生态化学计量学特征及其应用研究进展

生态化学计量学已成为生态学研究的热点问题。作为一门新兴学科,综观国内外最新研究进展,相关研究目前尚存在着许多不足。基于此,从全球与区域尺度、功能群尺度及个体水平3个方面阐述生态化学计量学特征,从空间、时间、生境和植物类型等生物与非生物因素综述生态化学计量学特征的驱动因素。并讨论生态化学计量学特征在限制性养分判断、生态系统稳定性、生长率与C:N:P关系中的应用。     

平茬高度对云南松苗木碳氮磷化学计量特征的影响

为了解平茬对云南松(Pinus yunnanensis)苗木各器官碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及其化学计量特征的影响,探讨C、N、P含量间的相关关系及其异速生长关系,本研究对不同平茬高度(对照、5、10和15 cm)的云南松苗木采样测定,分析主根、侧根、茎、侧枝、母株针叶、萌条枝、萌条针叶共7个器官的C、N、P含量及其C∶N、C∶P、N∶P值。结果表明：除C含量在平茬高度间无显著差异外,N含量、P含量、C∶N、C∶P、N∶P在平茬高度、器官、平茬高度×器官间均存在极显著差异;随着平茬高度的增加,N含量、P含量和N∶P呈现先上升后下降趋势,而C∶N和C∶P呈现相反的趋势;不同平茬高度下各器官营养元素含量及比值的变异系数波动低,表明平茬对C、N、P含量及其化学计量稳定性的影响较小;平茬处理下C含量与N、P含量间的相关关系有一定的改变,随着平茬高度的增加,C含量与N、P含量间的相关关系减弱;平茬未改变它们之间的异速生长关系,表现为C的积累速率低于N和P,苗木生长以N调控为主;综合来看,平茬改变植株体内的营养元素含量,进而改变植物体内C、N和P含量的平衡关系,云南松苗木表现以N调控为主,随...     

不同密度樟子松人工林土壤碳氮磷化学计量特征

以科尔沁沙地不同密度(490、750、1550、1930、2560株·hm-2)樟子松人工林(栽植于1980年)为研究对象,分析林分密度对土壤碳、氮、磷浓度及其计量比的影响,研究林分密度与土壤养分状况的关系。结果表明:随着樟子松林密度增加,各土层(0～10、10～20和20～40 cm)土壤有机碳、全氮、全磷浓度和C∶N呈先增加后降低趋势,而土壤有效磷浓度呈先降低后增加趋势。土壤有机碳浓度在490株·hm-2密度小于其他密度,而有效磷浓度大于其他密度;土壤C∶P和N∶P在2560株·hm-2密度显著大于其他密度。各密度樟子松林土壤有机碳、全氮、全磷和有效磷浓度在0～10 cm土层显著大于10～20和20～40cm土层,樟子松人工林土壤养分具有表聚性。通过典范对应分析发现,密度对樟子松林土壤养分影响的主要因子是土壤有机碳、全氮和全磷,且密度为1550株·hm-2时土壤有机碳、全氮、全磷和碱解氮浓度较高,而C∶P和N∶P较低。因此,当樟子松人工林密度为1550株·hm-2时,土壤养分浓度较高,林木生长较好,为最佳经营密度。     

陆地生态系统植被氮磷化学计量研究进展

因化学功能的耦合和元素的不可替代性, 植物对N、P的需求和利用存在严格的比例。植物N、P化学计量在不同功能群、生长地区、生长季、器官之间以及环境梯度下存在明显的变化规律。多数研究从N、P浓度、N:P及N、P间异速指数等角度分析了植物化学计量变化规律, 并探讨其在全球范围内的具体数值。为增进对植物响应全球变化的理解, 该文综述了N、P化学计量的影响因素及其机理的最新研究进展, 并指出未来拟重点研究的方向。     

