黔西南北盤江鎮喀斯特高原峽谷區植被演替階段碳氮穩定同位素特征

吳銀菇， 喻陽華， 李一彤， 鄭 維

( 1. 貴州師范大學 地理與環境科學學院， 貴陽 550025； 2. 貴州師范大學 喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心， 貴陽 550001 )

碳(C)、氮(N)作為必需生命元素，其生物地球化學循環過程一直都是生態學研究的重點與熱點(熊鑫等，2016)。植物-土壤δC、δN組成能夠準確記錄影響植物新陳代謝和生態系統C、N循環的綜合作用(姚凡云等，2012；劉建鋒等，2018)，揭示植物對特定環境資源利用策略的響應與適應機制。穩定C、N同位素技術可示蹤、整合和指示目標物，具有檢測迅速、結果準確、不受時間限制等優點(鄭秋紅和王兵，2009)，是研究森林演替過程中C、N循環的理想方法。

近年來，δC、δN值被國內外學者廣泛用來指示植物水分利用效率和生態系統C、N循環機理(Zheng et al., 2018; 刁浩宇等，2019)。司高月等(2017)和Twohey等(2018)研究發現葉片δC值可表征植物水分利用率和固C耗水成本，其組成能夠揭示C固定的綜合特征；姚凡云等(2012)研究認為植物-土壤δN值可作為生態系統N飽和程度和N循環長期變化趨勢的指示因子。顯然，穩定同位素技術的發展為研究生態系統化學元素循環開啟了窗口。葉片-凋落物-土壤作為生態系統C、N循環的主要載體(張萍等，2018)，其同位素特征能精準刻畫與森林植物群落演替相關的影響因素和環境信息變化，亦能厘清生態系統結構和功能的變化過程，因而研究三者之間C、N及穩定同位素基本特征與內在關聯，有助于深入闡明喀斯特高原峽谷區森林生態系統C、N循環特征和養分分布隨演替進程的變化格局。目前，針對喀斯特森林演替過程，主要集中在生態化學計量特征、土壤理化屬性和土壤微生物等角度(盛茂銀等，2015；皮發劍等，2016；吳求生等，2019)，但基于C、N穩定同位素方法對喀斯特森林演替過程及規律研究的報道鮮見。對喀斯特生態系統演替過程中δC、δN變化特征的了解尚不全面，特別是森林演替過程中葉片-凋落物-土壤連續體的δC、δN值的分布特征及其如何指示生態學效應等，均需深入研究。

基于此，本文以貴州喀斯特高原峽谷區不同演替階段植物群落為對象，采用穩定C、N同位素方法，通過測定4個演替階段植物葉片-凋落物-土壤C、N及穩定同位素，分析其互作效應，試圖回答以下2個科學問題：(1)探討喀斯特森林不同演替階段植物葉片-凋落物-土壤C、N及穩定同位素特征，闡明森林δC、δN值隨演替發生的變化規律；(2)探究隨森林演替過程，植物葉片-凋落物-土壤C、N與其穩定同位素間的內在關聯，揭示喀斯特森林演替過程中植物資源利用與適應策略的變化規律，為診斷養分狀況和制定喀斯特森林生態系統可持續經營措施提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于貴州省黔西南州貞豐縣北盤江鎮(105°38′11″ E、25°40′16″ N)，屬典型的喀斯特高原峽谷地貌，地表破碎，地勢起伏大，海拔為370～1 473 m。區內屬亞熱帶季風氣候，年均降水量為1 100 mm，但時間分布不均，集中在5—10月，季節性干旱嚴重。年總積溫為6 542.9 ℃，年均溫為18.4 ℃，年均最高、最低溫度依次為32.4、6.6 ℃，四季干濕、冷熱明顯，光熱條件豐富。土壤類型以石灰土為主，土層淺薄且肥力較低，基巖裸露率高。植被以亞熱帶常綠落葉針闊混交林為主，受人為活動干擾，原生植被基本被破壞，次生植被和人工林分布居多(杜家穎等，2017)。突出的生態問題包括水土流失嚴重、生態系統脆弱等。

