本文關(guān)鍵詞：陜西黃土高原刺槐枯落葉生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

DOI: 10.5846/stxb201306101562

陜西黃土高原刺槐枯落葉生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征?

陳亞南1，馬露莎1，張向茹1，楊佳佳1，安韶山2,*

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西楊陵 712100;

2. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西楊陵 712100）

摘要: 生態(tài)系統(tǒng)元素平衡是當(dāng)前全球變化生態(tài)學(xué)和生物地球化學(xué)循環(huán)研究的焦點和熱點，生態(tài)化學(xué)計量學(xué)結(jié)合了生物學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等基本原理，是研究生物系統(tǒng)能量平衡與多重化學(xué)元素平衡的科學(xué)，為研究元素在生物地球化學(xué)循環(huán)與生態(tài)過程中的規(guī)律及其之間的計量關(guān)系提供了一種綜合的方法。本研究以陜西黃土高原人工刺槐林為研究對象，結(jié)合緯度和坡向兩個因素，分析了三原、淳化、耀州區(qū)、宜君、黃陵、洛川、富縣、甘泉、寶塔區(qū)、安塞、米脂、神木12個縣區(qū)的刺槐枯落葉生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，陽坡刺槐枯落葉C、N、P含量的變化范圍分別為318.34—428.01 g/kg、13.27—24.07 g/kg、1.66—2.57 g/kg；陰坡刺槐枯落葉C、N、P含量的變化范圍分別為306.70—433.68 g/kg、12.55—24.39 g/kg、1.62—2.99 g/kg。陽坡刺槐枯落葉C:N、C:P、N:P的變化范圍分別為14.23—24.61、148.67—215.92、7.37—14.47；陰坡刺槐枯落葉C:N、C:P、N:P的變化范圍分別為16.87—26.54、130.06—234.41、7.05—13.22。隨著緯度的升高，刺槐枯落葉C、N顯著下降，刺槐枯落葉P、C: N、C:P、N:P無明顯差異。刺槐枯落葉C、N、P之間呈顯著正相關(guān)。刺槐枯落葉C、N、P、C:N、C:P、N:P在陰坡和陽坡之間無明顯差異。本研究區(qū)，陰坡和陽坡的刺槐枯落葉N:P均較低，刺槐林土壤的全氮平均含量也低于全國平均水平，推測陜西黃土高原刺槐林的生長可能主要受到氮素的限制。

關(guān)鍵詞：黃土高原；刺槐；枯落葉；生態(tài)化學(xué)計量學(xué)；緯度；坡向

Ecological stoichiometry characteristics of leaf litter of Robinia pseudoacacia in the Loess Plateau of Shaanxi Province

CHEN Yanan1, MA Lusha1, ZHANG Xiangru1, YANG Jiajia1, AN Shaoshan2,*

1 College of Resources and Environment, Northwest A＆F University, Yangling, Shaanxi 712100, China

2 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Northwest A＆F University, Yangling, Shaanxi 712100, China Abstract: The balance between various elements of the ecosystem has been the focus of research related to the ecology of global change and biogeochemical cycles. Ecological stoichiometry is the study of the balance of energy and elements in biological systems and is based on the general laws of physics, chemistry and biology. Ecological stoichiometry provides an integrated approach to investigating the stoichiometric relationships and rules in biogeochemical cycling and ecological processes. Robinia pseudoacacia, a leguminous tree, is the main species used for afforestation in the Loess Plateau of China. R. pseudoacacia has some special features, such as a rapid growth, being easy to propagate, being very 基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目(41171226); 教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-12-0473); 西北農(nóng)林科技大學(xué)“優(yōu)秀人才科研專項（QN2011049）”資助

