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化学计量学作为研究化学元素平衡的科学,主要强调活有机体主要组成元素(特别是C、N、P)的化学计量关系。目前,国内对化学计量学方面的研究越来越多,主要集中在区域生态化学计量学特征及植物器官的元素生态化学计量研究,对不同演替阶段、生境下森林生态系统内各组分化学计量特征居多[1-3],也有关于草地、草甸及湿地生态系统的化学计量特征的研究[4-6]。桉树(Eucalyptus spp.)作为中国华南地区最重要的速生丰产树种,种植面积大,材质好且生产力高,已成为我国南方主要战略性树种之一;然而,林分结构单一、连栽及其他粗放管理模式使桉树人工林产量逐代下降,林地土壤理化性质变差等问题日益严重。目前,国内对桉树速生人工林生态系统内C、N、P养分循环方面的研究相对缺乏,仅有部分学者对桉树人工林林下土壤化学计量特征及养分动态进行研究[7-9],而对短轮伐期下桉树人工林植物、凋落物、土壤养分之间的关系及规律方面的报道较少。因此,本研究利用时空互代的方法,以1~7年生中幼龄尾巨桉为研究对象,深入了解不同林龄尾巨桉叶片、凋落物及土壤的C、N、P含量及其C:N、C:P、N:P化学计量比的变化规律,以期为雷州半岛桉树速生人工林科学合理经营提供参考。
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研究地位于南方国家级林木种苗示范基地,属北热带湿润大区雷琼区北缘,海洋性季风气候,年降水量1 567 mm,5—9月为雨季,雨量占全年的85.5%;年平均气温23.1℃,年相对湿度80.4%;土壤类型主要为砖红壤,有机质含量在1%以上,偏酸性(pH值4.5~5.3)[10-11]。试验林为种苗基地内4个不同林龄(1、3、5、7年生)的尾巨桉林分,由来源于种苗基地培育的生长均一(苗高:(25±2)cm)的网袋组培苗造林,初植株行距为2 m × 3 m,造林前施等量(666 kg·hm-2)专业基肥(N:P2O5:K2O=7:12:6),造林后对林分进行定期除杂维护。林分具体特征见表 1。
表 1 试验地林分概况
Table 1. Basic situation of different forest plantations
林龄
Age/a纬度(N)
Latitude经度(E)
Longitude海拔
Altitude/m坡度
Slope/(°)坡向
Aspect胸径
DBH/cm树高
Height/m密度Density/
(Plant·hm-2)1 21°15′700″ 110°06′110″ 122 10 NE 4.70 5.07 1 275 3 21°15′840″ 110°05′839″ 88 0 - 10.95 12.51 1 200 5 21°15′713″ 110°06′085″ 128 8 NE 17.33 15.45 1 110 7 21°15′561″ 110°06′359″ 144 8 E 21.50 20.90 840 -
表 2表明:有机C含量总体表现为叶片>凋落物>土壤,叶片和凋落物的有机C含量显著高于土壤,其中,不同林龄间叶片的有机C含量为505.03~536.80 g·kg-1;凋落物的有机C含量为480.83~511.50 g·kg-1,且第7年的大于其他各年限,叶片与凋落物不同林龄间均差异不显著。土壤的有机C含量为17.70~28.20 g·kg-1,1年生林下土壤的有机C含量显著低于其他林龄,说明随着林龄增加,有机质在林分土壤中出现积累。
表 2 不同林龄尾巨桉叶片、凋落物、土壤的平均养分含量
Table 2. The average nutrient content of leaf, litter and soil in different ages of Eucalyptus urophylla × Eucalyptus grandis
林龄
