生态学报  2017, Vol. 37 Issue (3): 896-905

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胡培雷, 王克林, 曾昭霞, 张浩, 李莎莎, 宋希娟
HU Peilei, WANG Kelin, ZENG Zhaoxia, ZHANG Hao, LI Shasha, SONG Xijuan.
喀斯特石漠化地区不同退耕年限下桂牧1号杂交象草植物-土壤-微生物生态化学计量特征
Ecological stoichiometric characteristics of plants, soil, and microbes of Pennisetum purpureum cv. Guimu-1 pastures at different rehabilitation ages in a karst rocky desertification region
生态学报. 2017, 37(3): 896-905
Acta Ecologica Sinica. 2017, 37(3): 896-905
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201508181723

文章历史

收稿日期: 2015-08-18
网络出版日期: 2016-06-14
喀斯特石漠化地区不同退耕年限下桂牧1号杂交象草植物-土壤-微生物生态化学计量特征
胡培雷1,2,3, 王克林1,2, 曾昭霞1,2, 张浩1,2, 李莎莎1,2,3, 宋希娟1,2     
1. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室, 长沙 410125;
2. 中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站, 环江 547100;
3. 中国科学院大学, 北京 100049
摘要: 耕地农作物种植与退耕地种草养畜是喀斯特主要的农业生产模式。以喀斯特地区农耕玉米地为对照,研究退耕还草1、5、7a(恢复初期、旺盛期、衰退期)3种年限下桂牧1号杂交象草地植物-土壤-微生物C、N、P生态化学计量特征及内在关联。结果表明:1)牧草地植物地上部分N、P含量均为5a牧草 < 1a牧草 < 7a牧草,C含量则刚好相反;3种退耕年限牧草地植物地上部分C:N、C:P、N:P分别为26.50-33.91、631.70-2254.33、23.89-67.21,且均表现为7a牧草 < 1a牧草 < 5a牧草。2)土壤表层(0-10 cm)C、N、P含量均以玉米地最低,3种退耕年限牧草地中则均为5a牧草地最低;土壤C:N、C:P、N:P在玉米及退耕牧草地之间均无显著差异(P > 0.05),平均值分别为9.20,27.88,3.38。3)玉米及牧草地土壤MBC、MBN、MBP含量存在显著差异(P < 0.05);玉米地MBC/SOC、MBN/TN、MBP/TP均高于牧草地,3种退耕年限牧草地中,则均为5a牧草地最高。4)MBC、MBP与土壤C、P含量分别呈显著线性正相关(P < 0.05);植物C、C:N与土壤C、N含量均呈极显著线性负相关(P < 0.01)。分析表明,退耕还草地中植物与土壤系统C-N-P化学计量比表现出不一致的时间变化特征,且牧草地植物受P限制严重,尤以恢复旺盛期为甚。
关键词: 生态化学计量学     喀斯特     玉米     桂牧1号     植物     土壤     微生物    
Ecological stoichiometric characteristics of plants, soil, and microbes of Pennisetum purpureum cv. Guimu-1 pastures at different rehabilitation ages in a karst rocky desertification region
HU Peilei1,2,3, WANG Kelin1,2, ZENG Zhaoxia1,2, ZHANG Hao1,2, LI Shasha1,2,3, SONG Xijuan1,2     
1. Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China;
2. Huanjiang Observation and Research Station of Karst Ecosystems, Chinese Academy of Sciences, Huanjiang 547100, China;
3. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Ecological stoichiometry has become the focus of research in ecological sciences in recent years and many studies have examined the carbon:nitrogen:phosphorus (C:N:P) stoichiometry of plants, soil, or litter in forest communities. However, few studies have explored the stoichiometric characteristics of herbs at different ages. Elephant grass, Pennisetum purpureum cv. Guimu-1, is a tall perennial C4 grass that can withstand repeated cutting and regenerates rapidly, and has been widely cultivated in northwest Guangxi, China because of the "grain for green" policy. For enhanced understanding of the nutrient cycling characteristics of artificial forage at different time scales in fragile karst ecosystems, we investigated the C:N:P stoichiometric characteristics of plant-soil-microbe interactions in Guimu-1 pastures of different growth ages. Corn and three different restoration stage pastures (1-, 5-, and 7-y-old Guimu-1 pastures, representing initial restoration, vigorous restoration, and degenerating stages, respectively, after returning farmland to grassland) were chosen in northwest Guangxi, China to determine the C, N, and P contents and the C:N:P stoichiometry. The results showed that:(1) the C, N, P contents and C:N:P ratios in the aerial portion of plants varied with different artificial Guimu-1 pasture ages. The N and P contents of the plant aerial portion in different years all followed the same order:5-y-old < 1-y-old < 7-y-old pastures, whereas the C content followed the reverse order. Plant C:N, C:P, and N:P ratios, which varied over a large range from 26.50 to 33.91, 631.70 to 2254.33, and 23.89 to 67.21, respectively, were all in the order of 7-y-old < 1-y-old < 5-y-old pastures. (2) Soil C, N, and P in the topsoil layer (0-10 cm) all showed the same order:corn field < 5-y-old < 1-y-old < 7-y-old pastures. However, there were no significant differences among the soil C:N, C:P, and N:P ratios for the four herb types (P > 0.05), with average values of 9.20, 27.88, 3.38, respectively. (3) Soil microbial C biomass (MBC), microbial N biomass (MBN), and microbial P biomass (MBP) showed significant differences among the different plant types (P < 0.05). The corn field had the highest MBC/soil organic C, MBN/total N, and MBP/total P ratios among the four plant types, while the 5-y-old pasture had the highest ratios among the three different aged pastures. (4) Correlation analysis showed that:(a) there were significant positive linear correlations between MBC and soil C, and MBP and soil P (P < 0.05); (b) there were highly significant negative linear correlations between plant and soil C, plant C and soil N, plant C:N and soil C, and plant C:N and soil N (P < 0.01); and (c) there were highly significant positive linear correlations between plant N and soil C, and plant and soil N (P < 0.01). Thus, the determination of C, N, and P stoichiometric characteristics of plant-soil-microbe interactions in the present study showed that in karst ecosystems, croplands were more limited by N than by P, whereas artificial pastures in rehabilitated land were mainly limited by P, especially during the vigorous restoration stage. Plant C:N:P stoichiometric characteristics in pastures at different ages showed a higher temporal variability than those of soil.
Key words: ecological stoichiometry     karst ecosystems     corn     Guimu-1     plant     soil     microbe    

