-
生态化学计量学作为一门综合性学科,结合了数学、化学和生物学等多门基础学科的基本原理[1-2],运用于研究生态系统能量及元素平衡与循环的科学[3],成为研究生态学过程中养分元素平衡及能量平衡必不可少的方法[4],研究植物C、N、P化学计量特征对于认识生态系统碳汇潜力和区域养分限制状况具有重要意义[5]。N和P是陆地生态系统中重要的养分,控制着生物地球化学循环过程[6],也是植物体内蛋白质、核酸等有机物重要组分,参与植物的生长发育和新陈代谢过程[7]。C是植物光合作用的同化产物也是植物体内生理生化过程的物质基础和能量来源[8-9]。C、N、P三种元素之间的比值反映了植物生长的速率及N、P元素
在植物中的利用效率,其中C︰N和C︰P在一定程度上也反映了N和P的供应状况[10]。植物N︰P则与植物生长受限情况及生态系统氮、磷养分格局存在一定关系[4],陆地植物N︰P>16时,植物生长更大程度受磷的限制,N︰P<14时,植物生长更大程度受氮的限制,在两者之间时受2种元素的限制作用[11]。近年来我国对陆地生态系统化学计量特征的研究大部分集中在植物叶片[12-15],对于植物不同器官营养元素特征的研究较少,但营养元素在植物体不同器官中的分配存在差异,这使得植物能调控自身生长速率以适应环境[16],因此,研究植物不同器官生态化学计量特征十分必要。
辽东栎(Quercus wutaishansea Mary)是壳斗科(Fagaceae)栎属(Quercus)植物,主要分布在陕西黄土高原、山西恒山以南山地以及秦岭等地,是温带落叶阔叶群落[17]。辽东栎是白龙江地区代表性植物,在该地区占有重要地位,对该地区辽东栎不同器官C、N、P含量测定,比较各器官营养元素含量和比值之间的关系,揭示该地区辽东栎不同器官生态化学计量特征及养分平衡机理,丰富该地区碳氮磷化学计量特征数据库,为预测该区域对未来气候变化的响应提供理论依据。
HTML
-
试验区设在甘肃南部白龙江流域,地处青藏高原、黄土高原、秦巴山地和四川盆地的交汇区,地理位置独特,森林资源丰富[18],森林自然分布具明显垂直带谱,从下到上依次为针阔混交林,箭竹针叶林,杜鹃冷杉林,高山灌丛及高山草甸,其位于东经102°46′~104°52′,北纬33°04′~35°09′属于典型的西南高山地形,温度、降水具有明显的垂直分布和水平差异[19]。成土母质为坡积母质,土层厚度在1 m以下,表层石砾含量少。全年平均气温1.3°,年降水量1048 mm,全年降水量集中在5—10月份。年平均空气相对湿度80%,无霜期80~103 d[20]。
-
通过实地调查,2019年6−8月在植物生长旺季,采取典型取样法,在该地区随机选取辽东栎林相较为整齐、立地条件基本一致、具有代表性的样地9块,设置20×20 m的样方,记录样方海拔、坡度、坡向、郁闭度等因子,同时对样方内胸径≥5 cm的树木进行挂牌每木检尺,记录样方内物种名、胸径、株高、冠幅、枝下高。每个样方中选取3株生长良好、的大小一致作为标准木,在标准木的东西南北4个方向选取发育良好、形态结构完整、无病虫害的枝条,按照冠层分别高度分上、中、下3层分别取样,然后将样品进行混合,取部分枝叶分别装袋称重,取部分标准木的根,洗净,晾干称重,带回实验室做化学分析(见表1)。
样地号 海拔/m 平均树高/m 平均胸径/cm 坡向 林冠郁闭度/% 林下主要植物 1 2272 12.47±1.23 10.25±2.14 半阴坡 65 刺叶高山栎、青扦 2 2270 11.08±1.67 9.08±1.85 阴坡 64 刺叶高山栎、青扦 3 2080 20.28±4.14 13.51±2.08 阳坡 42 山杨 4 2413 18.14±2.35 12.01±2.38 阳坡 49 三角枫 5 2313 5.65±1.24 5.71±1.67 半阳坡 65 柳、云杉 6 2295 4.10±2.14 5.01±2.41 阳坡 54 刺柏 7 2378 5.43±1.75 4.74±1.25 半阳坡 62 李 8 2353 4.53±1.25 6.75±3.15 半阳坡 78 山杨 9 2675 8.95±1.28 12.37±2.41 阳坡 40 山杨 Table 1. General information of sample plots from major forest types
-
将带回实验室的植物样品置于85 ℃烘箱烘干至恒重[21],用粉碎机粉碎,测样品C、N、P含量。有机C含量采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定,凯氏定氮法测定N含量,硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗分光光度法测定P含量,硫酸-双氧水消煮-火焰光度法测定K含量[22]。
