西藏东南部色季拉山主要类型森林叶片和枯落物养分含量特征
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第39卷第11期2019年6月生态学报ACTAECOLOGICASINICAVol.39,No.11Jun.,2019基金项目:国家自然科学基金项目(41461055,41561052);西藏农牧学院雪域英才项目(2015XYD06)
收稿日期:2018⁃05⁃30;㊀㊀网络出版日期:2019⁃03⁃21
∗通讯作者Correspondingauthor.E⁃mail:hmliu@cau.edu.cnDOI:10.5846/stxb201805301194
曹丽花,尹为玲,刘合满,杨红,连玉珍,郭丰磊.西藏东南部色季拉山主要类型森林叶片和枯落物养分含量特征.生态学报,2019,39(11):4029⁃4038.CaoLH,YinWL,LiuHM,YangH,LianYZ,GuoFL.StoichiometriccharacteristicsofleavesandlitterintypicalforesttypesonSejilaMountain,southeasternTibet.ActaEcologicaSinica,2019,39(11):4029⁃4038.
西藏东南部色季拉山主要类型森林叶片和枯落物养分含量特征
曹丽花1,尹为玲3,刘合满1,2,∗,杨㊀红1,连玉珍1,郭丰磊1
1西藏农牧学院,林芝㊀8600002信阳农林学院农学院,信阳㊀4640003信阳市农业局农业经济管理指导站,信阳㊀464000
摘要:为阐明不同生长年限森林叶片和不同分解程度枯落物养分含量特征,为植物⁃土壤养分循环研究提供科学依据㊂以藏东南色季拉山几种典型森林植被(雪山杜鹃(Rhododendronaganniphum)㊁海拔4000m和3900m区域急尖长苞冷杉(Abiesgeorgeivar.smithii)㊁川滇高山栎(Quercusaquifolioides))为研究对象,分析了1年生和2年生植物叶片及不同分解程度枯落物有机碳(OC)㊁全氮(TN)㊁全磷(TP)和全钾(TK)含量㊂结果表明:色季拉山森林叶片和枯落物OC含量表现为2年生叶片>1年生叶片>未分解枯落物(ND)>半分解枯落物(SD)>完全分解枯落物(CD),即老叶片以C积累为主,而枯落物OC含量随分解程度的增加而下降,叶片OC平均含量(68.5%)显著高于中国平均水平(45.5%);叶片N㊁P㊁K含量表现为1年生>2年生,即新叶以N㊁P㊁K等营养物质的吸收积累为主㊂枯落物TN含量低于中国森林的平均水平(12.03g/kg),而TP含量显著高于中国森林平均水平(0.74g/kg),枯落物TN和TP以SD最高,即分解初期表现为净固定,而后期则呈净释放,TK含量随分解程度的增加而增加,表现为K的净固定;叶片CʒN,CʒP和CʒK表现为2年生>1年生,枯落物CʒN,CʒP和CʒK随着分解程度的增加而显著降低;叶片NʒP处于较低水平(6.08),显著低于全球平均水平(16.0),表现出明显的N限制营养型;研究结果为科学阐明藏东南森林生态系统植被⁃土壤养分循环研究提供了数据支撑㊂
关键词:色季拉山;叶片;枯落物;养分含量;化学计量
StoichiometriccharacteristicsofleavesandlitterintypicalforesttypesonSejilaMountain,southeasternTibet
CAOLihua1,YINWeiling3,LIUHeman1,2,∗,YANGHong1,LIANYuzhen1,GUOFenglei1
1TibetAgricultureandAnimalHusbandryUniversity,Linzhi860000,China2CollegeofAgronomy,XinyangAgricultureandForestryUniversity,Xinyang464000,China3AgriculturalEconomicManagementGuidanceStation,XinyangAgriculturalBureau,Xinyang464000,China
Abstract:Thecontentsanddynamicsofnutrientsinleavesandlitterareimportantforplant⁃soilnutrientcyclinginforestecosystems.ForestsareoneofthemostimportantterrestrialecosystemsinsoutheasternTibet,wherethelitterlayerdevelopsinanalpineclimate.Inthisstudyweinvestigatedthecontentsandstoichiometryofthemostimportantnutrients(carbon,
