自然封育是培育森林资源重要且有效的途径,细根作为植物体重要的资源获取型器官,在森林群落发挥生态功能中扮演重要角色.为明晰自然封育对毛竹细根功能性状的影响,采用空间代替时间的研究方法,以武夷山国家公园内正常经营和封育年限为3、5、10、15年和40年的毛竹林作为研究对象,揭示不同封育年限下毛竹细根功能性状的差异以及对土壤理化性质变化的适应规律.结果表明:(1)封育年限对毛竹细根的功能性状具有显著影响.随着封育年限的增长,毛竹细根的比根长、比根面积、全碳、全氮和全磷含量均呈现先上升后下降的变化趋势,组织密度、碳氮比和碳磷比呈现先下降后上升的趋势,同其他封育毛竹林群落相比,封育10和15年的毛竹林群落中细根比根长、比根面积和养分含量得到显著提高.土壤层次和细根径级对细根功能性状同样具有显著影响.(2)毛竹细根功能性状间随封育年限的变化存在显著的相关性.比根长、比根面积、全碳含量、全氮含量和全磷含量彼此之间存在显著的正相关关系,与碳氮比、碳磷比和组织密度存在显著的负相关关系.(3)随着封育演替进程,毛竹林群落中土壤因子的变化驱动着细根功能性状发生改变,土壤容重同细根养分含量呈显著的负相关关系,土壤碳磷含量与细根比根长和比根面积存在显著的正相关关系,土壤养分含量与细根养分含量呈现极显著正相关关系.综上,自然封育促使毛竹细根通过自身表型可塑性合理权衡不同功能性状之间的资源配置,当封育10-15年,毛竹细根将更多养分集中于资源获取型性状的构建,吸收能力和效率显著提高,林分生产力和生态功能较优,在封育10-15年后适当进行科学的人为经营活动有助于毛竹林的可持续健康发展.

研究土壤养分生态化学计量特征有助于判断土壤质量和认识养分之间的耦合关系.在湿地系统,关于候鸟活动对湿地土壤养分及其化学计量关系的影响仍缺乏了解.本研究选择典型候鸟栖息分布区域——鄱阳湖东湖苔草洲滩,基于候鸟大集群性特征和前期调查,将候鸟集群中心区域、边缘区域和临近天然草滩作为重度、轻度和无候鸟活动(对照)区,分析不同候鸟活动强度下0～100 cm剖面土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)及其化学计量比.结果表明:候鸟活动仅对0～30cm 土壤养分含量影响显著,候鸟轻度活动显著增加了 0～30cm 土层的SOC和TN,候鸟轻度和重度活动均显著增加了 0～30cm 土层的TP;无、轻度和重度候鸟活动下0～100 cm剖面土壤C/N分别为10.0、10.8和9.9,C/P分别为23.5、30.0和22.7,N/P分别为2.3、2.7和2.3,仅0～30 cm 土层的C/N、C/P和N/P在轻度候鸟活动下显著增加,而所有土层化学计量比在重度候鸟活动下均无显著变化.土壤化学计量比与土壤理化性质具有显著的相关性,SOC、TN和TP等是候鸟活动下影响鄱阳湖湿地土壤碳氮磷化学计量比的主要因子.综上,候鸟活动对鄱阳湖湿地土壤碳氮磷化学计量比的影响存在深度阈值(约30 cm),且这些影响多符合"适度干扰假说",研究结果为湿地与候鸟的保护提供了新的视角.

为了解典型沙生半灌木群落植物在氮(N)沉降和降水增加下的响应机制和适应策略,以毛乌素沙地黑沙蒿(别名油蒿,Artemisia ordosica)群落为对象,研究了N、水分添加及其交互作用下土壤与优势植物黑沙蒿和赖草(Leymus secalinus)叶片N含量、磷(P)含量、N:P及相应的内稳性指数.结果显示:(1)土壤速效N、P养分供应状况和植物养分吸收的内在属性共同影响黑沙蒿和赖草叶片N含量、P含量、N:P对N和水分添加的响应,黑沙蒿和赖草叶片N含量对N和水分添加的响应存在种间差异;(2)黑沙蒿和赖草叶片P内稳性均强于叶片N内稳性,与黑沙蒿和赖草生长均受N限制密切关联;(3)黑沙蒿叶片N、P化学计量内稳性相对较高且养分利用策略较为保守,赖草叶片N、P化学计量内稳性相对较低且养分利用策略较为灵活.结果表明,黑沙蒿在干旱贫瘠的环境中更具竞争力和生长优势.在N沉降和降水持续增加的情景下,黑沙蒿群落物种组成可能因优势植物黑沙蒿和赖草竞争力和养分利用策略的不同而发生变化.

