植物叶片生态化学计量特征及其差异可以反映植物对环境的响应,是了解植物与环境相互作用的关键.特殊的天坑环境创造了良好的植物生长条件.为探究天坑植物的养分利用特征与环境适应性差异,揭示天坑森林植物适应机制,为天坑森林养分循环与群落构建理论研究提供基础数据,该研究对广西大石围天坑群坑内外植物叶片中碳(C)、氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)养分化学计量特征进行比较.采用相关性分析和冗余分析等统计方法研究植物各化学计量间的内在联系和环境对其的影响.结果表明:(1)与其他喀斯特地区植物以及全国陆地植物相比,研究区域内的36科55属64种植物叶片具有较低的C含量,较高的N、P、K、Ca、Mg含量和较低的C:N、C:P,表明天坑植物具有低固C、高养分积累、高生长速率与低养分利用效率的总体特征.(2)大石围天坑群植物叶片N:P平均值为16.65,N:K平均值为1.50,K:P平均值为10.10,表明天坑植物整体K富足而N、P养分受限.(3)显著性分析表明:不同位置、不同功能群植物养分含量与化学计量比存在显著差异,不同环境、不同类型植物养分吸收的策略不同.(4)相关分析表明:植物叶片各养分含量与化学计量比间存在较为显著的相关关系,植物叶片对不同养分的吸收具有一定的比例与协调关系.(5)对叶片化学计量特征影响因子的分析结果表明:土壤是影响叶片养分含量的关键环境因素.研究结果揭示了大石围天坑群植物养分利用特征、生境养分差异以及植物对环境的适应情况,为天坑森林生态系统养分循环与群落构建机制的探索提供了基础数据.

为明确草本植物根系对喀斯特边坡浅层稳定性的影响规律,在重庆酉阳选取典型喀斯特坡地分上、中、下坡位种植沿阶草(Ophiopogon bodinieri H.)和拉巴豆(Dolichos lablab L.),并以裸地为对照,取样测定土壤性质和根系性状,利用无限边坡稳定分析模型计算边坡安全系数,通过建立结构方程模型确定影响边坡稳定的关键根系性状.结果表明:(1)沿阶草和拉巴豆处理的边坡安全系数较对照分别提高了 149.97％-179.96％和52.27％-75.53％,二者提高效果最优的坡位分别是下坡和上坡;(2)两种草处理的土壤粘聚力是对照的1.97-5.11倍,沿阶草的根质量密度显著大于拉巴豆,是拉巴豆的2.78-5.99倍;(3)土壤粘聚力与边坡安全系数相关性最强,二者呈对数函数关系,结构方程模型表明根质量密度是影响边坡稳定的关键根系性状.研究认为喀斯特坡地上坡宜选择直根系草本植物,而下坡宜选择须根系草本植物,且根系质量密度大的植物有利于边坡稳定.本研究可为科学应用草本植物解决喀斯特坡地边坡失稳提供理论依据.

为明确喀斯特森林植物叶片功能性状对土壤特性的响应,采用样地与样线相结合的方法调查茂兰喀斯特森林的木本植物群落,计算不同地形木本植物叶片加权平均性状值,运用单因素方差分析和冗余分析不同地形植物叶片功能性状的差异及其与土壤特性的关系.结果表明,在生长型(常绿、落叶)和群落水平上,植物叶片功能性状在不同地形间存在显著差异(P＜0.05),其中叶面积最为敏感,对生境的响应明显,常绿植物的叶厚度大于落叶植物,比叶面积则相反,而叶绿素含量差异不显著(P＞0.05).不同地形间土壤特性差异显著(P＜0.05),漏斗地形土壤的田间持水量、毛管孔隙度、全氮含量、全磷含量及有机质含量较高,土壤肥力最佳,槽谷和阴坡次之,而阳坡地段土壤相对贫瘠.不同地形植物叶片功能性状与土壤特性间具有相关性,但不同地形土壤特性对叶片功能性状变异的解释率不同,影响植物叶片功能性状的主要土壤特性为有机质含量、全氮含量、全磷含量、田间持水量和土壤容重.茂兰喀斯特森林不同地形植物叶片功能性状和土壤特性的差异较大,随着土壤特性的改变,叶片功能性状的响应特征不同,这有利于林区物种共存及生物多样性维持.

