黃土丘陵區刺槐葉片-土壤-微生物碳氮磷化學計量學及其穩態性特征

鄧 健,張 丹,張 偉,任成杰,郝雯暉,劉 沖,韓新輝,*,楊改河

1 延安大學生命科學學院, 延安 716000 2 西北農林科技大學農學院, 楊凌 712100

C、N、P是植物生長的必須元素,其循環和耦合關系對維持植物個體良好生長和生態系統可持續性具有重要意義[1]。生態化學計量學為研究從個體到生態系統不同層次的能量平衡和多重化學元素平衡提供了新思路,并成為生物穩態性和養分元素限制研究的新方法[2- 4]。植物、微生物等生物體為了應對土壤養分限制等外界條件變化對自身生長的影響,通過對體內的化學元素濃度及不同化學元素間的計量比例進行調節,從而維持內部化學組成相對穩定,即內穩態調節[5]。生物的內穩態性是生態化學計量學理論的基礎和核心,能夠綜合反映物種對生存環境變化的適應性[2]。闡明生態系統土壤-植物-微生物生態化學計量學特征及其內穩態性對于了解生態系統結構、功能和穩定性具有重要意義[6]。

目前,國內外學者對陸地生態系統植物、土壤和微生物C、N、P生態化學計量學特征進行了大量研究,尤其是生態化學計量學在限制性養分元素判別方面的應用形成了“限制元素穩定性假說”[7]、植物N∶P養分限制理論等一系列成果[8]；土壤微生物生物量C∶N∶P計量比也被廣泛用于指示植被恢復過程中土壤質量和養分平衡特征[9]。然而,由于生物生存環境、養分供應狀況、生長發育階段等外界變化均會對植物和微生物養分元素計量比產生影響[10- 12],更多學者開始關注陸地生態系統生物體的內穩態調節。相關研究主要集中在草原植物內穩態特征、氮磷添加和鹽脅迫等處理對特定植物內穩性的影響、土壤微生物內穩態性與土壤中C、P元素的關系等方面[13- 16]。這些研究對豐富生態化學計量學和內穩態調節理論有重要意義,但大多數研究主要關注某一組分(土壤、植物或者微生物)的生態化學計量學特征,將“植物-土壤-微生物”連續體作為系統研究內部C、N、P計量學和內穩態特征及其相互關系的研究還比較少。土壤為植物和微生物生長提供了基本環境和營養來源,而植物生長和微生物活動為土壤提供了養分來源和轉換驅動力,而且隨植被生長年限的變化,植物、微生物與土壤之間的養分循環關系也會發生改變[17]。因此,運用生態化學計量學方法,將植物-土壤-微生物作為連續體,弄清生態系統植物和微生物元素計量比在植被生長過程中隨土壤C、N、P含量及其化學計量比變化的穩態性特征,對于闡明森林生態系統元素循環和制約變化規律,豐富陸地生態系統生態化學計量學理論具有重要意義[2]。

黃土高原地區是我國生態環境最為脆弱的地區之一,開展植被恢復是該區域減少水土流失、改善生態環境的重要手段[18]。植被恢復在增加植被覆蓋的同時也影響了該區域生態系統養分循環過程及其平衡特征,如隨著恢復年限增加土壤C庫不斷積累,但也可能導致植物受N或P元素限制等問題[19]。由于不同的植被恢復方式和恢復階段的生態系統養分平衡存在較大差異[4,20],導致目前黃土高原典型人工林植物-土壤-微生物系統養分循環耦合關系及其穩定機制尚不明確。刺槐(Robiniapseudoacacia)是黃土高原地區主要的人工造林樹種,不同階段栽植的刺槐林發揮著巨大的水土保持、土壤改良等生態效益。因此,本研究選取黃土丘陵溝壑區栽植5年、10年、20年、30年和45年的人工刺槐林為對象,在分析刺槐林葉片-土壤-微生物化學計量學特征的基礎上,重點分析不同恢復年限葉片和微生物隨土壤養分變化的內穩態特征,研究有助于更深入認識脆弱生境地區恢復植被系統養分循環規律和系統穩定性機制,為黃土高原植被恢復和經營管理提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省延安市安塞區五里灣流域內(109°19′—109°22′ E,36°51′—36°52′ N),海拔1010—1400 m。屬于典型的黃土丘陵溝壑區,土壤為黃土母質發育形成的黃綿土,抗侵蝕能力差,水土流失嚴重；氣候類型為暖溫帶半干旱氣候,年平均降水量535 mm,降水主要集中在6—9月,年平均氣溫8.8°C,無霜期159 d。該流域自20世紀70年代開始進行人工造林,形成了不同恢復年限的人工植被群落。主要的造林樹種有刺槐、檸條(Caraganakorshinskii)、山杏(Armeniacasibirica)等,主要草本植物有鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、草木犀(Melilotusofficinalis)、長芒草(Stipabungeana)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus(Willd)Novopokr)、狗尾草(Setariaviridis)等。

