不同林齡白槍桿及土壤生態化學計量及非結構性碳特征研究

鄭紹傑 茶曉飛 孫麗娟 郭煥仙 趙啟澤 韋興蘭 王元友 董 瓊

（西南林業大學林學院/西南山地森林資源保育與利用教育部重點實驗室，云南 昆明 650224）

生態化學計量學是研究不同生態系統之間各種化學元素含量和平衡關系的一門學科［1］，通過植物所必需營養元素氮（N）、磷（P）、鉀（K）之間的計量比值而展現［2］，是土壤營養元素限制研究的重要工具之一［3］。供給植物生長發育的營養養分不僅在植物-土壤氮（N）、磷（P）、鉀（K）計量特征中體現［4］，而且對植物葉片分解速率及植物與土壤營養養分相互交替運轉產生影響［5-6］。然而隨著林齡的增長，植物對營養養分的需求及生長速率也隨之改變，從而對植物養分的分配格局產生影響，導致植物葉片與土壤N、P、K 含量以及化學計量有著明顯的動態變化［7］。根據植物葉片養分含量的多少可以判斷出土壤為植物提供何種養分，其中，在植物葉片中，N 和P 養分含量的比值可以反映出土壤對植物生長發育所需養分的供給［8］。目前為止，部分學者對不同林齡下植物土壤化學元素進行了相關研究，曹娟等［9］研究發現，隨著杉木（Cunninghamia lanceolata）林齡的增大，土壤N、P 元素含量也隨之增大。而雷麗群等［10］研究發現，隨著馬尾松（Pinus massoniana）林齡的增加，土壤中N 含量表現出先減少后增加的趨勢，土壤中P 含量在不同林齡之間差異不顯著。因此，對不同林分葉片-土壤化學計量特征的探討具有重要意義。

葉片中非結構性碳水化合物（non-structural carbohydrates，NSCs）的主要組成成分是可溶性糖和淀粉，是土壤活性有機質的主要組成部分之一［11-12］，也是植物在光合與呼吸作用下產生的物質，其含量可以判定植物體內碳供需狀況［13］。研究表明，NSCs中的可溶性糖對維持細胞滲透壓、抵御逆境脅迫具有重要作用，淀粉是植物組織中儲存能量的物質［14］，兩者在特定條件下可以相互轉化；并且可溶性糖和淀粉含量可用以判定植物體內碳供需狀況，也是植物抵御外界環境脅迫的關鍵［15］。白槍桿（Fraxinusmalacophylla）屬木犀科（Oleaceae）梣屬（Fraxinus）植物，是云南東南部特殊物種之一，具有喜光、抗旱性強及耐瘠薄等特點，是滇東南石漠化地區植被恢復優良的闊葉伴生樹種［16］。并且，該地區具有土層淺而薄、水土流失嚴重、生態系統脆弱等特點；在該環境下，探究白槍桿在某一生長階段下受哪種營養元素（N、P、K）影響至關重要，可為白槍桿在不同生長階段施加不同有機肥提供一定的理論依據，以促進白槍桿的生長發育。然而，為促進白槍桿的生長，當地管理人員常采用綜合疏伐法的方式進行人工撫育，使其快速生長；且白槍桿生長發育可以改善當地的生態環境，對該區域的水土保持起一定促進作用。因此，本研究以滇東南不同林齡白槍桿人工林為研究對象，分析不同林齡白槍桿葉片-土壤生態化學計量的關系及葉片光合色素特征，旨在揭示白槍桿人工林在不同生長階段的養分循環及限制因素，為白槍桿人工林經營管理提供一定的科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

本研究所選白槍桿人工林位于云南紅河哈尼族彝族自治州建水縣（23°01'～24°15'N，102°54'～103°25'E），平均海拔1 365.3 m，屬南亞熱帶季風氣候。夏季炎熱多雨，冬季溫和少雨，年平均氣溫19.8 ℃，年平均地溫20.8 ℃，年平均相對溫度72%，年平均日照時數2 322 h，年平均降雨量805 mm，年蒸發量2 364.5 mm，全年無霜期307 d。土壤以黃棕壤為主，在該地區生長的樹種都具有較強的抗旱性，代表樹種有旱冬瓜（Alnus nepalensis）、白槍桿（Fraxinusmalacophylla）、新銀合歡（Leucaenaleucocephala）、清香木（Pistaciaweinmannifolia）和苦刺花（Sophoraviciifolia）等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置 2022年7月26日—8月3日對研究區白槍桿人工林進行調查后，選擇立地條件接近的3種林齡白槍桿人工林樣地，每個林齡樣地內設置3個面積為20 m×20 m 的標準樣方，樣方之間的距離不低于20 m，共9個樣方。對每個樣方進行每木檢尺，選擇3 株平均木作為標準木，樣地和林分的基本情況見表1。