* 通訊作者Corresponding author. E-mail: shan@ms.iswc.ac.cn

adaptable to various environmental conditions and an strong ability to fix nitrogen in a biologically useful form, allowing it to be widely planted in the Loess Plateau. To explore ecological stoichiometric characteristics of leaf litter of R. pseudoacacia in the Loess Plateau, R. pseudoacacia forests scattered across 12 counties (listed below) on both sunny and shady slopes were selected for study. Data were collected at each site on latitude, slope and aspect, light conditions, temperature, water and soil conditions. The C, N, and P contents of R. pseudoacacia leaf litter were studied from sites scattered from south to north in the Loess Plateau of Shaanxi Province, including Sanyuan, Chunhua, Yaozhou, Yijun, Huangling, Luochuan, Fuxian, Ganquan, Baota, Ansai, Mizhi and Shenmu counties. The results showed that C, N, and P contents of R. pseudoacacia leaf litter from sites on sunny slopes range from 318.34 to 428.01 g/kg, 13.27 to 24.07 g/kg, and 1.66 to 2.57 g/kg, respectively. Leaf litter C, N, P content of shady slopes ranged from 306.70 to 433.68 g/kg, 12.55 to 24.39 g/kg, and 1.62 to 2.99 g/kg, respectively. Leaf litter C:N, C:P, N:P ratios on sunny slopes ranged from 14.23 to 24.61, 148.67 to 215.92, and 7.37 to 14.47, respectively. Leaf litter C:N, C:P, N:P ratios on shady slopes ranged from 16.87 to 26.54, 130.06 to 234.41, and 7.05 to 13.22, respectively. C and N contents decreased significantly in R. pseudoacacia leaf litter with increasing latitude in the 12 counties, although P content in the leaf litter did not change significantly among the 12 counties. The same trend was observed between R. pseudoacacia leaf litter and soil when latitude increased. The C, N and P content in R. pseudoacacia leaf litter were positively correlated to each other. The C:N, C:P, N:P ratios were not significantly different in R. pseudoacacia leaf litter among the 12 counties with increasing latitude. Slope aspect had no effect on the C, N and P content of R. pseudoacacia leaf litter and soil. The leaf N:P ratio can be used as an ecological indicator for shortages of these two nutrients at the individual plant and community levels. In this research, the ratios of N:P in R. pseudoacacia leaf litter on both sunny and shady slopes were small. In addition, the soil N content of this study area was less than average for all of China, which implies that available N was the main factor limiting the distribution of R. pseudoacacia in the Loess Plateau of Shaanxi Province. Further research should be conducted to determine whether this conclusion can be applied over a broader spatial scale.

Key words: Loess Plateau; Robinia pseudoacacia; leaf litter; ecological stoichiometry; latitude; slope aspect

生態(tài)化學(xué)計量學(xué)結(jié)合了生物學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等基本原理，是研究生物系統(tǒng)能量平衡與多重化學(xué)元素（主要是C、N、P）平衡的一門學(xué)科 [1]，目前，已廣泛應(yīng)用于種群動態(tài)、生物體營養(yǎng)動態(tài)、微生物營養(yǎng)、寄主—病原關(guān)系、生物共生關(guān)系、消費(fèi)者驅(qū)動的養(yǎng)分循環(huán)、限制性元素的判斷、生態(tài)系統(tǒng)比較分析和森林演替與衰退及全球C、N、P生物地球化學(xué)循環(huán)等研究[2]。

枯落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，在營養(yǎng)循環(huán)、水源涵養(yǎng)、水土保持以及碳的固定等方面發(fā)揮著重要的生態(tài)功能[3]�？萋湮锏牡蚵浜头纸馐巧稚鷳B(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的基本過程，與土壤養(yǎng)分的累積、植物自身養(yǎng)分的吸收調(diào)控密切聯(lián)系，枯落物的養(yǎng)分狀況在一定程度上反映了土壤的養(yǎng)分供應(yīng)

狀況以及植物的養(yǎng)分利用狀況。研究枯落物的生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征對于揭示生態(tài)系統(tǒng)各組分之間的養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律，闡明系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及促進(jìn)生態(tài)化學(xué)計量學(xué)理論的發(fā)展具有重要的意義。

黃土高原是我國水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，直接影響了黃河流域的生態(tài)安全。為了改善黃土高原的生態(tài)環(huán)境，以退耕還林還草為核心的生態(tài)環(huán)境建設(shè)迅速展開 [4]。作為 生態(tài)恢復(fù)與重建的主要手段，人工植被恢復(fù)對改善土壤性質(zhì)有著顯著作用[5-7]。刺槐(Robinia

pseudoacacia)作為黃土高原主要造林樹種之一，由于生長快、適應(yīng)性強(qiáng)、繁殖容易、固氮等特點[8-9]，20世紀(jì)70年代末至80年代初，得到大面積栽植，為改善生態(tài)環(huán)境、調(diào)節(jié)黃河流域的水文狀況起到了關(guān)鍵作用[10]。目前，黃土高原針對刺槐的研究，主要集中在刺槐的生長特性[11-16]、刺槐對土壤的水

而涉及刺槐生態(tài)化學(xué)計量學(xué)方面的研究較少[22]。緯度和坡向代表了不同的文效應(yīng)及養(yǎng)分效應(yīng)[17-21]，

