碳(C)氮(N)磷(P)是生物体中的主要组成元素^[1]、也是生态系统中的主要养分元素^[2-3]。植物从土壤中吸收养分, 同时又以枯落物归还给土壤, 使得植物与土壤之间不断进行着养分循环与转化的过程, 从而有利于陆地植被的演替与恢复^[4]。生态化学计量学是一门交叉学科^[5], 研究C、N、P的生态化学计量是当前生态学研究的热点领域。因此, 明确植物土壤C、N、P等养分之间的相互关系对揭示陆地生态系统的养分循环具有重要意义, 也是区域生态保护与生态文明建设的重要内容。

目前, 关于植物N土壤C:N:P生态化学计量学与环境因子的相关研究在国内外已广泛开展^[6-19]。例如, Yue等^[6]发现N沉降显著增加植物N:P, 但对土壤C:P和N:P均无显著影响。相关研究发现, 植物叶片N、P含量随着年均温的增加而降低^[7-9], 但有研究发现叶片N、P含量随着年均温的增加而增加^[10-11]。李喜霞等^[12]认为我国温带阔叶红松林叶片各元素计量特征随纬度变化不显著, 而土壤SOC、C:N、C:P均随纬度升高而极显著增加。吴昊等^[13]发现随着海拔升高, 土壤整体C:N呈先上升后下降趋势, N:P变化趋势与之相反, C:P则无明显变化。赵珊宇等^[14]通过对科尔沁沙地樟子松人工林的研究表明随着降雨量的增加, 叶片C含量呈下降趋势, 叶片P含量无一致性规律, 叶片N含量以及土壤C、N、P含量均呈增加趋势。目前已开展了很多关于降水变化对陆地生态系统C、N、P化学计量影响的研究, 但多集中于草地生态系统方面^[15-19], 关于自然降水梯度对次生林土壤-植物体系的研究仍有很大不足。

黄土高原以干旱和养分贫瘠为其主要特征, 是全球生态系统最为脆弱的区域之一^[20], 刺槐(Robinia pseudoacacia.)作为该区主要的退耕造林树种^[21], 具有良好抗逆能力与水土保持功效。全球变暖加速了水循环, 导致降水格局发生了变化^[22], 如在21世纪初以来西北地区东部降水呈显著增加趋势^[23]。水分作为制约旱区植被生长的主要限制因子^[15], 降水格局的变化对于该区植物生长和土壤养分调控具有重要影响。因此研究刺槐人工林对自然降水梯度的响应, 对其应对气候变化具有重要的科学意义。然而, 目前关于黄土高原刺槐叶片-土壤生态化学计量参数对降雨量响应方面的研究亟待加强。因此, 本文以黄土高原20年刺槐人工林为研究对象, 通过比较不同水分梯度下刺槐林叶片与土壤养分及C、N、P生态化学计量特征的变化, 分析叶片与土壤养分的相关关系, 以期为深入了解区域降水格局变化如何影响脆弱生态系统化学计量特征提供基础数据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于黄土高原(34°42′32″—39°18′28″N, 108°40′35″—110°37′47″E), 沿不同气候带由南向北确定泾阳县、铜川市、黄陵县、富县、宝塔区、延川县、绥德县、米脂县、榆林市、神木市等10个代表性较强的样点(表 1)。该区跨越了半湿润和半干旱气候区, 平均气温在8.8—13.4℃, 降雨集中在7—8月, 年降雨量500 mm左右, 从南向北逐渐减少^[24]。海拔688—1310 m, 地势西北高、东南低。土壤类型以黄土母质形成的黄绵土为主。研究区内地表破碎, 沟壑纵横, 水土流失严重, 以刺槐(Robinia pseudoacacia.)人工林为主进行植被恢复。林下草本主要有鼠尾粟(Sporobolus fertilis)、葎草(Humulus scandens)、小冠花(Securigera varia)、牛筋草(Eleusine indica)、长芒草(Stipa bungeana)、天门冬(Asparagus cochinchinensis)等。研究区内刺槐人工林林分单一、结构简单, 林下灌草层生物量很低。

