碳(C)、氮(N)、磷(P)作为生物体最基本的组成元素和最主要的养分, 在元素平衡及生态系统物质循环中发挥着重要的作用^[1-2]。生态化学计量学是由生物、化学、物理等学科结合而成的一门研究多重元素化学平衡的学科, 是研究生态学、土壤学等领域的新方法^[3-5], 也为研究植物、凋落物和土壤之间的关系提供新的思路。同时, 生态化学计量比被广泛应用于限制性元素的判断、养分循环、养分利用效率等相关领域研究^[6]。C:N和C:P反映了C (生物量)与养分的关系^[7], 同时也反映了植物的生长速度, 一般较低的C:N和C:P说明该有机体具有相对较高的生长速率。N:P可以用来确定养分限制性^[8], C、N、P在土壤中的变化反馈土壤养分的有效性, 同时叶片中C、N、P的变化又影响着土壤养分^[9]。植物叶片是森林生态系统的基本结构和功能单位^[10], 生物化学组分在植物叶片中相对稳定, 植物叶片作为光合、呼吸和蒸腾作用的主要场所, 为植物生长提供所需的动力和养分, 其养分含量标志着植物整个机体的营养状态, 植物叶片枯落后又以凋落物分解的形式将养分归还给土壤, 因此植物叶片养分需求量, 凋落物养分分解返还量, 土壤养分的供应量, 使得植物叶片、凋落物、土壤三者之间的养分存在着紧密的联系^[11-12]。C、N、P含量及其化学计量特征在植物叶片、凋落物、土壤三者之间的相关性, 体现出养分含量间的共变形和传承性 , 对其进行C、N、P养分含量及其化学计量特征在三者之间的相关性研究有利于认识植物的生长特性以及对环境变化的适应与响应情况。

国内外的生态化学计量学在植物方面研究较广^[13-16], SARDANS et al ^[15]发现加泰罗尼亚落叶乔木叶片N、P含量显著高于常绿乔木, 而C:N与C:P显著低于常绿乔木; 王纪杰等^[16]对福建省不同林龄的巨尾桉土壤养分研究发现, 土壤C、N、P含量随林龄增加均成显著下降; 姜沛沛等^[17]对陕西省121个森林群落的乔灌草叶片和凋落物的C、N、P化学计量特征研究发现, 凋落物与乔叶和草叶的C、N、P显著相关, 乔叶N:P与海拔有着显著负相关; 刘兴诏等^[18]对南亚热带3个演替阶段的森林进行植物与土壤中的N、P化学计量特征研究发现, P是南亚热带森林生态系统生物生长和重要生态过程的限制因子。这些学者大都集中在对不同区域^[19-20]、不同森林类型^[21-22]、不同演替阶段^[23]的植物叶片^[24-25]、凋落物^[26-28]、土壤^[29-30]的化学计量研究, 同一森林类型的植物叶片、凋落物、土壤的C、N、P化学计量特征联系起来的研究却相对较少^[31], 而这方面的研究对了解森林生态系统的养分循环以及提高养分利用效率等具有重要意义。马尾松是我国南方地区分布最广的乡土树种之一, 具有耐干旱、耐贫瘠、适应性强等特点^[32], 在长江中上游防护林体系中扮演者重要的角色。本文以江西赣南(赣州市)为研究区, 以分布面积最广、蓄积量最大的马尾松(Pinus massoniana Lamb.)林为研究对象, 探讨其不同生长阶段, 即幼龄林(young forest, YOF)、中龄林(mid-age forest, MIF)、近熟林(near mature forest, NMF)、成熟林(mature forest, MAF)叶片、凋落物和土壤的C、N、P含量及化学计量特征, 旨在为其合理经营及生态恢复提供科学依据。

研究区位于江西省赣州市(113°54′~116°38′E, 24°29′~27°09′N), 为亚热带温暖湿润气候, 雨量充沛, 日照充足, 年平均气温19.1~20.8℃、年降水量约1 580 mm。母岩主要为花岗岩、片麻岩、千枚岩等, 土壤类型以酸性红壤为主。森林资源丰富, 覆盖率达76.20%, 其中马尾松天然林面积达9.28×10⁵ hm², 约占全市乔木林面积的36%^[33]。马尾松天然林林下植被层较密, 主要灌木有檵木[Loropetalum chinense (R.Br.) Oliv.]、黄栀子(Gardenia jasminoides Ellis)、三叶赤楠[Syzygium grijsii (Hance) Merr.et Perry]等, 主要草本有铁芒萁[Dicranopteris linearis (Burm.) Underw.]、雀稗(Paspalum thunbergii Kunth ex Steud.)等。

