Spatial changes and influencing factors of fine root carbon,nitrogen and phosphorus stoichiometry of plants in China

为了研究中国陆地植物细根碳(C)、氮(N)、磷(P)的空间变化模式,揭示细根在"温度-植物生理假说"及"生长速率假说"等方面的规律,该文收集已发表的有关中国陆地植物细根研究的文献,从中提取细根C、N、P元素含量及其相关数据,分析了细根C、N、P含量及其比例与经纬度之间的关系。结果表明:细根N、P元素含量均随纬度增加而增加,P含量随经度增加而降低,N:P随经度增加而增加。细根N、P含量与年平均气温、年降水量均呈负相关关系,与土壤养分呈正相关关系。在土壤养分、温度、降水量3个非生物因素中,土壤养分对细根N、P含量的影响最大。该文中细根和粗根的C:P、N:P差异变化不完全支持"生长速率假说"。根系和叶片一样,N、P含量与纬度呈正相关关系,支持"温度-植物生理假说",反映了植物对自然环境的适应策略。     

武夷山不同海拔黄山松细根碳、氮、磷化学计量特征对土壤养分的适应

细根的生态化学计量特征承载着植物生存环境的变化信息,从而为探索全球变化对植物内在机制的影响提供理论依据。以江西武夷山国家级自然保护区内五个不同海拔梯度(1200、1400、1600、1800、2000 m)的黄山松为对象,运用挖掘法采样后测定细根C、N、P含量及化学计量比特征,研究不同的海拔下细根对土壤养分变化的适应规律。结果表明:(1)黄山松细根C含量年平均值为(486.27±64.32)mg/g,海拔对其没有显著的影响,与土壤养分之间不存在显著的相关关系。(2)细根N含量年平均值为(9.26±2.09)mg/g,海拔对其没有显著的影响,但与土壤C含量存在显著的正相关关系。(3)细根P含量年平均值为(0.39±0.13)mg/g,与海拔梯度及土壤P含量均存在极显著正相关关系,而与土壤碳氮比呈显著负相关关系。(4)细根氮磷比为26.94±12.51,与海拔梯度、土壤P含量及土壤碳氮比均显著负相关。因此,黄山松细根吸收N是以消耗C为代价;细根P主要受土壤P供应量的限制;武夷山地区N沉降将进一步增加植物的氮磷比,加剧黄山松生长的P限制。     

中国毛竹林碳氮磷生态化学计量特征

碳(C)、氮(N)、磷(P)生态化学计量比是生态系统过程与功能的重要特征, 开展种群生态化学计量学研究可以细化植物种群化学计量学内容, 确定限制植物生长的元素类型, 同时为大尺度模型的发展提供数据基础。为阐明我国毛竹(Phyllostachys edulis)林C、N、P化学计量学特征, 通过对毛竹主要产区文献数据的搜集整理与分析, 探索我国毛竹林“植物-土壤-凋落物”系统C、N、P及C:N、C:P、N:P生态化学计量特征, 以及不同组分生态化学计量特征与经纬度之间的关系。结果表明: 1)我国毛竹林叶片C含量为478.30 mg·g^-1, N含量为22.20 mg·g^-1, P含量为1.90 mg·g^-1, C:N为26.80, C:P为299.60, N:P为14.40; 毛竹林0-20 cm土层C含量为21.53 mg·g^-1, N含量为1.66 mg·g^-1, P含量0.41 mg·g^-1, C:N为14.20, C:P为66.74, N:P为4.28; 毛竹凋落物C含量为438.49 mg·g^-1, N含量为13.39 mg·g^-1, P含量为0.86 mg·g^-1, C:N为22.53, C:P为665.67, N:P为22.55。2)毛竹林“植物-土壤-凋落物”系统中, C:N表现为: 叶片>凋落物>土壤, C:P和N:P均表现为: 凋落物>叶片>土壤, 叶片N、P再吸收率分别为39.68%和54.74%, 我国毛竹林生长发育总体上可能受到P限制或者N和P两种元素的双重限制。3)纬度梯度: 叶片N含量、N:P随纬度增加而增加, C:N随纬度增加而降低。经度梯度: 叶片N:P随经度增加而增加, P含量、C:N随经度增加而降低; 土壤C:N随经度增加而增加, N含量随经度增加而降低; 凋落物N含量随经度增加而降低。4)叶片N含量与年平均气温和年降水量均存在明显负相关关系, 但对温度的响应比降水更敏感, 叶片N含量与纬度呈正相关关系, 支持“温度-植物生理假说”, 反映了植物对自然环境的适应。     