表1 樣地基本概括Table 1 The basic situation of sample plot

1.2.2 樣品采集與測定 對每個標準樣地3 株標準木進行葉片采樣，在植株3/4、2/4以及1/4樹高處，隨機采集上、中、下3 個部位樹冠外層葉片各50 g 左右，混合均勻后放入紙袋中并做好標記帶回實驗室；每塊樣地9 個樣，一個林地27 個樣，共81 個樣品。將樣品于105 ℃殺青30 min，在65 ℃下烘干至恒重，采用粉碎機將樣品磨成0.15 mm 的粉末后，用苯酚硫酸法［17］測定葉片N、P、K 和NSC 含量（糖和淀粉）。與此同時，在每個樣地內用土鉆按“S”型5點采樣法采集0～15、15～30、35～45 cm 土層土壤樣品，分別將每點每層土壤混合均勻裝入紙袋中并做好標記帶回實驗室。土樣進行自然風干，去除雜物（碎石、枯落物及枝條等）后過2 mm 網篩，分別采用半微量凱氏定氮法、鉬銻抗比色法和火焰光度法測定全N、全P 和全K 含量［18］。葉綠素含量用80%丙酮乙醇法進行測定［19］。

1.3 數據處理

用Excel 2019 整理數據；采用Person 相關性分析、Duncan 分析方法進行差異性分析，運用主成分分析（principle component analysis，PCA）方法對相同林齡土壤-葉片化學特征進行分析，運用GraphPad Prism 8、Origin 2021軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同林齡白槍桿人工林葉片光合色素含量變化

植物光合作用受葉綠素含量的影響。由表2 可知，不同林齡白槍桿人工林葉片中葉綠素a、b 和總葉綠素含量隨林齡增加呈先增大后減小的趨勢。幼齡林葉片葉綠素a、b和總葉綠素含量分別為0.566、0.179和0.746 g·kg-1，中齡林分別為0.728、0.271和1.000 g·kg-1，成熟林分別為0.466、0.162 和0.627 g·kg-1；且不同林齡間整體差異顯著（P＜0.05）。然而，類胡蘿卜素含量隨林齡的增加而逐漸降低，且成熟林與幼中齡林之間差異顯著（P＜0.05），幼中齡林間無顯著差異。幼齡林、中齡林和成熟林階段葉綠素a/b 分別為3.432、2.782和3.028，僅幼中齡林間差異顯著。

表2 不同林齡白槍桿人工林葉片光合色素含量特征Table 2 Characteristics of photosynthetic pigment content of leaves in Fraxinus malacophylla plantations of different stand ages

2.2 不同林齡白槍桿人工林葉片N、P、K 含量及化學計量特征

由圖1 可知，不同林齡白槍桿人工林葉片氮磷鉀含量及其化學計量比有所差異。氮和鉀含量表現為中齡林＞幼齡林＞成熟林，且不同林齡間差異顯著（P＜0.05）（圖1-A、C）。不同林齡白槍桿葉片磷含量為1.352～3.123 g·kg-1，以中齡林最高，其含量與成熟林差異顯著（P＜0.05），與幼齡林無顯著差異（P＞0.05）（圖1-B）。這表明白槍桿在中齡林階段N、P、K積累量最大，出現此情況的原因可能是植物正處于生長發育旺盛期，從而導致氮磷鉀含量在該階段積累量最多。然而，氮磷比則隨著林齡的增長而升高；且幼中齡林與成熟林差異顯著（P＜0.05），而幼中齡林間無顯著差異（P＞0.05）（圖1-D）。與之相反，磷鉀比隨著林齡的增長而降低，以幼齡林磷鉀比最大（圖1-F）。隨林齡的增大，氮鉀比表現為先增大后降低的趨勢（圖1-E），且各林齡間差異顯著（P＜0.05）。

圖1 不同林齡白槍桿人工林葉片N、P、K含量及其化學計量比Fig.1 N，P and K contents and their stoichiometric ratios in leaves of Fraxinus malacophylla plantations of different stand ages