1.2 样品采集与测定

野外采样于2018年8月植物生长旺盛时期, 选择20年成熟刺槐林地作为研究对象。每个采样点设置3个20 m×20 m的样方, 每个样方内选取3株生长健壮、长势良好的刺槐, 用高枝剪从东、西、南、北4个方向分别采集每株植物中上部成熟且无病害的叶片, 混匀后装入信封中。在每个样方内按照“S”取样法用土钻钻取5个点, 分别采集其0—10 cm和10—20 cm土壤样品, 挑出细根、石块等杂物后按土层混匀并装入自封袋中。将所有的植物、土壤样品做好标记并带回实验室。

采集的植物叶片在105°杀青后置于65°条件下烘干, 经研磨后过0.15 mm筛后装袋封存。

土壤样品经自然风干后过筛, 装袋以供后续分析。土壤pH采用玻璃电极法测定, 土壤含水量采用烘干法测定, 土壤硝态氮、铵态氮采用KCl浸提法, 土壤速效磷采用NaHCO₃浸提钼蓝比色法。叶片和土壤SOC采用重铬酸钾外加热法测定, TN采用凯氏定氮法测定, TP采用高氯酸-硫酸消解钼锑抗比色法测定^[25]。

1.3 数据处理

本文中植物和土壤碳氮磷比均采用元素质量比。用Excel 2010对数据进行前期整理, 用SPSS 25.0对数据进行了回归分析和相关性分析, 并对0—10 cm和10—20 cm土层养分以及C、N、P化学计量比做方差分析, 最后用Origin 2016绘图。

2 结果与分析 2.1 刺槐叶片C、N、P化学计量学特征参数沿水分梯度的变化

刺槐叶片碳氮磷的生态化学计量指标随降雨量呈现出不同的变化趋势(图 1), 刺槐叶片C含量随降雨量增加而显著增加(P=0.017), 其含量变化范围为410.89—534.70 mg/g, 平均值为448.95 mg/g。叶片N含量随降水增加也显著增加(P=0.006), 其含量变化范围为22.45—36.91 mg/g, 均值为30.17 mg/g。叶片P含量随降水增加变化趋势不明显, 其变化范围为1.26—2.09 mg/g, 均值为1.72 mg/g。叶片C:N随着降雨量的增加而下降(P=0.157), 叶片C:P随降雨量无一致性规律, 叶片N:P随降水增加而增加, 变化趋势不显著(P=0.06)。

2.2 刺槐林地土壤理化性质沿水分梯度的变化特征

刺槐林地0—10 cm和10—20 cm土层SOC、TN含量均随降水增加而显著增加(图 2), 且由方差分析知(表 2), 同一降雨条件下两土层间SOC、TN含量差异显著(P < 0.01)；0—10 cm土层土壤TP含量(0.45—0.77 g/kg)随降水增加呈上升趋势, 在10—20 cm土层中其含量变化不大。SOC、TN、TP的变异系数分别为37.87%、47.10%和14.49%, 土壤TP变异程度较小。土壤铵态氮含量在0—10 cm和10—20 cm土层均随降水增加而显著上升(P < 0.05), 但土壤速效磷和硝态氮含量随着降雨量变化不显著(P>0.05), 在两土层间硝态氮、铵态氮、速效磷含量均无显著差异(表 2)。

2.3 刺槐林地土壤C、N、P生态化学计量特征沿水分梯度的变化

刺槐林地0—10 cm土层土壤C:N(7.36—16.34)、C:P(6.67—22.55)和N:P(0.66—2.44), 平均值分别是10.22、12.83和1.31, 变异系数分别为21.1%、32.4%和39.4%(图 3)；10—20 cm土层土壤C:N(7.50—13.90)、C:P(5.26—16.81)和N:P(0.51—1.62), 平均值分别是9.53、8.96和0.95, 变异系数分别为16.2%、36.6%和35.8%。土壤C:N的空间变异性较小, 土壤C:P、N:P的空间变异性较大。土壤C:N与降雨量无显著相关性(P>0.05)。在0—10 cm土层中, 土壤C:P随降雨量的减小而显著减小(P < 0.05), 而在10—20 cm的土层中变化不明显；土壤C:P随着降雨量的减小而显著下降(P < 0.01)。10—20 cm与0—10 cm土层相比, 土壤C:N含量差异不显著, 土壤C:P和N:P含量均显著下降(表 2)。