天童常绿阔叶林不同演替阶段常见种叶片N、P化学计量学特征

对天童常绿阔叶林5个演替阶段的13个种类24个植物个体叶片的N、P化学计量学的研究表明：（1）各演替阶段植物叶片的N、P含量变异较大,N含量的值在6.49~14.69mgg^-1之间,P含量的值在0.66~1.13mgg^-1之间,叶片的N∶P值在7.45~16.38之间;总体平均值N为9.43mgg^-1,P为0.86mgg^-1,N∶P为11.17;（2）演替后期的叶片N含量和N∶P比高于演替前期,叶片N含量的变化趋势与N∶P比的变化趋势协同性较好,N∶P的变化趋势能较好地反映不同演替阶段的群落变化特征;（3）叶片N∶P可以作为植物和演替阶段的限制性营养元素的指标,不同演替阶段的群落生长基本上均是受N而不是受P的限制;演替各阶段绝大多数物种新生叶的N∶P都小于成熟的营养叶的N∶P,两者均受N元素的限制,且氮素对新叶的限制性更强,表明新叶容易缺乏氮素而发育不良。     

南充市“城-郊-乡”梯度绿地土壤碳氮磷生态化学计量特征

城市化进程中强烈的人为干扰活动导致城市绿地土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及其生态化学计量平衡特征在空间上发生分异。本研究选取南充市主城区"城-郊-乡"梯度下7个不同距离区域(以五星花园为中心)的绿地土壤为对象,采集0～10 cm和10～20cm土层的土壤样品,测定其有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)的含量并分析其生态化学计量特征。结果表明:南充市主城三区绿地土壤SOC、TP含量在沿"城-郊-乡"梯度下总体随距城市中心距离增加呈显著降低趋势,而TN在"城-郊-乡"梯度下变化不明显;随着土层加深,各距离区域绿地土壤SOC、TN和TP含量均减少,其中以SOC和TN降低幅度最大。沿"城-郊-乡"梯度,绿地土壤C∶N和C∶P在南充主城区呈现降低趋势,且均明显低于国内平均水平;而绿地土壤N∶P在"城-郊-乡"梯度下有增加的趋势,但仍低于国内平均水平。与中国非城市土壤的平均水平相比,南充城市土壤C、N、P比例严重失衡。     

宁夏贺兰山青海云杉林藓类植物C∶N∶P化学计量特征

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。     

云南松形态和叶片碳氮磷化学计量及其海拔变化特征

云南松(Pinus yunnanensis Franch.)是我国西南地区特有的物种,在当地的经济、生态和水土保持功能方面占有重要地位。本研究以云南东北部不同海拔的云南松天然次生林为对象,测定了成年植株的胸径、株高、叶片长度、干重、比叶长及叶片碳、氮、磷含量,分析了不同海拔下叶片碳氮磷化学计量特征。结果表明:随海拔升高,胸径、株高、叶P含量和叶C∶N呈现"中间高,两头低"的趋势,而叶C∶P和N∶P呈现的趋势与叶P和叶C∶N的相反;云南松叶片单束松针长、比叶长、叶C、N随海拔升高呈明显降低的趋势,而单束松针重呈增加的趋势;各海拔的N∶P值(平均值为5.82±0.10)均小于14,且与植株胸径、株高呈显著负相关;该地区云南松对海拔具有较强的适应性,植株生长主要受N元素的营养限制,该结果支持生长速率假说。本研究揭示了云南松化学计量特征的空间格局变化规律,为云南松林的经营管理提供科学依据。     