2.3 不同林齡白槍桿人工林葉片非結構性碳含量變化

由圖2 可知，伴隨林齡的增長，白槍桿葉片可溶性糖和非結構性碳含量（NSCs）呈現出逐漸增大的趨勢，且不同林齡間差異顯著（P＜0.05）（圖2-A、C）。白槍桿葉片淀粉含量表現為中齡林（5.653 g·kg-1）＞成熟林（4.613 g·kg-1）＞幼齡林（3.168 g·kg-1），成熟林中淀粉含量雖有所下降但仍高于幼齡林（高出1.445 g·kg-1），且不同林齡間差異顯著（P＜0.05）（圖2-B）。而可溶性糖/淀粉在中齡林內最低，為2.93，且各林齡間差異顯著（P＜0.05）（圖2-D）。

圖2 不同齡林白槍桿人工林葉片非結構性碳含量Fig.2 Non-structural carbon content of leaves in Fraxinus malacophylla plantations of different ages

2.4 不同齡林土壤N、P、K含量及化學計量特征

由表3 可知，不同齡林及不同土層中土壤N、P、K含量、N∶P 以及N∶K 均有顯著差異（P＜0.05）；兩者的交互作用下土壤P 含量、N∶P 與P∶K 有顯著差異（P＜0.05），而土壤N、K含量及N∶K無顯著差異（P＞0.05）。

表3 不同林齡白槍桿人工林土壤N、P、K及其化學計量比方差分析Table 3 Analysis of variance of soil N，P，K and their stoichiometric ratios in different ages of white spearhead Fraxinus malacophylla plantations

由表4 可知，不同土層N、P、K 含量及化學計量比在同齡林間有所差異。在幼齡林中，土壤N、K 含量及N∶P、N∶K 均在0～15 cm 土層中最大，分別為2.859、9.514 g·kg-1及10.113和0.301；而P含量和P∶K最大值出現在30～45 cm土層；0～15 cm土層與中下兩層土壤N含量和N∶K均有顯著差異（P＜0.05），K含量在15～30 cm土層與上下兩層均有顯著差異（P＜0.05）；但P含量、N∶P、P∶K在不同土層間均無顯著差異（P＞0.05）。在中齡林內，N、P含量在不同土層間差異顯著（P＜0.05）；N∶K、P∶K 在30～45 cm 土層中最低，且與上下兩層差異顯著（P＜0.05）。在成熟林中，N、K含量分別為4.604～6.038和10.295～12.745 g·kg-1，均隨土層深度的增加而逐漸降低，且K含量在不同土層間差異顯著（P＜0.05）。

表4 不同齡林土壤N、P、K及其化學計量特征Table 4 Soil N，P，K and their stoichiometric characteristics of different age forests

由表4 可知，不同林齡同一土層土壤N、P、K 含量及其化學計量比有所差異。同一土層中，N 含量表現為幼齡林＜中齡林＜成熟林（30～45 cm 土層除外），且成熟林與幼中齡林均具有顯著差異（P＜0.05）。0～15 cm土層土壤P 含量在成熟林最高（0.467 g·kg-1），幼齡林最低（0.311 g·kg-1）；而在30～45 cm土層內，土壤磷含量在幼齡林內最高（0.364 g·kg-1），中齡林最低（0.131g·kg-1），且中齡林與成熟林、幼齡林具有顯著差異（P＜0.05）。在0～15 和15～30 cm 土層內，K 含量均隨林齡的增加而增加，且成熟林與幼中齡林均具有顯著差異（P＜0.05）；在30～45 cm 土層中，K 含量隨林齡的增加先減少后增加，且中齡林與成熟林、幼齡林具有顯著差異（P＜0.05）。成熟林0～15、15～30 cm 土層中N∶P與幼中齡林均具有顯著差異（P＜0.05），在30～45 cm 土層下中齡林N∶P最高（21.319），幼齡林最低（9.340）。同一土層中，成熟林N∶K 與幼中齡林均具有顯著差異（P＜0.05），P∶K 在0～15、15～30 cm 土層內不同林齡間無顯著差異（P＞0.05），僅在30～45 cm 土層內中齡林與幼成林間具有顯著差異（P＜0.05）。

2.5 不同林齡白槍桿人工林葉片-土壤化學計量、葉片光合色素以及非結構性碳相關性

由圖3-A可知，白槍桿葉片N含量與不同土層N含量及葉片K 含量與30～45 cm 土層K 含量呈顯著或極顯著負相關；葉片N和K含量及0～15 cm 土層N和K含量均呈極顯著正相關關系（P＜0.001）；0～15 與15～30 cm 土層P 含量、0～15 cm 土層N 含量與15～30 cm 土層K 含量、15～30 cm 土層N 含量與30～45 cm 土層N∶K均呈極顯著正相關（P＜0.001）。表明不同林齡對白槍桿葉片及土壤生態化學具有較大影響，可能是隨著林齡增大，白槍桿葉片凋落造成地表枯落物的增加及微生物分解速率的不同，進而對不同土層間化學計量產生了一定的影響。而葉片N∶P 與15～30 cm 土層N∶P、30～45 cm 土層N 含量呈極顯著正相關（P＜0.01）；葉片K 含量與葉片N∶K、葉片N∶P 與15～30 cm 土層N 含量呈顯著正相關（P＜0.05）。