草灌階段以毛葡萄()、葉下珠()、多花木藍()等為主；灌木階段以川釣樟()為優勢種，滇鼠刺()、清香木()等均有分布；喬灌階段以樸樹()、毛八角楓()、山麻桿()居多；喬木階段以圓葉烏桕()、翅莢香槐()為主，南酸棗()、構樹()等亦有分布。

1.2 群落調查

2019年7—8月，在對研究區進行全面踏查的基礎上，參考盧永飛等(2015)對喀斯特植被演替階段的劃分方法，將植物群落劃分為草灌、灌木、喬灌和喬木4個演替階段(表1)。每個演替階段設置3個20 m × 20 m的調查樣地(海拔810 ～ 850 m，經度、緯度和坡度差異均較小，坡向一致)，進行植物群落學調查。受喀斯特地表破碎、土層淺薄等特殊地形地貌的影響，采樣時將樣地間距確定為>10 m。灌木和草本調查樣方大小依次為10 m × 10 m、1 m × 1 m，在每個樣地內設置4個灌木小樣方和4個草本小樣方，樹高<2 m的木本植物即記為灌木。同時，記錄喬本名稱、樹高、胸徑、冠幅；灌木名稱、樹高、地徑、蓋度；草本名稱、蓋度、平均高度。調查的環境因子包括經緯度、海拔、坡度、坡向等。

表 1 樣地基本概況Table 1 Basic situation of plots

不同字母表示演替階段之間存在顯著性差異(P<0.05)。下同。Different letters indicate significant differences among the succession stages(P<0.05). The same below.圖 1 不同演替階段植物群落葉片C、N含量及穩定同位素值Fig. 1 Contents and stable isotope ratios of C and N in leaves of plant communities at different succession stages

1.3 樣品采集方法

在對樣地進行調查分析的基礎上，將重要值大于0.2的樹種視為優勢種，每個樣地隨機選取5株優勢種，摘取東、南、西、北、中5個方位無病蟲害、健康成熟的葉片，混勻制成1個樣品裝入尼龍袋。每個樣地按S形路線采集未分解、半分解及全分解層凋落物(全分解層凋落物以不能辨識種類但未形成腐殖質層為判斷依據)，組成1個混合樣裝入尼龍袋。同時在采集凋落物的地方，采集0～20 cm土壤，組成混合土樣，采用四分法保留鮮土約0.5 kg。4個演替階段植物葉片、凋落物和土壤樣品各12份(4個演替階段 × 3個標準樣地)。

1.4 樣品處理與分析

樣品帶回實驗室后，葉片和凋落物在(65±2)℃溫度下烘干至恒重后，粉碎、過篩備用；土壤用鑷子剔除根系、凋落物、石塊和動植物殘體，置于室內自然風干后，用研磨機粉碎并依次通過2.00、0.15 mm篩，裝入專用玻璃瓶中密閉保存，用于測定C、N含量及穩定同位素自然豐度。

葉片-凋落物-土壤C、N含量及δC和δN值在自然資源部第三海洋研究所實驗室采用元素分析儀-穩定性同位素質譜儀聯機(Vario ISOPOTE Cube-Isoprime, Elementar公司)完成測定，同位素比值采用千分比單位(‰)，用δ表示。

δC值以PDB國際標準作為參考標準，計算公式如下：

(‰)=[()/()-1] ×1000。式中，()為國際標準物PDB(Peedee Belemnite)的C同位素比值，值的分析精度為±0.2‰。

δN值以空氣中N作為參考標準，δN計算公式如下：

(‰)=[()/()-1] ×1000。式中，()為空氣中N的N同位素比值，值分析精度為±0.25‰。

1.5 數據處理與分析

利用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗森林不同演替階段葉片-凋落物-土壤C、N含量和δC、δN比值之間的差異，利用最小顯著差異法(least significant difference，LSD)進行多重比較，采用Pearson相關分析法對參數進行相關性檢驗。數據整理、分析、制圖等采用Microsoft Excel 2010、SPSS 20.0、Origin Pro 2018軟件完成。

