.66，在不同樹(shù)齡段差異較大，7 a 和10 a無(wú)顯著差異，和1 a、20 a 差異極顯著水平（P<0.01），C∶P 均值為282.39，和樹(shù)齡呈反比，隨樹(shù)齡的增加，比值逐漸減小，不同樹(shù)齡段差異達(dá)到極顯著水平（P<0.01）；N∶P 均值為4.69，7 a 和其余年齡段差異達(dá)到顯著水平（P<0.05）。

2.2 不同樹(shù)齡咖啡土壤SOC、TN、TP 含量及化學(xué)計(jì)量比

由表3、表4 可知，土層深度0～10 cm 的土壤SOC 含量均值為8.15 g/kg，10～30 cm 土層的均值為5.88 g/kg，由于土壤中的SOC 主要來(lái)源于凋落物的歸還，首先富集在土表隨時(shí)間推移下滲，所以0～10 cm 土層的SOC 含量略高于10～30 cm土層，除1 a 和10 a 外，其余差異顯著（P<0.05），1 a 的土壤SOC 含量較低；0～10 cm 土層TN 含量均值為0.95 g/kg，10～30 cm 土層為0.82 g/kg，不同土層間無(wú)明顯差異，1、7、10 a 間差異顯著（P<0.05）；不同土層間的TP 含量分別為0.43、0.56 g/kg，不同樹(shù)齡段的0～10 cm 土層TP 含量差異顯著（P<0.05），10～30 cm 土層無(wú)顯著差異；0～10 cm 土層的C∶N 均值為9.79，略高于10～30 cm，其中0～10 cm 土層的不同樹(shù)齡段存在極顯著差異（P<0.01），10～30 cm 土層無(wú)顯著差異；C∶P 值0～10 cm 高于10～30 cm 土層，差異顯著；0～10 cm土層的N∶P高于10～30 cm土層，其中0～10 cm 土層中1 a 和7 a，10 a 和20 a 差異達(dá)到極顯著水平（P<0.01），10～30 cm 土層無(wú)顯著差異。

2.3 咖啡葉片C?N?P 含量和土壤SOC、TN、TP 含量和化學(xué)計(jì)量比之間的關(guān)系

由表5 可知，葉片C 和N、P 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05），與C∶N、C∶P 呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05）；N與P呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），與C∶N、C∶P 呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.01）；P 和C∶N，C∶P 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05），與C∶P 呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.01），與C∶N、C∶P 呈正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。

由表6 可知，0～10 cm 土層的C∶P 與N∶P呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。SOC 與TN 呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），TN 與C∶N 呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.01），TP 與N∶P 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05），與C∶P 呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.01）；C∶P 與N∶P 呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。

由表7 可知，10～30 cm 土層土壤SOC 與TN呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），與C∶N、C∶P 呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）；C∶N 與C∶P，C∶P與N∶P 呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。

由表8 可知，咖啡葉片的C 含量與0～10 cm土層的N∶P 呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.852，P<0.01），與C∶N 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=?0.793，P<0.05），與10～30 cm 土層土壤的各項(xiàng)指標(biāo)無(wú)相關(guān)性：葉片N 含量與10～30 cm 土層土壤的N∶P呈顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.808，P<0.05）；葉片P含量與0～10 cm 土層土壤的TN 呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=?0.897，P<0.01），與C∶N 呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.967，P<0.01）；葉片C∶N 與10～30cm 土層的N∶P 呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=?0.846，P<0.01）；葉片C∶P 與0～10 cm 土層土壤的TN呈顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.726，P<0.05），與0～10 cm土層的C∶N 呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=?0.857，P<0.01）；葉片N∶P與0～10 cm土層土壤的SOC、TP 呈顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.803、r=0.799，P<0.05），與10～30 cm 土層土壤的SOC、C∶P呈顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.784、r=0.754，P<0.05）。

3 討論

3.1 不同樹(shù)齡咖啡葉片C、N、P 含量及化學(xué)計(jì)量比

咖啡葉片C 在247.08～388.07 g/kg 之間，均值329.755 g/kg，低于全球植物葉片C 元素含量462 g/kg，N 含量介于2.87～10.13 g/kg 之間，均值為6.76 g/kg，明顯低于全球尺度12.20 mg/g，葉片P 含量在0.79～2.70 g/kg 之間，均值1.54 g/kg，接近于全球尺度（1.8 g/kg）和略低于中國(guó)東部南北森林生態(tài)樣帶優(yōu)勢(shì)樹(shù)種葉片平均P 含量（2.0 g/kg）[30]，葉片中3 種元素均低的原因與咖啡土壤養(yǎng)分水平偏低有關(guān)。

隨樹(shù)齡的增長(zhǎng)，咖啡葉片C 含量逐漸減少，因?yàn)榭Х瘸墒炱谏L(zhǎng)基本停滯，光合作用速率降低，吸收的營(yíng)養(yǎng)元素主要轉(zhuǎn)移到生殖器官，用于種子的發(fā)育，故此時(shí)C 含量最低。隨樹(shù)齡的增加含N 量增加，葉片N 的含量能反映植物生長(zhǎng)速率，葉片含N 量高，光合速率快，生長(zhǎng)快，本研究說(shuō)明咖啡生長(zhǎng)速率較低，但隨樹(shù)齡的增加，生長(zhǎng)速率加快。咖啡P 含量隨樹(shù)齡的增加，含量顯著增加，20 a 的含P 量最高，這是由于生長(zhǎng)旺盛期植株生長(zhǎng)速率較快，細(xì)胞代謝增強(qiáng)，需要合成大量的蛋白質(zhì)和核酸[11]，加上植株生物量增加，富含C 的結(jié)構(gòu)性物質(zhì)積累，造成N、P 元素含量大幅度上升。