nitrogen,phosphorus,andpotassium)inrelationtotheleafageandstageofforestlitterdecompositiononSejilaMountain(elevationapproximately3400 4150m)insoutheasternTibet.Wemeasuredtheorganiccarbon(OC),totalnitrogen(TN),totalphosphorus(TP),andtotalpotassium(TK)contentsin1⁃a⁃oldand2⁃a⁃oldleaves,andatdifferentstagesof
0304㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀39卷㊀litterdecomposition(non⁃decomposed[ND],semi⁃decomposed[SD],andcompletelydecomposed[CD]),intypicalforesttypes(Rhododendronaganniphum,Abiesforrestii,andQuercusaquifolioides).TheOCcontentsoftheleafandlittershowedthefollowingrankorder:2⁃a⁃oldleaf>1⁃a⁃oldleaf>ND>SD>CD(65.71%,71.29%,60.58%,41.15%,and29.86%,respectively).ThelitterOCcontentdecreasedwithanincreasinglitterdecomposition.TheleafOCcontentswerehigherthantheaverageforChina(45.5%).TheleafOCcontentsweresignificantlyhigherintheconiferousforestthaninthebroad⁃leavedforest,andthoseinbothforesttypeswerehigherinolderleavesthaninnewleaves(72.89%and58.32%for1⁃a⁃oldleaves,and78.31%and64.29%for2⁃a⁃oldleaves,intheconiferousandbroad⁃leavedforests,respectively).ThecontentsofN,P,andKintheleafwerehigherinthe1⁃a⁃oldleavesthaninthe2⁃a⁃oldleaves.TheTNcontentofthe1⁃a⁃oldleaveswashigherinthebroad⁃leavedforest(11.23g/kg)thanintheconiferousforest(10.55g/kg),whereastheTNcontentofthe2⁃a⁃oldleavesintheconiferousforest(9.39g/kg)washigherthanthatinthebroad⁃leavedforest(7.15g/kg).TheTNandTPcontentsoflitterwerehighestintheSDforest,whichindicatedthatnetfixationoccurredduringinitialdecomposition,whereascompletedecompositionresultedinanetreleaseofnitrogenandphosphorus.ThelitterTKcontentwaselevatedwithincreaseddecomposition,andthusshowednetfixationduringthedecompositionprocess.ThelitterTNcontentswerelowerthantheaverageforChineseforests(12.03g/kg),andtheaveragevalueswere6.59,8.24,and9.55g/kgforND,SD,andCDforests,respectively.ThelitterTPcontentswerehigherthantheaverageforChineseforests(0.74g/kg),andtheaveragevalueswere1.17,2.49,and1.87g/kgforND,SD,andCDforests,respectively.ThelitterTKcontentswere2.19,3.33,and4.67g/kgforND,SD,andCDforests,respectively.TheleafCʒN,CʒP,andCʒKratioswerehigherinthe2⁃a⁃oldleavesthaninthe1⁃a⁃oldleaves;theratiosateachleafagewere87.81and60.79forCʒN,539.25and375.49forCʒP,and139.15and101.20forCʒK,respectively.ThelitterCʒN,CʒP,andCʒKratiosweredecreasedwithincreaseddecomposition.TheND,SD,andCDratioswere90.20,43.36,and35.68forCʒN;520.34,167.60,and159.13forCʒP;and297.73,129.97,and64.42forCʒK,respectively.TheleafNʒPratioswerelow(6.09and4.76),andsignificantlylowerthantheglobalaverage(16.0),whichwasindicativeofnitrogenlimitation.ThelitterNʒPratiosforND,CD,andSDwere5.86,4.51,and3.90,respectively.Theresultsprovidevaluableinformationonplant⁃soilnutrientcyclinginforestecosystemsinsoutheasternTibet.
KeyWords:SejilaMountain;forestleaves;litter;nutrientcontents;stoichiometry
森林是典型的自然陆地生态系统,是陆地生态系统有机碳[1]及其他土壤养分[2]的重要贮存场所,在维护气候变化和土壤物质平衡方面起着非常重要的作用㊂枯落物是森林地表生态系统最重要的组成物质,也是土壤⁃植物物质循环的最关键要素之一,对土壤有机碳(C)㊁氮(N)㊁磷(P)㊁钾(K)等物质具有重要的贡献[3]㊂枯落物数量和质量[4⁃5]是影响枯落物分解与养分归还数量和速率的重要内部因素,其中质量主要是指枯落物各营养物质含量和比例,有研究表明枯落物分解速率与N浓度显著正相关[6],与CʒN比[7]之间显著负相关,而与CʒP,NʒP之间关系不显著㊂叶片是森林枯落物重要的构成要素,其C㊁N㊁P等物质含量和化学计量特征直接影响了枯落物的质量和分解速率,同时又可反映土壤养分的供应能力,有利于对土壤的可持续利用提供参考,故森林植物叶片主要物质含量及化学计量特征深受研究者的重视,Kang等[8]对欧洲2583个挪威云杉1年生针叶N㊁P浓度进行了分析,Wu等[9]研究了杭州湾沿海防护林42个不同树种叶片N㊁P含量,任书杰等[10]对中国东部南北样带森林102个优势植物叶片C㊁N和P含量及化学计量进行了系统探讨㊂这些研究多数是将叶片和枯落物分开进行研究,而叶片和枯落物之间C㊁N㊁P和K之间具有什么样的联系与差异尚不清楚,这将不利于系统揭示森林生态系统植物⁃土壤物质循环的动态特征㊂
森林是西藏东南部一类重要的陆地生态系统,面积约为1471.56ˑ104hm2,受常年低温条件的影响,枯落物分解缓慢,而使地表枯落物层非常发达㊂据估算,西藏森林枯落物贮存了大约2.4亿t的有机碳[11],在区域生态系统碳循环中起着非常重要的作用㊂但目前对西藏不同类型森林叶片及枯落物C㊁N㊁P㊁K及化学计量特征的研究还非常少㊂本研究以西藏东南部色季拉山不同海拔高度主要类型森林为研究对象,分析不同生长年限(1年生和2年生)叶片和不同分解程度枯落物有机碳及主要养分元素含量特征,可以为区域森林植被⁃
土壤物质循环及植被响应研究提供依据㊂
1㊀材料与方法
1.1㊀研究区域概况
色季拉山位于西藏高原东南部,属念青唐古拉山脉向南延伸的余脉,与喜马拉雅山东部向北发展的山脉相连,是西藏主要林区之一㊂从高海拔到低海拔区,植被和土壤垂直分布规律,植被主要有高山松(Pinusdensata)㊁急尖长苞冷杉(Abiesgeorgeivar.smithii)㊁林芝云杉(Picealikiangensisvar.linzhiensis)㊁杜鹃(Rhododendron)㊁高山栎(QuercussemicarpifoliaSmith)等针叶林和硬叶阔叶林㊂区域气候为高山寒温带半湿润区,年均温-0.73ħ,最暖月(7月)平均气温9.8ħ,最冷月(1月)平均温为-13.8ħ㊂受低温㊁低氧㊁高湿等条件的影响,不利于森林枯落物的分解,部分植被枯落物层厚度可达10cm以上
㊂
图1㊀叶片叶龄的判断Fig.1㊀Determineofleafage1.2㊀研究方法与测定
本研究选择色季拉山主要森林类型急尖长苞冷杉
