摘要為明確樟子松人工林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分特征和穩(wěn)定機制，在遼西北章古臺地區(qū)選取幼齡林、中齡林、成熟林和過熟林階段的樟子松人工林為研究對象，探討其土壤-針葉-微生物C、N、P含量及生態(tài)化學計量比特征，分析各組分的耦合關系和內(nèi)穩(wěn)態(tài)特性。結果表明：遼西北樟子松人工林土壤C、N、P養(yǎng)分貧瘠;與全球尺度相比，針葉具有較高C、P和較低N的特征;不同林齡相比，土壤C含量峰值12.93g·kg-1出現(xiàn)在過熟林，土壤N、P含量峰值0.41、0.25g·kg-1，針葉C、N、P含量峰值641.38、10.18、1.81g·kg-1，微生物C含量峰值165.68mg·kg-1，均出現(xiàn)在成熟林，微生物N、P峰值9.29、2.92mg·kg-1出現(xiàn)在中齡林;各林齡樟子松人工林土壤C:N均高于全國平均水平，表現(xiàn)為N限制;僅過熟林土壤C:P高于全國平均水平，表現(xiàn)為P限制;樟子松土壤、針葉、微生物C:N、C:P均在過熟林達到峰值，此階段N、P限制最為強烈。樟子松人工林土壤、植物、微生物3個組分間的生態(tài)化學計量特征存在顯著的耦合關系，其中以微生物與土壤的耦合關系更為緊密。總體上看，針葉養(yǎng)分和計量學指標的內(nèi)穩(wěn)態(tài)性遠高于微生物;建議該地區(qū)合理施用N肥以改善土壤養(yǎng)分供給，并通過引入固氮植物等方式保障該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性和穩(wěn)定性。同時，在樟子松人工林的經(jīng)營管理中，應高度重視土壤微生物的變化狀況，適時補充有機肥，促進土壤質(zhì)量的改善。

　　關鍵詞樟子松;生態(tài)化學計量學;內(nèi)穩(wěn)態(tài);微生物量;林齡;沙地

　　碳(C)、氮(N)、磷(P)作為植物生長的必需元素，其循環(huán)和耦合關系對植物個體生長和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義。生態(tài)化學計量學是研究生物系統(tǒng)中多重化學元素平衡的科學，重點關注活有機體主要組成元素(C、N、P)的生態(tài)化學計量特征關系，是土壤養(yǎng)分元素限制和生物穩(wěn)態(tài)性研究的重要工具(Zechmeister-Boltensternetal.,2015)。植物、微生物等生物體通過調(diào)節(jié)體內(nèi)的化學元素濃度及不同化學元素間的計量比例，維持其內(nèi)部化學組成的相對穩(wěn)定，以應對土壤養(yǎng)分限制等外界條件變化對自身生長所帶來的影響，該機制稱為內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)(Perssonetal.,2010)。

　　生物的內(nèi)穩(wěn)態(tài)性作為生態(tài)化學計量學理論的基礎和核心，能夠綜合反映物種對于生存環(huán)境變化的適應性。因此，揭示土壤-植物-微生物生態(tài)化學計量學特征及其內(nèi)穩(wěn)態(tài)性，對研究生態(tài)系統(tǒng)的結構、功能和穩(wěn)定性具有重要意義。樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)為松科松屬常綠喬木，因其具有耐寒、耐干旱和對土壤要求不嚴等優(yōu)良特性，在“三北”風沙區(qū)大規(guī)模引種栽植。

　　學者們對樟子松人工林土壤性質(zhì)影響的研究，主要集中在土壤水分和土壤養(yǎng)分等方面(楊濤等,2005;徐暢等,2021)，為解決沙地土壤水分及養(yǎng)分虧缺的問題提供依據(jù)。在樟子松化學計量特征方面，學者們分別從林齡、密度、干旱脅迫等角度對土壤和葉片等方面進行了研究(淑敏等,2018;王凱等,2020a;王凱等,2020b)，對完善樟子松人工林化學計量學和養(yǎng)分限制理論具有重要意義。

