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林下植被作为构成森林生态系统的重要部分,同时具有促进养分循环和降低水土流失量等功能,在维护生态系统多样性和稳定性方面有突出作用。森林生态系统林地内养分循环结构组成会伴随着灌木树龄而变化,且灌木与草本的竞争关系日益加强,对林下植被的生长发育以及养分元素的分配有重要影响[1-2]。凋落物在森林生态系统中可视为植物生长发育和土壤养分循环之间的连接纽带,同时凋落物的养分高低间接反应了林地的生产力水平[3]。研究表明,森林在生长发育过程中需要大量的氮磷钾等养分元素,其中,所需养分中,有70%~80%的总氮量、65%~80%的总磷量和30%~40%的总钾量是通过森林凋落物分解、归还到土壤的过程而获得[4]。
目前,有关森林生态系统中林下植被和凋落物各组分的化学计量特征已有较多研究。一方面,有研究表明,在植物生长发育过程中,植物叶片的N/P临界比值对植物所处环境和其所需养分的供应状况有制约作用,其比值可作为表征这种供应状况的指标,且对植物间的不同器官而言,其N/P的临界比值间差异突出[5]。Kerkhoff等[6]通过对大量种子植物的研究发现,同种植物各器官之间的N含量和P含量以及N/P之间存在相关性,同时N含量和P含量在木本和草本植物之间存在差异;Freschet等[7]的研究进一步说明,C、N、P含量在植物的叶、茎、根之间具有相关关系。另一方面,Zhang等[8]对不同森林生态系统中超过400种植物的凋落物进行研究发现,同一种森林类型的年凋落物总量差异显著,不同森林生态系统中的季节性凋落物形态多样,各森林类型间差异明显。
以上研究是对植物养分循环、凋落物分解特征等方面进行分析,多集中于乔木,但对不同分解层凋落物的C、N、P含量及化学计量特征以及林下植被层各器官与凋落物之间的相关关系研究较少[9-10]。因此,本研究以地处同一气候区域、林龄相近、覆盖度高的5种滇中亚高山典型森林生态系统常绿阔叶林、滇油杉(Keteleeria evelyniana Mast)林、高山栎(Quercus semicarpifolia Smith)林、华山松(Pinus armandii Franch)林、云南松(Pinus yunnanensis Franch)林为研究对象,研究该森林生态系统内林下植被层器官(灌木叶、茎、根及草本地上和地下部分)和凋落物层(未分解层、半分解层、完全分解层)的C、N、P含量及化学计量比,了解磨盘山区域森林生态系统典型林分林下植被层和凋落物层各组分的C、N、P化学计量比格局,探究物种与器官对林下植被层和凋落物层C、N、P化学计量特征的影响,以期为森林生态系统养分再分配提供理论参考。
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试验在磨盘山内的5种典型林分常绿阔叶林(CL)、滇油杉林(DY)、高山栎林(GS)、华山松林(HS)和云南松林(YN)中随机选取3块面积为20 m×20 m的样地,合计15块样地,样地情况见表1。在每个样地内沿对角线方向,设置5个2 m×2 m的小样方和5个1 m×1 m的小样方,用于调查林下灌木层、草本层及凋落物现存量的测定。
森林类型
Forest type样地编号
Plotnumber林龄
Age/a海拔
Altitude/m坡向
Slope
aspect坡度
Slope gradient/(°)郁闭度
Canopy
density密度
Density/
(株·hm−2)平均胸径
Average DBH/cm平均树高
Average height/m土壤类型
Soil
category常绿阔叶林(CL)
Evergreen broad-leaf forest1 16 2 258 西北 NW 13 0.85 4 614 9.5 9.0 红壤 2 14 2 193 西北 NW 15 0.90 4 742 9.0 9.2 3 16 2 236 西北 NW 16 0.87 4 528 8.9 8.9 滇油杉林(DY)
Keteleeria evelyniana forest1 18 2 288 西北 NW 10 0.65 285 11.3 12.1 红壤 2 19 2 375 西北 NW 12 0.70 314 11.0 15.0 3 18 2 292 西北 NW 14 0.61 301 12.1 14.0 高山栎林(GS)
Quercus semicarpifolia
forest1 14 2 208 东北 NE 16 0.92 1 037 9.0 4.5 黄棕壤 2 15 2 373 东北 NE 14 0.88 1 131 10.0 4.0 3 15 2 281 东北 NE 15 0.90 1 072 10.6 4.0 华山松林(HS)
Pinus armandii forest1 19 2 119 东北 NE 18 0.60 3 578 12.3 10.9 红壤 2 18 2 178 东北 NE 20 0.65 3 387 11.0 10.3 3 19 2 156 东北 NE 19 0.73 3 433 12.1 9.9 云南松林(YN)
Pinus yunnanensis forest1 22 2 193 西北 NW 13 0.73 1 428 10.2 8.4 红壤 2 24 2 158 西北 NW 15 0.82 1 389 12.5 11.0 3 22 2 236 西北 NW 12 0.75 1 495 11.0 9.0 Table 1. Geophysical characteristics of the investigating plots in each forest type in Mopan mountain