(Abiesgeorgeivar.smithii,AGS)㊁雪山杜鹃(Rhododendronaganniphum,RA)㊁川滇高山栎林(Quercusaquifolioides,QA)三种类型,AGS为常绿针叶林,RA属于常绿阔叶灌木,高1 4m,叶厚革质;QA为
壳斗科栎属,属硬叶常绿阔叶林,叶片革质㊂其中AGS
分布较为广泛,故分别采集了海拔4000m和3900m两
个海拔,采样点位置如表1所示㊂在每种类型林下,分
别选择所处地形㊁树高㊁郁闭度相似的3 5棵树㊂在每
棵树上,距离地面1.5 2m高度上,依据枝条上芽鳞痕
分布情况区分叶片的叶龄(图1),并在不同方位分别采
集1年生㊁2年生叶片,按照相同叶龄不同样点间的样
品进行混合,组成混合样;同时在相应的树下按照枯落
物分解程度分别采集未分解(Non⁃decomposed,ND)㊁半分解(Semi⁃decomposed,SD)㊁完全分解(Completelydecomposed,CD)的叶片枯落物㊂ND枯落物为干枯但形状完整的叶片,SD枯落物为形状不完整,但尚能看出叶片的初始形状,呈短棒状或碎片状,CD枯落物形状细碎,无法辨识叶片的初始形状,但尚未与土壤结合的腐殖层㊂共采集4种类型森林,2种不同生长年限叶片和3种不同分解程度枯落物,故共采集样品24份,将采集的叶片和枯落物带回室内,捡除枯落物中明显的枝条㊁石块㊁土块等非叶片枯落物后,室内风干㊁磨碎㊂新鲜植物叶片经清洗㊁杀青㊁烘干等处理后,同样磨碎,待测㊂各指标分析时,每种叶片和枯落物均设置3个重复㊂
表1㊀样点位置
Table1㊀Samplingsite
样点编号Samplenumber经度(E)Longitude纬度(N)Latitude海拔/mAltitude森林类型ForesttypeS194ʎ42ᶄ40.53ᵡ29ʎ39ᶄ12.63ᵡ4110雪山杜鹃(RA)S294ʎ42ᶄ44.62ᵡ29ʎ39ᶄ8.78ᵡ4000急尖长苞冷杉(AGS4000)S394ʎ42ᶄ50.78ᵡ29ʎ39ᶄ5.26ᵡ3900急尖长苞冷杉(AGS3900)S494ʎ43ᶄ52.85ᵡ29ʎ43ᶄ4.72ᵡ3440川滇高山栎(QA)㊀㊀RA:雪山杜鹃Rhododendronaganniphum;AGS4000:海拔4000m区急尖长苞冷杉Abiesgeorgeivar.smithiiatelevationof4000m;AGS3900:海拔3900m区急尖长苞冷杉Abiesgeorgeivar.smithiiatelevationof3900m;QA:川滇高山栎Quercusaquifolioides
植物叶片和枯落物全氮(Totalnitrogen,TN)测定采用定氮仪进行测定,即称取磨碎样品0.5 1.5g,加入
1304㊀11期㊀㊀㊀曹丽花㊀等:西藏东南部色季拉山主要类型森林叶片和枯落物养分含量特征㊀
2304㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀39卷㊀催化剂和10mL浓硫酸,420ħ下消化1h,然后采用定氮仪(UDK149型,意大利VELP公司)进行碱解蒸馏3min,蒸馏硼酸吸收液采用0.01mol/LHCl进行滴定,根据与空白样品所消耗HCl的量计算样品氮含量㊂有机碳(Organiccarbon,OC)含量采用重铬酸钾⁃浓H2SO4外加热容量法测定;全磷(Totalphosphorus,TP)和全钾(Totalpotassium,TK)测定采用浓H2SO4和H2O2消化处理后,经定容后,溶液中P采用磷钼蓝比色法测定,K采用火焰光度法测定[12]㊂
1.3㊀数据处理
不同叶龄叶片和不同分解程度枯落物OC㊁TN㊁TP㊁TK含量之间差异采用SPSS20.0统计分析软件,单因素方差分析法(OnewayAnalysisofVariance)进行,作图采用Origin9.0进行㊂
2㊀结果与分析
2.1㊀OC含量
不同叶龄叶片和不同分解度枯落物OC含量如图2所示,表现为2年生叶片>1年生叶片>ND>SD>CD枯落物㊂两个叶龄的叶片OC表现为2年生>1年生,即新叶片以各种营养物质共同积累为主,而老叶片以OC的积累为主㊂几种类型森林1年生和2年生叶片OC平均含量分别为65.61%和71.29%,2年生叶片OC含量较1年生叶片高8.66%,但相同类型森林1年生和2年生叶片OC之间差异均未达显著水平㊂对于供试的几种类型森林,两种不同生长年限叶片OC含量差异以QA最大,2年生叶片较1年生叶片高14.36%,而以海拔3900m区AGS林差异最小,为5.9%㊂不同类型森林1年生叶片OC含量表现为AGS4000m>AGS3900m>RA>QA,2年生叶片表现出相似的变化规律㊂即叶片有机碳含量表现为针叶林>常绿阔叶林,1年生叶片平均含量分别为72.89%和58.32%,2年生叶片分别为78.31%和64.27%㊂