　　目前，大多數(shù)研究主要關注單一林齡下土壤與植物或不同林齡下單一組分的化學計量特征，微生物在土壤物質(zhì)循環(huán)過程中扮演關鍵角色，其化學計量特征在樟子松人工林研究中未得到足夠的重視，將“土壤-植物-微生物”作為系統(tǒng)，研究不同林齡下該系統(tǒng)內(nèi)部C、N、P化學計量及各組分耦合關系和內(nèi)穩(wěn)態(tài)特征的研究具有重要理論意義，且尚未見相關報道。本研究以不同林齡樟子松人工林為對象，分析土壤-針葉-微生物之間的C、N、P含量及生態(tài)化學計量比之間的耦合關系，并探討針葉和微生物隨土壤養(yǎng)分變化的內(nèi)穩(wěn)態(tài)特征，以深入了解樟子松人工林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律和穩(wěn)定機制，為遼西北沙地樟子松林的培育、可持續(xù)經(jīng)營與管理提供理論依據(jù)。

　　1材料與方法

　　1.1研究區(qū)概況

　　研究區(qū)位于科爾沁沙地東南部邊緣的章古臺樟子松人工林試驗基地(42°39′—42°43′N，122°23′—122°33′E)，平均海拔226.5m，地處中溫帶，屬于亞濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫5.5℃，1月份平均氣溫–16.3℃，7月份平均氣溫23.9℃，年平均降水量450~550mm，其中有近70%的降水集中在夏季6—8月份，年蒸發(fā)量1300~1800mm。該地年平均風速4.5m·s−1，春冬季風尤烈，風速可達5.0m·s−1。

　　研究區(qū)土壤主要為風沙土，pH約6.7，植被以抗旱性較強的沙生植物為主，代表性植物有樟子松、山里紅(Crataeguspinnatifida)、榆樹(Ulmuspumila)、大果榆(Ulmusmacrocarpa)、胡枝子(Lespedezabicolor)、鹽蒿(Artemisiahalodendron)、狗尾草(Setariaviridis)、唐松草(Thalictrumaquilegifolium)、中華隱子草(Cleistogeneschinensis)等。

　　1.2研究方法

　　1.2.1樣地選擇與樣品采集

　　2019年9月對研究區(qū)樟子松人工林充分調(diào)查后，選取土壤類型和立地條件基本一致的4種林齡樟子松人工林樣地，并保證其在營造樟子松人工林前均為固定沙地。在每個林齡的樣地內(nèi)分別設置3塊20m×20m的樣方，樣方之間距離不低于100m。在樣方內(nèi)進行每木檢尺，選擇3株平均木作為標準木。

　　分別在標準木樹冠中上部，東、南、西、北4個方向的枝條上隨機采集一齡針葉，混勻后放入紙袋中，做好標記帶回實驗室。105℃殺青，65℃烘干至恒重，使用樣品粉碎機磨成0.15mm的粉末后用于測定植物針葉中的C、N、P含量。同時，用土鉆在每個樣方內(nèi)按“S”型采集0~20cm表土層土壤樣品5個，將土樣充分混勻后帶回實驗室。對一部分土壤樣品進行風干處理，剔除石頭等雜物，研磨并過0.25mm的網(wǎng)篩后測定土壤有機碳、全氮、全磷含量;將另一部分土壤樣品進行4℃冷藏處理，以測定土壤微生物生物量碳(微生物C)、氮(微生物N)、磷(微生物P)含量。

　　1.2.2測定指標及方法

　　2019年10月開始指標測定工作。土壤和針葉有機碳測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，土壤和針葉全氮測定分別采用凱氏定氮法和擴散法，土壤和針葉全磷測定采用酸溶-鉬銻抗比色法(鮑士旦,2005);土壤微生物生物量碳、氮、磷采用氯仿熏蒸浸提法進行提取，提取液碳含量測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，氮含量測定采用凱氏定氮法，磷含量測定采用鉬銻抗比色法，通過計算各元素未熏蒸土樣與熏蒸土樣的差值，得出微生物C、N、P含量(Wuetal.,1990)。