1.2 試驗設計和采樣

試驗于2016年8月中旬開展,試驗選取立地條件相似、干擾程度較低、分別種植5年、10年、20年、30年和45年的刺槐林(編號為RP5、RP10、RP20、RP30和RP45,林齡通過當地林業部門造林記錄和走訪農戶確定)進行研究(表1),各年限刺槐林在造林前均為耕地,主要種植作物為谷子(Setariaitalica)、糜子(Panicummiliaceum)等。每個年限刺槐林選擇3塊立地條件相近的重復樣地,每個樣地內設置大小為20 m×20 m的標準樣方,每個樣方內隨機選擇5個1 m×1 m的小樣方調查草本植被。每個20 m×20 m的樣方內用梅花采樣法選取5個采樣點,去除表面枯落物和植物殘體后,用土鉆(直徑為4 cm)采集距離樹干80 cm以外的0—10 cm土壤。將同一樣方內5個樣點的土樣混勻后分成兩份,一份過2 mm土篩后在4°C冷藏保存用于測定微生物生物量養分；一份在陰涼處風干保存用于測定土壤養分。每個20 m×20 m的樣方內隨機選擇10株刺槐作為采樣樹,分別在4個方向的樹冠不同部位采集葉片,將同一樣方內的葉片混合后用四分法取部分裝入牛皮紙袋,帶回實驗室用水洗去灰塵,表面風干后置60°C烘干,用粉碎機粉碎后測定葉片養分。

表1 樣地基本信息

RP, 刺槐,Robiniapseudoacacia; 數字表示林齡 Figure indicates the stand age; EN, 東偏北, East to north; ES, 東偏南, East to south

1.3 樣品分析

土壤和植物葉片有機碳含量均采用重鉻酸鉀-外加熱容量法測定；土壤和植物葉片全氮分別采用濃硫酸-高氯酸和濃硫酸-H2O2消煮后用全自動凱氏定氮儀(KDY-9830)測定,全磷經上述消煮后用鉬酸銨比色法測定；采樣時用環刀法測定土壤容重[21]。土壤微生物生物量C采用氯仿熏蒸-K2SO4溶液浸提后用總有機碳分析儀(TOC,日本島津)測定,微生物量N采用氯仿熏蒸-K2SO4溶液浸提后用全自動凱氏定氮儀測定；微生物生物量P采用氯仿熏蒸-NaHCO3溶液浸提后用鉬銻抗顯色法測定[22- 23]。

1.4 數據處理和統計分析

內穩態指數(Homeostasis index,H)采用如下公式進行計算[5]：

式中,H為內穩態指數,因變量y為葉片或微生物生物量C、N、P含量或計量比,自變量x為對應的土壤C、N、P含量或計量比,c為積分常數。按照Persson等的分類,當方程擬合顯著時,將H>4、2

物種豐富度指數(R)=S,S為樣方內物種數量[24]。

生態化學計量比用摩爾比表示；采用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗各指標不同處理間的差異,用Duncan法進行多重比較,顯著性水平為P<0.05。采用Pearson相關性分析土壤養分指標與葉片、微生物生物量C、N、P化學計量學指標間的相關性。數據整理和計算采用Microsoft Excel 2010,使用SAS 9.0進行統計分析,使用Origin 2016作圖。

2 結果

2.1 不同年限刺槐林葉片-土壤-微生物C、N、P含量變化特征

植物葉片C、N、P含量總體表現為隨恢復年限的增加先增加后減小的趨勢,且均在恢復30年時達到最高(P<0.05)(表2),其中C、N、P含量分別比恢復5年高28.99%、96.59%和7.66%；但30年到45年間C、N、P含量分別下降了9.80%、10.33%和20.95%(P<0.05)。土壤C、N含量均表現出隨恢復年限顯著增加的趨勢(P<0.05,表2),從恢復5年到45年C、N分別增加了260.57%和302.41%；土壤P含量變化不顯著(P>0.05)。土壤微生物生物量C、N和P含量均隨恢復年限的增加顯著增加(P<0.05,表2),其中微生物C從恢復5年到30年增加了355.68%,但從30年到45年下降了6.00%；微生物N和P從恢復5年到45年分別增加了175.24%和249.40%。