Age/a有机C含量Organic C/(g·kg-1) 全N含量Total N/(g·kg-1) 全P含量Total P/(g·kg-1) 叶片Leaf 凋落物Litter 土壤Soil 叶片Leaf 凋落物Litter 土壤Soil 叶片Leaf 凋落物Litter 土壤Soil 1 536.80±19.9Aa 497.37±41.8Aa 17.70±2.0Bb 19.69±0.7Aab 9.18±0.4Ba 1.19±0.1Ca 1.67±0.1Aa 0.69±0.1Ba 0.85±0.0Ba 3 505.03±10.5Aa 485.20±14.6Aa 27.47±2.2Ba 20.80±1.8Aa 5.30±0.3Bb 1.76±0.2Ca 1.62±0.1Aa 0.40±0.0Cc 0.93±0.1Ba 5 515.27±17.8Aa 480.83±13.7Aa 27.67±3.7Ba 16.69±1.0Abc 5.28±0.1Bb 1.49±0.1Ca 1.58±0.2Aa 0.44±0.1Bab 0.73±0.0Ba 7 513.43±12.8Aa 511.50±11.3Aa 28.20±1.2Ba 15.51±0.2Ac 6.20±0.7Bb 1.54±0.4Ca 1.34±0.1Aa 0.45±0.1Cab 0.88±0.1Ba 注:同行不同大写字母代表相同林龄不同库间差异显著,同列不同小写字母代表相同库不同林龄间差异显著(P < 0.05),下同。
Note: The different uppercase letters in the same row represent significant difference among different warehouses; the different lowercase letters in the same column represent significant difference between the different forest age. (P < 0.05).全N总体表现为:叶片>凋落物>土壤(表 2),且差异显著。叶片的全N含量为15.51~20.80 g·kg-1,1年生和3年生叶片全N高于或显著高于5年生和7年生叶片全N含量(P < 0.05)。凋落物的全N含量为5.30~9.18 g·kg-1;随林龄的增加,叶片的全N含量先增后减,凋落物的全N含量显著下降后略有回升,土壤的全N含量为1.19~1.76 g·kg-1,不同林龄间差异不显著,3年生林下土壤的全N含量高于其他林龄。
全P含量表现为:叶片>土壤>凋落物(表 2),且叶片全P含量显著高于凋落物和土壤;叶片的全P含量为1.58~1.67 g·kg-1,凋落物的全P含量为0.40~0.69 g·kg-1,土壤的全P含量为0.73~0.93 g·kg-1。单因素方差分析表明:林龄对凋落物的全P含量影响显著,对叶片及土壤的全P含量影响不显著。多重比较显示,随着凋落物的分解,3年生尾巨桉林下凋落物的全P含量显著低于1年生,但5年生和7年生林下凋落物全P含量有所回升,且显著高于3年生林下凋落物全P含量,这可能与凋落物分解过程中复杂的养分释放状态有关。尾巨桉叶片的全P含量随林龄增加呈下降趋势,但差异不显著。
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尾巨桉叶片的C:N为24.72~33.12,凋落物的C:N为54.07~92.18,土壤的C:N为14.89~22.03(表 3)。除1年生林下凋落物的C:N显著低于3、5、7年生外,叶片及土壤的C:N林龄间均差异不显著。叶片的C:N随林龄的增加先减后增,凋落物的C:N随林龄的增加先增后减,且1、7年生凋落物C:N低于或显著低于3、5年生凋落物C:N,说明1年生和7年生林下凋落物分解速率大于3年生和5年生;不同林龄土壤的C:N随林龄的增加呈增加趋势。
表 3 不同林龄尾巨桉叶片、凋落物、土壤的碳、氮、磷化学计量比
Table 3. Stoichiometry ration of C, N, P contents in leaf, litter and soil in different ages of Eucalyptus urophylla × Eucalyptus grandis
林龄
Age/aC:N C:P N:P 叶片Leaf 凋落物Litter 土壤Soil 叶片Leaf 凋落物Litter 土壤Soil 叶片Leaf 凋落物Litter 土壤Soil 1 27.30±1.1a 54.07±3.1b 14.89±1.2a 323.77±21.4a 751.5±116a 21.00±3.2b 11.84±0.4a 13.79±1.7a 1.40±0.1a 3 24.72±2.5a 92.18±6.3a 15.83±1.7a 311.99±8.8a 1 202.4±81a 30.30±3.4ab 12.98±1.8a 13.05±0.2a 1.99±0.4a 5 31.22±2.8a 91.05±2.6a 18.48±1.4a 330.95±28.9a 1 183.8±237a 38.06±4.3a 10.80±1.4a 12.93±2.4a 2.05±0.1a 7 33.12±1.0a 84.88±10.3a 22.03±7.0a 386.59±22.9a 1 221.9±216a 32.29±3.1ab 11.73±1.0a 14.18±1.1a 1.81±0.5a 尾巨桉叶片的C:P为311.99~386.59,凋落物的C:P为751.5~1221.9,土壤的C:P为21.00~38.06(表 3)。随林龄的增加,叶片和凋落物的C:P变化规律与C:N的相同,但林龄对其影响差异不显著;土壤的C:P随林龄的增加先增加后有所下降。