科尔沁沙地主要植物细根和叶片碳、氮、磷化学计量特征

弄清半干旱区植物叶片和细根的碳(C)、氮(N)、磷(P)元素的化学计量特征及其关联性对于认识植物C、N、P元素之间的交互作用及平衡制约关系、植物的养分利用策略,以及对全球变化的响应具有重要的意义。该研究对科尔沁沙地60种主要植物叶片和细根的C含量、N含量、P含量、C:N、C:P、N:P的差异性及其相关性进行了研究。结果表明:1)科尔沁沙地60种主要植物叶片平均C含量、N含量、P含量和C:N:P分别为424.20 mg·g~(-1)、25.60 mg·g~(-1)、2.10 mg·g~(-1)和202:12:1。细根平均C含量、N含量、P含量和C:N:P分别为434.03 mg·g~(-1)、13.54 mg·g~(-1)、1.13 mg·g~(-1)和384:12:1。细根N、P含量近似等于叶片平均N、P含量的1/2;叶片与细根的N:P并无显著差异,具有明显的保守性,反映了植物地上和地下养分吸收与分配比例的一致性;2)不同生活型植物间叶片和细根的C、N、P含量及其化学计量比存在显著差异,杂类草植物具有较高的叶片N、P含量,禾草类植物具有较高的叶片C:N和C:P,一年生杂类草和禾草类植物叶片的N:P较低。与非豆科植物相比,豆科植物具有较高的C、N含量和较低的C:N,表明不同生活型植物对养分的适应策略不同;3)相关分析表明,叶片和细根的N、P含量间显著正相关,细根C含量与N含量之间以及C含量与P含量之间显著负相关,表明植物体内这3种元素之间存在相互作用;4)科尔沁沙地植物叶片和细根间的C、N、P含量及化学计量比均有显著的正相关关系,说明植物光合产物和养分在地上和地下部分之间分配具有平行的比例关系,但不同生活型植物叶片和细根之间元素含量的相关性存在一定差异,这可能与不同生活型植物的养分利用效率有关。     

西北干旱区荒漠植物叶片和细根碳、氮、磷化学计量特征

植物的叶片和细根是植物地上部分和地下部分最重要的营养器官,其碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征反映了植物的养分限制状况及叶片与细根间的协同作用,开展叶片与细根化学计量关系的研究,对认识植物养分利用策略及元素间平衡关系有重要意义。对西北干旱区21种荒漠植物叶片与细根C、N、P含量进行了测定,分析了C、N、P含量及其计量比在不同生活型及不同器官间的关系。结果表明:1)西北干旱区荒漠植物叶片与细根C含量相对稳定,叶N、P含量高于细根,说明在干旱生境中,植物对养分的分配侧重于地上部分,以完成其正常的生命活动;叶片与细根的N ∶ P无显著差异,有明显的保守性,表明植物地上与地下部分养分吸收策略与分配规律具有一致性;2)不同生活型植物叶片和细根的C、N、P含量及C ∶ N、C ∶ P存在显著差异,灌木与禾草具有较高的C ∶ N和C ∶ P,杂类草具有较高的N、P含量,说明灌木与禾草倾向于保守型养分适应策略,杂类草倾向于快速生长的资源竞争策略;3)21种荒漠植物叶片与细根N、P含量间均存在显著的正相关关系,表明西北干旱区荒漠植物体内N、P元素间存在相互作用;4)植物叶片与细根间C、N、P含量及C ∶ N、C ∶ P存在等速生长关系,表明植物光合产物和养分在地上与地下部分间的分配具有平行的比例关系,但这种关系受生活型影响。上述结果表明西北干旱区不同生活型植物在恶劣生境中存在不同的养分适应策略,且地上与地下部分的养分利用策略及分配规律存在协同作用,这为进一步认识西北干旱区荒漠植物的养分利用策略提供了试验基础。     

阿拉善荒漠典型植物叶片碳、氮、磷化学计量特征

荒漠植物在水分限制、营养元素相对匮缺的条件下,经过长期的进化适应形成了自身独特的生理生态和生态化学计量特征。在阿拉善荒漠选择52个典型群落类型,分析和研究了54种荒漠植物叶片的碳、氮和磷的化学计量特征。结果表明:荒漠植物叶片的碳(C mg/g)、氮(N mg/g)和磷(P mg/g)含量变幅较大,分别为(379.01±55.42)mg/g、(10.65±7.91)mg/g和(1.04±0.81)mg/g,变异系数分别为0.15、0.74和0.78;C/N、C/P、和N/P分别为66.70±60.81、683.16±561.94、11.53±5.06。元素间相关性分析表明,叶片的C和N不相关(P0.05),C与P显著正相关(P0.05),N和P极显著正相关(P0.01)。从植物功能型的角度分析发现,灌木和1年生草本植物对C的存储能力较低;占整体67%的灌木叶片的N、P含量最低,导致总体N、P含量较低;多年生草本和1年生草本植物叶N含量与灌木植物叶片和整体N含量无差别,而P含量明显高于灌木植物叶片和整体P含量且N/P明显低于灌木植物叶片和总体N/P,导致总体N/P较低。该研究结果与全球和中国尺度的研究相比发现,荒漠植物叶片C、N、P含量和N/P明显偏低,N/P14说明阿拉善荒漠植物在受N、P共同作用的同时更易受N限制。     