光照、溫度、水分和土壤條件[23-24]，目前，國內(nèi)關(guān)于緯度、坡向?qū)χ参锶~片生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征影響的研究相對較少 [25-29]，而結(jié)合緯度和坡向?qū)χ参锟萋淙~的研究還未曾報道。本文以陜西黃土高原從南到北12個縣區(qū)的人工刺槐林為研究對象，探討了陰坡和陽坡刺槐枯落葉C、N、P的生態(tài)化學(xué)計量特征，有助于闡明生態(tài)系統(tǒng)C、N、P平衡的元素化學(xué)計量比格局和C、N、P元素之間的相互關(guān)系，為黃土高原生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的驅(qū)動機(jī)制奠定了基礎(chǔ)，也為中國大區(qū)域尺度的元素計量學(xué)特征、陸地生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)提供了科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1. 1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土高原中部，采樣點由南向北分別為三原、淳化、耀州區(qū)、宜君、黃陵、洛川、富縣、甘泉、寶塔區(qū)、安塞、米脂、神木（圖1）。該研究區(qū)域位于中緯度溫帶，34°43’—38°49’N，108°49’—110°22’E，海拔853—1338 m，地貌為黃土塬梁丘陵溝壑地貌。年平均氣溫7—9 ℃，年降雨量350—650 mm，溫度和降雨量由南到北遞減，具有明顯的地域性差異。

圖1 采樣點分布

Figure.1 Distribution of sample sites

1. 2 樣地設(shè)置與取樣

通過大量查閱刺槐相關(guān)文獻(xiàn)資料以及走訪陜西省林業(yè)相關(guān)部門領(lǐng)導(dǎo)及各地老農(nóng)，于2011年8月確定了采樣點。為保證各采樣點的一致性，采樣時間選擇了刺槐生長的茂盛時期，各樣點均選取林相整齊、林木分布較均勻、坡位一致的人工刺槐林（平均林齡20年）為研究對象。每個采樣點設(shè)置陰陽兩個坡面，每個坡面設(shè)置2個10 m×10 m的大樣方，在每個大樣方內(nèi)從坡上到坡下按照“S”型5點法選擇1 m×1 m的小樣方，重復(fù)2次，并在小樣方內(nèi)挑選出刺槐的枯落葉(包括可辨認(rèn)的半腐解部分)，分別混勻，四分法取部分裝入牛皮紙袋；土壤的采集與枯落葉的采集相對應(yīng)，用土鉆從坡上到坡下按照“S”型5點法取0—10 cm土層，重復(fù)2次，充分混勻后用四分法取部分裝入塑封袋帶回。各采樣點概況及林分狀況（分別見表1和表2）。

表1 樣地概況

Table 1 Survey of the plots

采樣點

Sample site 坡向 Slope aspect 經(jīng)度 Longitude(E)緯度 Latitude(N) 海拔 Altitude

/m

三原

Sanyuan

淳化

Chunhua

耀州區(qū)

Yaozhou

宜君

Yijun

黃陵

Huangling

洛川

Luochuan

富縣

Fuxian

甘泉

Ganquan

寶塔區(qū) 陽坡 108°49′29.69″陰坡 108°49′38.59″陽坡 108°39′17.69″陰坡 108°39′26.13″陽坡 108°59′36.08″陰坡 108°59′18.31″坡位 Slope position 坡度 Gradient /(°) 34°43′37.79″ 935 中坡 32 34°43′41.65″ 852 中坡 24 34°55′4.21″ 1318 中坡 33 34°55′0.91″ 1325 中坡 23 35°00′0.85″ 824 中坡 30 35°00′14.12″ 882 中坡 31 陽坡 109°04′3.13″ 35°16′27.18″ 1384 中坡 26 陰坡 109°04′5.65″ 35°16′28.4″ 1292 中坡 34 陽坡 109°14′34.79″陰坡 109°14′54.15″陽坡 109°26′22.66″陰坡 109°26′13.31″陽坡 109°25′28.83″陰坡 109°25′46.96″陽坡 109°24′44.03″陰坡 109°24′34.83″陽坡 109°09′48.48″35°33′46.02″ 969 中坡 13 35°34′57.52″ 893 中坡 20 35°42′33.7″ 1003 中坡 23 35°42′30.64″ 1041 中坡 29 35°59′58.1″ 1015 中坡 31 35°59′58.63″ 1040 中坡 20 36°21′22.08″ 1132 中坡 21 36°21′27.94″ 1109 中坡 18 36°41′41.12″ 1181 中坡 25

  本文關(guān)鍵詞：陜西黃土高原刺槐枯落葉生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。