氮(N)、磷(P) 是植物最基本的营养元素, 并且是陆地生态系统的主要限制性元素[1], 在植物生长发育过程中发挥了非常重要的作用, 并且会影响植物碳(C) 固定, C、N、P相互作用, 共同调节植物生长[2]。土壤是植物生长发育的基础, 其养分含量是评价土壤质量的量化指标;微生物是土壤养分循环(C、N、P等) 的驱动者, 是植物所需养分的“源”和“库”[3];植物所需养分主要来源于土壤, 同时, 植物枯枝落叶可将部分养分归还土壤。土壤养分供应量、微生物活动、凋落物归还量以及植物自身养分需求量的差异, 使得植物、土壤、微生物的养分含量具有明显的时空变异[4-5], 增加养分与环境之间关系的复杂性。而C、N、P在生物系统能量和物质循环及多重元素平衡中发挥着重要的指示作用[6], 因此, 研究“植物-土壤-微生物”系统C、N、P养分的动态平衡, 对于理解生物系统物质循环过程与环境耦合关系具有重要意义。

生态化学计量学是研究生物系统能量和化学元素平衡的科学, 为研究元素在生物地球化学循环和生态过程中的计量关系和规律提供了一种理论及思维工具[7]。当前, 生态化学计量学在国内外发展迅速, 且对植被的研究主要集中在区域和生态系统尺度[8-9], 以森林、草地、湿地生态系统研究成果居多[10-14], 这些研究表明, 在不同区域与生境下, 植物及土壤C-N-P生态化学计量比存在空间变异性。对于多年生植物而言, 其在不同生长阶段C同化能力、养分吸收速率及凋落物归还能力等差异, 必然会导致植物及土壤C、N、P含量发生变化, 因此, 从时间变异角度研究植物生态化学计量学对于明确植物与环境的耦合关系非常必要[15]。但目前已有研究主要集中在植物季节内或年内的动态变化[6, 11, 14], 有关单个植物种C-N-P生态化学计量学时间变异特征的研究还较缺乏[16]