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野外测定以国家林业局森林资源清查的操作规范为标准,对样地内符合标准(胸径(DBH)≥5 cm)的林木进行测定,记录物种名、胸径和树高[13]。灌木叶按照东南西北的方向选取发育良好、结构完整且无病虫害的叶、根和茎,参照史军辉等[14]分径级,灌木茎分<1、1~2、2~4、>4 cm 4个径级,灌木根分<1、1~5、5~10、>10 cm 4个径级,各个小样方内的4个径级按每个植株各采集一份根样进行混合;草本层分为地上和地下部分进行采集;以上样品分别取200 g左右带回实验室。对森林地表的凋落物,按其结构和分解状态划分为3个分解等级:未分解、半分解和已分解层[15],在小样方内按以上3层进行采集,每个样方按层次分别取200 g。
采集的样品在65 ℃下烘干至恒质量,采用粉碎机粉碎后过100目筛,样品装入塑封袋后供元素测定。碳含量用重铬酸钾-外加热硫酸氧化法(GB 7657—87)进行测定、氮含量用半微量凯氏定氮法(LY/T 1269—1999)测定,磷含量用钼锑抗比色法(LY/T 1270—1999)进行测定。
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实验数据用Excel 2019和SPSS22统计分析软件进行处理分析,对不同森林类型林下植被层各器官和不同凋落物层C、N、P含量及化学计量比采用单因素方差分析(One-Way ANOVA),并用最小显著差异法(LSD)和Tamhane's T2法进行多重比较,采用双因素方差分析法(Two-way ANOVA)分析林型和器官对灌木层、草本层和凋落物层C、N、P含量及化学计量特征的影响,显著性差异检验在0.05水平。
2.1. 样地设计
2.2. 野外取样及室内样品测定
2.3. 数据处理与分析
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由表2可看出:林下植被层各器官之间C、N、P含量均存在显著差异(P<0.05),不同林分林下植被层的平均C含量常绿阔叶林最高(515.63 mg·g−1),滇油杉林最低(433.90 mg·g−1)。灌木层中,除云南松林外,其他4种林分各器官的C含量差异显著(P<0.05),其含量均表现为叶>根>茎。草本层中,高山栎林和华山松林间C含量差异不显著,但与其他3种林分的C含量差异显著(P<0.05),5种林分的C含量均表现为地下部分>地上部分。不同林分间凋落物的C含量存在差异,但同一林分不同凋落物分解层间差异显著(P<0.05),均表现为未分解>半分解>完全分解。
组分
Components林分
Forest灌木 Shrub 草本 Herb 凋落物 Litter 叶
leaf茎
Stem根
Root地上
Aboveground地下
Underground未分解
Undecomposed半分解
Semi decomposition完全分解
Complete decompositionC CL 561.08±3.64 Ab 507.23±3.03 Ad 520.04±2.60 Bc 493.91±4.45 Ae 495.89±5.85 Ae 625.80±3.01 Aa 407.52±2.25 Af 81.47±1.21 Dg DY 489.11±4.58 Db 424.18±3.30 Bd 434.98±2.50 Cc 410.17±1.05 De 411.04±3.53 De 596.05±5.35 Ba 379.44±3.39 Cf 133.25±1.96 Bg GS 547.38±3.98 Ab 498.72±5.96 Ad 522.57±4.89 Bc 460.51±3.68 Bf 478.78±4.45 Be 598.93±6.43 Ba 394.41±4.31 Bg 92.82±0.16 Ch HS 553.37±5.92 ABb 499.03±5.99 Ad 518.90±4.09 Bc 454.32±7.53 Bf 474.10±4.17 Be 570.42±4.49 Ca 376.65±5.52 Cg 129.40±2.93 Bh YN 503.40±3.97 Cc 492.93±2.65 Ac 538.30±4.54 Ab 435.62±2.94 Cd 440.07±4.57 Cd 576.00±5.17 Ca 406.00±3.45 ABe 152.00±2.73 Af N CL 15.89±0.27 Aa 3.68±0.08 Df 5.91±0.10 Ce 11.59±0.27 Bc 8.53±0.31 Ad 11.32±0.22 Ac 13.38±0.19 Ab 15.89±0.24 Ba DY 11.84±0.12 Cc 3.07±0.04 Eg 4.65±0.07 Df 11.61±0.23 Bc 7.12±0.03 De 9.87±0.09 Dd 12.76±0.07 Ab 17.50±0.01 Aa GS 11.70±0.15 Ccd 6.72±0.09 Ag 7.50±0.08 Af 11.43±0.06 Bc 8.39±0.14 Be 11.03±0.11 ABd 14.14±0.17 Ab 15.99±0.28 Ba HS 10.32±0.25 Dd 6.16±0.07 Bg 6.92±0.11 Bf 12.89±0.06 Ab 9.88±0.11 Be 10.87±0.12 Bc 13.25±0.07 Ab 