黄土高原南北样带刺槐林土壤碳、氮、磷生态化学计量特征

为了解黄土高原南北样带刺槐林土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）化学计量特征,采集了黄土高原南北样带上12个典型样点的刺槐林土壤,测定了土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）含量并分析其生态化学计量特征。结果表明：刺槐林土壤SOC、TN、TP含量均随降水量降低而降低,且土壤SOC与TN的空间变化具有一致性;土壤SOC、TN、TP及其生态化学计量比与降雨量呈显著正相关（P < 0.05）,且TN、C：P、N：P与土壤含水量也呈显著正相关（P < 0.05）。     

马衔山不同海拔土壤碳、氮、磷含量及生态化学计量特征

研究半干旱地区土壤碳、氮、磷化学计量特征,了解其空间变化规律,有助于揭示半干旱地区C、N、P循环对全球气候变化的响应。本研究以半干旱区的马衔山为对象,选择5个海拔的7个样地,采集0～15、15～30 cm层的土壤,测定其有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、pH、含水率等理化性质,分析其SOC、TN、TP化学计量与土壤理化因子之间的关系。结果表明:(1) 0～15 cm土壤SOC、TN、TP含量高于15～30 cm土壤。表层土壤SOC、TN含量随海拔升高呈增加趋势,TP含量随海拔升高变化较小。(2) C∶N随海拔增加呈先增加后降低趋势,C∶P、N∶P随海拔升高均呈增加趋势。(3)在0～15 cm土壤中,pH与SOC、TN含量及C∶P呈显著负相关,在15～30 cm土层中,pH与SOC、TN、TP含量及化学计量特征关系不显著;土壤含水率与0～15、15～30 cm层土壤中SOC、TN含量均呈极显著正相关。本研究显示,在半干旱区的马衔山地区,土壤含水率随海拔增加而增加,而SOC、TN含量及C∶P、N∶P也呈增加趋势,土壤养分含量及化学计量均受土壤含水率影响。     

降水变化对红砂-珍珠碳、氮、磷化学计量特征的影响

以荒漠C3植物红砂(Reaumuria soongarica)和C4植物珍珠(Salsola passerina)为材料,在西北干旱荒漠区沿自然降水梯度,对不同降水条件下单生和混生红砂与珍珠根、茎、叶器官碳、氮、磷化学计量指标进行测定,分析其在不同生境下化学计量特征对种间关系及环境胁迫的响应规律。结果表明:(1)随干旱胁迫程度增加(降水量的减少),红砂各器官C含量平均升高7.73%,N、P含量分别平均降低6.20%、10.61%;珍珠各器官C含量平均升高7.36%,N、P含量分别平均降低5.93%、14.03%。两种植物叶片C含量升高表明其光合速率较低,生长缓慢,但对外界不利环境的防御能力增强,能更好地适应干旱环境。(2)干旱胁迫改变了红砂和珍珠的N、P含量在各器官的分配模式,两种植物N、P含量在叶部高于根部,在根、叶中N/P明显高于茎,表明两种植物不同器官受到的养分限制不同。(3)红砂各器官C、N、P含量高于珍珠,说明红砂防御能力较强,生长速率高,对资源的竞争和利用能力较珍珠强;珍珠C/N和C/P均高于红砂,表明珍珠比红砂有较强的碳同化能力和较高的营养利用效率。(4)在干旱胁迫条件下,红砂和珍珠均表现为碳素积累、氮磷素限制的格局,它们对于氮和磷的养分利用不活跃,受到氮和磷养分的限制较为均衡。     