喀斯特地区是我国主要生境脆弱带之一, 受其独特地质背景的影响及人类活动的干扰, 该区域水土流失严重, 人地矛盾尖锐, 生态重建迫在眉睫[17]。20世纪80年代中后期开始, 该区域开始实行“退耕还林还草”政策, 不断减少人为干扰, 植被逐渐得到恢复[18]。目前, 对喀斯特区域生态化学计量学的研究主要集中在“退耕还林”下的森林植物、凋落物或土壤之间, 这些研究表明喀斯特不同演替阶段森林群落生态化学计量比存在差异, 或受N或受P素制约[10, 19]。由于退耕林地与退耕草地植被在恢复年限及对土壤养分消耗、归还等方面的差异, 使得其“植物-土壤-微生物”系统内C、N、P养分循环也会发生变化, 而当前有关“退耕还草”下的植物、土壤、微生物生态化学计量特征、年际间变化规律及其内在关联的研究尚显不足。本文以喀斯特石漠化地区常见的退耕还草地为对象、以玉米耕地为对照, 研究不同退耕还草年限下牧草地(植被恢复初期、旺盛期、衰退期) 植物、土壤、微生物C、N、P含量, 其目标是:明确退耕牧草地“植物-土壤-微生物”生态化学计量特征及其内在关联性, 揭示喀斯特石漠化地区退耕还草不同恢复阶段下养分利用规律及限制因子, 以期为喀斯特退化生态系统恢复与重建提供科学依据。

1 材料和方法 1.1 研究区概况

研究区位于广西环江毛南族自治县下南乡古周村(107°56′48.1″-107°57′28.5″E, 24°54′42.6″-24°55′17.8″N), 多年平均气温16.5-20.5 ℃, 平均降雨量为1389.1 mm, 属亚热带季风气候区, 雨季主要集中在4-9月, 10月至次年3月为旱季。研究区地形起伏较大, 最低点海拔374 m, 最高点海拔816 m。土壤主要为碳酸盐岩发育的钙质石灰土, 洼地平均土层深度为75.9 cm, 部分土深仅10 cm左右, 山地平均土深20-40 cm, 土被分布不均匀, 岩石广泛裸露, 峰丛洼地平均裸岩率32.9%, 部分地段裸岩率达80%以上。

研究区于20世纪80年代末开始实行“退耕还林还草”政策, 目前, 研究区用地类型主要为旱作农耕地、退耕还林还草地等。其中, 旱作农耕地主要种植玉米、红薯等;退耕还草的主要目的是牧草刈割利用和生态恢复, 退耕前主要耕种玉米、红薯等, 退耕后种植桂牧1号杂交象草。桂牧1号杂交象草(Pennisetum purpureum cv. Guimu-1)(以下简称牧草) 是广西畜牧研究所选育的一种新型C4杂交象草, 以其生物量高、适应性强、耐刈割、多年生等特点成为桂西北地区最重要的人工牧草。通过对研究区桂牧1号牧草地长期跟踪研究, 发现退耕牧草地经历恢复初期、旺盛期、衰退期等不同阶段, 退耕7a左右牧草开始衰退。

通过前期调查研究, 在研究区选取土壤母质、土壤类型、坡度坡向等立地条件及栽培管理措施一致的且分别已退耕恢复1、5a和7a的牧草地作为研究对象, 分别对应着退耕还草恢复初期、恢复旺盛期、衰退期, 选择玉米耕地为对照(表 1), 每种类型分别设置3个10 m×10 m的样地作为监测对象, 共12个样地。玉米地作物每年收获后全部移走, 牧草地每年刈割3次并移走地上部分生物量, 施肥量及时间与当地长期施肥措施保持一致。详细情况见表 1

表 1 样地基本情况 Table1 Characteristics of experimental plots
土地类型
Land-use types
植物类型
Herb types
年生物量(干物质)
Annual biomass
(Dry matter)/(t/hm2)
利用历史
Land-use
history
管理措施
Management
measures
施肥量
Fertilization
农耕地
Cropland
玉米 23.70 农耕地, 均种植玉米, 种植历史达10a以上。 种植密度50 cm×50 cm, 玉米成熟后全部收割并移走;每年11月底翻耕。其中, 所施肥料70%作基肥, 30%苗期追肥 农家肥(15000 kg hm-2 a-1), 无机化肥(尿素、钙镁磷肥和氯化钾, 300 kg hm-2 a-1) 以及草木灰和人粪尿(约3000 kg hm-2 a-1)
退耕恢复初期
Initial restoration
stage
1a牧草 19.51 退耕还草前均种植玉米, 退耕后开始种植桂牧1号杂交象草 牧草种植密度60 cm×60 cm, 每年均刈割3次, 刈割留茬高度10 cm左右, 每次刈割后均施等量肥料;无翻耕 农家肥(15000 kg hm-2 a-1), 无机化肥(尿素、钙镁磷肥和氯化钾, 300 kg hm-2 a-1);不施草木灰和人粪尿
退耕恢复旺盛期
Vigorous restoration
stage
5a牧草 31.98
退耕衰退期
Degenerating
stage
7a牧草 17.75
1.2 研究方法 1.2.1 生物量测定