咖啡葉片C∶N 均值為64.66 g，高于全球水平25 g[31]，C∶P 均值為282.39，高于全球水平232，與樹(shù)齡呈負(fù)相關(guān)，生長(zhǎng)速率與體內(nèi)C∶P 呈負(fù)相關(guān)，N∶P 為4.13～7.24，均值為4.69，低于全球水平，生長(zhǎng)速率理論（growth rate hypothesis，GRH）認(rèn)為，生長(zhǎng)速率的改變引起生物體C、N、P 化學(xué)計(jì)量改變，高生長(zhǎng)速率的植物通常具有較低C∶N、C∶P 和N∶P，從而將P 更多分配到核糖體RNA，滿(mǎn)足核糖體迅速合成蛋白質(zhì)以支持快速生長(zhǎng)[6]，咖啡葉片C∶N、C∶P 和N∶P 隨樹(shù)齡增大有所降低，表明在低幼齡林階段，咖啡樹(shù)生長(zhǎng)快，對(duì)C、N、P 養(yǎng)分需求高，而在成熟林階段，咖啡維持相對(duì)恒定的慢速生長(zhǎng)。大量研究表明，N∶P 明顯小于14 時(shí)，主要受N 元素影響，其中7 a 的N∶P 最高，說(shuō)明受N 元素限制最明顯。

3.2 不同樹(shù)齡咖啡土壤SOC、TN、TP 含量及化學(xué)計(jì)量比

不同樹(shù)齡咖啡0～10、10～30 cm 土層SOC 含量均值分別為8.15、5.88 g/kg，隨土層的增加，SOC 含量減少，是由于SOC 主要來(lái)源于凋落物的歸還，凋落物首先富集在土層表面，隨時(shí)間的推移再逐漸淋溶下滲到深層土壤；不同土層的咖啡TN 含量均值分別為0.95、0.82 g/kg，在土層上無(wú)明顯差異；4 個(gè)樹(shù)齡0～10、10～30 cm 土層TP 含量在0.18～0.84、0.47～1.20 g/kg 之間，不同土層差異不明顯，均低于全球水平3.90 g/kg[32]，接近我國(guó)土壤P 含量平均值0.56 g/kg，這是因?yàn)閬啛釒^(qū)紅壤風(fēng)化淋溶作用較強(qiáng)，富含的鋁、鐵、錳氧化物等礦物對(duì)P 素專(zhuān)性吸附和固定能力強(qiáng)，導(dǎo)致研究區(qū)P 元素含量少。4 個(gè)樹(shù)齡段中，7 a 的C、N、P 含量均為最高，土壤的C、N、P 含量主要來(lái)源于枯枝落葉的歸還和根系的周轉(zhuǎn)，7 a 的咖啡樹(shù)正值生長(zhǎng)發(fā)育的旺盛期，樹(shù)木冠幅大，葉片多，代謝快，凋落物多。

C∶N 是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，土壤中有機(jī)C和N 的循環(huán)受C∶N 影響，從相關(guān)性上看，C、N均和C∶N 具有極顯著相關(guān)性，土壤C∶N 可以衡量土壤N 素礦化能力，與土壤SOC 分解速率呈負(fù)相關(guān)。0～10、10～30 cm 的咖啡C∶N 的變化范圍分別為6.95～25.78、3.32～9.85，低于中國(guó)和世界土壤C∶N 的平均值（11.90 和13.33）[33]，不同樹(shù)齡咖啡的土壤C∶N 差異顯著。土層0～10、10～30 cm 的咖啡的C∶P 變化范圍分別為11.51～46.80、4.53～20.82，土層間差異較大，但均低于全國(guó)平均水平136，也低于全世界的平均值186。0～10 cm 土層咖啡土壤N∶P 變化范圍為1.00～4.84，10～30 cm 土層為0.81～2.08，均低于全國(guó)土壤N∶P 平均值5.20，土層和樹(shù)齡對(duì)N∶P 均有影響，這可能與咖啡經(jīng)營(yíng)過(guò)程中，低C 投入，高N、高P 投入，土壤P 素固定有關(guān)。咖啡土壤C、N、P 含量及相關(guān)性研究表明N∶P 和P 元素有顯著相關(guān)性，說(shuō)明P 元素是造成C∶N 變化的主要原因。

3.3 咖啡葉片C、N、P 含量和土壤SOC、TN、TP 含量和化學(xué)計(jì)量比之間的關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)葉片C、N、P 及化學(xué)計(jì)量顯著大于土壤SOC、TN、TP 及化學(xué)計(jì)量，這與鄧成華等[27]研究的不同樹(shù)齡的油茶一致，葉片的C、N、P 與土壤的SOC、TN、TP 無(wú)相關(guān)性，葉片C∶N 與0～10 cm 土層的TN 呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明土壤TN對(duì)植物的C∶N有影響，會(huì)直接影響光合效率。相比之下葉片的C、N、P 及計(jì)量比更受淺土層0～10 cm 土壤的影響。