2.2 不同年限刺槐林葉片、土壤、微生物生物量C∶N∶P計量比變化特征

不同恢復年限葉片、土壤、微生物生物量C∶N分別為17.03—26.03、9.55—16.94、5.57—10.76,總體表現為葉片C∶N>土壤C∶N>微生物生物量C∶N(圖1)。其中葉片C∶N隨恢復年限的增加先降低后穩定,恢復30年最低,比恢復5年下降了34.58%。土壤C∶N隨恢復年限增加先降低后增加,從恢復5年到20年降低了43.61%,從恢復20年到45年增加了47.81%。微生物生物量C∶N從恢復5年到30年之間顯著增加了84.01%(P<0.05),在30年到45年之間下降了15.84%(P<0.05)。不同年限C∶N變異系數表現為微生物生物量(24.90%)>土壤(21.36%)>葉片(16.29%)。

不同恢復年限葉片、土壤、微生物生物量C∶P分別為465.04—634.48、19.89—65.81和39.64—110.53,各恢復年限均表現為葉片C∶P>微生物生物量C∶P>土壤C∶P(圖1)。葉片和土壤中C∶P均隨恢復年限增加而增加,從恢復5年到45年分別增加了36.43%和230.84%(P<0.05)。微生物生物量C∶P隨恢復年限的增加呈現波動變化,從恢復10年到30年逐漸增加(P<0.05),但隨后出現下降。不同年限C∶P變異系數表現為土壤(49.30%)>微生物生物量(33.01%)>葉片(11.51%)。

表2 不同恢復年限葉片-土壤-微生物C、N、P含量

同列數據后具有不同字母表示不同年限數據間差異顯著(P<0.05); 數據格式為平均值±標準誤

不同恢復年限葉片、土壤、微生物生物量N∶P分別為17.89—37.03、1.24—4.68和7.15—10.26,總體表現為葉片N∶P>微生物生物量N∶P >土壤N∶P(圖1)。葉片中N∶P和土壤N∶P均隨恢復年限增加而增加,從恢復5年到45年分別增加了106.92%和275.98%(P<0.05)。微生物生物量N∶P隨著恢復年限的增加呈現波動變化,從恢復10年到30年顯著增加了43.43%(P<0.05),但隨后出現下降。不同年限N∶P變異系數表現為土壤(41.27%)>葉片(24.41%)>微生物生物量(14.61%)。

圖1 不同恢復階段葉片、土壤、微生物C∶N∶P化學計量比Fig.1 C∶N∶P stoichiometry of leaf, soil and microbe in different restoration years不同的小寫字母表示不同恢復年限之間差異顯著(P<0.05)

2.3 土壤養分與葉片、微生物生物量C∶N∶P化學計量學的關系

土壤C、N、P含量和計量學特征與葉片、微生物生物量C∶N∶P化學計量學特征的關系分析結果(表3)顯示,土壤C、N含量與除微生物N∶P外的其他計量學指標均具有顯著的相關關系(P<0.05),除與葉片C∶N為負相關關系外,與其他指標均為正相關關系；土壤P與葉片和微生物C∶N∶P計量學特征相關性不顯著。土壤C∶N僅與葉片C∶N正相關,與其他指標關系不顯著；土壤C∶P、N∶P與除微生物C∶P和N∶P外的其他指標均顯著相關(P<0.05)。

表3 土壤養分與葉片、微生物生物量C∶N∶P化學計量學特征的關系

*P<0.05; **P<0.01

2.4 葉片和微生物生物量隨土壤養分變化的內穩態分析

對恢復過程中葉片和微生物生物量C、N、P養分和化學計量學比隨土壤變化的內穩態特征分析結果表明(表4),葉片P、C∶N和微生物生物量P、C∶N、N∶P利用穩態性模型模擬結果不顯著,屬于絕對穩態型；其他指標中,葉片C內穩態指數為9.001(>4),屬于穩態型指標；葉片C∶P和N內穩態指數較低,屬于弱穩態型指標,而N∶P內穩態指數較最低(1.949),屬于弱敏感型指標。微生物生物量C(0.835)和N(1.317)內穩態指數都小于1.33,屬于敏感型指標；微生物生物量C∶P穩態性指數為2.585,屬于弱穩態類型。綜合來看,葉片的養分和計量學指標的內穩態性高于微生物。