每个样地分别设置3个2 m×2 m小样方, 在牧草每次刈割前(3次/a), 收获小样方内地上部分生物量并称鲜重, 在105 ℃下杀青2h, 再在65 ℃烘干至恒重, 计算干物质产量, 以3次刈割所得牧草地上部分干物质之和作为牧草地年地上部分生物量, 玉米地在成熟期收获, 以地上部分干物质产量作为其地上部分生物量。

1.2.2 野外取样

2012年10月在每个小样方内随机选取5株植物样, 装入信封袋用于测定植物含水量及养分含量。植株刈割并移走后, 每个样地内按“S”型选取10个点取土样(0-10 cm), 并充分混匀, 一部分新鲜土样过2 mm筛后置于冰箱中(4 ℃) 用于测定微生物生物量, 其余土样风干后过筛, 用于测定土壤C、N、P含量。

1.2.3 样品测定

植物样品(植物地上部分, 包括茎和叶) 在105℃下杀青2 h, 再在65℃烘干至恒重, 粉碎后过筛, 植物C含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定, 植物N含量采用H2SO4-H2O2消煮、流动注射仪法测定, 植物P含量采用H2SO4-H2O2消煮、钼锑抗比色法测定。土壤有机碳(SOC) 采用重络酸钾容量法, 土壤全氮(TN) 采用半微量开氏法, 土壤全磷(TP) 釆用NaOH熔融、钼锑抗比色法。土壤微生物量碳(MBC) 采用CHCl3熏蒸法-K2SO4测量, 微生物量氮(MBN) 采用CHCl3熏蒸-K2SO4提取-氮自动分析仪法, 微生物量磷(MBP) 采用CHCl3熏蒸-NaHCO3提取-Pi测定-外加Pi校正法。

1.3 数据分析

采用Office 2010 Excel进行数据的计算与初步分析, 采用K-S进行样本数据正态性检验, 结果表明:植物、土壤、微生物C、N、P含量及C:N:P比均呈正态分布(P>0.05)。用SPSS 17.0对数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA) 和回归等统计分析, 用OriginPro 8.5进行图表绘制。本研究中显著水平为α=0.05, 极显著水平为α=0.01。表中数据为平均值±标准误差。

2 结果与分析 2.1 植物地上部分C、N、P含量及化学计量比

表 2所示, 3种退耕年限牧草地中植物地上部分C含量表现为7a牧草 < 1a牧草 < 5a牧草地, 且5a牧草地植物地上部分C含量显著高于7a牧草地;植物地上部分N、P含量均表现为5a牧草 < 1a牧草 < 7a牧草地, 但N含量差异均不显著, P含量表现为7a牧草地显著高于1a和5a牧草地。3种退耕恢复年限下牧草地植物地上部分C、N、P平均含量分别为436.92 g/kg, 14.89 g/kg, 0.38 g/kg。

表 2 喀斯特不同退耕恢复年限下牧草地上部分C、N、P含量及化学计量比 Table2 C, N, P contents and stoichiometry of plant aerial portion in different restoration stages of Guimu-1 pastures
植被类型
Herb types
C/
(g/kg)
N/
(g/kg)
P/
(g/kg)
C:N C:P N:P
1a牧草1-year pasture 443.35±13.72AB 15.36±1.39A 0.26±0.05A 29.07±3.54A 1771.09±309.79B 60.84±7.32B
5a牧草5-year pasture 446.69±5.19B 13.38±2.09A 0.20±0.02A 33.91±5.25A 2254.33±204.96C 67.21±8.87B
7a牧草7-year pasture 420.71±13.31A 15.93±0.98A 0.67±0.02B 26.50±2.44A 631.70±35.02A 23.89±0.87A
同列不同大写字母表示差异显著(P < 0.05)

3种退耕年限下牧草地植物地上部分C:N、C:P、N:P均为7a牧草 < 1a牧草 < 5a牧草地, 但C:N差异均不显著, C:P在3种年限牧草地中差异均达显著水平, N:P表现为7a牧草地显著低于1a和5a牧草地, 1a和5a牧草地之间差异不显著。3种退耕恢复年限下牧草地植物地上部分C:N、C:P、N:P平均值分别为29.83、1552.37、50.65。