尾巨桉叶片的N:P为10.80~12.98,凋落物的N:P为12.93~14.18,土壤的N:P为1.40~2.05,但林龄对叶片、凋落物、土壤的N:P影响均差异不显著。随林龄的增加,叶片与土壤的N:P先增后减,凋落物的N:P先减后增。
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对比叶片、凋落物、土壤的C、N、P及其化学计量比相关关系(表 4)可知:凋落物的N含量与凋落物的P含量呈极显著正相关(P < 0.01),叶片的C:N与叶片的N:P呈极显著负相关,土壤的C含量与土壤的N含量呈显著正相关(P < 0.05),凋落物的N含量与土壤的N含量呈极显著负相关,叶片的C:P与凋落物的C:P呈显著正相关,凋落物的C:N与土壤的C:P呈现极显著正相关,叶片与土壤各元素及化学计量比相关性均不显著。
表 4 尾巨桉叶片、凋落物、土壤间C、N、P的关系
Table 4. The Correlations of C、N、P and their stoichiometry features
项目 叶片Leaf 凋落物litter 土壤soil C N P C:N C:P N:P C N P C:N C:P N:P C N P C:N C:P N:P 叶片Leaf N -0.19 1.00 P 0.38 0.22 1.00 C:N 0.45 -0.95** -0.12 1.00 C:P -0.04 -0.38 -0.93** 0.35 1.00 N:P -0.48 0.68* -0.56 -0.72** 0.37 1.00 凋落物littre C -0.13 -0.15 -0.46 0.14 0.45 0.19 1.00 N 0.48 0.13 0.27 -0.04 -0.13 0.15 0.20 1.00 P 0.16 0.09 0.49 -0.09 -0.44 -0.31 -0.08 0.82** 1.00 C:N -0.57 -0.09 -0.44 -0.14 0.26 0.31 0.08 -0.95** -0.84** 1.00 C:P -0.27 -0.15 -0.65* 0.11 0.59* 0.37 0.30 -0.71** -0.92* 0.81** 1.00 N:P 0.37 -0.08 -0.51 0.18 0.64* 0.26 0.39 0.02 -0.53 0.08 0.64* 1.00 土壤Soil C -0.57 -0.17 -0.05 0.07 -0.13 -0.05 -0.14 -0.73** -0.33 0.68** 0.24 -0.50 1.00 N -0.47 0.17 -0.08 -0.22 -0.08 0.25 -0.04 -0.67** -0.09 0.71** 0.55 0.03 0.60* 1.00 P 0.12 0.26 0.09 -0.22 -0.09 0.11 0.12 0.21 0.13 -0.24 -0.25 -0.06 0.08 -0.20 1.00 C:N -0.02 -0.35 -1.12 0.32 0.12 -0.22 -0.05 0.07 0.29 -0.16 -0.34 -0.42 0.26 -0.58 0.35 1.00 C:P -0.53 -0.29 -0.06 0.18 -0.09 -0.12 -0.22 -0.76** -0.36 0.72** 0.32 -0.43 0.84** 0.61* -0.48 0.04 1.00 N:P -0.47 0.01 -0.12 -0.08 -0.02 0.17 -0.11 -0.70** -0.56 0.74 0.57 0.01 0.51 0.91** -0.58* -0.57 0.75** 1.00 注:*表示P<0.05;**表示P<0.01。
Note: *represents P<0.05;**represents P<0.01.