青藏高原区域不同功能群植物氮磷生态化学计量学特征

生态化学计量学为揭示植物养分利用状况及植物对环境的适应策略提供了重要手段,研究不同功能群植物在区域尺度生态化学计量学特征中所产生的贡献,有助于揭示区域尺度植物元素特征的形成机制。已有研究多是从不同功能群植物元素生态化学计量学特征的比较上进行分析,未能对每种功能群植物元素含量随地理因子和气候因子的变化规律展开探讨。基于生态化学计量学理论,对青藏高原区域不同功能群植物(豆科、禾本科、莎草科、杂类草)叶片水平N、P元素含量随纬度、海拔、年降水量、年均温度的变化规律展开研究,探讨不同植物功能群在区域尺度植物生态化学计量学特征中所产生的贡献,尝试从植物功能群角度揭示青藏高原高寒区域N、P元素含量特征的形成机制。结果显示,1)不同功能群植物叶片元素含量差异显著,豆科植物N、P元素含量最高,禾本科植物N、P含量最低,N/P比值在不同功能群间差异不显著;2)随纬度变化,莎草科植物P元素及杂类草N元素含量变化显著;随海拔变化,豆科、禾本科植物及杂类草叶片N元素含量变化较为显著;随年降水量和年均温度的变化,杂类草和莎草科植物叶片N、P含量变化显著;3)莎草科植物N、P含量对纬度和降水的响应趋势与区域内所有植物叶片N、P含量对纬度和降水的响应趋势一致,豆科、禾本科及杂类草植物叶片元素含量对海拔和温度的响应趋势与区域内所有植物叶片元素平均含量对海拔和温度的响应趋势一致。研究表明,不同功能群植物元素特征对环境因子的响应不同,植物功能群组成对区域尺度植物生态化学计量学特征有重要作用,但在较大的植物结构层次上(如植物群落、生态系统、区域或全球尺度等),不同功能群植物之间的相互组合会抵消或掩盖掉某一类群的特性,从而对区域尺度植物元素特征的变化规律产生影响。     

生态系统碳氮磷元素的生态化学计量学特征

生态系统元素平衡是当前全球变化生态学和生物地球化学循环的研究热点和焦点.在系统介绍生态化学计量学与碳氮磷元素循环研究进展的基础上,重点从土壤C:N:P化学计量比的分布特征、指示作用、对碳固定的影响,以及人类活动对C:N:P比的影响等方面探讨了C:N:P比在养分限制、生物地球化学循环、森林演替与退化等领域中的应用等问题,并展望了生态系统碳氮磷平衡的元素化学计量学未来研究的发展方向.通过对生态化学计量学理论和方法的研究,可以深入认识植物-凋落物-土壤相互作用的养分调控因素,对于揭示碳氮磷元素之间的相互作用及平衡制约关系,为减缓温室效应提供新思路和理论依据,具有重要的现实意义.     

环境变化对兴安落叶松氮磷化学计量特征的影响

兴安落叶松(Larix gmelinii)为我国北方人工林优势树种,采集地理和气候差异明显的6个种源种子,在分布区南界的均一立地条件下进行播种,形成了32a林分。采集新老枝、新老叶和不同径级的根样品,测定其氮(N)和磷(P)浓度,比较种源间差异以及其随月份的变化和各器官NP元素之间的相关性。结果表明:老枝叶(P0.05)、1—2 mm根(P0.01)和2—5 mm根(P0.05)N浓度在种源间差异显著,变化范围分别为21.1—24.2 mg/g、5.9—7.8 mg/g和4.7—6.5 mg/g。P浓度在老枝叶(P0.05)和新枝叶(P0.05)中都表现出种源间的差异显著,变化范围分别为4.5—5.8 mg/g和4.5—6.5 mg/g。根系和枝叶的N/P皆存在种源间显著性差异(P0.05)。叶片和根系的NP浓度的月份变化呈现先减小再增加的趋势,而新枝则呈现增加-减小-增加的不同趋势。新老枝、新老叶和根系的N和P浓度之间显著相关;新老枝、新老叶和根系之间的N浓度显著相关。不同种源兴安落叶松因对不同环境的长期适应而产生NP化学计量特征的遗传差异。     

蕨类植物碳氮磷化学计量特征及其与土壤养分的关系

为探讨蕨类植物碳氮磷化学计量特征与土壤养分的关系,对福建省亚热带森林林下芒萁和乌毛蕨地上部分和地下部分的碳、氮、磷(C、N、P)含量和0~10 cm和10~20 cm两个土层的养分含量进行了测定。结果表明,无论是芒萁还是乌毛蕨,地上部分的N、P含量均高于地下部分,而C含量则无显著差异,导致地上部分的C∶N和C∶P均低于地下部分。与乌毛蕨相比,芒萁地上部分的N、P含量更低,地上和地下部分的C含量、C∶N和C∶P以及N、P含量的变异系数和表型可塑性指数则更高,表明芒萁采取了较高的养分利用效率和"表现最大化"的策略,而乌毛蕨则选择了较低的养分利用效率和"表现维持"的方式。两种蕨类植物地上和地下部分的N含量与土壤N含量(0~20 cm)均无显著相关。芒萁两个部位的P含量则均与土壤P含量(0~10 cm和10~20 cm)呈显著正相关,乌毛蕨P含量总体上与土壤P含量的相关性不显著(除地下部分的P含量与10~20 cm土层的P含量呈弱的正相关外)。这表明芒萁具有作为亚热带森林土壤P库指示植物的潜力。     