植物碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及其生态化学计量比反映了植物对环境变化的适应.然而,目前关于不同植物功能群如何调节C、N、P含量及其生态化学计量比以适应海拔梯度的变化还不清楚.在青藏高原东南缘高寒草甸选取了 60个样点,对不同功能群(禾本科、莎草科、豆科和杂类草)C、N、P含量及其生态化学计量比(质量比)沿着海拔梯度(3300-3500 m、3500-3700 m、3700-3900 m、3900-4100 m和4100-4300 m)的变化规律及其关键驱动因子进行研究.结果表明:1)不同植物功能群具有一定的生态化学计量学内稳性,各功能群C含量,莎草科和豆科N含量,禾本科、莎草科和杂类草P含量,以及除莎草科C∶P之外的不同功能群C∶P和N∶P随海拔升高变化不显著(P＞0.05).2)禾本科和杂类草植物通过增加N含量适应高海拔环境,即海拔3900-4100和4100-4300 m它们的N含量显著高于其他海拔.4100-4300 m豆科植物P含量显著低于3700-3900 m(P＜0.05)是由年平均降水量下降引起的.3)4个功能群C∶N整体上随着海拔增加而下降,表明海拔升高引起植物N素利用效率下降;同时,各植物功能群N∶P均大于16,植物生长受P限制.4)与非豆科植物相比,豆科植物N含量和N∶P高,而C含量和C∶N低.5)冗余分析(RDA)和结构方程模型(SEM)表明,海拔和纬度共同驱动的年平均气温和降水量变化是调控不同植物功能群C、N、P含量及其生态化学计量比的关键因子.综上,海拔梯度上,植物具有增加、降低或保持自身C、N、P含量及其生态化学计量比稳定的生态适应性策略,这种差异因植物功能群的不同而异,因此在构建植物C、N、P生物地球化学模型中应考虑海拔梯度上植物生态适应性策略的差异.

河湖岸带是拦截净化氮磷等陆源污染物进入河湖水体的最后屏障,河湖岸带草本植物的稳定性影响着其对污染物的拦截净化能力,研究河湖岸带草本植物生态化学计量学及内稳性,可为河湖岸带草本植物群落恢复和构建提供基础数据.通过对中国河湖岸带草本植物地上部氮(N)、磷(P)含量及土壤或沉积物、水体进行数据收集,分析了植物氮磷化学计量学和内稳性特征及其与环境因子的关系.结果表明:青藏高原湖区草本植物具有较高的 N 含量(湿生植物:20.51 g·kg-1,水生植物:29.81 g·kg-1)和较低的P含量(湿生植物:1.39 g·kg-1,水生植物:0.99 g·kg-1),N:P>14,表现为P限制,而其他湖区草本植物具有较高的P含量(2.73 g·kg-1),N:P<14,表现为N限制.各湖区植物N、P含量及其比值在空间上具有一定差异,青藏高原湖区水生植物 N 含量最高,东北平原与山地湖区最低(P<0.05);东北平原与山地湖区湿生和水生植物 P 含量最高(P<0.05);青藏高原湖区湿生和水生植物 N:P 最高,东北平原与山地湖区最低(P<0.05).植物N、P含量及N:P受环境中P含量影响最大,其次是环境中N:P和N含量.内稳性模型表明河湖岸带草本植物属于稳态型,其中湿生植物内稳性指数HN、HP及HN:P大于水生植物,表明水生植物受环境胁迫时响应较大,水生和湿生植物对环境中N、P含量变化响应的差异表明水生和湿生植物对环境中N、P不同的保守利用策略.