-
数据计算处理和绘图表在Excel 2010中完成,统计分析在SPSS 21.0中完成。同时采用双因素方差分析法(Two-way ANOVA)分析各器官C、N、P含量及化学计量特征的关系。变异系数(CV)是反映数据离散程度的绝对值,0≤CV<15为弱变异,15≤CV<35为中等变异,CV≥35为强变异。
1.1. 研究区概况
1.2. 样地调查与取样
1.3. 样品处理和测定
1.4. 数据处理和分析
-
白龙江地区辽东栎植物不同器官C、N、P计量特征统计结果显示(见表2):C含量在392.87~517.36 g·kg−1之间,叶片C含量最大,根最小,极差值小于40 g·kg−1,变异系数均小于15%,为弱变异。N含量叶片>枝>根,变化范围为5.96~19.54 g·kg−1;极差值在2.65~5.24 g·kg−1,叶片最大;变异系数变化不大,范围在18.12~19.09%,属于中等变异。P含量和N含量变化一致也是叶片>枝>根,含量在0.63~1.74 g·kg−1,枝的极差值最大为1.26 g·kg−1,变异系数范围在14.37~46.03%,根的变异系数最大,属于强变异。由此看出,辽东栎不同器官C含量相对N和P含量变异系数较小,其值最稳定。叶片中的C、N、P三种元素含量最高,且叶片中N含量显著高于根部,根部P含量的变异系数最大,由此可见,叶片与根、枝相比在生长过程中得到了更多的营养元素。
参数 Parameter 名称 Name 平均值±标准差 Mean±standard deviation 极差 Pange 最大值 Max 最小值 Min 变异系数 CV/% C 根 411.36±9.83a 35.89 423.15 387.26 2.59 叶 517.36±13.25a 38.88 542.17 503.29 2.80 枝 392.87±11.32a 39.28 415.23 375.95 3.37 N 根 5.82±1.05b 2.65 7.34 4.69 18.12 叶 19.51±3.87a 5.24 23.59 18.35 19.09 枝 6.09±1.04a 3.72 8.39 4.67 18.91 P 根 0.61±0.27a 0.56 0.94 0.38 46.03 叶 1.75±0.24a 0.67 1.86 1.19 14.37 枝 1.03±0.29a 1.26 2.01 0.75 30.69 Table 2. Content of C, N and P in different organs of Quercus wutaishansea Mary and their statistical parameters
-
该地区辽东栎植物不同器官C∶N、C∶P和N∶P统计分析结果如图1:根的C∶N最大,根与枝C∶N相差不大,与叶片的C∶N呈显著性差异(P<0.05)。根的C∶P是最大,叶片最小,不同器官之间C∶P均无显著性相关。N∶P大小依次是根>叶片>枝,三者之间也无显著性相关。根的三种元素之间的比例都最大,叶片的C∶N 和C∶P都最小,枝的N∶P最小。
-
对该地区辽东栎C、N、P含量及化学计量的相关性分析结果如表3。辽东栎C含量与N含量和N∶P呈极显著性正相关,C含量与C∶N呈显著性负相关。N含量与C、P、C∶N、C∶P以及N∶P都呈极显著性相关,与P和N∶P呈极显著性正相关。P含量与N、C∶N、C∶P都呈极显著性相关,与C∶N和C∶P呈极显著性负相关。C∶N与C∶P呈极显著性正相关,与N∶P呈极显著性负相关,C∶P与N∶P呈显著性正相关。
参数 C N P C∶N C∶P N∶P C 1 N 0.452** 1 P 0.150 0.480** 1 C∶N −0.350* −0.986** −0.534** 1 C∶P 0.041 −0.395** −0.970** 0.470** 1 N∶P 0.600** 0.611** −0.205 −0.551** 0.315* 1 注:*在置信度(双侧)为0.05时,相关性是显著的。**在置信度(双侧)为0.01时,相关性是极显著的。
Note: * means the correlation is significant when confidence (bilateral) is 0.05. ** means the correlation is significant when confidence (bilateral) sis 0.01.Table 3. Correlation coefficient between C, N, P content and stoichiometry ratio of Quercus wutaishansea