2.2 壤C、N、P含量及化学计量比

表 3可以看出, 玉米地土壤表层(0-10 cm) C、N、P含量均低于不同退耕年限下牧草地。其中, 玉米地土壤C含量显著低于1a和7a草地, 与5a牧草地差异不显著;土壤N含量均显著低于3种年限牧草地;P含量显著低于1a牧草地, 与5a和7a牧草地差异不显著。3种退耕恢复年限下牧草地土壤C、N、P平均含量分别为26.60 g/kg, 2.89 g/kg, 0.91 g/kg, 结果表明:退耕5a牧草地土壤C、N、P含量均最低, 其中, 5a牧草地土壤C、N含量显著低于1a和7a牧草地, 这与恢复旺盛期牧草对土壤养分消耗大有关, 而土壤P含量在3种年限牧草地中差异均不显著, 这可能与土壤P本身周转慢有关。

表 3 喀斯特不同退耕恢复年限下牧草地土壤C、N、P含量及化学计量比 Table3 Soil C, N, P contents and stoichiometry in different restoration stages of Guimu-1 pastures
植被类型
Herb types
C/
(g/kg)
N/
(g/kg)
P/
(g/kg)
C:N C:P N:P
玉米Corn field 14.64±2.02A 1.58±0.13A 0.56±0.02A 9.29±1.42A 25.91±2.74A 2.81±0.20A
1a牧草1-year pasture 27.48±3.47B 3.00±0.35C 1.12±0.47B 9.23±1.35A 27.91±12.18A 3.21±1.94A
5a牧草5-year pasture 19.17±1.30A 2.24±0.16B 0.81±0.20AB 8.56±0.10A 24.70±5.97A 2.88±0.66A
7a牧草7-year pasture 33.14±2.35C 3.42±0.12D 0.81±0.27AB 9.71±0.90A 32.99±0.59A 4.62±1.86A

玉米及不同退耕年限牧草地之间土壤C:N、C:P、N:P差异均不显著, 且其平均值分别为9.20、27.88、3.38。其中, 3种退耕年限下牧草地土壤C:N、C:P、N:P均表现为种植5a牧草 < 1a牧草 < 7a牧草, 但差异均不显著。

2.3 土壤微生物量C、N、P

表 4结果得出, 玉米和牧草地中土壤MBC、MBN、MBP含量存在显著差异。3种退耕恢复年限下牧草地土壤MBC、MBN、MBP平均值分别为134.32 mg/kg、41.24 mg/kg、5.80 mg/kg。3种退耕年限牧草地中, MBC含量表现为1a牧草 < 5a牧草 < 7a牧草地, 且7a牧草地显著高于1a和5a牧草地;MBN与MBP均表现为7a牧草 < 5a牧草 < 1a牧草, 其中, 1a和5a牧草地MBN含量差异不显著, 5a和7a牧草地MBP含量差异不显著。

表 4 喀斯特不同退耕恢复年限下牧草地土壤微生物量C、N、P Table4 Soil microbial biomass C, N and P in different restoration stages of Guimu-1 pastures
植被类型
Herbs types
MBC/
(mg/kg)
MBN/
(mg/kg)
MBP/
(mg/kg)
MBC/SOC MBN/TN MBP/TP
玉米Corn field 98.03±8.37A 35.55±0.26A 4.38±0.12A 0.68±0.13B 2.26±0.18D 0.78±0.04A
1a牧草1-year pasture 117.40±12.36AB 46.13±2.58B 6.30±0.32C 0.43±0.09A 1.56±0.28B 0.66±0.36A
5a牧草5-year pasture 130.13±10.48B 42.45±1.55B 5.72±0.08B 0.68±0.02B 1.90±0.07C 0.74±0.21A
7a牧草7-year pasture 155.43±11.60C 35.13±2.78A 5.39±0.17B 0.47±0.05A 1.03±0.10A 0.73±0.28A
MBC:微生物生物量碳microbial biomass carbon; MBN:微生物生物量氮microbial biomass nitrogen; MBP:微生物生物量磷microbial biomass phosphorus; SOC:土壤有机碳soil organic carbon; TN:全氮total nitrogen; TP:全磷total phosphorus