2.4 刺槐叶片与不同土层土壤各养分之间的关系

除刺槐叶片N含量与土壤TP存在显著相关性(P < 0.05)外, 刺槐叶片与土壤养分C、N、P含量均无显著相关关系(表 3)。叶片P含量与土壤速效磷呈极显著正相关(P < 0.01), 叶片N含量与土壤铵态氮含量呈显著正相关(P < 0.05)。相对而言, 0—10cm土层的土壤C、N、P含量对叶片C、N、P含量的影响比10—20 cm土层稍明显些, 但未达到显著水平。

3 讨论 3.1 刺槐叶片化学计量学特征沿水分梯度的变化规律

C、N、P是构成植物体干物质、生物体蛋白质和遗传物质的重要元素^[26]。本研究中叶片C含量的平均值为448.95 mg/g, 这与郑淑霞等^[27]对黄土高原植被叶片C含量的研究较为一致, 但是低于全球植物叶片的平均值^[28], 这说明黄土高原刺槐叶片合成有机物的含量较低^[29]。本研究发现叶片N含量平均值30.17 mg/g, 高于我国^[30]和全球^[28]植物叶片N含量, 这可能是由于刺槐有豆科植物根瘤固氮的特性。刺槐叶片P含量均值为1.72 mg/g, 与全球尺度植物叶片P含量的研究较为接近^[7]。N、P作为陆地生态系统中植物生长的主要限制元素, 而且N:P临界值可以作为一种指标来判断环境对植物生长的养分供应状况^[3]。当植被叶片N:P＜14时, 主要是受到N的限制, 当N:P＞16时, 主要是受到了P的限制, 当14＜N:P＜16时, 植物生长受到N和P的共同限制^[31]。本研究中N:P均值为17.68, 说明黄土区刺槐的生长主要是受P元素限制, 与张萍等^[32]研究结果相似。

生境因子的变化一方面会直接影响植物组织的特性, 从而影响植物体的代谢活动；另一方面它会影响到土壤有效养分的含量, 从而间接影响植物叶片C、N、P的含量^[33]。本研究中刺槐叶片C含量随着降雨量的增加而增加, 与丁小慧等^[18]的研究结果一致, 原因可能为充足的水分有利于植物进行光合作用, 从而使得叶片C含量得以累积。姜沛沛等^[10]认为刺槐叶片N、P含量大致随着降水增加而增加, 而郑淑霞等^[27]对黄土高原126种植物叶片的研究表明叶片N、P含量与年降水量无关, 叶片N:P随年降水增加而显著减少。本研究中叶片N含量随降雨量增加而显著增加, 叶片P含量以及叶片N:P均与降雨量无显著相关性, 这与上述结果并不一致, 表明在较小尺度上叶片N、P的化学计量特征存在着较大的变异性。刺槐叶片中C、N、P含量的高低, 在一定程度上体现了刺槐对当地气候环境的适应。

3.2 土壤养分指标沿水分梯度的变化规律

本项研究中, 土壤呈现弱碱性, 土壤TN与SOC均随着降雨量增加而增加(图 2), 土壤碳氮含量均呈现出从南向北逐渐减小的趋势, 这与曾全超^[34]、李佳佳等^[24]的研究结果相似。这是因为植物种类、丰度、生物量与土壤C、N含量有关, 随着降雨量的减少, 刺槐林地土壤含水量也相应减少^[35], 地上植被的生物量以及凋落物量也会随之减少^[33], 因此, 土壤碳氮含量呈现逐渐降低的趋势。土壤铵态氮随着降雨量的增加而显著增加, 这与周才平等^[36]的研究结果一致。这主要是因为随着降雨量的增多, 土壤含水量也随之增加, 土壤湿度与土壤的矿化速率呈正相关^[36]。此外, 研究区从南向北, 土壤类型也逐渐向砂黄土转变, 砂质土保肥保水性差, 导致土壤养分含量呈现减小的趋势^{[24, 33]}。

土壤深度是决定土壤养分含量变化的重要因素^[2]。刺槐林地0—10 cm和10—20 cm土层土壤C、N含量具有显著差异, 而土壤TP差异不显著。土壤养分含量随着土层深度的增加而降低, 这与Müller ^[37]、赵晓单等^[38]的研究结果相似。这是因为土壤C、N、P三者来源不同, 土壤C、N主要源于凋落物、动植物残体和微生物的分解和转化的过程, 它们在表层聚集并逐渐向下层迁移^[39]；土壤中磷素的获取相对单一, 磷主要来自于岩石风化^[12], 且P是一种沉积型元素, 在土壤中相对迁移较少^[40], 因此在两土层间无显著差异。相关研究表明^[41], 随着土层加深, C:N无显著变化, 而C:P及N:P显著减小, 这与本研究结果较一致。随着土层加深, SOC、TN含量显著减少, 而TP含量比较稳定, 因此C:P和N:P具有相同的变化趋势。