圖3 不同林齡白槍桿葉片-土壤生態化學計量的相關性分析Fig.3 Correlation analysis of leaf-soil ecological stoichiometry of Fraxinus malacophylla of different stand ages

由圖3-B 可知，葉綠素a 與葉片N、P、K 含量、葉片N∶K，葉綠素b與葉片N、K含量、葉片N∶K、葉綠素a含量，類胡蘿卜素與葉片P含量、葉片P∶K，淀粉與可溶性糖、總葉綠素、葉綠素a、b 含量，葉片NSCs 與淀粉、可溶性糖含量均呈極顯著正相關關系（P＜0.001），表明葉片N、P、K 含量隨葉綠素b 含量的增加而增加；而葉綠素a/b與葉綠素b含量，可溶性糖與葉片P含量、類胡蘿卜素含量呈極顯著負相關關系（P＜0.001），表明隨著可溶性糖含量的升高，P含量與類胡蘿卜素含量反而下降。

2.6 相同林齡白槍桿葉片-土壤化學特征、葉片光合色素以及非結構性碳之間的關系

由圖4 可知，幼齡林中，第1 主成分（PC1）貢獻率為32.8%，第2 主成分（PC2）貢獻率為25.5%，累計方差貢獻率為58.3%；其中葉片P含量、30～45 cm土層P、K含量、胡蘿卜素、葉綠素b、可溶性糖含量具有較大正向載荷值，葉片N、K、淀粉、葉綠素a 及NSCs 含量具有負向載荷值（圖4-A）。中齡林中，PC1貢獻率為32.9%，PC2 貢獻率為17.3%，累計方差貢獻率為50.2%；其中15～30 cm土層P含量、0～15 cm土層K、P含量、葉片K含量、葉綠素a、總葉綠素、淀粉以及類胡蘿卜素含量具有較大正向載荷值（圖4-B）。成熟林中，PC1貢獻率為29.5%，PC2貢獻率為22.4%，累計方差貢獻率為51.9%；其中葉片P含量、0～15和30～45 cm土層P含量、葉片N含量及類胡蘿卜素含量具有較大正向載荷值（圖4-C）。由此可見，幼中成林內前2 個主成分累計方差貢獻率均高于50%，能代表絕大多數信息。

圖4 不同林齡白槍桿葉片-土壤生態化學、葉片光合色素以及非結構性碳特征的主成分分析（PCA）Fig.4 Principal component analysis（PCA）of leaf-soil eco chemistry，leaf photosynthetic pigments，and non-structural carbon characteristics of same-aged Fraxinus malacophylla

3 討論

3.1 不同林齡白槍桿人工林葉片N、P、K 含量及計量、非結構性碳與光合色素含量

N、P、K 是植物體重要組成元素［20］。葉片N、P 含量高，則植物生長快、光合效率高［21］。本研究發現，白槍桿葉片N、P、K 含量隨林齡的增大呈先升高后降低的規律（圖1）。原因是中齡林時期植株生長快、落葉快，微生物分解速度快，土壤養分含量提高，進而促使植物將土壤養分通過根系運輸于植物，使得中齡林白槍桿葉中養分含量最高。中齡林階段葉片N、K 含量與其他林齡N、K 含量均有顯著差異（P＜0.05），與淑敏等［22］的研究結果相似。葉片N∶P 可以反映植物養分限制，N∶P＞16 時，植物生長主要受P 限制，N∶P＜14 時，則受N 限制［23］。本研究發現，白槍桿葉片N∶P 在幼中齡林中小于14，在成熟林中大于16，說明在幼中齡林中白槍桿生長受N 限制，成熟林中受P 限制，這與汪宗飛等［24］的研究結果一致。

