碳(C)、氮(N)、磷(P)作为植物必须的营养元素和生态系统最基本的组成元素, 在生物地球化学循环和维持生态系统结构及功能稳定性方面发挥着重要作用^[1—2]。生态化学计量是研究生态系统多重元素(主要是C、N、P)耦合关系及其化学平衡的一种综合有效方法^[3—4], C、N、P生态化学计量不仅可以决定植物功能^[5], 还能反映植物对环境变化的适应能力^[6], 也为全球气候变化和国家碳达峰碳中和背景下揭示植物固碳增汇机制提供了新的研究思路^[7]。以往研究表明, 生态系统中植物、凋落物、土壤的C、N、P含量都具有明显的时空变异性^[7], 并且植物和土壤的N、P含量均是限制植物生长及固碳潜力的重要因素^[8—9]。因此, 开展不同区域、不同生长阶段的植物C、N、P含量及其生态化学计量特征研究, 对从生态化学计量角度揭示植物体固碳增汇机制以及科学评估区域植被固碳增汇功能都具有非常重要的理论和现实意义。

目前国外对植物生态化学计量特征已有大量研究^[10—12], 国内相关研究虽然起步较晚但发展迅速, 对不同区域、不同森林类型及其各演替阶段的叶片、土壤的生态化学计量特征进行了大量研究^[13—15], 但对植物枝、干、根、皮等各器官的生态化学计量特征研究较少, 尤其将植物各器官与凋落物、土壤联系起来进行生态化学计量特征系统研究则更少。马尾松(Pinus massoniana)是我国南方山地丘陵区主要造林树种和先锋树种, 在维护我国森林资源安全和发挥森林固碳增汇、保持水土等生态服务功能方面具有举足轻重的作用。对于马尾松来说, 以往有关其C、N、P生态化学计量研究主要集中在人工林, 如郭其强等^[16]研究了贵州高原山地马尾松人工林土壤生态化学计量特征；崔宁洁等^[17]研究了四川宜宾马尾松人工林针叶、凋落物、土壤的生态化学计量特征, 而对林分结构更复杂和分布面积更广的马尾松天然(次生)林研究则非常不足。这大大限制着对马尾松天然林生态化学计量特征的科学认知以及全面准确评估马尾松林固碳增汇功能。

武陵山区位于我国重庆、湖北、湖南和贵州四省毗邻区域, 是我国重要的生物多样性与水土保持生态功能区, 生态区位十分特殊, 而重庆黔江区处于武陵山区腹地。黔江区现有森林资源以天然林为主, 其中又以马尾松天然(次生)林占绝对优势(其面积和蓄积均占全区天然林80%以上)。本文在武陵山区的重庆黔江区国有林场, 以马尾松天然次生林为研究对象, 对5个林龄的马尾松各器官(叶、枝、干、根和皮)、凋落物以及土壤C、N、P含量及其生态化学计量特征进行研究, 以期掌握武陵山区不同林龄的马尾松天然次生林C、N、P生态化学计量特征变化及影响, 为分布式评估武陵山区马尾松林固碳增汇功能提供科学基础数据, 并为该区域森林可持续经营管理提供决策参考依据。

1 研究区概况与研究方法 1.1 研究区概况

研究区位于重庆市黔江区国有林场(N29°4′—29°52′, E108°28′—108°56′), 为亚热带湿润性季风气候, 并具有典型的山地气候特征, 年均气温15.4 ℃, 年均降雨量1300 mm。属四川盆周山地区, 以低中山为主, 平均海拔变化在800—1500 m。土壤以砂岩、页岩上发育的黄壤、黄棕壤为主, 厚度50—80 cm。黔江区国有林场管辖森林面积32.45 km², 森林覆盖率达93.8%, 地带性森林植被为亚热带常绿阔叶林, 但现有森林植被以马尾松、杉木(Cunninghamia lanceolata)、柏木(Cupressus funebris)、杨树(Pterocarya stenoptera)、青冈(Cyclobalanopsis glauca)、华山松(Pinus armandii)等为主, 其中马尾松林主要为天然次生林, 伴生树种有杉木、青冈、石栎(Lithocarpus glaber)、漆树(Toxicodendron vernicifluum)等, 林分分层现象明显, 灌木层覆盖度变化在50%—80%, 主要有木姜子(Litsea pungens)、野桐(Mallotus japonicus)等；草本层覆盖度变化在30%—70%, 主要有芒(Miscanthus sinensis)、狗脊蕨(Woodwardia prolifera)、铁芒萁(Dicranopteris linearis)等。