　　1.3數(shù)據(jù)分析

　　試驗數(shù)據(jù)采用SPSS22.0軟件進行平均值和標準差分析，并對不同林齡樟子松土壤、針葉、微生物生物量C、N、P含量及化學計量比進行單因素方差分析(one-wayANOVA)，數(shù)據(jù)顯著性采用Duncan檢驗。對樟子松土壤、針葉、微生物生物量C、N、P含量及化學計量比進行Pearson相關分析，采用Origin2018作圖。

　　2結果與分析

　　2.1不同林齡樟子松人工林土壤-針葉-微生物C、N、P含量

　　樟子松人工林土壤C含量隨林齡增加持續(xù)升高，各林齡土壤C含量之間具有顯著差異性(P<0.05)。土壤N含量隨林齡增加先升高后穩(wěn)定，在成熟林時達到峰值0.41g·kg-1，與幼齡林、中齡林差異顯著(P<0.05)。土壤P含量隨林齡增加呈先升高后降低的變化趨勢，峰值0.25g·kg-1出現(xiàn)在成熟林，與幼齡林、過熟林表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)。隨林齡的增加，樟子松人工林針葉C含量先升高后穩(wěn)定，針葉N、P含量呈先升高后降低的變化趨勢。

　　針葉C、N、P含量最小值602.91、8.87、1.65g·kg-1，均出現(xiàn)在幼齡林，且均在成熟林時達到峰值641.38、10.18、1.81g·kg-1，幼齡林與成熟林針葉C、N、P含量差異顯著(P<0.05)。樟子松人工林微生物C隨林齡增加呈先升高后穩(wěn)定的變化趨勢，在成熟林時達到峰值165.68mg·kg-1，與中齡林、幼齡林差異顯著(P<0.05np9.292.92mgkg-1p>0.05)，與幼齡林、過熟林差異顯著(P<0.05)。

　　2.2不同林齡樟子松人工林土壤-針葉-微生物生態(tài)化學計量比變化特征

　　樟子松人工林土壤C:N為27.6~34.0，隨林齡增加先穩(wěn)定后升高，在過熟林時達到峰值，且顯著高于其他林齡(P<0.05)。土壤C:P和N:P分別為35.6~64.2和1.2~1.9，均隨林齡的增加持續(xù)升高，且在各林齡間差異顯著(P<0.05)。樟子松人工林針葉C:N、C:P分別為61.5~68.4、353.4~375.1，均隨林齡增加先降后升。中齡林與成熟林針葉C:N差異顯著(P<0.05c:pp>0.05)。

　　幼齡林與過熟林針葉C:P差異顯著(P<0.05c:np>0.05)。針葉N:P為5.4~5.8，隨林齡增加先升后降，在中齡林達到峰值，與幼齡林、過熟林差異顯著(P<0.05)。樟子松人工林微生物C:N為16.4~20.0，隨林齡增加呈先降后升的變化趨勢，其中，過熟林微生物C:N顯著高于其他林齡(P<0.05)。微生物C:P為43.7~64.1，隨林齡增加持續(xù)升高，各林齡間均具有顯著差異(P<0.05)。微生物N:P為2.5~3.3，隨林齡增加先升高后穩(wěn)定，最小值出現(xiàn)在幼齡林，與其他林齡差異顯著(P<0.05n:p3p>0.05)。