为探究广西乐业大石围天坑森林群落的C、N、P养分循环特征,比较了天坑内外森林群落的植物叶片-凋落物-土壤C、N、P含量及其化学计量比,采用相关性分析和冗余分析等统计方法研究其内在联系和相互影响.结果表明,与天坑外部森林相比,天坑内部森林植物叶片和凋落物呈现出C低N、P高,土壤为C、N低P高的格局.植物叶片C:N、C:P与凋落物C、N:P显著正相关,植物叶片C与土壤P显著负相关;天坑外部森林的植物叶片N、N:P与土壤N:P显著负相关,植物叶片C:N与土壤C、C:N显著正相关,说明天坑森林内部凋落物的C、P养分可能主要来源于植物叶片,而天坑外部森林的植物叶片C、N主要来自土壤.土壤C:N:P对植物叶、凋落物的C:N:P变化的解释率分别为90.7%和50.6%,其中土壤P对植物叶和凋落物的C:N:P计量特征变化的解释度最高,坑内生境植物对P含量变化更为敏感、坑外植物对于N含量变化更为敏感,表明天坑内部森林可能是P素受限位点、天坑外部森林是N素受限位点.喀斯特天坑内部森林和外部森林植物叶-凋落物-土壤的C:N:P的差异和联系,体现了天坑内外森林群落的养分循环特征和植物群落的适应性.

旨在探究喀斯特地区退化生态系统植被恢复树种凋落叶分解过程及其对土壤碳排放的激发效应,为选择合适的树种进行植被恢复提供数据支持.以中国林科院热带林业实验中心大青山石山树木园11种适应性强、耐干旱贫瘠的优良石山树种为研究对象,利用13C自然丰度法区分凋落叶和土壤来源CO2并量化土壤激发效应,比较不同生态恢复树种凋落叶分解及其激发效应的差异,探讨凋落物分解及其激发效应与凋落物性状之间的关联.结果表明:(1)11个生态恢复树种凋落叶在碳相关化学性质(水溶性碳、半纤维素和单宁含量等)、养分含量(磷和镁含量等)及化学计量特征(碳磷比和氮磷比)等方面均表现出较高程度变异.(2)不同生态恢复树种凋落叶分解及其诱导的土壤激发效应具有极显著差异(P＜0.001);在整个培养实验期间,11个生态恢复树种凋落叶平均分解了 35.3％,其中海南椴分解最快,达到50％,而青冈栎分解最慢,仅分解16.5％.(3)总体上看,凋落叶处理的土壤呼吸速率(5.1 mg C kg-1 土壤d-1)是对照土壤呼吸速率(2.3 mg C kg-1 土壤d-1)的2.2倍,凋落叶添加显著促进土壤有机碳分解,平均达到37.6％;其中海南椴、割舌树和任豆凋落叶输入则抑制土壤有机碳分解(抑制程度分别为-13.2％、-6.9％和-22.5％),产生负激发效应.(4)凋落叶分解与非结构性碳(r=0.63,P=0.04)和水溶性碳(r=0.91,P＜0.001)呈显著正相关,与叶干物质含量(r=0.64,P=0.03)、纤维素(r=0.62,P=0.04)和锰含量(r=-0.63,P=0.04)呈显著负相关.多元回归分析结果表明,水溶性碳、钾和钙含量相结合可以解释生态恢复树种凋落叶分解变异的98％;然而,凋落叶性状与土壤激发效应强度之间并没有显著相关性.从土壤养分归还角度考虑,喀斯特退化生态系统恢复树种可以选择光皮梾木、海南椴、顶果木和降香黄檀等凋落叶分解较快的树种,以促进土壤养分循环和植被恢复;另一方面,从土壤碳固持角度来看,海南椴、任豆和割舌树等凋落叶输入会抑制土壤有机碳分解,从而有利于提高退化生态系统土壤碳封存能力.