枯落物OC含量随枯落物分解程度的增加而显著降低(P<0.05),ND㊁SD㊁CD枯落物OC平均含量分别为60.58%,41.15%和29.86%㊂不同类型森林之间,表现为针叶林枯落物OC含量高于阔叶林,但这种差别较叶片小㊂针叶林ND㊁SD和CD枯落物有机碳含量分别较阔叶林高5.77%,9.05%和5.30%㊂相同分解程度枯落物OC含量在不同类型森林之间具有一定的差异,如ND枯落物有机碳含量表现为RA>AGS4000m>AGS3900m>QA,而随着分解程度的增加,在SD和CD状态时RA和海拔4000m区AGS枯落物有机碳含量之间差异不
<0.05)㊂
显著(P>0.05),而海拔3900m处AGS和海拔3440m处的QA之间差异达显著水平(P
图2㊀植物叶片和枯落物有机碳、全氮含量
Fig.2㊀ContentsoforganiccarbonandtotalnitrogeninleafandlitterofdifferenttypesforestinSejilamountain
1a:1年生叶片1⁃old⁃yearleaves;2a:2年生叶片2⁃old⁃yearleaves;ND:未分解Non⁃decomposed;SD:半分解Semi⁃decomposed;CD:完全分解Completedecomposition,不同小写字母表示同一类型森林不同生长年限叶片和不同分解程度枯落物之间差异达显著水平(P<0.05)2.2㊀TN含量
植被叶片TN含量表现为1年生>2年生(图2),即1年生叶片对N素的吸收和富集能力强于2年生叶
片,随着新生组织的生长,促进N素从老组织向新生组织的转移㊂不同类型森林植被1年生叶片TN含量表
现为QA>AGS3900m>RA>AGS4000m,而对2年生叶片则表现为AGS3900m>AGS4000m>QA>RA㊂1年生
叶片TN平均含量表现为阔叶林(11.23g/kg)>针叶林(10.55g/kg),而2年生叶片则表现为针叶林(9.39g/kg)>阔叶林(7.15g/kg),可能是由于阔叶林第一年具有较快的生长速度和生物量,有利于对N素的吸收和积累㊂同时可知,针叶林1年生和2年生叶片N含量相对稳定,而对于阔叶林RA和QA则变化较大,2年生叶
片N含量较1年生叶片分别高43.48%和29.65%,二者之间差异达显著水平(P<0.05),而海拔4000m和3900m区AGS分别为8.10%和13.42%,差异未达显著水平㊂
供试4种类型森林,不同分解程度的枯落物TN含量均表现为SD>CD>ND,平均值分别为9.55,8.24和6.59g/kg,即在分解初期,枯落物对N素表现为净固定㊂阔叶林不同分解程度枯落物TN含量之间差异较大,而针叶林AGS之间差异则较小㊂RA林ND与SD和CD之间差异达显著水平(P<0.05),QA林ND,SD和CD之间差异均达显著水平(P<0.05)㊂供试4种类型森林ND枯落物TN含量表现为AGS4000m>AGS3900m>RA>QA,值分别为9.23,7.38,6.35㊁4.84g/kg,即表现出针叶林>阔叶林的规律,而对于SD枯落物并未表现出相同的规律,呈现出阔叶林>针叶林,但差异未达显著水平,平均值分别为9.72g/kg和9.39g/kg;CD枯落物TN含量表现为RA>AGS4000m>AGS3900m>QA,值分别为9.45,9.34,7.35㊁6.83g/kg㊂
2.3㊀TP含量
不同生长年限的叶片TP含量表现为1年生叶片>2年生叶片(图3),即新生叶具有更高的TP含量㊂几
种供试森林1年和2年生叶片TP含量平均值分别为1.81g/kg和1.48g/kg,且表现为针叶林>阔叶林,1年生
叶片TP平均含量分别为1.89g/kg和1.72g/kg㊂1年生和2年生叶片TP含量均表现为AGS3900m>QA>AGS4000m>RA㊂
不同分解程度枯落物TP含量均表现为:SD>CD>ND,且差异均达显著水平(P<0.05),平均值分别为2.49,1.87㊁1.17g/kg,即枯落物分解初期表现为P的净固定,当P积累达到一定程度后,随着分解程度的增加而开始下降㊂不同分解程度枯落物TP含量主要表现为AGS4000m>AGS3900m>RA>QA,即针叶林枯落物TP含量高于阔叶林,TP平均含量分别为2.03g/kg和1.66g/
kg㊂
图3㊀植物叶片和枯落物全磷、全钾含量
Fig.3㊀ContentsoforganiccarbonandtotalnitrogeninleafandlitterofdifferenttypesforestinSejilamountain
2.4㊀TK含量
由图3可知,不同生长年限叶片及不同分解程度枯落物TK含量表现为:1年生叶片>2年生叶片>CD>SD>ND,即新生叶片对K具有更强的吸收和富集能力,而老叶片凋落后,随着分解程度的增加,TK含量呈增加趋势㊂1年生和2年生叶片,TK含量均表现为AGS3900m>QA>RA>AGS4000m,平均值分别为6.97,5.96,5.72㊁5.01g/kg㊂不同类型森林枯落物TK含量表现为AGS4000m>QA>AGS3900m>RA,值分别为4.16,3.46,3.09㊁2.87g/kg㊂随着分解程度的增加,海拔4000m区域AGS枯落物TK含量由ND时的3.38g/kg增加到