氮(N)和磷(P)养分有效性是制约森林生态系统林分生产力与碳汇功能的关键要素,但目前对多变环境下森林生态系统养分限制特征还缺乏充分的科学认识.山地生态系统的气候、植被和土壤等环境因子沿海拔的垂直变化格局为深入认识森林养分限制及其驱动因素提供了天然的实验平台.该研究以青藏高原东缘典型的川西亚高山针叶林——岷江冷杉(Abies faxoniana)林为研究对象,通过沿巴朗山2 850-3 200 m海拔梯度的多点取样,从植物叶片N、P养分含量、化学计量变化和地下微生物胞外酶化学计量学的角度,分析了海拔梯度下该区域森林养分限制特征变化规律及其主要驱动因素.结果表明:1)随海拔升高,叶片N、P含量降低而N:P由12.33升高至15.00,表明随海拔升高该区域针叶林叶片生长由N限制转化为N-P共同限制,且P限制随海拔升高而表现出增强趋势;2)矢量模型分析发现不同海拔下根际土壤微生物胞外酶化学计量矢量角度均>45°,且随海拔升高呈上升趋势,表明该区域微生物受P限制,且海拔越高土壤微生物P限制越强;3)进一步通过Pearson相关分析和路径分析表明,海拔引起的气温变化是驱动岷江冷杉林生态系统养分限制的主导因素.综上所述,基于叶片和土壤微生物养分证据均表明川西亚高山针叶林生态系统总体表现出P限制程度随海拔升高而逐渐增强的趋势.

宁夏南部山区是黄土高原的典型代表区域,其生态环境极其脆弱.退耕还林还草工程营造的大面积纯林出现可利用养分不足、生物多样性下降等问题,而营造混交林被认为是提高人工林生态效益的有效途径.本研究以宁南山区刺槐+云杉混交林、刺槐+山杏混交林、刺槐纯林、山杏纯林为对象,基于植物生态化学计量学理论与方法,通过测定植物叶片、凋落物和细根的C、N、P含量,揭示不同人工林的养分循环特征.结果表明:4种林型中各树种的叶片生态化学计量特征具有显著差异,刺槐+云杉混交林中云杉叶片C含量最高,刺槐+山杏混交林中刺槐叶片N、P含量最高,混交林中刺槐和山杏叶片N含量显著高于各自纯林.刺槐纯林与其混交林之间的凋落物量以及凋落物C、N、P含量及化学计量比均无显著差异;山杏纯林凋落物量显著高于混交林,而凋落物C含量显著低于混交林.4种林型的细根生物量均随土层深度增加而下降,其中,刺槐+山杏混交林的总细根生物量最高,刺槐+山杏混交林的细根N含量和N∶P值高于刺槐纯林和山杏纯林.刺槐+山杏混交林叶片与细根间N含量呈显著负相关;刺槐+云杉混交林叶片与凋落物间N含量呈显著负相关,叶片与细根间P含量呈显著正相关;山杏纯林凋落物与细根间P含量呈显著负相关.宁南山区混交林养分模式优于纯林,刺槐+山杏的混交造林模式最佳,混交造林在一定程度上降低了元素对植物生长的限制作用.

为探究山地森林生态系统藓类C、N、P化学计量学特征及适应机制,本研究沿海拔梯度在宁夏贺兰山青海云杉林设置15个样地,分析藓类地上组织C∶N∶P化学计量特征及其与环境因子的关系.结果表明:藓类植物地上组织C、N、P含量与海拔无关,且均值分别为336.67、20.31和0.66 mg·g-1;地上组织N∶P均值为33.4,说明藓类植物生长受P限制.藓类植物地上组织中C含量与土壤全氮含量呈显著正相关,与土壤全磷含量呈显著负相关;藓类植物地上组织中N含量与土壤有机碳和土壤全氮含量均呈显著负相关.冗余分析表明,环境因子对藓类地上组织化学计量特征的解释率为48.5％,主要环境影响因子为郁闭度、土壤全氮、土壤全磷;高郁闭度对藓类植物的生长具有促进作用.