16.80±0.18 ABa YN 13.88±0.14 Bc 5.36±0.06 Cf 7.52±0.08 Ae 12.83±0.13 Ab 7.42±0.06 Ce 10.30±0.11 Cd 13.66±0.14 Ab 14.41±0.15 Ca P CL 0.90±0.01 Ab 0.60±0.01 Af 0.63±0.01 Ae 0.62±0.01 Aef 0.72±0.01 Bc 0.55±0.01 Ag 0.65±0.01 Ad 0.93±0.01 Aa DY 0.61±0.01 Cb 0.43±0.01 Cd 0.45±0.01 Dd 0.46±0.01 Cd 0.54±0.01 Cc 0.37±0.01 Be 0.54±0.01 Cc 0.72±0.01 Ca GS 0.73±0.01 Bb 0.56±0.01 Bcd 0.58±0.01 Bcd 0.51±0.01 Bd 0.63±0.01 Bc 0.51±0.02 Ad 0.63±0.01 ABc 0.92±0.02 Aa HS 0.59±0.01 Dc 0.35±0.01 Ef 0.50±0.01 Cd 0.45±0.01 Ce 0.66±0.01 Cb 0.49±0.01 Ad 0.57±0.01 BCc 0.79±0.02 Ba YN 0.56±0.01 Dc 0.37±0.01 De 0.37±0.01 Ee 0.45±0.01 Cd 0.54±0.01 Ac 0.51±0.01 Ac 0.66±0.01 Ab 0.89±0.01 Aa 注:CL:常绿阔叶林;DY:滇油杉林;GS:高山栎林;HS:华山松林;YN:云南松林。不同小写字母表示同一森林类型不同器官或层次间差异显著(P<0.05),不同大写字母表示同一器官或层次不同森林类型间差异显著(P<0.05),下同。
Notes: Different small letters indicate that there are significant differences among different organs or levels of the same forest type, and different capital letters indicate that there are significant differences among different forest types of the same organ or level; the same below.Table 2. Contents of C, N and P in undergrowth and litter layers of five forest types
不同林分下,灌木层不同器官的平均N含量均表现为叶>根>茎;草本层中,滇油杉林的平均N含量最低(9.36 mg·g−1),同一林分地上部分与地下部分平均N含量均差异显著(P<0.05),均为地上部分>地下部分。同一林分的平均P含量,在灌木层为叶>根>茎,不同林分间差异显著(P<0.05),草本层为地下部分>地上部分;在凋落物中,高山栎林的平均N含量最高(13.72 mg·g−1),云南松林的最低(12.79 mg·g−1),同一林分不同凋落物分解层的N和P含量差异显著(P<0.05),均为完全分解>半分解>未分解。
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表3表明:不同林分林下植被层,常绿阔叶林和滇油杉林的C/N与其他3种林分差异显著(P<0.05),且显著高于其他3种林分;对比不同器官,C/N和C/P均为茎>根>叶,N/P为叶>根>茎(HS除外),草本层C/N为地下部分>地上部分,与C/P和N/P相反,且均差异显著(P<0.05)。凋落物层中,不同林分间凋落物的C/N在未分解层和完全分解层间存在差异,在半分解层间差异不显著,但均为未分解>半分解>完全分解。不同林分间滇油杉林未分解和完全分解凋落物的C/P最高,显著高于另外4种林分;同一林分不同分解层凋落物的C/P差异显著,也表现为未分解>半分解>完全分解。
组分
Component林分
Forest灌木 Shrub 草本 Herb 凋落物 Litter 叶
Leaf茎
Stem根
Root地上
Aboveground地下
Underground未分解
Undecomposed半分解
Semi decomposition完全分解
Complete decompositionC/N CL 35±0.46 De 135±2.59 Aa 88±1.02 Bb 43±2.77 Ad 58±1.58 Ab 55±1.17 Bc 30±2.29 Ae 5±0.27 Df DY 41±0.72 Cf 138±2.71 Aa 94±1.75 Ab 35±0.72 Be 58±1.17 Ac 60±0.21 Ad 30±0.23 Ag 8±0.11 Bh GS 48±0.45 Be 74±0.15 Da 70±0.78 Db 40±0.49 Af 57±0.40 Ac 54±1.01 BCd 28±0.19 Ag 6±0.18 Ch HS 53±1.73 Ac 81±1.17 Ca 75±1.80 Cb 35±0.42 Be 48±0.64 Bd 52±0.16 Cc 28±0.57 Af 8±0.17 Bg YN 36±0.46 De 91±0.58 Ba 89±0.90 CDb 34±0.45 Bf 59±0.71 Ac 56±0.70 Bd 30±0.07 Ag 11±0.17 Ah C/P CL 622±7.15 Ee 853±8.65 Db 825±9.09 