NSCs是植物生理代謝活動的主要參與者［25］，其含量體現植物在不同林齡時期具有一定生長對策［26］。本研究發現，可溶性糖和NSCs含量隨著林齡的增加而增加，淀粉含量表現為中齡林＞幼齡林＞成熟林，且不同林齡間均有顯著差異（P＜0.05）。可能是由于中齡林白槍桿葉片光合能力強、光合產物多，從而使得該時期淀粉含量最高；中齡林時期葉片淀粉開始不斷地向可溶性糖轉化，導致成熟林可溶性糖含量最高。植物光合能力可通過光合色素含量直接體現［27］。本研究發現，光合色素含量表現為中齡林最高、幼齡林次之、成熟林最低（表2）。表明在中齡林時期白槍桿對光能具有較強的吸收能力，利用葉片進行光合作用使植株快速生長［28］，可能是由于中齡林林地處于陽坡，林分郁閉度適中且透光度相對較好，光合能力較強，進而使得光合色素含量較高。在成熟期，林地土壤含水率降低（表1），水分不足，而水是光合作用的產物，這也是該時期光合色素含量下降的原因之一。

3.2 不同林齡白槍桿人工林不同土層土壤N、P、K 含量及化學計量變化特征

土壤N 能影響植物的生產力，而土壤P 和K 是植物生長發育過程中不可缺少的元素［18］。土壤N、P、K含量在很大程度上直接影響植物生長發育［9］。本研究發現，幼齡林中土壤N、P、K 含量隨著土層的加深呈先減小后增大的趨勢，而在中齡林和成熟林中則是隨著土層的加深而減少（表4），與雷麗群等［10］的研究結果相似。可能與中齡林白槍桿葉片枯落形成凋落物歸還于土壤有關，經微生物分解后集中于土壤表層，之后因降雨而引起淋溶作用使其養分向下移動，因此土壤養分隨土層的加深而逐漸減小。土壤化學計量比可反映微生物的分解與積累狀況［29］。本研究發現，不同林齡不同土層中N∶P最低值為7.748，遠高于我國土壤N∶P平均水平（1.644）［30］，可見該地區土壤N、P 含量失衡。因此，對不同林齡白槍桿苗木經營管理中應注重氮磷肥的施加比例，使其土壤化學元素維持在相對平衡狀態，以促進白槍桿苗木的生長發育。

3.3 不同林齡白槍桿人工林葉片-土壤N、P、K 含量及化學計量關系

生物化學循環主要通過植物-土壤兩個紐帶而進行，利用植物根系將兩者密切聯系起來。在不同林分中，土壤養分因環境的不同而存在差異，而植物葉片N、P、K 特征因這種差異而產生不同的變化［31］。本研究發現，3 種林齡白槍桿葉片P 與土壤P 含量無顯著相關性，這與戚德輝等［32］的研究結果一致；原因是微生物分解產生的磷元素在土壤中殘留較少使其無法歸還于植物，因此葉片P 與土壤P 含量無相關性。此外，白槍桿葉片N∶P 與15～30、30～45 cm 土層N∶P 呈顯著正相關（P＜0.05），但葉片N 含量與不同土層N 含量、N∶K及葉片K 含量與30～45 cm 土層K 含量呈顯著負相關（P＜0.05），與羅艷等［31］的研究結果相似；因為本研究區屬于喀斯特石漠化地區，土層薄而不連續，巖溶裂隙較多，使得植物根系難以吸收土壤養分；又或者是植物吸收土壤養分時，使植物養分含量增加而土壤養分含量減少，因而出現負相關關系。本研究中，不同林齡白槍桿葉片N∶P、N∶K、P∶K 與土壤N∶P、N∶K、P∶K 具有顯著相關性，說明白槍桿葉片化學計量與土壤化學計量之間具有一定的協同性。

4 結論

白槍桿葉片N、P、K 含量在中齡林時期最高、幼齡林次之、成熟林最低，N∶P 隨著林齡的增大而顯著增大，P∶K 則相反。幼中齡林時期，植物生長主要受N 限制，而成熟林中受P 影響。白槍桿葉片可溶性糖與NSCs含量表現為幼齡林＜中齡林＜成熟林，而淀粉和光合色素含量則呈現出中齡林＞幼齡林＞成熟林。在0～15 和15～30 cm 土層內，土壤N、P、K 含量以及N∶K 隨著林齡的增大而增大。在中齡林和成熟林中，土壤N、P、K 含量隨著土層的加深而減少；同一土層內，N∶K 在幼中林齡與成熟林間具有顯著差異（P＜0.05）。白槍桿葉片N∶P 與15～30 cm 土層N∶P 以及30～45 cm 土層的N∶P、N∶K 具有顯著正相關關系（P＜0.05）；葉片N含量與不同土層N 含量、N∶K 以及葉片K 含量與30～45 cm土層K含量呈顯著負相關關系（P＜0.05）。