表4 葉片和微生物生物量養分和計量比內穩態指數

H, 內穩態指數, Homeostasis index

3 討論

3.1 植被恢復過程中葉片-土壤-微生物養分含量及其生態化學計量學特征

植物-土壤-微生物系統中C、N、P的積累和轉化是陸地生態系統元素循環的基礎和核心環節[25]。植被恢復會通過增加有機物歸還、改變土壤理化環境等途徑影響土壤養分[26- 27]。本研究中土壤C、N含量和微生物生物量C、N、P含量均隨著刺槐恢復年限的增加而增加,這與現有研究結果一致[28],說明植被恢復促進了土壤養分積累和微生物養分轉化；但土壤P含量沒有發生顯著變化。隨著恢復年限和土壤條件的變化,植物葉片中的C、N、P含量及其平衡狀態也會發生改變,結果顯示不同年限刺槐葉片C、N、P含量平均值分別為414.36、24.89 g/kg和2.03 g/kg,其中葉片C含量低于全球陸生植物葉片碳平均含量464 g/kg[29]；變化趨勢隨恢復年限增加先增加后降低,這與馬任甜等發現的黃土高原刺槐林不同林齡間C含量表現為中齡林>成熟林>幼齡林的趨勢基本一致[30],主要可能是生長中后期葉片富含C的結構性物質積累導致C含量上升[30- 31]。各恢復階段葉片N含量均明顯高于我國植物葉片平均N含量(18.60 g/kg)[32]和黃土高原刺槐葉片平均N含量(21.61 g/kg)[33],而葉片P含量接近甚至低于全球葉片P含量 (2.00 g/kg)[29]和黃土高原刺槐葉片平均P含量(2.09 g/kg)[33],總體表現為氮含量豐富,而磷相對缺乏,尤其是生長30年以后更加明顯,這與此前的相關研究結果一致[34- 35]。

植物、土壤、微生物中的C∶N∶P計量學特征能夠更好地反應恢復生態系統的養分限制和平衡狀態[36]。土壤養分庫是植物和微生物吸收養分的主要來源,本研究中土壤C∶N隨恢復年限增加先下降后上升,主要可能是恢復前期刺槐根系固氮促使土壤氮素含量快速增加,而后期凋落物增加引起有機碳大量輸入[37]；C∶P和N∶P均隨恢復年限不斷增加,主要是由于土壤C、N的持續增加而P沒有顯著變化導致[30]。土壤微生物生物量C∶N、C∶P和N∶P均隨著恢復年限的增加呈波動變化,主要是由于植被恢復過程中微生物群落可通過自身結構和代謝進行C∶N∶P計量學特征的調節[38]。葉片C∶N∶P計量學特征變化能夠反映植物體從土壤中獲取養分和利用養分的能力,本研究中刺槐葉片C∶N平均為20.11,明顯高于黃土高原刺槐葉片C∶N平均水平(16.27)[30],但低于全球葉片C∶N平均值(22.5)[29]。C∶N隨恢復年限增加而不斷降低,說明葉片中N的吸收和積累速率要快于C。葉片C∶P和N∶P均隨著恢復年限的增加而增加,表明刺槐林地生長過程對P元素的吸收利用效率不斷增加；恢復45年的刺槐葉片C∶P和N∶P分別為634.48和37.03,明顯高于全球葉片C∶P(595)[31]和全國植物葉片平均N∶P(32)[32]；而現有研究表明植物葉片N∶P>35(轉換質量比為16)可能導致植物生長受到P限制[8]。植物和微生物吸收的P元素主要來自于土壤,受土壤中P元素含量和有效性限制較大[19,33]；而土壤中可供植物和微生物吸收的有效P元素主要來自磷酸鹽分解,植物根系分泌物(如有機酸)和微生物胞外酶(如堿性磷酸酶)會促進土壤P元素向活性態無機磷轉化以利于吸收利用[39]。隨植被恢復年限的增加,植物生物量增加儲存了大量從土壤吸收的P元素抵消了外界向土壤輸入的P元素(如磷沉降),從而導致土壤P含量的變化不顯著。同時,隨生長年限的增加植物很容易從大氣和土壤吸收固定C、N,但土壤可供植物吸收的有效P元素相對不足,從而造成了植物葉片C∶P和N∶P的升高,這在此前多項黃土高原地區的研究中均被提出[30,35],結合土壤養分的不協調變化,說明該區域植被恢復可能面臨著生態系統養分失衡的問題,P元素可能成為黃土丘陵區刺槐生長后期的限制養分。

3.2 植物和微生物生物量對土壤養分變化的響應及其穩態性

土壤是植物生長和微生物活動的重要基礎條件,植物和微生物吸收的養分及其生態化學計量特征受到土壤養分條件的強烈影響[36]。通過分析土壤養分指標與刺槐葉片和土壤微生物生物量C∶N∶P化學計量學特征的關系發現,土壤C、N含量與除微生物N∶P外的其他計量學指標顯著相關(P<0.05),而土壤C∶P、N∶P也與除微生物C∶P和N∶P外的其他指標顯著相關(P<0.05),說明在植被恢復過程中土壤養分與植物和微生物養分計量學特征存在較強的耦合關系,其中又以植物與土壤的關系更加緊密。