Eb 802±12.14 Cc 691±3.29 Cd 1 132±3.43 Ba 629±7.16 ABe 88±1.69 Df DY 804±19.82 Cd 989±14.31 Cb 964±17.47 Cb 885±16.73 Bc 764±9.46 ABd 1 627±40.16 Aa 699±10.65 Ae 185±7.14 Af GS 749±17.16 Dc 897±12.12 CDb 895±14.76 Db 882±19.76 Bb 760±7.59 Bc 1 184±87.20 Ba 624±52.55 ABd 101±3.00 CDe HS 1 022±19.30 Ac 1 412±52.19 Aa 1 048±22.66 Bc 1 006±24.73 Ac 724±14.30 BCd 1 171±22.83 Bb 660±8.97 ABd 164±0.42 Be YN 907±19.68 Bcd 1 313±48.21 Ba 1 438±19.92 Aa 968±10.27 Ac 813±31.45 Ad 1 128±97.81 Bb 615±1.21 Be 171±2.61 Bf N/P CL 18±0.23 Cb 6±0.10 De 9±0.18 Ed 19±0.38 Dab 12±0.36 Cc 20±0.37 Ba 21±0.25 Aa 17±0.89 Cb DY 19±0.18 Bc 7±0.09 De 10±0.09 Dd 25±0.27 Bb 13±0.06 Bd 27±0.25 Aa 24±0.21 Ab 24±0.26 Ab GS 16±0.27 Dbc 12±0.16 Cc 13±0.34 Cc 23±0.26 Ca 13±0.18 Bc 22±0.25 Ba 22±0.23 Aa 17±0.56 Cb HS 18±0.24 BCd 17±0.39 Ad 14±0.46 Be 29±0.33 Aa 15±0.18 Ae 22±0.49 Bbc 23±0.61 Ab 21±0.48 Bc YN 25±0.50 Ac 14±0.55 Bde 20±0.03 Ad 29±0.39 Aa 14±0.59 Be 20±0.25 Bc 21±0.02 Ab 16±0.01 Cc Table 3. Stoichiometric ratio of understory vegetation layer and litter layer of five forest types
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表4表明:不同林分类型、器官及二者的交互作用对林下植被层和凋落物层化学计量特征的影响各不相同,林下植被层C、N含量均是器官对其影响最大,F值分别为285.07和1 378.30,而P含量主要受林分类型影响,F值为594.91。林下植被层的C/N、C/P、N/P均受器官影响最大,F值分别为2 214.11、225.93、633.94,差异均达显著(P<0.05)。
变异类型 自由度
Degree of
freedomC/(mg·g−1) N/(mg·g−1) P/(mg·g−1) C/N C/P N/P F P F P F P F P F P F P 森林类型 Forest types 4 264.30 <0.05 95.17 0.05 594.91 <0.05 262.82 <0.05 216.92 <0.05 205.17 <0.05 器官 Organs 4 285.07 <0.05 1 378.30 <0.05 488.93 <0.05 2 214.11 <0.05 225.93 <0.05 633.94 <0.05 森林类型×器官
Forest types×Organs16 12.46 <0.05 50.24 <0.05 31.86 <0.05 122.19 <0.05 31.53 <0.05 25.33 <0.05 Table 4. Two factor analysis of C, N, P content and stoichiometric ratio in understory vegetation
表5表明:凋落物层中,不同的分解层是影响凋落物C、N、P含量及化学计量比C/N、C/P最大的因素,其F值分别为19 041.76、311.12、341.24和4 997.51、1 039.91,均差异显著(P<0.05);而对N/P影响最大的因素为林分类型,其F值为16.50。
变异类型 自由度
Degree of freedomC/(mg·g−1) N/(mg·g−1) P/(mg·g−1) C/N C/P N/P F P F P F P F P F P F P 森林类型 Forest types 4 11.77 <0.05 3.47 <0.05 27.96 <0.05 11.13 <0.05 16.01 <0.05 16.50 <0.05 凋落物 Litterfall 2 19 041.76 <0.05 311.12 <0.05 341.24 <0.05 4 997.51 <0.05 1 039.91 <0.05 14.59 <0.05 森林类型×凋落物 Forest types×Litterfall 8 46.18 <0.05 6.46 <0.05 1.70 >0.05 6.72 <0.05 7.88 <0.05 1.76 >0.05 Table 5. Two factor analysis of C, N, P content and stoichiometric ratio in litter layer