干热河谷植物化学计量特征与生物量之间的关系

了解植物化学计量学特征对生物量变化的响应机制对预测全球变化下植物生产力以及生态系统功能具有重要意义。为了了解干热河谷地区植物化学计量学塑性变化与植物生物量变化的关系, 该研究以当地的典型燥红土为基质, 观察水分、养分以及二者的交互作用对6种植物的生长的促进作用, 并分析这种作用与植物化学计量学特征变化的关系。研究结果显示: 水分、养分、物种及其二元交互作用对植物生长具有显著的作用。养分添加处理增加了32.55%的生物量, 高频次水分处理增加了31.35%的生物量, 水分与养分复合处理下生物量增加了110.60%。植物化学计量学特征的变化与植物生物量对处理的响应具有显著相关性。其中, 植物总体K:Ca、K:Mg、K:Mn、K:Zn、Mg:Mn的变化与植物生物量的变化呈正相关关系, 表明水分和养分处理对植物生长的促进作用影响了植物养分的平衡, 主要的变化趋势是高含量元素与低含量元素的计量比随着生物量的增加而不断增加。此外, 相对于植物生物量变化, 处理类型和物种因素对多数化学计量学特征变化无显著影响, 表明水分和养分处理对化学计量学的影响具有相同的驱动机制, 即通过生物量变化最终影响化学计量学变化。植物生物量对水分和养分的响应可对植物化学计量学特征以及生态系统功能产生深远的影响。     

木兰科6种植物叶片碳氮磷化学计量关系及氮磷养分重吸收特征

木兰科植物是常用的园林绿化观赏树种,研究其叶片碳(C)氮(N)磷(P)计量比和N、P养分重吸收特征,对于理解和预测树木在人工林中生态功能的发挥至关重要。该研究以木兰科6个树种为研究对象,于2019年7月和2019年11月至翌年1月分别采集成熟叶和新鲜凋落叶,测定叶片中C、N、P含量及其计量比,并分析了6个树种的N、P重吸收特征。结果表明:成熟叶(凋落叶)C、N和P含量在各树种间存在差异,其含量变化范围分别为444.73-498.03(389.25-589.33),9.97-19.51(4.76-8.41)和1.01-1.95g·kg^-1(0.40-1.86g·kg^-1);C含量在各树种间变化范围较小, N、P含量在树种间变化范围较大, N∶P比值在成熟叶和凋落叶中均小于全国陆地植物叶片平均值14.4,说明木兰科植物的生长受N限制;常绿树种和落叶树种间成熟叶C、N含量和C:N存在显著差异(p <0.05), P含量、C∶P和N∶P无明显变化(p>0.05),凋落叶C、P含量和N∶P存在显著差异, N含量和C∶N、C∶P无明显变化;成...     

河口湿地植物活体-枯落物-土壤的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及其功能的重要特征.以闽江河口的芦苇(Phragmites australis)和短叶茳芏(Cyperus malaccensis var.brevifolius)湿地为对象,开展植物活体-枯落物-土壤系统的C、N、P季节动态研究.结果表明:芦苇和短叶茳芏植物活体、枯落物和土壤年均C、N、P含量为C＞N＞P,两种湿地系统C、N含量均为植物活体和枯落物高于土壤,但与土壤P含量大小关系因植物构件差异而不同;芦苇和短叶茳芏植物活体、枯落物和土壤的C、N、P生态化学计量比表现为C∶P＞C∶N＞N∶P;芦苇湿地C∶N为枯落物＞植物活体＞土壤,短叶茳芏为植物活体＞枯落物＞土壤,而C∶P和N∶P均为枯落物＞植物活体＞土壤;C、N、P化学计量比可以反映湿地C、N、P交换过程和植物群落的生态功能.     