为了探究喀斯特地区植物根系分泌物酶活性对根际土酶活性和养分的影响,我们测定了灌草丛、灌木林、灌乔林和乔木林4个植被恢复阶段群落水平根系分泌物和根际土的β-1,4-葡萄糖苷酶(βG)、β-N-乙酰葡萄糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)和酸性磷酸酶(ACP)的活性与土壤碳氮磷的含量,并分析了它们之间的关系.结果表明:(1)根际土以及根系分泌物的4种酶活性在植被恢复后期显著高于植被恢复前期;乔木林的根系分泌物酶活性C∶P和N∶P比值显著高于其他植被恢复阶段,而根际土酶活性这2个比值则正好相反.(2)相关分析显示,根系分泌物酶活性与对应的土壤酶活性呈显著正相关;相对于根系分泌物酶活性,土壤酶活性与相关养分的相关系数值更高.另外,根际土以及根系分泌物βG、NAG和LAP酶活性与根际土有机碳(SOC)和全氮(TN)呈显著正相关,根际土以及根系分泌物ACP酶活性与根际土速效磷(AP)呈显著正相关.上述结果表明,植被恢复对根系分泌物酶和土壤酶活性的提高具有正向的作用,根系分泌物酶是土壤酶的有利补充,在碳氮磷养分循环过程中起到积极的促进作用.综上所述,调控根系分泌物分泌及其酶活性可能为喀斯特生态系统的植被恢复提供新的视角.

喀斯特地区土壤中的硝态氮占主导地位,但土壤中的硝态氮含量存在时间和空间上的异质性.因此,种植在喀斯特地区的桑树幼苗可能会遭受低氮胁迫.为了给种植在喀斯特地区的桑树幼苗提供科学的无机氮管理,该研究以桑树幼苗为材料,采用水培试验,以改进的霍格兰(Hoagland)营养液为培养基质,以815N值为22.35‰的硝酸钠提供唯一氮源,设置3个硝态氮浓度梯度(0.5、2.0、8.0 mmol·L-1),测定桑树幼苗的光合特征以及叶、茎和根的干重、碳含量、氮含量和815N值,分析不同供氮水平下桑树幼苗的生理响应,通过整个植株尺度的稳定氮同位素分馏值评估桑树幼苗的氮需求与氮供应的关系,通过植株的氮积累量与碳积累量研究碳氮耦合关系.结果表明:(1)当硝态氮浓度在0.5、2.0 mmol·L-1时,增加硝态氮的浓度能显著提高桑树幼苗的叶绿素含量和净光合速率,进而显著促进生物量的积累.然而,当硝态氮浓度超过2.0 mmol·L-1时,更多的硝态氮供应(8.0 mmol·L-1)并没有带来叶绿素含量、净光合速率和生物量的显著增加.(2)增加硝态氮的供应量能促进桑树幼苗的氮同化,桑树幼苗的氮积累量随着硝态氮供应量的增加而逐渐增加,然而,桑树幼苗的碳积累量在硝态氮浓度为2.0 mmol·L-1和8.0 mmol·L-1时无明显变化.(3)桑树幼苗的硝态氮同化产物的稳定氮同位素分馏值在硝态氮浓度为2.0 mmol·L-1时达到最小.综上所述,硝态氮浓度为2.0 mmol·L-1时的无机氮供应量接近桑树幼苗的无机氮需求量,外部氮供应量与植株氮需求量接近平衡意味着植物体内的碳氮代谢能够有效协调,进而实现了碳氮同化产物的同步增长.