1.2 研究方法 1.2.1 样地设置

按照国家林业局2003年对我国南方地区马尾松天然林林龄的划分标准: 幼龄林(≤20 a)、中龄林(21—30 a)、近熟林(31—40 a)、成熟林(41—60 a)、过熟林(≥61 a), 在黔江区国有林场选取立地条件相近的马尾松天然次生林幼龄林(14 a)、中龄林(25 a)、近熟林(38 a)、成熟林(45 a)和过熟林(62 a), 每个林龄分别设置3个规格为30 m×30 m的典型样地, 共15个典型样地(表 1)。

1.2.2 样品采集与测定

2016年8月, 首先对各典型样地胸径≥5 cm的马尾松进行每木检尺, 记录其胸径、树高、冠幅和数量。根据各典型样地调查结果分别选择3株马尾松标准木, 在每株标准木的上冠层南向采集枝叶样品(因62 a马尾松林冠层太高, 未能采集其枝、叶样品), 之后采集适量树皮、干和根样品, 将各典型样地内采集的马尾松叶、枝、皮、干、根样品, 按器官混合, 即每个典型样地获得5个不同器官的混合样品, 共获得73个马尾松不同器官的混合样品。然后在各典型样地沿对角线设置3个规格为1 m×1 m凋落物样方, 收集马尾松凋落物并混合, 即每个典型样地获得1个凋落物混合样品。

在各典型样地内沿对角线选择3个采样点, 之后在各采样点挖一个土壤剖面, 并按土壤形成层(O层、A层、B层)取样, 其中O层为腐殖质层, 即有机残留物层, 有明显的枯枝落叶等有机物残体；A层为淋溶层, 富含有机质, 颜色较暗；B层为淀积层, 中度分化, 颜色较浅。最后将各典型样地的同一土层样品按样地分别混合, 即每个典型样地获得3个不同土层的混合土样, 共获得45个土壤混合样品。

将植物、土壤样品带回实验室后, 首先进行预处理, 其中, 植物样品置于105℃烘箱杀青30 min后, 在85℃烘箱烘干至恒重, 并用粉碎机磨碎；土壤样品自然风干后, 剔除石头、草根等杂物, 研磨之后过筛。然后采用重铬酸钾容量-外加热法测定各样品的C含量；采用硫酸-双氧水消煮, 半微量凯氏定氮法测定各样品的N、P含量。

1.2.3 数据处理

采用Excel 2019对数据进行处理与图表制作, 利用SPSS23.0软件进行不同林龄马尾松天然次生林的不同器官之间、不同土层之间、凋落物的C、N、P含量及其生态化学计量的单因素方差分析(One-way ANOVA)及LSD检验法的多重均值比较分析和Pearson法的相关性分析。

2 结果 2.1 各器官C、N、P含量及其生态化学计量比

不同林龄马尾松针叶C含量变化在444.48—518.03 g/kg之间, N含量变化在12.31—16.15 g/kg之间, P含量变化在1.75—2.21 g/kg之间, 其中, 针叶C、N含量均随林龄先增加后降低, 以25 a最大, 而针叶P含量则以38 a最大, 45 a最小, 总体看, 林龄对针叶C、N、P含量的影响并不显著(P＞0.05)(图 1)。同样地, 林龄对马尾松根、皮C含量和枝、干、皮P含量的影响也均不显著, 但对其他器官C、N含量和根P含量均有显著影响(P＜0.05), 其中, 25 a马尾松枝、干C含量均显著低于45 a的含量, 分别为492.72、511.33 g/kg；38 a枝、皮N含量也均显著低于45 a的含量, 但38 a根N含量均高于其他林龄的含量, 不同林龄马尾松根的P含量大小排序为45 a(1.85 g/kg)>14 a(1.76 g/kg)>25 a(1.57 g/kg)>38 a与62 a(1.32 g/kg)。方差分析表明, 器官对各林龄马尾松C、N、P含量均有显著影响(P＜0.05)(图 1)。除45 a马尾松外, 其他林龄马尾松皮的C含量均显著高于其他器官, 而各林龄马尾松针叶的N、P含量均明显高于其他器官(P＜0.05)。

