内蒙古林草交错带植物-土壤化学计量特征及其影响因素

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内蒙古林草交错带地处大兴安岭山地和燕山山地森林与草原接壤区,是我国北方重要的生态保护屏障,具有调节气候、涵养水源、保持水土等作用。该区域也是我国典型生态脆弱区之一,具有生态系统稳定性差、水土保持及水源涵养能力低、易退化等特点。而合理的制定植被-土壤管理与恢复措施对应对气候危机、生产力降低、水资源安全及物种多样性减少等至关重要。植物-土壤作为生态系统最重要的组成部分,是人类赖以生存的重要资源。土壤是陆地生态系统中物质和能量交换的重要场所,也是植物主要的载体,提供植物必须的养分,影响植物群落的组成、稳定和演替;反之,植物通过光合作用生产有机物,并通过凋落物的形式将养分逐步返还给土壤。因此了解生态系统中植物-土壤之间的耦合关系及其影响因子至关重要。碳(C)、氮(N)、磷(P)元素是生物体最重要的生源元素,其含量及其比值是反映退化生态系统恢复程度的关键指标。为探明内蒙古林草交错带植物-土壤有机碳(OC)、全氮(TN)、全磷(TP)生态化学计量特征及其驱动因素,揭示该区域植物-土壤养分限制因素和生态系统演变的驱动机制,在研究区由北向南大致以25 km为间隔设置采样点进行野外调查及植物、土壤样品采集,运用统计学及冗余分析(RDA)等方法,分析了植物-土壤OC、TN、TP元素含量及其比值之间的相关性,探讨了植物-土壤OC、TN、TP含量及其化学计量特征,以及气候、土壤、地形及植被因子的影响机制,主要研究结果如下:(1)研究区乔木叶片OC、TN、TP平均含量分别为510.27 g·kg-1、21.49 g·kg-1、1.69 g·kg-1,C:N:P为302:13:1;灌木叶片OC、TN、TP平均含量分别为492.11g·kg-1、22.37 g·kg-1、2.27 g·kg-1,C:N:P为217:10:1;草本植物OC、TN、TP平均含量分别为473.62 g·kg-1、21.10 g·kg-1、2.12 g·kg-1,C:N:P为223:10:1;凋落物OC、TN、TP平均含量分别为492.01 g·kg-1、14.78 g·kg-1、1.15 g·kg-1,C:N:P为427:13:1。不同生活型植物叶片OC、TN、TP含量及其化学比之间存在差异,OC表现为乔木>灌木>凋落物>草本(P<0.05),TN表现为灌木>乔木>草本>凋落物,TP表现为灌木>草本>乔木>凋落物,C:N表现为凋落物显著高于乔、灌、草(P<0.05),C:P表现为凋落物>乔木>灌木>草本,N:P表现为乔木和凋落物显著大于灌木和草本(P<0.05),表明不同生活型植物叶片对养分的适应策略不同。与全球森林和中国草地相比,乔木N:P较高表明其更易受P限制,与我国草原区、农牧交错带沙地和全球范围森林凋落物相比,灌木、草本和凋落物较低的N:P表明其更易受N限制。(2)0-20 cm土层土壤有机碳(SOC)、TN、TP平均含量分别为36.76 g·kg-1、2.65 g·kg-1、0.60 g·kg-1,C:N:P为61:4:1;在20-30 cm土SOC、TN、TP含量降低,分别为27.95 g·kg-1、2.30 g·kg-1、0.55 g·kg-1,C:N:P为51:4:1。与全球森林及草地相比,较低的N:P表明该区域N元素缺乏,在后续恢复过程中,应注意土壤N素的供应。对于不同植被类型而言,OC、TN、TP含量均表现为森林>草地(P<0.05),在0-20 cm土层,C:N、C:P表现为森林显著大于草地(P<0.05),在20-30cm土层,C:P表现为森林显著大于草地(P<0.05)。(3)植物OC、TN、TP之间的相关性:由于植物本身的遗传特性以及不同生活型植物在C固定过程中对TN、TP利用效率不同,因此除草本植物和凋落物TN与TP含量呈显著正相关外(P<0.05),其余植物叶片OC、TN、TP含量及其化学计量比之间没有显著相关性,植物叶片和凋落物C:N主要受TN影响,C:P、N:P主要受TP影响;土壤OC、TN、TP之间的相关性:由于SOC、TN、TP主要来源一致,C、N、P元素间均呈极显著正相关(P<0.01),土壤C:N与C:P主要受OC的影响,N:P主要受TN的影响;植物-土壤OC、TN、TP生态化学计量特征之间的相关性:除灌木叶片TP含量与SOC、TP含量之间呈显著正相关(P<0.05),草本植物OC、TN、TP含量与SOC、TN、TP含量呈极显著负相关外(P<0.01),其余SOC、TN、TP对植物直接影响不大,表现出植物OC、TN、TP与土壤不完全同步的模式,即表明植物叶片养分含量并非由土壤直接决定,可能更多受植物自身遗传物质的影响。(4)根据RDA分析来看,乔木、灌木叶片OC、TN、TP含量及其化学计量比随降水量、海拔、坡度、坡向、电导率、归一化植被指数(NDVI)的升高及温度、pH的降低呈上升趋势,其主要驱动因子分别是植被因子、土壤因子;凋落物OC、TN、TP含量及其化学计量比随降水量、海拔、坡度、坡向、NDVI的升高及温度、pH、电导率的降低呈上升趋势,其主要驱动因子是植被因子;草本植物叶片OC、TN、TP含量及其化学计量比随各环境因子的变化存在差异,其主要驱动因子是气候因子。(5)SOC、TN、TP随降水量、海拔、电导率、NDVI、坡度、坡向的增加而增加,但是随着温度、pH的增加而降低,C:N、C:P、N:P随着影响因子变化存在差异,且在两个土层上随着影响因子的规律亦不相同。RDA分析表明土壤生态化学计量的主要驱动因子是植被因子,其次是土壤、地形、气候因子。
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