3304
㊀11期㊀㊀㊀曹丽花㊀等:西藏东南部色季拉山主要类型森林叶片和枯落物养分含量特征㊀
CD时的5.23g/kg,提高了54.73%,而以QA提高比例最大,CD枯落物TK含量较ND枯落物增加了188.52%㊂不同类型森林ND的枯落物TK含量表现为AGS4000m>AGS3900m>RA>QA,即针叶林(2.72g/kg)显著高于阔叶林(1.66g/kg)(P<0.05),但RA和QA之间无明显差异㊂
2.5㊀化学计量特征
2.5.1㊀CʒN比
叶片CʒN表现为2年生>1年生(图4),值分别为87.81和60.79,即叶片随着生长年限的延长,更有利于C的积累,而N浓度呈降低趋势㊂不同类型森林叶片CʒN之间也存在较大差异,1年生叶片表现为AGS4000m>AGS3900m>RA>QA,值分别为75.57,63.42,56.95和47.22,表现出明显的针叶林>阔叶林的特征㊂而2年生叶片以RA和海拔4000m区AGS最大,海拔3900m区AGS和QA之间差异很小㊂
枯落物CʒN表现为随着分解程度的增加呈显著降低趋势,即ND>SD>CD,平均值分别为90.20,43.36和35.68,即分解初期,枯落物具有相对低比例的N含量,然后随着有机碳的分解释放和N的固定,从而使CʒN比逐渐降低㊂几种类型森林ND枯落物CʒN比表现为RA>QA>AGS3900m>AGS4000m,值分别为107.80,101.69,81.80和69.52,表现出阔叶林>针叶林的显著规律㊂而SD枯落物除QA林CʒN值(30.69)较低外,其他3种类型森林之间差异较小,RA㊁AGS3900m和AGS4000m值分别为49.90,48.13和44.74㊂对于CD枯落物CʒN表现为RA>AGS4000m>AGS3900m>QA,QA仅为29.97,接近微生物所需要的理想CʒN比值
(25ʒ1)㊂
图4㊀叶片和枯落物主要元素化学计量特征
Fig.4㊀StoichiometricofleafandlitterofdifferenttypesforestinSejilamountain
2.5.2㊀CʒP比
不同年龄叶片CʒP表现为2年生>1年生(图4),平均值分别为539.25和375.49,即1年生叶片积累了更高比例的P素,而2年生叶片则以C的积累为主,P素主要向新生组织转移㊂不同类型森林1年生叶片CʒP比表现为AGS4000m>RA>AGS3900m>QA,而2年生叶片则以RA最大,其次为AGS4000m和AGS3900m,最低值为QA㊂叶片CʒP平均值表现为RA>AGS4000m>AGS3900m>QA,由此可知,高海拔区的RA更有
利于C的积累,而对P的吸收比例相对较低,低海拔区的QA则对P的吸收比例相对较高㊂4304㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀39卷㊀
不同分解程度枯落物CʒP比表现为ND>SD>CD,平均值分别为520.34,167.60和159.13,即随着枯落物分解程度的增加,CʒP比呈降低趋势㊂各类型森林枯落物CʒP平均值表现为RA>QA>AGS3900m>AGS4000m,值分别为327.83,275.69,263.64和262.27,即两个海拔高度上的AGS枯落物CʒP之间存在着很小的差异,且不同类型森林枯落物CʒP表现为阔叶林>针叶林㊂
2.5.3㊀CʒK比
几种类型森林,不同生长年限叶片CʒK与CʒN和CʒP变化规律表现一致,即2年生>1年生(图4),平均值分别为139.15和101.20,即老叶片对K的吸收和积累能力要弱于1年生叶片㊂两种生长年限的叶片CʒK比均表现为针叶林>阔叶林,1年生叶片值分别为115.48和86.91,2年生叶片分别为148.50和129.79,即针叶林叶片对K的吸收和积累比例较阔叶林低㊂两种生长年限的叶片CʒK比平均值在不同类型森林之间表现为AGS4000m>RA>AGS3900m>QA,但除海拔4000m区AGS与其他几种类型森林之间差异显著外,其他3种类型之间无显著差异㊂不同分解程度枯落物CʒK表现为随着分解程度的增加而显著降低,即ND>SD>CD,平均值分别为297.73,129.97和64.42㊂对于不同类型森林来说,不同分解程度枯落物CʒK表现为阔叶林>针叶林,尤其表现在ND枯落物中,值分别为354.82和240.64,而SD和CD枯落物CʒK值则比较接近,无明显差异㊂2.5.4㊀NʒP比