由图 1可知, 不同林龄马尾松各器官C∶N、C∶P、N∶P变化范围分别在33.42—380.88、204.31—482.51、0.98—8.69之间, 林龄对马尾松叶、枝的C∶N、C∶P、N∶P均无显著影响(P＞0.05)。除干的C∶P外, 林龄对马尾松干、根和皮的C∶N、C∶P、N∶P均影响明显(P＜0.05), 其中, 38 a马尾松根的C∶P、N∶P均显著高于其他林龄, 但其C/N显著低于其他林龄。同时, 38 a马尾松皮的C∶N、C∶P均显著高于其他林龄, 以45 a马尾松皮的C∶N、C∶P最低, 分别为144.08、392.99。器官对各林龄马尾松C∶N、C∶P、N∶P均有显著影响(P＜0.05), 表现为各林龄马尾松干的C∶N均显著高于其他器官, 其次是皮, 以叶的C∶N最小, 反之, 各林龄马尾松针叶的N∶P均显著高于其他器官, 以干的N∶P最小。

2.2 凋落物C、N、P含量及其生态化学计量比

不同林龄马尾松凋落物C、N、P含量分别变化在477.95—494.67 g/kg、7.95—9.68 g/kg、1.32—1.73 g/kg之间, C∶N、C∶P、N∶P则分别变化在50.47—65.96、292.86—390.82、4.81—5.98之间(图 2)。总体看, 凋落物N、P含量均随林龄先增大后降低, 以25 a的含量最大, 凋落物C含量则以45 a的含量最大。同样地, 马尾松凋落物C∶N、C∶P、N∶P均以45 a的最大。但方差分析表明, 林龄对马尾松凋落物C、N、P含量及其生态化学计量比的影响并不显著(P＞0.05)。

2.3 土壤C、N、P含量及其生态化学计量比

由图 2可知, 不同林龄马尾松林O层土壤C、N含量均以45 a的含量最大, 但其差异并不明显(P＞0.05)。同样地, 林龄对B层土壤C、P含量的影响也不显著, 除此之外, 林龄对马尾松林A层土壤C、N、P含量及B层N含量和O层P含量均有显著影响(P＜0.05)。马尾松林A土层C、N含量和B土层N含量均随林龄先增大再降低, 其中, 38 a马尾松林的A土层C含量显著高于其他林龄的含量, 为19.58 g/kg；25 a马尾松林的A、B土层N含量均显著高于其他林龄的含量, 分别为1.19、0.90 g/kg。马尾松林O、A土层P含量则总体随林龄而增加, 以62 a的含量最大, 分别为0.41、0.31 g/kg。方差分析表明, 除14、25、62 a马尾松林土壤P含量外, 土层对各林龄土壤C、N、P含量均有显著影响(P＜0.05), 且均表现为O层>A层>B层(图 2)。

不同林龄马尾松林土壤C∶N、C∶P、N∶P分别变化在11.14—20.55、33.51—272.94、2.48—15.64之间(图 2), 林龄对马尾松林A、B土层C∶P和N∶P均影响显著(P＜0.05), 但对各土层C∶N以及O土层C∶P、N∶P影响不明显(P＞0.05)。总体看, 马尾松林A、B土层C∶P和N∶P均随林龄先增大再降低, 其中, 以62 a马尾松林最小。土层对各林龄马尾松林土壤C∶N、C∶P、N∶P影响则不尽相同, 其中, 对14 a马尾松林C∶P、25 a马尾松林C∶N和45、62 a马尾松林C∶P及N∶P影响显著(P＜0.05), 对其他林龄则影响不明显(P＞0.05)(图 2)。