3.3 刺槐叶片化学计量学特征与土壤C、N、P含量的相关性分析

土壤C、N、P生态化学计量比是评价土壤养分及其质量的重要指标^[42]。由于人为因素以及自然成土因素的影响, 不同降雨梯度下土壤C、N、P有较大的变化, 从而土壤C:N、C:P、N:P存在着一定的空间变异性。本研究中, 土壤C:N随着降雨量的升高没有显著变化, 主要是因为虽然土壤C、N含量变异较大, 但是土壤碳氮空间分布具有一致性^{[34, 43]}。土壤中N:P用来指示生境中N或P素的不足, 衡量植物生长过程中养分的供应状况^[3], 土壤N:P随降水增加而显著增加, 表明刺槐人工林地随着降水增加, 土壤N素限制减弱, P素限制不断加强, 这与赵姗宇等^[14]研究结果一致。土壤C:P可以反映P素的有效性^[17], 较高的C:P是磷有效性低的一个指标^[44], 对黄土高原南北样带而言, 南部气候高温多雨, 属于半湿润区；北部气候寒冷干燥, 属于半干旱区^[24]。高温多雨可加快岩石风化及磷素的淋溶^[33], 所以研究区从北向南C:P呈增加趋势。

植物地上部分元素含量通常与土壤有着密切的关系^{[3, 26]}, 但本研究中, 只有土壤TP与植物叶片N含量存在显著相关性(P < 0.05), 植物碳磷及化学计量与土壤C:N、C:P、N:P均无显著相关性, 这与相关研究结果相似^[45-46]。这可能是由于植物对土壤中矿质元素的吸收以及在体内的运输是一个极其复杂的过程, 会受到土壤水分、pH、营养元素以及微生物活性等多种因素的影响^[18]。其次, 土壤全磷、全氮的含量只代表了土壤中元素的总量, 其中只有部分元素能被植物吸收利用。本研究中叶片P含量与土壤速效磷呈极显著正相关, 叶片N含量与土壤铵态氮含量呈显著正相关关系正好能说明这一点。最后, 这可能是由于采样点不同、土壤生物以及人为干扰的影响。其中, 地形会影响到土壤的微气候条件^[47], 如坡度会影响到土壤养分的堆积迁移, 坡向制约生境的光照与水分状况^[48], 不同的水热条件会导致植物生长状况和养分利用状况不同, 并且植物群落和种类也会在一定程度上影响植物体化学元素的含量^[32]。凋落物作为联系土壤与植物的纽带, 对于养分归还起到了重要作用, 但目前在黄土高原南北样带降雨梯度下植物-凋落物-土壤之间养分循环还不清楚, 在以后应该展开更深入的研究。

4 结论

(1) 黄土高原南北样带刺槐叶片C、N含量与降雨量存在着显著的相关关系, 叶片C、N含量随着降雨量的增加而显著升高, 但叶片P含量增加趋势不明显。叶片C:N、C:P、N:P随降雨量的变化不显著, 叶片N:P>16, 说明黄土高原刺槐生长主要受P元素限制。

(2) 黄土高原南北样带刺槐林地土壤C、N含量随着降雨量的减少而显著减少, 说明土壤C、N含量在空间分布上具有一致性；土壤P含量在0—10 cm土层随着降雨量的减少而显著减少, 在10—20 cm土层无显著变化。土壤碳氮磷化学计量学特征的变化也不同, 土壤C:P和N:P随着降雨量的增加而显著增加, 而C:N比的变化则不显著。

(3) 刺槐林地土壤TP与植物叶片N含量存在显著相关性(P < 0.05), 其他叶片的化学计量特征均与土壤C、N、P没有显著的相关关系, 这可能是由于选取的采样点不同、土壤生物、人为干扰以及生境因子的影响。未来研究可结合同位素技术, 阐明养分在植物-土壤系统中不同组分间的来源和转移, 有助于理解各组分之间的相关关系。