　　2.3土壤-針葉-微生物C、N、P耦合關系及內(nèi)穩(wěn)態(tài)分析

　　樟子松人工林土壤C含量與針葉生態(tài)化學計量比無顯著相關(P>0.05)，與微生物C:P、N:P呈極顯著正相關(P<0.01)。土壤N含量除與微生物N:P顯著正相關外(P<0.05p>0.05)。土壤P含量與針葉C:N呈極顯著負相關(P<0.01)，與針葉C:P、微生物C:N呈顯著負相關(P<0.05)，與針葉N:P極顯著正相關(P<0.01)。土壤C:N與針葉C:P呈極顯著正相關(P<0.01)，與針葉C:N呈顯著正相關(P<0.05c:pn:pp>0.05)。

　　除土壤N:P與微生物C:N未表現(xiàn)出顯著相關外(P>0.05)，其余土壤生態(tài)化學計量比與微生物生態(tài)化學計量比之間均呈極顯著正相關(P<0.01)。針葉N:P穩(wěn)態(tài)性模型的模擬結果不顯著，表現(xiàn)為絕對穩(wěn)態(tài);針葉C、N、C:P的回歸方程斜率均小于0.25，表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài);針葉P、C:N的回歸方程斜率分別為0.275、0.365，均表現(xiàn)為弱穩(wěn)態(tài)。微生物C、N的回歸方程斜率分別為0.561、0.558，均表現(xiàn)為弱敏感;微生物P、C:N、C:P、N:P的回歸方程斜率均大于0.75，表現(xiàn)為敏感。總體上看，針葉養(yǎng)分和計量比的內(nèi)穩(wěn)態(tài)性遠高于微生物。

　　3討論

　　3.1不同林齡樟子松人工林土壤-針葉-微生物C、N、P含量特征

　　本研究中，不同林齡樟子松人工林土壤C、N、P含量平均值分別為10.29、0.35、0.22g·kg-1，均低于全國平均水平11.12、1.06、0.65g·kg-1(胡啟武等,2014)。與全國第二次土壤普查養(yǎng)分分組標準相比較(全國土壤普查辦公室,1992)，本研究區(qū)土壤C、N、P含量分別為4級(缺乏)、6級(極缺乏)和5級(很缺乏)狀態(tài)，可見該地區(qū)土壤C、N、P含量極為貧瘠。

　　隨著林齡的增加，樟子松人工林土壤C含量持續(xù)增大，造成此現(xiàn)象的原因是林木枯枝落葉層隨林齡增加逐漸增厚，其分解轉(zhuǎn)化的有機碳不斷增多，形成碳積累。土壤N、P含量在成熟林時均達到峰值，推測其原因可能為N和P是植物直接消耗的養(yǎng)分元素，在成熟林之前，樟子松生長所消耗的N、P養(yǎng)分低于枯落物分解轉(zhuǎn)化積累的N、P養(yǎng)分歸還量，因而土壤養(yǎng)分含量持續(xù)提高。

　　本研究中，過熟林土壤N、P相較于成熟林分別呈穩(wěn)定和下降趨勢。也有研究表明，過熟林時期土壤微生物活性下降(程昊天等，2021)，枯枝落葉層向土壤轉(zhuǎn)化積累N、P養(yǎng)分的效率降低。由此可知，樟子松人工林過熟林階段對土壤N的消耗相對減少，對土壤P的消耗相對增加。不同林齡樟子松人工林針葉C含量平均值623.29g·kg-1，與全球尺度葉C含量461.6g·kg-1(Tianetal.,2018)和干旱區(qū)植物葉C含量338.0g·kg-1(李從娟等,2013)相比具有明顯優(yōu)勢。其原因一方面可能是，遼西北沙地較高的光照強度和較為充足的日照時間，提升植物C同化速率;另一方面，針葉相較于闊葉具有較高的含水量，可在一定程度上影響葉片的光合能力(李愛博等，2019)，從而改變?nèi)~片的C積累狀態(tài)。