氮(N)、磷(P)、钾(K)是植物生长发育的关键元素,探明N、P、K生态化学计量特征的物候期动态有助于更好地理解植物生长过程中养分限制、资源吸收利用及生物量分配等生理生态过程.该研究以滇西北地区大田栽培藜麦(Chenopodium quinoa)为研究对象,采用田间观测、取样和室内实验相结合的方法,分析了藜麦根、茎、叶片和穗N、P、K含量及其计量比在生长显穗期、开花期、灌浆期和成熟期之间的差异,及与各器官生物量分配比的相关性.结果显示:(1)藜麦根、茎、叶片、穗N含量分别为9.28、12.22、33.68、31.28 mg·g-1,P含量为2.64、3.71、4.98、5.68 mg·g-1,K含量为25.63、43.80、74.08、56.73 mg·g-1,N∶P为4.66、4.20、7.37、5.70,N∶K为0.39、0.31、0.46、0.62,K:P为 13.77、14.31、16.82、9.79.(2)藜麦根、茎、穗N、P、K含量及叶片N、P含量均随物候期的推移显著下降,体现出明显的物候期稀释效应.相反,藜麦叶片K含量随着生长进程显著升高,可能表明干旱胁迫下藜麦极强的抗旱机制.藜麦根和茎中N、P、K分配比及生物量分配比相对稳定,而叶片中分配比均在开花期最高而后显著下降,穗中分配比随物候期推移显著上升并在成熟期达到最高值,表明藜麦开花期叶片和穗发生关键的资源分配调节,进入灌浆期营养元素逐渐向穗中转移,生物量显著提高.(3)变异来源分析表明,器官对藜麦N、K含量及N:P变异的贡献大于物候期变化,而物候期对藜麦P含量变化的贡献大于器官间的差异.(4)藜麦各器官间N、P、K分配比和生物量分配比存在紧密耦合,具体为藜麦根和叶片生物量分配比与根和叶片N、P、K分配比均呈显著正相关关系,与穗N、P、K分配比呈显著负相关关系;穗生物量分配比仅与穗N、P、K分配比呈显著正相关关系,与根和叶片N、P、K分配比均呈显著负相关关系.

柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)是晋西北丘陵风沙区主要的退耕还林植物,在维持群落物种多样性、生态系统稳定和土壤环境恢复等方面发挥着非常重要的作用.为探究不同林龄柠条锦鸡儿人工林生态系统碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征与叶片光合作用和土壤环境因子之间的相互关系,该研究以晋西北丘陵风沙区不同林龄(0、6、12、18、40和50年)柠条锦鸡儿人工林植物叶片和土壤为研究对象,分析了柠条锦鸡儿叶片和土壤C、N、P化学计量的变化特征及其相互关系.结果表明:1)随着林龄的增加,柠条锦鸡儿叶片C、N含量显著增加,P含量呈先增加后减少的趋势,叶片的C、N、P含量分别在434.14-452.26、15.72-28.11、1.32-1.95 g·kg-1之间,其中叶片C、N含量均在林龄50年达到最大值,而叶片P含量在林龄18年达到最大值;叶片C∶N呈先增加后减少的趋势,林龄18年达到最大值,N∶P呈显著增加趋势,林龄50年达到最大值.叶片的光合色素(叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素含量)随着林龄增加呈显著下降的趋势,叶片的C、N含量对光合色素含量变化具有显著的影响.2)土壤含水量在0-20 cm土层呈先增加后减少趋势,尤其在林龄18年之后显著下降;0-20 cm土层中的土壤有机碳(SOC)和全氮(STN)含量随着林龄的增加而增加,土壤全磷(STP)含量无显著变化.土壤C∶N、C∶P和N∶P随着林龄的增加呈增加的趋势.3)柠条锦鸡儿人工林土壤含水量与SOC和STN含量具有显著正相关关系,SOC和STN含量之间也呈显著的正相关关系;柠条锦鸡儿叶片N和P含量具有显著正相关关系;叶片C、N含量与土壤SOC、STN、STP含量之间均呈显著正相关关系,与土壤含水量呈负相关关系,叶片化学计量比与土壤化学计量比之间呈显著正相关关系.随着林龄的增加,柠条锦鸡儿人工林主要受P含量及土壤含水量的影响.该研究结果对系统了解柠条锦鸡儿人工林生态系统的养分变化,养分调控和抚育管理具有指导意义.