植物细根养分生态化学计量特征是植被适应土壤环境的一种策略.为了解喀斯特地区不同林地类型细根碳(C)氮(N)磷(P)的生态化学计量比值的季节变化及其影响因素,该文研究了喀斯特地区灌木林和乔木林活细根和死细根的C、N、P含量和比值及其与环境因子的关系.结果表明:(1)总体上乔木林两类细根C、N、P含量高于灌木林,表明乔木物种细根对养分的吸收和储存比灌木物种更强.另外,两种林地类型活细根C含量显著高于死细根(P＜0.05),而活细根N、P含量则低于死细根.(2)两种林地类型的两类细根C含量在雨季均低于旱季;灌木林活细根N、P含量在雨季高于旱季,而乔木林相反.灌木林活细根C∶N、C∶P和N∶P比值在雨季均低于旱季;乔木林两类细根的C∶N和C∶P比值在雨季高于旱季,而N:P比值则是雨季低于旱季.雨季较低的活细根N:P比值,表明灌木林和乔木林的植物在雨季的P限制程度较低.(3)两种林地类型上坡两类细根的C含量均高于中坡和下坡,而灌木林下坡N、P含量相对较高,乔木林中坡N、P含量相对较高;灌木林上坡两类细根C∶N、C∶P、N∶P比值相对较高,乔木林下坡两类细根的C∶N比值高于其他坡位而C∶P和N∶P比值是上坡高于其他坡位,表明两种林地中的植物在上坡受P限制影响较强,在中下坡受影响较弱.(4)冗余分析表明,林地类型、有效磷、季节是细根C、N、P养分含量及比值的主要影响因子,它们的单独解释量分别为18.8％、6.6％、6.5％.上述结果表明,在人工促进植被恢复时应考虑适当的林地类型、季节以及坡位差异造成的N∶P比值变化的影响,以便加快喀斯特生态系统的恢复.

为探究喀斯特地区间套种核桃对根际土壤养分及微生态环境的影响,该研究以桂西北喀斯特地区间套种核桃-桑树(H-SS)、核桃-十大功劳(H-SD)、核桃-玉米(H-YM)以及核桃单种(H-D)的核桃根际和非根际土壤为试验对象,基于室内化学实验和Illumina Miseq PE300高通量测序技术,分析不同种植模式下核桃根际与非根际土壤理化性质和微生物特征.结果表明:(1)不同模式核桃根际土壤对全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、速效磷(AP)、土壤有机碳(SOC)和交换性钙主要表现为不同程度的富集作用,对速效氮(AN)有亏缺现象.H-SS对TN、TP和SOC富集作用明显,H-YM富集AP、速效钾(AK)和交换性钙的效果最佳.(2)蔗糖酶活性、微生物量碳、氮及细菌均出现明显的根际效应,H-YM的蔗糖酶活性、磷酸酶活性和微生物量碳最高,但间套种模式降低了微生物量氮和细菌的根际效应.(3)3种间套种模式下根际土壤细菌Shannon指数均高于核桃单种.(4)根际土壤微生物多样性主要受养分影响,非根际主要受酶活性影响.综上认为,间套种能够提高根际养分富集率、增强土壤酶活性、促进微生物增殖.此中,H-SS根际土壤对TN、TP和SOC的富集作用明显,其土壤细菌含量也最高;H-YM根际土壤富集AP、AK和交换性钙的效果更佳.在实际生产中可根据当地经营习俗选择桑树或玉米进行间套种.

人工植被恢复是喀斯特退化山地生态修复的重要途径之一.本研究探讨了喀斯特山地滇柏(Cu-pressus duclouxiano)纯林、刺槐(Robinia pseudoacacia)纯林和滇柏-刺槐混交林等3种类型人工林和未造林地(对照)的土壤养分含量和土壤酶活性及其相关性,为该地区选择适宜的造林树种和方式、改善林地土壤质量提供参考依据.结果表明:(1)4种类型样地土壤均呈碱性,且人工林土壤pH值均显著低于未造林地;人工林土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷含量均显著高于未造林地;全钾、速效钾含量均显著低于未造林地.(2)除碱性磷酸酶外,其余4种土壤酶活性均在滇柏-刺槐混交林中最大.3种类型人工林土壤脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性均高于未造林地.(3)脲酶、多酚氧化酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶等受土壤养分影响的主要因素不同,过氧化氢酶活性与养分指标之间相关性不显著.(4)冗余分析结果表明,土壤全氮、全磷对喀斯特不同类型林分土壤酶活性影响显著,能解释酶活性变异的60.7％,酶活性-养分特征关系方差累计贡献率为78.8％.喀斯特退化山地营建的人工林植被可提高林地土壤养分含量与酶活性,从而改善土壤质量,并为进一步提高人工林生态系统服务功能和稳定性,改善区域生态环境质量奠定基础.