土壤有效氮及其相关因素对植物细根的影响

细根(直径≤2mm)作为植物吸收水分和养分的主要器官之一,在陆地生态系统养分循环和能量流动中起重要作用。开展土壤有效氮变化对植物细根影响研究对于了解全球气候变化条件下的陆地生态系统养分循环具有重要意义。本文就相关研究进行了综述:1)土壤有效氮变化对植物细根生长、发育、寿命及呼吸的直接影响;2)土壤质地、温度、大气CO2浓度和氮沉积等相关因素对植物细根的影响。由于研究方法及物种间差异等的影响,研究结果不尽相同。今后,应在不同空间尺度上深入研究土壤有效氮对植物细根的影响,而植物细根-土壤-微生物三者间相互关系变化对土壤氮变化的潜在响应将可能成为今后研究的热点问题之一。     

Stoichiometric characteristics of carbon,nitrogen and phosphorus in Phyllostachys edulis forests of China

Aims Stoichiometric ratios of carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) are important characteristics of the ecological processes and functions. Studies on population ecological stoichiometry can refine the content of flora chemometrics, determine the limited nutrient, and provide data for process-based modeling over large scale. Phyllostachys edulis is an important forest type, whose area accounts for 74% of total bamboo forest area in Southern China. However, little is known about the ecological stoichiometric in P. edulis. This study aimed to reveal C:N, C:P and N:P stoichiometry characteristics of the “plant-soil-litter” continuum and to provide a better understanding nutrient cycling and stability mechanisms in P. edulis forest in China. Methods The data were collected from the published literature containing C、N、P content in leaf or surface soil (0-20 cm) or littefall in P. edulis forests. Important findings 1) The leaf C, N, P content were estimated at 478.30 mg·g^-1, 22.20 mg·g^-1, 1.90 mg·g^-1 in P. edulis, and the corresponding C: N, C: P and N: P were 26.80, 299.60 and 14.40, respectively. Soil C, N, and P content in 0-20 cm were 21.53 mg·g^-1, 1.66 mg·g^-1, 0.41 mg·g^-1, with ratios of 14.20 for C:N, 66.74 for C:P and 4.28 for N:P. The C, N and P contents were 438.49 mg·g^-1, 13.39 mg·g^-1, 0.86 mg·g^-1 for litterfall, with the litter C:N, C:P and N:P being 25.53, 665.67, 22.55, respectively. 2) In the plant-soil-litter system in P. edulis forest, leaf had higher C:N, litter had higher C:P and N:P, while soil were the lowest. The N, P resorption rate was 39.68% and 54.74%, indicating that P. edulis forest growth and development was constrained by P or by both of N and P in China. 3) N content and N:P in leaf showed a tendency to increase with latitude, while the C:N of leaf declined with latitude. N:P of leaf increased with longitude, but the P content and the C:N of leaf showed a opposite trend. C: N of soil increased with longitude, whereas the N content of soil declined longitude. The N content of litter declined with longitude. 4) The leaf N content was negatively correlated with mean annual temperature and mean annual precipitation, but being more sensitive to temperature than precipitation. The positive correlations between N content and latitude support “Temperature-Plant Physiological” hypothesis, reflecting an adaptive strategy to environmental conditions.     

阔叶红松林不同演替阶段灌木叶片碳氮磷化学计量特征及其影响因素

灌木是森林生态系统的重要组成部分, 对于演替进程中灌木叶片化学计量特征的研究, 有助于全面理解和预测森林演替过程。该研究以黑龙江凉水国家自然保护区内处于阔叶红松(Pinus koraiensis)林不同演替阶段中的白桦(Betula platyphylla)次生林、落叶阔叶混交林、针阔混交林、阔叶红松林的灌木为研究对象, 分析其叶片的碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征差异, 并利用层次分割方法检验其与土壤、物种多样性的关系。主要结果为: 1)随着演替的进行, 阔叶红松林的叶片N含量显著高于其他3种林型, P含量与白桦次生林无显著差异, 但显著高于其他两种林型; 2)土壤N、P含量与个体尺度上的叶片N含量均呈显著正相关关系, 土壤P含量与叶片P含量呈显著正相关关系; 3)群落尺度上, 物种多样性和土壤化学性质共解释叶片N含量变异的82%和叶片P含量变异的62%; 4)群落尺度上Shannon多样性指数与灌木叶片的N、P含量呈显著正相关关系, 与灌木叶片的C:N、C:P呈显著负相关关系。总之, 阔叶红松林4个演替阶段灌木均受到氮限制; 相较于土壤的化学性质, 物种多样性更好地解释了灌木化学计量的变异。     

Carbon,nitrogen and phosphorus stoichiometry in leaves and fine roots of dominant plants in Horqin Sandy Land