玉米地及不同退耕恢复年限下的牧草地MBC/SOC、MBN/TN、MBP/TP值分别为0.43%-0.68%、1.03%-2.26%、0.66%-0.78%。玉米地MBC/SOC、MBN/TN、MBP/TP均高于牧草地, 其中, MBC/SOC显著高于1a和7a牧草地, MBN/TN均显著高于3种年限牧草地, 而MBP/TP虽略高于牧草地, 但差异均不显著。3种退耕年限牧草地中, 均以5a牧草地MBC/SOM、MBN/TN、MBP/TP值最高, 且前两个指标在5a牧草地中均显著高于1a和7a牧草地, MBP/TP则差异均不显著。

2.4 植物-土壤-微生物化学计量比相关性分析

研究分析了植物、土壤、微生物C、N、P及C:N、C:P、N:P之间的相关关系, 结果表明:植物C与N呈极显著负相关(P < 0.01), 植物C:P与N:P、土壤C与N、土壤C:P与N:P均呈极显著正相关(P < 0.01)(图 1)。植物C、植物C:N与土壤C、N均分别呈极显著负相关(P < 0.01), 植物N与土壤C、N含量分别呈极显著正相关(P < 0.01)(图 2)。植物和土壤C:N、N:P、C:P之间相关关系均不明显(P>0.05)。MBC和MBP分别与SOC和TP呈显著正相关(P < 0.05)(图 3), MBN与TN相关性不显著(P>0.05)。

图 1 植物-土壤C与N、C:P与N:P的相关关系 Fig. 1 The correlativity between C and N, C:P and N:P in plant-soil

图 2 植物C、N、C:N与土壤C、N之间的相关关系 Fig. 2 The correlativity between plant C, N, C:N and soil C, N

图 3 微生物量C、P与土壤C、P之间的相关关系 Fig. 3 The correlativity between microbial biomass C, P and soil C, P
3 讨论 3.1 植物地上部分C、N、P含量及其计量比

C是植物体内最基本的元素组成, N和P在植物生长发育过程中发挥着不可替代的作用[20], 结构性元素C与功能性元素N、P相互作用, 共同调控植物生长。研究表明[9, 21], 植物C、N、P含量在不同生长阶段常表现出一定的差异。本研究中, 牧草地上部分C含量在生长旺盛期最高, 进入衰退期后含量显著降低, N、P含量变化趋势刚好相反, 表现为生长旺盛期 < 生长初期 < 衰退期。N、P是植物体内蛋白质、核酸、酶等重要化合物的主要成分, 影响植物的生长发育。牧草需要大量蛋白质和核酸以支持植物组织快速生长, 而旺盛期牧草生物量迅速增加, 营养元素稀释, 因而N、P含量降低, 衰退期牧草生物量下降、组织结构稳定, 含量有所上升。而C在植物体内主要以有机质的形式存在, 在牧草生长过程中, 也即植物C积累过程, 这也是牧草生长旺盛期C含量最高而衰退期含量迅速下降的原因[22]

在陆地生态系统中, N和P是限制植物生长的主要营养元素, N:P被广泛用于判断植物个体或生态系统N、P养分限制格局[12, 23]。Tessier等[23]研究表明, 当植物N:P < 14时, 植物生长受N限制, 当植物N:P>16时, 植物生长受P限制;也有研究认为, N:P < 10时, 植被受N素的限制, N:P>20时, 植被受P素的限制[12]。He等[24]对全国主要草地植被研究表明, 中国草地植被普遍受P限制, Han等[9]研究中国753种高等陆生植物也得出相同结论。本研究中, 玉米地上部分N:P值(9.54) < 全国草本植物N:P平均值(13.5)[9] < 牧草地上部分N:P值(50.65), 差异较大, 表明玉米耕地N匮乏可能性高于退耕牧草地, 牧草地P匮乏度高于玉米农耕地。这可能与玉米耕地施肥(额外施入有效P较高的草木灰和人粪尿) 及耕作方式(翻耕加速土壤养分分解, 而土壤P素的周转速度低于N) 有关。3种退耕年限牧草地中, 种植5a牧草地N:P比值最高(67.21), 这也表明退耕牧草地在恢复旺盛期受P制约尤其严重。当然, 影响植物群落养分限制性的因素往往是复杂和综合的, 不同区域不同生态系统N、P元素限制作用的阈值通常难以固定数值界定[25], 用植物N:P比表征N、P养分的限制作用, 更主要是反映N、P元素限制作用的相对大小及相互转化趋势, 价值可能更主要在于指示作用, 要界定喀斯特区域草地生态系统NP元素限制作用的阈值, 需要进一步的实验验证。