不同生长年限叶片和不同分解程度枯落物NʒP表现为:1年生叶片>2年生叶片>ND>CD>SD(图4),平均值分别为6.18,5.99,5.86,4.51和3.90,其中2年生叶片NʒP较1年生叶片降低了3.77%,即老叶片对N的积累比例高于P,而1年生新叶对P的吸收积累多于N㊂同时也可表明,2年生叶片N素向新叶的转移比例较P高㊂供试的4种类型森林叶片1年生和2年生叶片NʒP表现为RA>AGS4000m>QA>AGS3900m,平均而言,表现为阔叶林>针叶林,NʒP平均值分别为6.24和5.93,但二者之间无显著差异㊂高海拔区的RA和低海拔区的QA之间差异达极显著水平(P<0.01),即这种差异可能受植被类型的影响,也可能与不同生境条件下的土壤㊁气候条件的差异有关㊂
由不同分解程度枯落物NʒP比值可知,在枯落物分解的中期阶段(SD)呈现出较低的NʒP值,随着分解程度的增加,后期表现出较高的NʒP值㊂几种类型森林ND枯落物NʒP值最高,为5.86,显著高于SD枯落物(P<0.05),但与CD枯落物之间差异未达显著水平,同时ND枯落物和CD枯落物之间差异亦未达显著水平㊂SD枯落物NʒP值最小,这是由于枯落物分解初期,微生物固定的N和P比例不同而致,本研究中SD枯落物N和P含量均较ND枯落物高,但P的增加幅度远高于N,从而呈现出较低的NʒP值,这也表明枯落物分解初期阶段,枯落物分解微生物对P的固定比例高于N㊂
3㊀讨论
3.1㊀不同类型森林叶片OC㊁TN㊁TP㊁TK含量与计量特征
本研究几种类型森林叶片主要元素含量表现为OC>TN>TK>TP,平均值分别为68.45%,9.58g/kg,5.91g/kg和1.64g/kg,其中1年生和2年生叶片主要营养元素N㊁P㊁K含量均表现为1年生>2年生,而OC含量为1年生<2年生,即老叶片以C的积累为主,而新叶片则以营养元素吸收和积累为主㊂从而使叶片CʒN㊁CʒP和CʒK表现为1年生<2年生㊂本研究中两种生长年限的叶片OC含量处于较高水平,1年生和2年生叶片OC含量平均值为68.45%,显著高于任书杰等[10]在中国东部南北样带森林生态系统的研究结果((37.41 64.65)%)和吴统贵等[13]对珠江三角洲针叶林((51.79ʃ3.60)%)和常绿阔叶林((48.16ʃ1.84)%)的研究结果,也显著高于中国森林平均水平(45.5%)[14],这可能是由于本研究区属于低温生态区,这种气候条件下叶片生长速率较慢,从而促进C的积累㊂同时本研究中AGS和QA㊁RA叶片均属硬叶类,叶片角质化和蜡质化明显,从而具有较高的OC㊂本研究中针叶林叶片OC平均含量(75.60%)显著高于常绿阔叶林(61.30%),与吴统贵等[13],司高月等[15]等的研究结果相一致,即针叶树种较阔叶林具有更高的潜在碳蓄积能力㊂
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304㊀11期㊀㊀㊀曹丽花㊀等:西藏东南部色季拉山主要类型森林叶片和枯落物养分含量特征㊀
6304㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀39卷㊀本研究叶片CʒN比较高,平均值为74.3,高于中国东部南北样带的主要树种(14.1 64.1)[10],也显著高于长白山温带针阔叶混交林(24.69)和江西省千烟洲的亚热带人工针叶林(40.44)[16]㊂这可能是由于本研究区低温的气候条件导致植物生长速率缓慢,有利于C的积累而不利于对N的吸收和积累有关㊂本研究中,将RA和QA归为阔叶林,两个海拔高度上的AGS为针叶林,叶片CʒN表现为1年生叶片针叶林>阔叶林,而2年生叶片则表现为阔叶林>针叶林,这表明AGS叶片在生长的第一年以C积累为主,而在生长的第二年,由于其生长速率变缓,C的积累量相对较低,从而使CʒN值低于阔叶林㊂
本研究中,1年生和2年生叶片CʒP平均值为457.37ʒ1,与任书杰[10]等在中国东部南北森林样带的研究结果(70.9 838.6)相比,处于中等水平,而高于长白山温带针阔混交林的水平(321ʒ1),低于千烟州的亚热带人工针叶林叶片(728ʒ1)和亚热带常绿阔叶林(561ʒ1),但与西双版纳热带季雨林(442ʒ1)结果相近[16]㊂叶片NʒP比值可以反映土壤对植物N和P的供应状况,是判定植物养分缺乏的一个重要指示指标,根据Aerts和Chapin[17]的判断标准,叶片NʒP<14时,则为N限制型,NʒP>16时则为P限制型㊂本研究中,几种类型森林1年生和2年生叶片的NʒP值均小于14,叶片NʒP值表现为RA>AGS4000m>QA>AGS3900m,平均值分别为7.38,6.97,5.10和4.89,显著低于全球平均水平(16.0)[18],故本研究区几种类型森林生长属于N供应限制型,即表现为富P而低N的营养供应状态㊂这与普穷等[19]在西藏色季拉山冷山林下土壤的研究结果相一致,其研究结果表明0 20,20 40cm和40 60cm层次土壤NʒP值为0.63,0.35和0.17,即表现为富P而缺N的状态㊂
3.2㊀不同分解程度枯落物OC㊁TN㊁TP㊁TK含量与化学计量特征