　　針葉N含量平均值9.58g·kg-1，明顯低于全國區(qū)域內(nèi)植物平均葉N含量19.7g·kg-1(王晶苑等,2011)和干旱區(qū)植物葉N含量18.1g·kg-(李從娟1等,2013)，且明顯低于全球尺度葉N含量20.1g·kg-(1Maetal.,2018)。樟子松人工林較低的針葉N可能是受到該地區(qū)土壤N缺乏的影響，同時表明樟子松在生長過程中對長期N缺乏具有較高的適應能力。樟子松不同生長階段針葉P含量平均值1.72g·kg-1，明顯高于全國區(qū)域內(nèi)P含量1.30g·kg-(王晶苑1等,2011)和全球尺度P含量1.40g·kg-1(Maetal.,2018)。

　　綜上所述，該地區(qū)樟子松針葉具有較高的C和P、較低N的特征。隨著林齡的增加，針葉C、N、P含量總體先增加后降低，在成熟林時達最大值，原因可能與成熟林時樟子松的單葉質(zhì)量和單葉面積均達最大值有關(曾德慧等,2005)，較大的單葉質(zhì)量和面積為針葉通過光合作用形成的C、N積累提供了有利條件，同時此階段樟子松人工林的生長速率較快，因此需要較多的rRNA以增加蛋白質(zhì)的合成，而rRNA是植物的一個主要P庫，這在一定程度上提升了針葉P的積累。

　　與此同時，通過內(nèi)穩(wěn)態(tài)分析可知，樟子松針葉化學計量比存在內(nèi)穩(wěn)性，客觀地保障了樟子松針葉在成熟林階段能夠維持相對較高的C、N、P含量。微生物C可在一定程度上反應出土壤活體微生物的數(shù)量。本研究中，微生物C隨林齡增加先升高后穩(wěn)定，在成熟林時達最大值。這可能是由于樟子松生長過程中，根系分泌物內(nèi)的有機酸、糖類和氨基酸等物質(zhì)均能促進有機質(zhì)分解，增加土壤微生物的可利用營養(yǎng)基質(zhì)，為微生物提供有利的生存條件，營造出適宜生存的微生物環(huán)境。

　　微生物N是微生物體對N素礦化與固持過程的綜合反映，微生物P是植物有效P的重要來源，周轉(zhuǎn)速度快，易受環(huán)境影響。本研究中，微生物N、P隨林齡增加呈先升高后降低的變化趨勢，這可能與林木不同生長階段細根生物量的變化有一定的關聯(lián)，研究表明，樟子松細根生物量隨著林齡的增加呈先升后降的變化趨勢(王凱等,2014)，樟子松細根生物量的增加可提升根系分泌有機物的能力，從而增加對微生物的養(yǎng)分供應，微生物活性得到增強。同時，樟子松細根殘茬在微生物的分解作用下，將養(yǎng)分返還土壤，因此導致成熟林和中齡林微生物N、P較高;過熟林階段土壤微生物活性下降(程昊天等,2021)，N、P富集能力減弱，微生物N、P隨之降低。

　　3.2不同林齡樟子松人工林土壤-針葉-微生物的化學計量比特征

　　土壤C:N被認為是反映土壤氮素礦化能力的標志，可反映微生物群落水平，也可指示凋落物與根系殘茬對土壤C、N的積累程度。本研究中，各林齡土壤C:N均遠高于全國土壤C:N平均值11.90和全球土壤C:N平均值13.33(程濱等,2010)，各林齡土壤均表現(xiàn)出N限制。其中，過熟林的C:N最大，意味著該樹齡受N限制更嚴重。土壤C:P對土壤P的有效性具有指示作用。

　　本研究的各林齡土壤中，幼齡林、中齡林、成熟林C:P均低于全國平均水平61.00(程濱等,2010)，而過熟林C:P則高于全國平均水平，表明過熟林受P限制。綜上可知，過熟林受N、P限制，其原因在于過熟林階段，樟子松人工林土壤相對酸化(于德良等，2019)，土壤真菌病害增多，同時，樟子松根系出現(xiàn)衰退，不能為微生物提供足夠營養(yǎng)基質(zhì)(程昊天等，2021)，土壤微生物活性降低，導致其分解N、P效率下降。