“生长速率假说”认为生物体必需改变C:N:P比值来适应生长速率的改变, 即生物体快速生长需要大量核糖体RNA (rRNA) 合成蛋白质, 而rRNA中P含量高, 因而生长速率高的生物具有较低的C:P和N:P[21], 但不同研究表明, 高等植物是否符合生长速率假说仍存在争议[26-27]。本研究中牧草地植物地上部分C:P和N:P也并不符合生长速率假说, 相反, 与牧草生长速率存在正效应关系, 其中, 生长速率最高的5a牧草地植物C:P分别比1a和7a牧草地提高了27.28%和256.87%, N:P分别比1a和7a牧草地提高10.47%和181.33%, 这可能是因为相比于牧草C、N浓度, P浓度本身就很低, 在牧草生长高峰期间, P元素受生物量稀释明显, 因而导致牧草生长旺盛期C:P和N:P含量高于生长初期和衰退期。以往有关生长速率假说的研究中, 植物不同生长阶段生物量差异不如桂牧1号杂交象草大, 因此, C:N:P与生长速率的关系是否会受植物生物量的影响, 有待进一步研究。

3.2 土壤C、N、P含量及其计量比

土壤养分是植物营养的主要来源, 植物生长发育、营养代谢等都与土壤养分供应状况密切相关[28]。根据全国第二次土壤普查养分分级标准[29], 玉米耕地土壤C含量为三级水平, N含量达二级水平, P含量为四级水平;牧草地土壤C、N含量达一级水平, P含量达二级水平。宋同清等[30]研究表明, 喀斯特地区由于其优越的温湿条件极利于生物繁衍和生长, 同时加速岩石的溶蚀、风化和土壤发育进程, 峰丛洼地退耕还林还草下土壤养分含量总体高于同纬度红壤地区, 本研究中退耕牧草地养分含量也类似。而玉米农耕地由于每年翻耕加速土壤养分分解, 以及作物全部收获而带走大量养分, 导致土壤养分含量低, 这也表明较之耕地, 刈割处理的退耕牧草地在维持土壤养分方面具有优势。另一方面, 本研究中退耕牧草地土壤表层(0-10 cm) 养分含量均低于同一研究区域森林植被土壤养分含量[31], 这与森林植被下生物多样性高, 人为干扰少, 生物“自肥”作用强烈密切相关[32]。不同退耕恢复年限牧草地中, 土壤C、N、P含量均为恢复旺盛期 < 生长初期 < 衰退期, 且土壤C、N在3个恢复阶段差异均达显著水平, 一方面这与牧草在高速生长阶段需较多养分有关, 另一方面, 由于生长高峰期牧草生物量极高导致刈割移走大量土壤养分。牧草在不同生长阶段对土壤肥力消耗存在差异, 因此, 制定相应的恢复策略以适应退耕地不同恢复阶段对提高生态系统生产力具有重要意义。

土壤CNP比是土壤中SOC与土壤TN、TP之间的比值, 是土壤有机质和土壤质量的重要指标[33]。土壤C:N与有机质矿化速度成反比, 影响土壤中C和N的循环[34], 本研究中, 玉米和牧草地土壤C:N平均值为9.20(玉米C:N为9.29, 牧草为9.17) 略低于中国土壤C:N平均值(10.1-12.1)[35], 但明显低于曾昭霞等[31]所研究的喀斯特原生林和次生林土壤C:N值(15.3), 土壤C:N值低意味着土壤SOC分解速度较快, 说明在维持土壤肥力方面, 农耕地和退耕还草地可能比不上次生林和原森林等顶级群落。土壤N:P作为养分限制的有效指标, 可以判断不同植被类型下是否存在不同养分限制[33], 玉米和牧草地土壤N:P值低于同区域森林土壤N:P值, 这与玉米和牧草地中土壤N含量极低于森林植被有关。本研究中, 玉米及不同退耕年限下的牧草地土壤C:N、C:P、N:P差异均不显著, 可能与土壤中P含量相对稳定有关, 这是因为有机质的形成需要一定量的N、P与其相对稳定比率的C[36]

3.3 微生物C、N、P含量

土壤微生物通过调整对土壤养分有效性的矿化酶的生产力, 影响土壤有机质的分解速率, 是衡量土壤质量的理想指标[37]。与玉米农耕地相比, 牧草地明显提高了微生物量C、N、P, 表明植被恢复对土壤微生物量影响显著。不同退耕年限下的牧草地土壤微生物量同样存在差异, 这与退耕地植被不同恢复生长阶段对养分需求及土壤养分供应之间密切相关。