枯落物分解过程中,受微生物构成和活性的影响,使枯落物元素可能发生净固定或净释放反应,从而表现出不同分解阶段的物质含量和比例关系㊂本研究中,不同类型森林枯落物C㊁N㊁P㊁K浓度呈现OC>TN>TK>TP,与谢柯香等[20]在中亚热带湿润气候区闽楠人工林枯落物的研究结果一致㊂本研究中枯落物OC㊁TN㊁TK和TP平均浓度分别为43.96%,8.25g/kg,3.39g/kg和1.84g/kg㊂枯落物TN浓度低于中国森林的平均水平(12.03g/kg),而TP浓度显著高于中国森林平均水平(0.74g/kg)[21],这也进一步表明了本研究区森林枯落物分解的养分释放将进一步促进土壤P的富集㊂几种类型森林枯落物OC㊁TN㊁TP和TK浓度平均值均表现为针叶林>阔叶林,与叶片呈现相同的变化规律,即枯落物主要元素含量取决于叶片类型和物质含量特征㊂针叶林叶片相对于阔叶林叶片结构更加致密,木质化程度高,从而具有更高的C含量,同时AGS属于常绿针叶林,枯落物主要为多年生叶片,其具有高C低营养元素的特征,使枯落物也表现出更高比例的C含量㊂枯落物的分解主要以C的分解损失为标志,一般随着枯落物的分解时间的延长,枯落物C含量呈不断下降趋势,二者呈现指数函数关系[22⁃23]㊂本研究中ND枯落物OC含量显著高于SD和CD枯落物,即枯落物分解过程中表现出C的净释放㊂CD枯落物OC含量表现为RA>AGS4000m>AGS3900m>QA,与海拔高度表现为一致的变化趋势㊂这可能是由于高海拔区低温高湿的土壤条件不利于枯落物顽固性有机碳的分解释放,从而形成了较高的有机碳含量㊂
TN和TP浓度以SD枯落物最高,即枯落物分解初期阶段,以N和P的生物积累为主,而后期则以养分释放为主㊂这与在寒带和温带气候带森林[24]枯落物的研究结果相似,枯落物分解初期,表现为N和P的净固定㊂Aerts等[25]研究也发现,初始N含量较低的枯落物分解过程中会出现氮的净增加㊂枯落物分解初期,可溶解淋失的氮素非常少,而随着枯落物的破碎,微生物数量逐渐增加,从而进一步增加了对N的固定[26],但随着腐烂破碎程度的进一步增加,有机态N素逐渐矿化分解,从而降低了枯落物N含量㊂
枯落物主要养分物质的计量关系是影响枯落物分解的主要内部因素[27]㊂本研究中,ND枯落物CʒN比表现为阔叶林>针叶林,而SD和CD枯落物则表现为针叶林>阔叶林,这主要是由于针叶组织结构相对致密,不易于分解,从而导致在分解过程中较阔叶林具有更高的有机碳㊂本研究中几种类型森林枯落物具有较高的CʒN比(56.42),远高于喀斯特高原山地几种主要森林植被凋落物(25.67)[28],但与地中海松(Pinushalepensis)(47.56ʃ3.48)和迷迭香(Rosmarinusofficinalis)(47.47ʃ4.08)新鲜凋落物[29],及亚马逊热带雨林的
几种新鲜叶片凋落物平均值(35.9 60.0)接近[30],而低于全球陆地生物圈枯落物的平均水平(82ʒ1)[31]㊂这可能进一步说明,枯落物CʒN一方面受植被类型的影响㊁另一方面还受气候条件及土壤条件养分供应等因素的影响㊂
枯落物CʒP和CʒK平均值分别为282.36和164.04,且均表现为阔叶林>针叶林,在不同分解度枯落物上,表现为ND>SD>CD㊂本研究中枯落物具有较低的CʒP值,远低于王晶苑等[16]研究的亚热带人工林(1950)和温带针叶林(552),可能与本研究区土壤富含P素,促进植物对P的吸收和积累有关㊂枯落物NʒP平均值为4.76,远低于亚马逊热带雨林的几种新鲜森林叶片凋落物(30.2 73.3)[30],也低于中国森林生态系统的平均水平(21.35),这主要是由于本区域土壤属于富P低N的营养供应状态,有利于森林叶片吸收和积累更多的P素,同时高寒的气候条件下凋落物叶片具有更高的P浓度[21]㊂
4㊀结论
(1)色季拉山几种典型森林叶片OC㊁TN㊁TP和TK含量表现为:OC>TN>TK>TP,其中老叶片以C的积累为主,而新叶片则以N㊁P㊁K等营养物质的吸收和积累为主;该区域森林叶片OC含量高于全国森林平均水平(45.5%);(2)枯落物分解过程中,OC含量呈不断下降趋势,而TN㊁TP呈先增加后降低的趋势,即SD时含量最高,TK含量随着分解程度的增加而增加,即枯落物分解过程中K表现为净固定,而N和P则先固定后释放;(3)枯落物TN含量低于全国平均水平(12.03g/kg),而TP含量高于全国平均水平(0.74g/kg),即表现出富P缺N的养分供应状态;
(4)叶片CʒN,CʒP和CʒK表现为2年生>1年生,而NʒP表现为2年生<1年生,且NʒP较低(6.09),表现出明显的N限制营养型;枯落物CʒN,CʒP,CʒK均表现为随着分解程度的增加而降低,即ND>SD>CD,而NʒP表现为ND>CD>SD㊂
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