　　土壤N:P可間接作為養(yǎng)分限制和供給水平的有效預測指標。各林齡土壤N:P均遠低于全國水平5.20(程濱等,2010)，表明相對于P元素，N元素是更重要的限制因子，與本文土壤C:N得到的結果一致。 植物葉片C:N和C:P表征植物吸收營養(yǎng)同化C的能力，可反映植物的養(yǎng)分利用效率，具有重要的生態(tài)學意義。本研究中，過熟林針葉C:N和C:P均高于其他林齡，而較高的C:N和C:P同時代表植物較高的N、P利用率，由于過熟林土壤N素和P素缺乏，樟子松在N、P元素供應缺乏的情況下往往具有較高的養(yǎng)分利用效率，從而適應貧瘠的養(yǎng)分狀態(tài)。植物N:P可確定養(yǎng)分限制的閾值，反映土壤對植物生長的養(yǎng)分供應狀況。

　　本研究中，中齡林與幼齡林針葉N含量差異顯著，針葉P含量差異不顯著，其N:P差異顯著;過熟林針葉N、P與成熟林之間差異顯著，但二者針葉N:P未表現(xiàn)出顯著差異，這在一定程度上說明隨林齡增加，樟子松自身調(diào)節(jié)元素需求與養(yǎng)分吸收平衡能力增強。一些研究認為，葉片N:P<14nn:p>16反映植物受P限制，14

　　本研究顯示，樟子松不同生長階段針葉N:P為5.4~5.8，明顯低于全國平均水平14.4(Hanetal.,2005)和全球平均水平13.8(Reichetal.,2004)，再次證實樟子松整個生長過程中始終受N的限制。這為該地區(qū)樟子松林培育管理提供理論依據(jù)，建議該地區(qū)合理施用N肥以改善土壤養(yǎng)分供給，同時引入固氮植物以提高地力。本研究中微生物C:N隨林齡增加先降后升，推測其與土壤中真菌數(shù)量的增加有關。已有研究認為，真菌具有比細菌更高的C:N，即微生物C:N越高，真菌生物量越高(Zhouetal.,2015)。

　　同時，相關研究表明，樟子松土壤中真菌所占比例隨著其林齡的增加先降后升，且衰退林木真菌比例遠高于正常林木(楊濤等,2005)，這在一定程度上印證了此種推斷。微生物C:P可反映微生物對P素的富集程度。本研究隨著林齡增加，微生物C:P不斷提高，表明微生物對P素的固定能力不斷減弱，其中過熟林微生物對P固定能力最弱，原因在于過熟林土壤磷酸酶活性下降，降低了微生物對土壤P的同化能力(于德良等,2019)，同時細根生物量的減少導致根系分泌有機酸的能力下降，而有機酸和微生物(胞外酶等)可促進P元素向活性態(tài)無機P轉(zhuǎn)化(鄧健等,2019)。

　　4結論

　　遼西北沙地樟子松人工林土壤C、N、P含量低，針葉C、P含量較高，N含量較低。各林齡樟子松土壤、針葉均表現(xiàn)為N限制，且過熟林階段N限制更為強烈。此外，過熟林土壤存在P限制，此時微生物對P的固定能力最弱。樟子松人工林土壤、植物、微生物3個組分間存在顯著的耦合關系，針葉的內(nèi)穩(wěn)態(tài)性遠高于微生物。建議對遼西北沙地樟子松人工林施用N肥、引入固氮植物以解除N限制，施用有機肥提高土壤微生物量，同時應對過熟林施P肥以解除P限制，促進樟子松人工林的持續(xù)健康發(fā)展。

　　參考文獻：

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　　程昊天,孔濤,呂剛,等.2021.不同林齡樟子松人工林根際與非根際土壤生態(tài)化學計量特征.浙江農(nóng)林大學學報,38(5):1058-1065.

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　　作者：程昊天孔濤*呂剛王東麗黃麗華張開王翼翔