不同种植年限尾巨桉人工林叶片-凋落物-土壤碳氮磷化学计量特征
The Stoichiometric Characteristics of C, N and P in Leaf-litter-soil of Different Aged Eucalyptus urophylla×E. grandis Plantations
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摘要:
目的 为了解雷州半岛尾巨桉速生人工林生态系统的C、N、P分配格局及化学计量特征。 方法 采用空间换时间的方法,选取雷州半岛4种不同林龄(1、3、5、7 a)的尾巨桉人工林为研究对象,对尾巨桉叶片、凋落物及土壤的C、N、P含量及化学计量特征进行测定分析。 结果 表明:C、N含量表现为叶片>凋落物>土壤,P含量表现为叶片>土壤>凋落物,且3个库间差异显著;土壤的C含量随林龄增加而增加,N、P含量差异不显著,土壤C:N随林龄的增加而增加,说明土壤有机质分解速率逐渐下降;凋落物的C:N为54.07~92.18(>25),表明尾巨桉林下凋落物分解速率较慢,N元素成为主要限制凋落物分解的元素,凋落物的C:N随林龄的增加先增加后下降,凋落物分解速度先降低后升高;叶片的N:P为10.80~12.98,说明中幼林龄尾巨桉受N限制较明显。相关性分析表明:凋落物养分元素含量受叶片限制,土壤养分含量受凋落物限制,表明生态系统内部C、N、P元素在植物、凋落物与土壤之间实现了运输和转换。 结论 雷州半岛尾巨桉中、幼林龄时期土壤有机质及凋落物分解速率较慢;随林龄的增加,土壤有机质、凋落物分解速率下降,N元素成为其主要分解限制性元素,林分生长受N限制明显。 Abstract:Objective To understand the distribution pattern of carbon, nitrogen and phosphorus and the stoichiometric characteristics of Eucalyptus urophylla×E. grandis fast-growing plantation ecosystem in the Leizhou Peninsula. Method The temporal-spatial method was used to select four E. urophylla×E. grandis fast-growing plantations with different ages (1, 3, 5, 7a) as the subjects. The contents of C, N, P and their ratio were analyzed in the leaf, litter, and soil. Result The results revealed that the C and N contents followed the pattern of leaf > litter > soil, the content of P followed the pattern of leaf > soil > litter and there was an obvious difference among the three warehouses. Soil C content could increase with the raising of plantation age; but N and P differed little. The ratio of soil C:N increased with rising age, indicating that soil decomposition rate declined gradually. The ratio of litter C:N varied in the range of 54.07-92.18 (>25), increased at first and then declined. It showed that litter decomposition rate was comparatively low and restricted by N. The ratio of N:P in leaf was between 10.8 and 12.98 which also demonstrated that plant growth was limited by N. The correlation analysis showed that the litter N content was limited by the leaf, and the soil N was limited by the litter. Inside the ecosystem, the C, N and P elements had realized the transportation and transformation among the plants, litter and soil. Conclusion The decomposition rate of soil organic matter and litter of young and middle aged E. urophylla×E. grandis plantations on the Leizhou Peninsula is comparatively slow. The soil organic matter and litter decomposition rate decline with age and is restricted by N. The growth of plantation is also limited by N. -
Key words:
- Eucalyptus urophylla×E.grandis plantation
- / leaf
- / litter
- / soil
- / stoichiometric characteristics
-
表 1 试验地林分概况
Table 1. Basic situation of different forest plantations
林龄
Age/a纬度(N)
Latitude经度(E)
Longitude海拔
Altitude/m坡度
Slope/(°)坡向
Aspect胸径
DBH/cm树高
Height/m密度Density/
(Plant·hm-2)1 21°15′700″ 110°06′110″ 122 10 NE 4.70 5.07 1 275 3 21°15′840″ 110°05′839″ 88 0 - 10.95 12.51 1 200 5 21°15′713″ 110°06′085″ 128 8 NE 17.33 15.45 1 110 7 21°15′561″ 110°06′359″ 144 8 E 21.50 20.90 840 表 2 不同林龄尾巨桉叶片、凋落物、土壤的平均养分含量