将马尾松林分为幼龄林(≤20 a)、中龄林(21~30 a)、近熟林(31~40 a)、成熟林(41~60 a)4个龄组, 每个龄组5个重复, 共20个标准地, 每个标准地面积为0.08 hm²(28.28 m×28.28 m), 其地貌、海拔、土壤类型、坡度等立地条件基本一致, 采用生长锥测定3株平均木的年龄, 用其均值代表标准地的林分年龄, 不同林龄标准地概况见表 1。在标准地内挑选3株健康的马尾松, 采集树冠上中下的东西南北4个方位的马尾松叶片混合样品, 并在相应标准地的上、中、下部分别选取1 m×1 m凋落物小样方共3个, 采用收获法将小样方内凋落物全部收获, 混合后称量, 做好标记带回实验室在80℃烘箱内烘干, 植物粉碎机粉碎马尾松叶片和凋落物。用土钻法在采集凋落物的小样方下取表层土(0~10 cm)的混合土样, 带回实验室, 土壤样品风干后, 去出石头、根等杂物, 研磨过0.16 mm网筛。叶片、凋落物和土壤中的有机碳、全氮、全磷含量均分别采用重铬酸钾-外加热法、凯式定氮法测定、酸溶-钼锑抗比色法进行测定。

采用Excel 2016作图, SPSS 19.0进行单因素方差分析和相关性分析, 利用邓肯式检验法对相关指标进行LSD多重比较, 以P=0.05作为差异显著性的基准。

叶片、凋落物和土壤的C含量范围分别为485.30~502.60、401.00~426.30、8.15~14.40 g·kg^-1(图 1), 各龄组均表现为土壤 < 凋落物 < 叶片, 且差异显著(P < 0.05)。随着林龄的递增, 叶片C含量呈现先升高后降低的趋势, 近熟林最大; 土壤C含量呈现持续升高的趋势, 成熟林最大; 凋落物C含量呈现降低的趋势, 成熟林最小。林龄显著影响马尾松叶片、凋落物和土壤中的C含量(P < 0.05)。

	注:不同小写字母表示不同林分元素差异显著; 不同大小字母表示叶片、凋落物、土壤元素差异显著。 Note:different lowercase letters means significant difference among forests, P < 0.05, different capital letters means significant difference among leaf, litter and soil, P < 0.05. 图 1 不同林龄马尾松叶片、凋落物、土壤的C、N、P含量 Fig. 1 C, N, P contents of leaf, litter, soil in P.massoniana with different ages
图选项

叶片、凋落物、土壤中的N含量范围分别是9.7~11.8、8.90~10.30、0.63~0.98 g·kg^-1, 各龄组均表现为土壤 < 凋落物 < 叶片, 且差异显著(P < 0.05)。随着林龄的递增, 叶片和土壤的N含量呈现先升高后降低的趋势, 均在近熟林达最大值, 而凋落物呈现先降低后升高的趋势, 近熟林达为最小值。林龄的递增对马尾松土壤N含量有显著性影响(P < 0.05), 但对叶片和凋落物的影响不显著(P>0.05)。

叶片、凋落物和土壤中的P含量范围分别是0.70~0.90、0.5~0.70、0.17~0.26 g·kg^-1, 各龄组均表现为土壤 < 凋落物 < 叶片, 差异显著(P < 0.05)。随着林龄的递增, 叶片与土壤的P含量均呈现先升高后降低的趋势, 近熟林达最大值, 凋落物呈现先降低后升高的趋势, 近熟林为最小值。林龄的递增对马尾松土壤P含量有显著性影响(P < 0.05)、叶片和凋落物的影响不显著(P>0.05)。

叶片、凋落物、土壤的C:N分别是43.10~48.33、41.03~48.66、12.94~18.90(图 2)。随着林龄的递增, 叶片的C:N有下降的趋势, 近熟林比值最低。凋落物和土壤中的C:N均呈现上升的趋势, 近熟林凋落物的C:N比最大, 而成熟林土壤C:N比最大值。林龄对叶片C:N无显著性影响(P>0.05)、凋落物和土壤中均存在显著性影响(P < 0.05)。

	注:不同小写字母表示不同林分元素差异显著; 不同大小字母表示叶片、凋落物、土壤元素差异显著。 Note:different lowercase letters means significant difference among forests, P < 0.05;different capital letters means significant difference among leaf, litter and soil, P < 0.05. 图 2 不同龄组叶片、凋落物、土壤的化学计量比 Fig. 2 Stoichiometric ratio of leaf, litter, soil in different age groups
图选项