Aims The stoichiometric characteristics of carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) in plant organism is vital to understand plant adaptation to environment. In particular, the correlations of elemental stoichiometric characteristics between leaf and fine root could provide insights into the interaction and balance among the plant elements, nutrient use strategies and plant response to global change.Methods We measured C, N, P contents and C:N, C:P, N:P in leaves and fine roots of 60 dominant plants in Horqin sandy land. The 60 plant species were classified into five life forms and two categories such as perennial forb, annual forb, perennial grass, annual grass, shrub, legume, and non-legume. We statistically analyzed the differences and correlations of C, N and P stoichiometry either between fine root and leaf or among five life forms.Important findings The average C, N and P concentrations in leaves of 60 plant species in Horqin sandy land are 424.20 mg·g^-1, 25.60 mg·g^-1 and 2.10 mg·g^-1, respectively. In fine roots, the corresponding element concentrations are 434.03 mg·g^-1, 13.54 mg·g^-1, 1.13 mg·g^-1. N and P concentrations in leaf are approximately twice as high as averages in fine root. Furthermore, similar N:P between leaf and fine root indicates conservative characteristic of elemental stoichiometry in plant organism, suggesting that nutrients distribution is proportional between aboveground and underground of plants. There are significant difference of C, N, P, C:N, C:P and N:P in leaf and root among five life forms. N and P in forb and C:N and C:P in grass are averagely higher than those in other life forms. N:P in annual forb and grass, however, are lower than those in other life forms. C, N in legume are higher than those in non-legume, while C:N in legume is lower than in non-legume. These results imply that nutrient use strategies are significantly different among plant life forms. Correlations analysis showed that N and P in leaf or fine root positively correlated, but C and N, C and P in fine root negatively correlated, suggesting coupling relationship among C, N and P in leaf and fine root. Subsequently, we detected positively significant correlations in C, N, P and their ratios between leaf and fine root, suggesting proportional distribution of photosynthate and nutrient between aboveground and underground during plant growth. Generally, these results supplied fundamental data to understand mass turnover and nutrients cycling of leaves and roots in sand land.     

滇中退化山地不同植被恢复下土壤碳氮磷储量与生态化学计量特征

植被恢复对土壤营养元素的存赋及其生态化学计量特征的影响广受关注,为了深入了解不同植被恢复类型下土壤碳、氮、磷储量与生态化学计量特征,选择滇中地区退化山地飒马场流域具有代表性的4种不同修复阶段的典型植被(荒坡灌草丛、云南松林、针阔混交林和次生常绿阔叶林)为研究对象,分析了不同植被类型下不同深度土壤中有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)储量和化学计量变化特征。结果表明,退化山地的植被恢复显著改变土壤碳氮磷储存能力和化学计量比,这种改变作用整体上随土壤深度增加而降低。其中,在0—60 cm土层上,SOC储量在次生常绿阔叶林最高,达123.41 t/hm²,其次是针阔混交林(115.69 t/hm²)和云南松林(93.08 t/hm²),荒坡灌草丛(89.56 t/hm²)最低;TN储量针阔混交林(4.91 t/hm²)>次生常绿阔叶林(4.58 t/hm²)>云南松林(4.43 t/hm²)>荒坡灌草丛(3.98 ...     

Different leaf carbon,nitrogen, and phosphorus stoichiometry and carbon and nitrogen isotopes among peatland plants in northeastern China

Plant and Soil - Plant carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P) levels and their stoichiometry and N uptake strategies are important aspects influencing vegetation composition and C dynamics in...     

Responses and regulation mechanisms of microbial decomposers to substrate carbon,nitrogen, and phosphorus stoichiometry

The survival and growth strategies, community structure and functions of microbial decomposers vary with substrate stoichiometry, which profoundly influences substrate decomposition, turnover, and hence the carbon and nutrient cycles of terrestrial ecosystems. It is crucial to understand the relationships among microbial metabolism, community structure and ecosystem processes of terrestrial ecosystems and their responses and feedbacks to global changes. In this review, we first introduced the significance of microbial decomposers in the carbon, nitrogen, and phosphorus cycles of terrestrial ecosystems from perspectives of ecological stoichiometry and metabolic theories. Then we synthesized four potential mechanisms of microbial response and control on substrate stoichiometric variations, i.e., through (1) modifying microbial stoichiometry, (2) shifting microbial community structure, (3) producing extracellular enzymes to acquire limiting resources, and (4) changing microbial carbon, nitrogen, and phosphor use efficiencies. Finally, we proposed three research directions in this field: (1) to comprehensively explore various microbial mechanisms in response to changes in substrate stoichiometry and the relative importance of these mechanisms; (2) to examine influences of global changes on microbial-driven cycles of carbon, nitrogen, and phosphorus; and (3) to explore spatiotemporal changes in the strategies of microbial adaptation to changes in the substrate stoichiometry.