2 結果與分析

2.1 不同演替階段葉片C、N含量及δ13C、δ15N值特征

不同演替階段優勢種葉片C以灌木階段為最小(402.55 g·kg)，說明其有機物含量較低，暗示潛在的C積蓄相對較弱。葉片δC值以喬灌階段為最低(-31.31‰)，且與草灌、灌木和喬木階段間差異顯著(<0.05，下同)，隨演替進程先減小后增加，表明植物水分利用效率隨演替進行發生了部分調整。葉片N含量、δN值依次為11.97～29.35g·kg、-3.41‰～1.52‰，均以喬灌階段為最低，隨演替進行無明顯變化規律，葉片N含量、δC和δN演替前期總體上大于演替后期(圖1)。

凋落物C含量以喬灌階段為最大(475.9 g·kg)，顯著高于草灌、灌木和喬木階段，表明喬灌群落有利于生態系統養分回歸。凋落物N含量以喬灌階段為最小(10.55 g·kg)，草灌和喬木、灌木和喬木階段之間均無顯著差異(>0.05，下同)。凋落物δC值為-29.96‰～-20.07‰，以草灌階段為最高，隨演替進行呈降低趨勢，說明凋落物演替初期更易于分解。凋落物δN值為-2.61‰～0.99‰，隨演替發生表現出正、負值交替出現的現象，表明該值的變異率較大(圖2)。

圖 2 不同演替階段植物群落凋落物C、N含量及穩定同位素值Fig. 2 Contents and stable isotope ratios of C and N in litters of plant communities at different succession stages

2.2 不同演替階段凋落物C、N含量及δ13C、δ15N值特征

2.3 不同演替階段土壤C、N含量及δ13C、δ15N值特征

土壤C、N含量依次為57.3～147.65 g·kg、5.45～16.15 g·kg，均表現為灌木、喬木階段最高，喬灌階段其次，草灌階段最低，說明C、N循環之間存在緊密的耦合關系。土壤δC值為-26.83‰～-21.14‰，隨演替進行呈降低趨勢，草灌階段顯著高于其他3個階段，暗示其土壤有機質分解更徹底。土壤δN值為5.36‰～8.63‰，隨演替進行先減小后增大，總體上，土壤更表現出N富集，表明隨森林演替，土壤礦化過程N分餾增強(圖3)。

圖 3 不同演替階段植物群落土壤C、N含量及穩定同位素值Fig. 3 Contents and stable isotope ratios of C and N in soil of plant communities at different succession stages

2.4 葉片-凋落物-土壤C、N含量及δ13C、δ15N值之間的相關關系

由表2可見，葉片-土壤C、N及其同位素之間存在較強的相關性，表明植物-土壤之間養分循環存在緊密關聯，具有顯著協同或權衡效應。凋落物N、δC和δN與其他指標均無顯著相關關系，凋落物C與土壤N、δN分別呈顯著、極顯著負相關(-0.777、-0.845)，說明凋落物與土壤之間的互作關系強于凋落物與葉片。

3 討論與結論

3.1 葉片-凋落物-土壤連續體δ13C、δ15N值特征

本文研究區森林4個演替階段葉片δC值為-31.31‰～-28.23‰，較鼎湖山非喀斯特森林偏正(表3)，原因可能是：其一，該研究區屬于喀斯特高原峽谷，而鼎湖山基巖為泥盆系的厚層砂巖、砂頁巖，屬于非喀斯特地區，土壤類型主要為赤紅壤，其保水性能較喀斯特地區好，加之鼎湖山降水量(1 955 mm)亦高于該區(1 100 mm)，使土壤水分趨于豐富；其二，喀斯特地貌特殊的地上、地下二元結構，導致水分可利用性偏低，而水分可利用性與其利用效率、葉片δC值均呈負相關(Xu et al., 2017)，據此推斷該區較低的水分可利用性導致葉片δC值更高。葉片δN值為-3.41‰～1.54‰，與濱海沙地人工林植物葉片相比偏正(表3)，表明該研究區森林生態系統N飽和程度相對較高，N含量愈加豐富，原因是喀斯特高原峽谷區生境脆弱，資源供應能力相對匱乏，植物通過提高對資源的競爭能力來適應這一特殊生境，將更多養分用于器官構建。

表 2 不同演替階段葉片-凋落物-土壤C、N含量及δ13C、δ15N值之間的相關分析Table 2 Correlation analyses between for C and N contents and δ13C and δ15N values of leaf-litter-soil at different succession stages