叶片、凋落物、土壤的C:P分别是546.40~654.90、640.22~809.70、47.94~55.38。随着林龄的递增, 叶片C:P有下降趋势, 成熟林比值最低。凋落物和土壤C:P有上升趋势, 近熟林凋落物C:N最大, 成熟林土壤C:N最大。林龄对叶片和土壤的C:P无显著性影响(P>0.05), 对凋落物有显著性影响(P < 0.05)。

叶片、凋落物、土壤的N:P分别是12.30~13.90、14.70~17.71、2.90~4.18。随着林龄的递增, 叶片、凋落物、土壤中N:P均无明显变化规律。林龄对叶片、凋落物、土壤三者均无显著性影响(P>0.05)。

从表 2、3中的C、N、P含量以及C:N、C:P、N:P相关性分析结果可以得出, 叶片C与凋落物N含量成显著负相关, 叶片N含量与叶片P含量和土壤C含量分别成显著正相关和极显著正相关, 叶片P与土壤P含量成显著正相关, 凋落物N含量与凋落物P含量成极显著正相关, 土壤C含量与土壤N、P含量均成极显著正相关, 土壤N含量与土壤P含量成极显著正相关。叶片C:N与叶片C:P和叶片N:P分别成显著正相关和显著负相关, 叶片C:P与叶片N:P成著正相关, 叶片N:P与凋落物N:P成显著正相关, 凋落物C:N与凋落物C:P成极显著正相关, 凋落物C:P与凋落物N:P成极显著正相关, 土壤C:N与土壤N:P成极显著负相关, 土壤C:P与土壤N:P成极显著正相关。

本研究得出马尾松天然林不同龄组的C、N、P含量均表现为土壤 < 凋落物 < 叶片, 与聂兰琴等^[31]人研究得出的森林生态系统三者之间的养分格局一致, 这主要是因为植物从土壤中吸收其生长所需的营养元素, 又通过叶片进行光合作用不断的合成有机化合物, 在结束自身的生活史后叶片以凋落物的形式枯落归还给地面, 凋落物经雨水淋溶、土壤动物破损以及微生物分解等作用, 其中一部分有机质被流失, 另外很大部分有机质和N、P等元素被释放到土壤中, 而土壤的养分大部分来源于凋落物的分解。叶片的C、N、P含量, 随林龄的递增均在近熟林达最大值, 这可能与马尾松的生长规律有关, 一般情况下, 幼龄林到近熟林其生长速度逐渐加快, 相应的合成碳物质的累积量也逐渐加大, 从近熟林到成熟林生长加快的速度相对较为缓和, 其碳物质合成的累积量也随即降低, 在生长较快的时候, 蛋白质的合成增加, rRNA的需求量增多, 使得叶片当中的N含量上升, 同时植物P库的主要贡献者又是rRNA ^[14], 所以P含量随即呈现上升。凋落物的C、N、P含量, 随林龄的递增均呈现出减少的趋势, 其中C含量在成熟林达最小值, N、P含量均在近熟林为最小值, 分析其原因可能主要有两方面, 首先是较低的土壤养分会降低凋落物的分解, 其次初期的凋落物成分比较单一, 含有的抑制微生物分解凋落物的单宁、木质素又较多^[34], 导致凋落物的分解降低, 所以幼龄林存储的C、N、P含量相比其他三个龄组较高, 同时本研究得出的C、N、P含量在凋落物中低于叶片, 也反映出了枯落前后叶片养分的再吸收状况。土壤中C、N、P含量, 随着林龄的递增, C含量呈现升高的趋势, 成熟林达最大值, N、P含量均呈现先升高后降低的趋势, 均在近熟林为最大值, 这与REN et al^[35]的研究结论一致, 随着林龄的递增, 一方面土壤的碳蓄积能力增强, 另一方面其林木生长速率达到近熟林后增长相对幼龄林、中龄林较为缓慢, 干物质合成累积量增加逐渐变得缓慢, 林木降低了对土壤养分含量的需求, 使得养分含量在土壤中的消耗量远小于累积量, 而到成熟林后, 土壤碳蓄积能力的增强对C含量增加的影响更为显著, 所以土壤C含量在成熟林的累积量达最大值, 而N、P含量在近熟林的累积量达最大值。