在面對土壤養分改變等外界環境因子變化時,植物和微生物通過內穩態調節來保持體內化學構成的穩定[2,16],生物對體內元素的內穩態調節是生態化學計量學中的重要參數。本研究中刺槐葉片的N∶P內穩態指數僅為1.949,屬于弱敏感型指標,遠低于羊草及其他草原維管束植物地上部分的內穩態指數(分別為4.61—5.61和3.08—14.09)[14,16],表明刺槐葉片N∶P容易受到土壤養分條件的影響而發生變化,進一步支持了植物葉片N∶P可以作為判定植物養分平衡狀態的重要指標[8],說明植物N和P的綜合管理對生態系統過程具有重要意義[6]。刺槐葉片C、N和C∶P相對于N∶P的穩態性指數高,屬于穩態或弱穩態指標,其中C主要通過光和作用合成調節,而N主要通過根瘤菌固氮和根系吸收N素進行調節,在面對土壤養分變化時植物能夠調節這些指標在體內保持相對穩定狀態,說明刺槐在研究區域具有較好的適應能力。土壤微生物在應對代謝底物養分條件變化時會通過自身化學計量學比、胞外酶、群落結構和代謝過程等多種途徑進行調節,因此能夠維持微生物生物量C∶N∶P計量學特征的基本穩定[38],本研究結果也證實了微生物生物量C∶N、C∶P和N∶P均具有相對較高的內穩態性。隨植被恢復年限的增加,土壤微生物生物量和多樣性均會伴隨著代謝底物中C和N積累而顯著增加[40],而C和N作為微生物體的基本結構性元素,也會隨微生物群落的變化而變化,由此導致了微生物生物量C、N穩態性指數均較低(0.835和1.317),屬于敏感型指標。

本研究中葉片P、C∶N和微生物生物量P、C∶N、N∶P利用內穩態模型模擬結果不顯著,擬合優度都比較低(R2∈[0.019,0.180]),且這些指標的內穩態指數差異大(H∈[0.796,17.241]),這在相關研究中也曾遇到[5],庾強等認為由于其檢驗不顯著說明這些指標伴隨著土壤養分變化的趨勢不顯著,說明這些指標具有絕對穩定性[6,16]。如由于土壤P相對C、N處于缺乏狀態,植物和微生物通過分泌磷酸酶等途徑獲取自身所需的P元素[38],由此導致隨著恢復年限增加,土壤P變化不顯著但植物和微生物P不斷積累,因而二者的關系不能被內穩態模型很好地解釋；而植物C和N可以從大氣固定,因而對土壤養分的依賴程度也較低,造成C∶N隨土壤C∶N變化不顯著。然而需要注意的是,理想情況下分析誤差是模型中指標變異的唯一來源,可以將回歸模擬不顯著(P>0.05)的指標歸為絕對穩定[41],但這種歸類忽略了微生物或植物某一指標本身在環境中是高度可變的情形,或者其與土壤指標之間不具有事實上的必然聯系,這種情況下就無法期望通過內穩態模型驗證指標的內穩態性。因此,也有研究認為擬合優度較低的指標內穩態指數不具有統計學意義,需要結合長期觀測和控制實驗才能進一步揭示其穩態性特征[5,14]。

4 結論

(1)除土壤P含量外,葉片、土壤和微生物生物量C、N、P含量及其計量學特征其他指標均隨著恢復年限增加而發生顯著變化,總體表現為增加趨勢；人工刺槐林生長后期可能面臨P限制。

(2)土壤C、N、C∶P、N∶P與大部分葉片和微生物生物量計量學指標關系緊密,說明在植被恢復過程中其對植物和微生物生長具有重要作用。

(3)葉片和微生物生物量C、N、P及其計量學特征中大部分指標與土壤的關系能夠被內穩態模型很好地模擬(P<0.01)；其中葉片N∶P、微生物C、N對土壤養分變化較為敏感；其他指標比較穩定,說明植物和微生物均會通過內穩態調節來改變自身元素構成以適應土壤養分變化,刺槐在黃土丘陵區具有較好的適應性；微生物的內穩態指數低于刺槐,對土壤養分的變化更加敏感。

致謝：中國科學院水利部水土保持研究所安塞水土保持綜合試驗站為本研究野外采樣提供幫助,特此致謝。