2.4 各器官、凋落物和土壤C、N、P含量及其生态化学计量比的相关性分析

由表 2可知, 马尾松针叶C含量与针叶N含量、枝P含量、A土层N含量均显著相关, 相关系数分别为0.817、-0.600和0.797。马尾松针叶N含量与A土层C、N含量及B土层N含量均呈显著正相关, 针叶P含量则与凋落物及B土层的P含量呈显著正相关, 与O土层C、N含量呈显著负相关。马尾松枝C、N含量分别与干N含量、根P含量呈显著正相关, 而均与皮C含量呈显著负相关, 相关系数分别为-0.688、-0.715。马尾松根P含量与皮P含量、凋落物C含量呈显著正相关, 与B土层P含量呈显著负相关(-0.525)。马尾松林各土层之间C、N、P含量也呈一定的相关性(表 2), 表现为O土层C含量与其N含量呈显著正相关(0.814)；O土层P含量则与A土层N含量呈显著负相关, 与A、B土层P含量均呈显著正相关；A土层C、N含量均随其P含量增加而显著减少, 但均随B土层N含量增加而极显著增加(P＜0.01)；A土层P含量、B土层C含量分别与B土层P、N含量呈显著正相关, 相关系数分别为0.717、0.593。

马尾松各器官、凋落物和土壤C、N、P生态化学计量比的相关性分析表明(表 3), 针叶的C∶N与其N∶P、凋落物N∶P、A土层C∶P及N∶P均呈显著负相关, 相关系数分别为-0.651、-0.668、-0.852及-0.844。针叶的C∶P则与针叶、凋落物及B土层的N∶P呈显著正相关, 与根C∶P及A、B土层C∶N呈显著负相关。针叶的N∶P与凋落物N∶P、O土层C∶P及各土层N∶P均呈显著正相关。枝的C∶N、C∶P、N∶P均与根的C∶P及O土层C∶N显著相关, 且枝的C∶N、C∶P与其N∶P显著相关。同时, 除凋落物N∶P外, 凋落物其他生态化学计量比以及干、根、皮的C∶N仅与其各自的生态化学计量比相关。由表 3可知, 马尾松林O土层C∶P、N∶P均与A土层C∶P、N∶P及B土层N∶P呈显著正相关, 除此之外, A土层C∶P、N∶P及B土层C∶N、C∶P均与B土层N∶P显著相关, 相关系数分别为0.637、0.678、-0.516、0.639。

3 结论与讨论 3.1 马尾松针叶及其他器官C、N、P生态化学计量特征

森林是陆地生态系统最大的碳库, 约占陆地总碳储量的30%—50%^[18], 而森林碳储量多少由其C含量和生物量共同决定。本研究中, 不同林龄马尾松针叶C含量变化在444.48—518.03 g/kg之间, 平均值为478.12 g/kg(图 1), 处于我国植物叶片C含量范围(423.8—530.2 g/kg), 略高于全球陆生植物叶片平均C含量(464 g/kg)^[19], 明显高于黔中地区马尾松人工林针叶C含量(443.3 g/kg)^[20], 但略低于赣南马尾松天然林针叶C含量(485.3—502.6 g/kg)^[2], 说明该研究区马尾松针叶C含量总体适中。但与本研究马尾松其他器官C含量相比, 针叶C含量偏低, 5个林龄马尾松C含量平均值依器官排序为皮>干>枝>根>叶, 说明马尾松C总体上更容易在皮富集, 其次是干、枝、根。