本文4個演替階段凋落物δC值為-29.96‰～-20.07‰，高于黔西北次生林優勢種凋落物C值(表3)，原因可能是凋落物種類、微生物數量及活性等均存在差異，加之不同樣區生境水分、巖石裸露率等異質性較高，影響了凋落物的分解速率和程度。凋落物δN值為-2.61‰～0.99‰，高于羅緒強等(2014)在貴州清鎮研究的結果(表3)，原因是研究區采取了植樹造林、退耕還林等森林生態修復與保護措施，植物群落發生正向演替，生態系統結構趨于復雜，地表凋落物組成向多樣化發展，微生物數量增多，凋落物分解速率加快，有利于N富集的氨揮發增加，從而導致地表凋落物N值偏高(潘復靜等，2011; 羅緒強等，2014)。

本研究區4個演替階段土壤δC值為-26.83‰～-21.14‰，較高寒草甸土壤偏正(表3)，原因是不同研究區溫度具有較大差異，高寒草甸屬高原大陸性氣候，而該研究區屬亞熱帶季風氣候，溫度明顯較高，高溫促進了土壤微生物活性，使土壤有機質分解速率加快(周詠春等，2019)，進而導致土壤δC值升高。土壤δN值為5.36‰～8.63‰，較鼎湖山森林土壤偏高(表3)，這與微生物分解凋落物補償土壤養分過程有關，Collins等(2008)研究認為微生物C限制條件下，土壤礦化過程N分餾加強，本文結果顯示凋落物C與土壤δN值極顯著負相關，與該結論一致，原因是喀斯特高原峽谷區森林凋落物蓄積量雖逐漸增加，但總體偏少，分解補充到土壤中的C量仍較低，導致其C含量低于非喀斯特地區，微生物主要受C限制，礦化過程N分餾增強，土壤δN值增大。

表 3 貴州喀斯特森林與其他研究區域葉片-凋落物-土壤δ13C、δ15N值比較Table 3 δ13C and δ15N values in leaf-litter-soil in Guizhou karst forest communities in comparison with forests of other regions

3.2 葉片-凋落物-土壤δ13C、δ15N值與其元素相關性隨群落演替的關系

不同層次間C含量變異較為顯著，原因可能是：其一，隨著演替進展，植物群落結構、林內小氣候以及凋落物的輸入、輸出和分解狀況等均發生改變，導致歸還土壤的養分含量不同(熊鑫等，2016)；其二，生態系統 C、N循環之間有著密切關聯，固C潛力較大程度受限于土壤供N能力(李德軍等，2018)，受群落結構、環境因子和供N能力等諸多因素協同作用，森林C含量變異尤為明顯。此外，本研究還發現葉片-凋落物-土壤δC、δN隨演替進程變化規律較弱，說明森林演替過程發生了同位素分餾，原因是隨演替發生，地表植被類型、水熱條件以及生態系統養分分配格局等均存在顯著差異，植物為適應環境、維持生存，亦采取了相應的資源利用和適應策略。伴隨著資源利用策略和生存方式的改變，植物光合作用、呼吸作用也會同步變化，進而影響森林穩定C、N同位素分餾機制，最終導致各組分δC、δN值隨演替過程的變化規律各異。但植物新陳代謝如何驅動穩定C、N同位素分餾尚需深入研究。

本文研究結果還顯示，喬灌階段植物群落葉片δC值最低，原因是喬、灌木混交林中，上層喬木枝葉茂盛，其葉片阻擋了進入林中的部分光線，導致林內光照強度和溫度降低(劉效東等，2014)，致使光合能力下降，林內大氣CO濃度上升，導致升高，δC值降低。物種水平上，葉片δC值可表征植物長期的水分利用效率(Yu et al., 2008)，指示固C耗水成本，亦能評價植物對逆境的適應能力(Hussain et al., 2018)。通常，葉片δC值越大，水分利用效率越高，固C耗水成本越低(Yu et al., 2008)，固定相同數量C所消耗的水分越少。本研究發現，該研究區內川釣樟、圓葉烏桕和翅莢香槐等優勢種葉片δC值較高，表明該區灌木和喬木階段的樹種具有較高的水分利用效率，光合作用固C耗水成本較低， 適應水分脅迫生境的能力更強，可作為生態系統恢復的優選樹種。