因为土壤微生物受植被、土壤等多种因素的影响, 因此在评价不同植被类型中土壤微生物质量变异时, 还应考虑微生物量C、N、P分别在SOC、TN、TP中的比例[38]。鹿士杨等[39]对该研究区不同退耕还林还草模式下的土壤微生物研究表明, MBC/SOC、MBN/TN、MBP/TP分别为0.65%-2.43%, 0.74%-3.27%, 0.40%-7.15%, 本研究结果与其类似, 但普遍低于洞庭湖湿地土壤[40]及亚热带其他区域[41], 这可能与研究区中耕地及退耕地植被均较为单一有关。不同退耕恢复阶段牧草地中, MBC/SOC、MBN/TN、MBP/TP均以牧草恢复旺盛期最高, 这说明在牧草高峰生长期需要较多的养分满足其高速生长的需求, 从而需要高的微生物活性来提高其物质代谢能力。

土壤C:N比是判断土壤微生物生长是否受C或N限制的重要指标, 当土壤C:N≥30和C:N≤20时, 土壤微生物生长分别受到N源和C源的限制, 而C:N=25时对土壤微生物生长最有利, 有利于土壤微生物在土壤中正常生长[42]。喀斯特退耕牧草及玉米地中, 土壤C:N处于8.56-9.71之间, 说明C源供给是喀斯特地区农耕地及退耕牧草地土壤微生物生长的主要限制因子, 这也与鹿士杨等[39]研究结果一致。

3.4 植物-土壤-微生物化学计量相关性分析

植物中化学元素主要来源于土壤, 其含量与土壤含量密切相关。本研究中, 植物C、N、C:N均与土壤C、N极显著相关(P < 0.01), 但植物及土壤中P、C:P、N:P之间均无显著相关性(P>0.05), 说明土壤P的供应对植物P的吸收影响不大, 而MBP与土壤TP的相关性分析显示MBP与土壤TP显著正相关(P < 0.05)。对比分析发现, 退耕牧草地土壤P含量(0.91 g/kg) 与研究区其它植被类型下土壤P以及其它研究区土壤P含量差异不大[10, 43], 但植物P含量(0.37g/kg) 却极低于这些研究中的植物P含量, 表明研究区牧草对土壤P的吸收利用率很低。彭佩钦等[40]研究表明, 土壤MBC与MBP之间的比值可作为衡量微生物矿化土壤有机质释放P或从土壤中吸收固持P潜力的一种指标, MBC:MBP比值一般在7-30之间, MBC:MBP比值小说明微生物在矿化土壤有机质中释放P的潜力较大, MBP对土壤有效磷库有补充作用;MBC:MBP比值高则说明土壤微生物对土壤有效磷有同化趋势, 易出现微生物与作物竞争吸收土壤有效磷的现象, 具有较强的固磷潜力。本研究中, 牧草地土壤MBC:MBP值在18.64-28.82之间, 比值较高, 表明微生物与牧草竞争土壤有效磷, 固磷现象强, 导致牧草对土壤P利用率低, 因而受P制约严重。这可能与退耕牧草地目前所实行的氮磷肥配施不均衡有关。这些也体现了“植物-土壤-微生物”系统在养分循环中的复杂性, 它们之间的关系还需进一步深入研究。

4 结论

(1) 农耕玉米地由于受翻耕及作物收获方式的影响, 较之刈割处理的牧草地, 不利于土壤养分维持。

(2) 不同退耕恢复阶段下牧草地植物C-N-P化学计量比波动范围较大, 表现出明显的时间变化特征, 土壤C-N-P化学计量比则差异均不显著, 即退耕还草地中植物与土壤系统化学计量比表现出不一致的时间变化特征。

(3) 玉米耕地N匮乏可能性高于P, 而退耕牧草地则受P制约严重, 尤以恢复旺盛期(5a牧草) P匮乏度最高, 这可能与退耕地NP肥配施不合理有关, 导致牧草地微生物固磷作用强、植株对土壤P利用效率低。

因研究所选取的退耕牧草地均为同一施肥措施下, 如需明确喀斯特石漠化地区草地生态系统N、P养分循环机制, 还需设置施肥梯度实验, 深入分析不同施肥梯度下人工牧草地植物-土壤-微生物生态化学计量特征及其内在关联性。

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