N、P是陆地生态系统中植物生长的主要限制元素, 本研究马尾松针叶N含量平均值为13.61 g/kg(图 1), 明显低于我国陆地植物叶片平均值(20.5 g/kg)^[21]和全球植物叶片平均值(20.6 g/kg)^[22]。针叶P含量平均值为2.00 g/kg(图 1), 与全球植物叶片平均值接近(1.99 g/kg)^[22], 但明显高于我国陆地植物叶片平均值(1.39 g/kg)^[21]。这说明该研究区马尾松针叶N、P含量总体呈现“N缺乏、P充足”的养分格局。N∶P临界比值常作为判断环境对植物生长的养分供应情况的指标^[23], 当植物N∶P>16时, 植物生长主要受P限制；当N∶P＜14时, 植物生长主要受N限制；当N∶P比值介于14和16之间时, 植物生长受N和P共同限制^[24]。本研究14、25、38、45 a马尾松针叶N∶P分别为6.12、8.69、6.05、7.31(图 1), 均低于14, 也低于我国陆地植物叶片平均值(14.7)^[21]和全球植物叶片平均值(12.7)^[22], 且不同林龄马尾松各器官的N∶P均也低于14, 表明本研究区马尾松生长主要受N限制, 这与黄土高原子午岭油松人工林^[1]以及同处于亚热带的黔中地区马尾松人工林^[20]、赣南地区马尾松天然林^[2]的研究结果一致, 但不同于Von Oheimb等^[25]研究结论“低纬度地区的植物更易受P限制, 高纬度地区的植物更易受N限制”。

以往大多数研究表明植物的C、N、P含量及其生态化学计量比随林龄变化呈变异性^{[1, 7]}, 但其受林龄的影响及其变化规律却各有不同, 如黔中地区^[20]马尾松针叶的C、N含量随林龄增加而上升, 茎、根N含量则随林龄增加先下降后上升, 针叶、根P含量则随林龄增加先上升后下降。梁月明等^[26]研究表明, 广西镇龙林场马尾松针叶C含量随林龄增加先增大后下降, 其他则变化不明显。何斌等^[27]研究发现, 黔西北地区马尾松针叶C、N、P含量及其化学计量特征随林龄的变化规律不尽相同, 但均受到林龄显著影响。本研究马尾松针叶C、N含量随林龄增加先增加后降低, 针叶P含量则以38 a马尾松最大, 这反映了不同林龄阶段的马尾松对土壤养分的吸收和需求有所差异。但总体看, 林龄对马尾松各器官的C、N、P含量及其化学计量特征的影响不尽相同, 说明林龄对其影响具有不确定性, 这可能是因为马尾松C、N、P含量及其生态化学计量特征除受林龄影响外, 还受到采样时间、立地条件、气候环境等各种因素的综合影响^[1]。本研究表明, 器官对马尾松C、N、P含量及其化学计量特征均有显著影响, 表现为针叶N、P含量明显高于其他器官, 这与贵州喀斯特10个优势树种的研究结果一致^[19], 说明该研究区马尾松N、P容易在针叶富集。

3.2 马尾松凋落物及土壤C、N、P生态化学计量特征

凋落物是森林回归土壤养分的主要途径, 也是森林生长所需养分的主要来源^[28], 本研究马尾松凋落物C、N、P含量比同处于亚热带的马尾松凋落物^{[2, 17, 27]} C、P含量偏高、N含量接近或偏低, 但明显比黄土高原的刺槐凋落物N、P含量低^[29]。与针叶相比, 本研究马尾松凋落物N、P含量明显减小, 而C∶N、C∶P则明显增大, 这反映了马尾松对营养元素的再吸收特征, 即植物从衰老叶片或其他器官再吸收或再分配营养元素的能力, 使得营养元素在植物体内留存时间增加^[30]。研究表明, 凋落物N∶P是影响凋落物分解和养分回归的重要因素, 且与凋落物分解速率呈负相关^[31]。本研究马尾松凋落物N∶P变化在4.81—5.98之间, 其中以成熟林N∶P最大(图 2), 均低于同处于亚热带的马尾松林凋落物N∶P^{[2, 17, 27]}, 说明本研究区马尾松凋落物分解速率相对较快, 有助于马尾松林土壤有机碳的输入和补充, 这可能与本研究马尾松林为天然次生林, 林下植物种类较丰富有关^[32], 而其中以成熟林凋落物分解较慢, 这与姜沛沛等^[7]研究结果一致(认为凋落物分解速率随林龄增加大致呈降低趋势), 但本研究林龄对马尾松凋落物C、N、P含量及其生态化学计量比的影响并不显著。