Table 2. The average nutrient content of leaf, litter and soil in different ages of Eucalyptus urophylla × Eucalyptus grandis
林龄
Age/a有机C含量Organic C/(g·kg-1) 全N含量Total N/(g·kg-1) 全P含量Total P/(g·kg-1) 叶片Leaf 凋落物Litter 土壤Soil 叶片Leaf 凋落物Litter 土壤Soil 叶片Leaf 凋落物Litter 土壤Soil 1 536.80±19.9Aa 497.37±41.8Aa 17.70±2.0Bb 19.69±0.7Aab 9.18±0.4Ba 1.19±0.1Ca 1.67±0.1Aa 0.69±0.1Ba 0.85±0.0Ba 3 505.03±10.5Aa 485.20±14.6Aa 27.47±2.2Ba 20.80±1.8Aa 5.30±0.3Bb 1.76±0.2Ca 1.62±0.1Aa 0.40±0.0Cc 0.93±0.1Ba 5 515.27±17.8Aa 480.83±13.7Aa 27.67±3.7Ba 16.69±1.0Abc 5.28±0.1Bb 1.49±0.1Ca 1.58±0.2Aa 0.44±0.1Bab 0.73±0.0Ba 7 513.43±12.8Aa 511.50±11.3Aa 28.20±1.2Ba 15.51±0.2Ac 6.20±0.7Bb 1.54±0.4Ca 1.34±0.1Aa 0.45±0.1Cab 0.88±0.1Ba 注:同行不同大写字母代表相同林龄不同库间差异显著,同列不同小写字母代表相同库不同林龄间差异显著(P < 0.05),下同。
Note: The different uppercase letters in the same row represent significant difference among different warehouses; the different lowercase letters in the same column represent significant difference between the different forest age. (P < 0.05).表 3 不同林龄尾巨桉叶片、凋落物、土壤的碳、氮、磷化学计量比
Table 3. Stoichiometry ration of C, N, P contents in leaf, litter and soil in different ages of Eucalyptus urophylla × Eucalyptus grandis
林龄
Age/aC:N C:P N:P 叶片Leaf 凋落物Litter 土壤Soil 叶片Leaf 凋落物Litter 土壤Soil 叶片Leaf 凋落物Litter 土壤Soil 1 27.30±1.1a 54.07±3.1b 14.89±1.2a 323.77±21.4a 751.5±116a 21.00±3.2b 11.84±0.4a 13.79±1.7a 1.40±0.1a 3 24.72±2.5a 92.18±6.3a 15.83±1.7a 311.99±8.8a 1 202.4±81a 30.30±3.4ab 12.98±1.8a 13.05±0.2a 1.99±0.4a 5 31.22±2.8a 91.05±2.6a 18.48±1.4a 330.95±28.9a 1 183.8±237a 38.06±4.3a 10.80±1.4a 12.93±2.4a 2.05±0.1a 7 33.12±1.0a 84.88±10.3a 22.03±7.0a 386.59±22.9a 1 221.9±216a 32.29±3.1ab 11.73±1.0a 14.18±1.1a 1.81±0.5a 表 4 尾巨桉叶片、凋落物、土壤间C、N、P的关系
Table 4. The Correlations of C、N、P and their stoichiometry features
项目 叶片Leaf 凋落物litter 土壤soil C N P C:N C:P N:P C N P C:N C:P N:P C N P C:N C:P N:P 叶片Leaf N -0.19 1.00 P 0.38 0.22 1.00 C:N 0.45 -0.95** -0.12 1.00 C:P -0.04 -0.38 -0.93** 0.35 1.00 N:P -0.48 0.68* -0.56 -0.72** 0.37 1.00 凋落物littre C -0.13 -0.15 -0.46 0.14 0.45 0.19 1.00 N 0.48 0.13 0.27 -0.04 -0.13 0.15 0.20 1.00 P 0.16 0.09 0.49 -0.09 -0.44 -0.31 -0.08 0.82** 1.00 C:N -0.57 -0.09 -0.44 -0.14 0.26 0.31 0.08 -0.95** -0.84** 1.00 C:P -0.27 -0.15 -0.65* 0.11 0.59* 0.37 0.30 -0.71** -0.92* 0.81** 1.00 N:P 0.37 -0.08 -0.51 0.18 0.64* 0.26 0.39 0.02 -0.53 0.08 0.64* 1.00 土壤Soil C -0.57 -0.17 -0.05 0.07 -0.13 -0.05 -0.14 -0.73** -0.33 0.68** 0.24 -0.50 1.00 N -0.47 0.17 -0.08 -0.22 -0.08 0.25 -0.04 -0.67** -0.09 0.71** 0.55 0.03 0.60* 1.00 P 0.12 0.26 0.09 -0.22 -0.09 0.11 0.12 0.21 0.13 -0.24 -0.25 -0.06 0.08 -0.20 1.00 C:N -0.02 -0.35 -1.12 0.32 0.12 -0.22 -0.05 0.07 0.29 -0.16 -0.34 -0.42 0.26 -0.58 0.35 1.00 C:P -0.53 -0.29 -0.06 0.18 -0.09 -0.12 -0.22 -0.76** -0.36 0.72** 0.32 -0.43 0.84** 0.61* -0.48 0.04 1.00 N:P -0.47 0.01 -0.12 -0.08 -0.02 0.17 -0.11 -0.70** -0.56 0.74 0.57 0.01 0.51 0.91** -0.58* -0.57 0.75** 1.00 注:*表示P<0.05;**表示P<0.01。
Note: *represents P<0.05;**represents P<0.01. -
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