植物的C:N与C:P越高, 其生长速率越慢^[36], 本研究得出叶片的C:N与C:P随林龄的递增逐渐减少, 说明马尾松天然林从幼龄林到成熟林其生长速率逐渐增加, 这与崔宁洁等^[7]研究的马尾松人工林生长规律一致, 这可能是幼龄林对降雨、侵蚀及风力抵抗相对较弱^[37], 导致初期植物养分吸收利用受到影响, 使得叶片的C:N、C:P比值失衡, 其生长在一定程度上也受到了限制, 而叶片中N:P相对于C:N和C:P更为稳定, 这与林保平^[38]等人对植物内稳态机制维持的结论一致。植物叶片N:P < 14说明该植物生长受N的限制, N:P>16说明该植物生长受P的限制, 14 < N:P < 16说明该植物生长受N、P两者共同的限制^[38-39], 本研究得出叶片N:P各龄组均略小于14, 说明马尾松林生长在一定程度上受到N元素的限制。

李雪峰、王宁等^[19-20]认为凋落物的C:N、C:P与其分解速率呈正相关、N:P与其分解速率成负相关。本研究得出4个龄组的凋落物C:N、C:P均低于全球亚热带针叶凋落物的C:N (51.7)、C:P (1593.3)^[9], 而N:P均高于崔宁洁等^[7]研究的马尾松林凋落物N:P (14.72)以及淑敏等^[40]研究的樟子松林凋落物N:P (6.76~7.32), 说明本研究地马尾松凋落物的分解速率偏低。潘复静^[41]等人研究结果表明, P含量不高于0.22 g·kg^-1和N:P大于25时, 凋落物分解的限制性元素主要是P, 相反, 其限制性元素为N, 本研究得出各龄组的凋落物N:P (15.46、17.71、17.08、14.7)均低于25, 且P含量(0.70、0.60、0.50、0.60 g·kg^-1)均高于0.22 g·kg^-1, 说明其凋落物分解速率主要也受N元素的影响。

土壤质量评估指标中土壤的C:N占有举足轻重的地位, 一方面它的变化趋势影响着土壤C、N养分的循环, 一般C:N比值越高, 其土壤的有机质的矿化越慢, 另一方面可以用该比值来推测土壤C、N营养的平衡状况^[42]。本研究得出4个龄组的C:N比值均大于鲍勇等^[21]研究的马尾松林土壤中的C:N (13.70), 说明其土壤有机质的矿化作用偏慢。C:P比值在土壤中是评定土壤有机质被微生物矿化释放P或者是从环境中吸收固定C元素潜力的一个指标, 若C:P比值偏低说明土壤有机质被微生物矿化释放P的潜力较大^[25]。本研究得出的4个龄组的土壤C:P比值均远低于赵维俊等^[43]研究的云杉次生林土壤中的C:P (134.1~219.7), 说明其土壤有机质被微生物矿化释放的P或者土壤从环境中吸收的P元素较多。N:P比值在土壤中可用来诊断N养分是否被限制以及在生长过程中土壤养分的供应情况。本研究得出土壤中N:P比值均远低于雷丽群等^[23]研究的马尾松人工林土壤中N:P (4.28), 说明虽然土壤有机质被微生物矿化释放的P元素或者环境给予土壤的P元素较多, 但其有效性偏低。因此, 对于马尾松天然林可以适当的引入一些固氮类的植物, 以提高地力, 同时采取一些改善P元素的有效性措施, 将有利于促进其生长发育。

化学计量比在不同组分指标变量之间的协调关系, 有助于解释养分之间的耦合过程^[44]。本研究得出的C、N、P含量及其化学计量比在叶片、凋落物、土壤三者均存在显著相关性, 说明C、N、P在生态系统内部叶片、凋落物、土壤中的主要化学计量指标之间具有明显的耦合性, 体现出了养分含量间的共变形和传承性; 而C、N、P含量及其化学计量比在叶片、凋落物、土壤三者之间, 各自的相关性又明显优于两两之间, 两两间的相关性主要体现在叶片中的P与凋落物中的N、叶片中的P与土壤中的P、叶片N:P与凋落物N:P, 说明P元素相比C元素和N元素在叶片、凋落物、土壤三者之间的相关性更显著, 这可能是P元素相比C、N内稳性更高所导致。曾冬萍等^[45]研究表明, 大多数情况, P元素相比C元素和N元素内稳性更高, 受环境的影响更小。研究植物-凋落物-土壤之间养分的相互作用, 运用生态化学计量学方法去掌握养分的调控机制, 对实现优化生态系统的管理、可持续发展具有重要意义。