本研究马尾松林O层土壤C、N含量随林龄呈增加趋势, 其中以成熟林最大(图 2), 这可能与林地凋落物随林龄增加而增加, 且林地土壤C、N补充与积累主要来自凋落物分解及养分归还^[1]。本研究马尾松林各层土壤P含量远低于全球水平(2.8 g/kg), 这与中国土壤P含量普遍低于全球平均水平的规律一致^[7], 但本研究马尾松针叶P含量却普遍较高, 这充分说明了马尾松对土壤P的高利用效率。以往研究表明, 土壤C∶N反映了其有机质的矿化快慢, C∶P反映了土壤有机质被微生物矿化释放P潜力大小, N∶P反映了土壤P有效性高低^[2], 本研究马尾松林各土层的C∶N、C∶P、N∶P均高于我国土壤的平均水平(C∶N为11.9, C∶P为61, N∶P为5.2)^[33], 也均高于向云西等^[2]、何斌等^[27]、雷丽群等^[34]研究的马尾松林土壤生态化学计量比, 这说明该区域马尾松林土壤有机质的矿化作用偏慢, 利于马尾松林土壤有机碳积累和土壤碳库功能增强；同时也说明马尾松林土壤矿化释放的P元素较少, 但P有效性高, 这也是本研究马尾松林之所以“虽然土壤P含量低, 但针叶P含量高”的原因之一。

3.3 马尾松各器官-凋落物-土壤C、N、P生态化学计量相关关系

相关性分析可以揭示森林生态系统中不同组分C、N、P生态化学计量指标变量之间的协调关系, 便于对C、N、P在植物各器官-凋落物-土壤之间的转换及耦合过程做出合理解释^[1]。本研究表明, C、N、P含量及其生态化学计量比在马尾松各器官—凋落物—土壤之间均存在一定的显著相关性, 其中尤以马尾松针叶的C、N、P生态化学计量与凋落物、土壤各指标变量之间的关系更为紧密, 这与前人研究结果一致^[1—2], 这说明马尾松针叶、凋落物、土壤之间存在更为紧密的C、N、P元素转换及耦合关系。除此之外, 各器官、凋落物、土层的C、N、P生态化学计量之间均存在一定的自相关关系。本研究马尾松林A土层N含量与马尾松针叶C含量显著正相关, 且各土层N含量与其土层C含量均呈显著正相关(表 2), 这说明增加土壤N含量有助于提高马尾松针叶和土壤C含量, 并进一步增强马尾松林的固碳增汇功能。杜红霞^[35]在我国岷江上游对森林土壤施加氮肥研究也表明, 施加氮肥可增加连香树、云南松、云杉叶片和土壤C含量, 且受施加量的影响。然而, 本研究不同林龄马尾松林A土层N含量的平均值为0.95 g/kg, 低于我国土壤的平均水平(1.06 g/kg)^[33], 说明马尾松林A土层的N含量较为缺乏, 并且本研究表明N限制着马尾松生长, 进而影响着马尾松固碳能力。

因此, 在全球气候变化和国家碳达峰碳中和背景下, 今后在该区域马尾松林经营管理过程中, 应采取适当增施氮肥或林下补植固氮树种的营林措施, 以增加马尾松林土壤N含量, 从而提升马尾松林的固碳增汇能力。同时, 本研究对结构复杂的马尾松天然次生林, 仅考虑了其优势树种——马尾松的C、N、P生态化学计量, 尚不能完全反映马尾松天然次生林的固碳能力, 今后还需加强对马尾松天然次生林内伴生树种、灌木及草本植物C、N、P生态化学计量特征研究, 以更加全面认识马尾松天然次生林的固碳增汇功能和进一步掌握不同林龄马尾松天然次生林C、N、P生态化学计量特征变化机理, 从而为马尾松天然次生林经营管理提供新的科学依据。