生态化学计量学理论的应用、完善与扩展

生态化学计量学结合生物学、化学和物理学等基本原理, 研究碳、氮、磷等化学元素在各种生态过程中的平衡。由于生态化学计量学研究可以把生态实体的各个层次在元素水平上统一起来, 因此生态化学计量学已成为许多生态系统的新兴研究工具。目前, 生态化学计量学研究已深入到生态学的各个层次(分子、细胞、个体、种群、群落、生态系统)及区域等不同尺度。由于C、N、P 对有机体和生态系统的结构和功能的重要作用, C∶N∶P 化学计量学成为各种生态过程研究中的核心内容, 其基本理论(动态平衡理论、生长速率理论)围绕C∶N∶P 化学计量比而展开阐述。将生态化学计量学理论应用于全球格局下的生态系统研究时, 产生了许多崭新的成果(如植物营养全球格局等)。希望对生态化学计量学的概念、核心理论和全球格局下的应用以及该学说的完善与发展状况的简单介绍, 能有助于推动我国在此领域的相关研究。     

西南喀斯特典型石漠化生态系统土壤养分生态化学计量特征及其影响因素

喀斯特石漠化生态系统土壤养分元素生态化学计量特征及其对环境变异的生态响应是喀斯特退化森林生态系统恢复重建必需明确的关键科学问题。为探明喀斯特石漠化土壤C、N、P、K养分元素生态化学计量特征,探讨其对环境因子的响应,对西南喀斯特3个典型石漠化调查点(贵州毕节鸭池、清镇红枫湖和关岭-贞丰花江) 90个样方土壤及环境因子调查取样,研究了其土壤有机碳(C)、全氮(N)、全磷(P)及全钾(K)的化学计量特征及其影响因素。结果表明:西南喀斯特典型石漠化生态系统土壤C、N、P、K平均含量分别为45.61、2.54、0.79 g/kg和3.33 g/kg,计量比C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、P∶K平均值分别为19.56、65.07、23.65、3.45、1.32和0.39。4个土壤养分元素中,K元素表现明显高于其他元素的波动性。土壤养分含量及化学计量比在不同调查点、石漠化等级及植被覆盖率环境均有显著差异。无石漠化环境土壤养分C、N、P含量显著大于潜在、轻度、中度和强度石漠化,而强度石漠化环境土壤养分K含量却显著高于其他等级石漠化。土壤养分含量之间及其与化学计量比之间多具有显著的非线性相关关系。降水、温度、岩石裸露率和土地覆被是西南喀斯特石漠化生态系统土壤养分及其化学计量比最主要的影响因素。研究结果对丰富土壤生态化学计量学科学理论和我国西南喀斯特石漠化退化植被科学恢复具有重要意义。     

伊犁野果林浅层土壤养分生态化学计量特征及其影响因素

对伊犁河谷野果林20个群落60个样方土壤及环境因子调查取样,研究了野果林0～10和10～20 cm土层土壤有机碳(C)、全氮(N)、全磷(P)及全钾(K)的化学计量特征及其影响因素.结果表明: 伊犁野果林0～10 cm土层土壤C、N、P、K含量分别为73.15、7.00、1.14和14.74 g·kg^-1,C:N、C:P、C:K、N:P、N:K、P:K分别为10.37、62.73、5.05、6.05、0.48和0.08;除K和C:N外,0～10 cm土层均显著高于10～20 cm土层.P、K、C:N及P:K具有较高的稳定性(CV=8%～24%),其他指标具中等变异性(CV=28%～46%).土壤养分含量及化学计量比在不同取样地点、不同群落类型及不同坡向间均有显著差异.除C、N之间为幂函数关系外,土壤养分含量及其与化学计量比之间均为二次函数关系,体现了土壤养分化学计量特征之间的非线性耦合特征.坡向、降水量及温度是野果林土壤化学计量特征的主要影响因子.     

内蒙古典型草原植物叶片碳氮磷化学计量特征的季节动态

分析植物叶片(C)、氮(N)、磷(P)含量及其比值的季节动态, 不仅有助于认识植物生长发育和养分吸收利用等生理生态过程, 也有利于认识植物化学计量的动态平衡关系。该文选择内蒙古典型温带草原18种常见植物, 在生长季的6-9月, 每半月一次进行连续采样, 在此基础上分析了叶片C、N、P含量及其比值在生长季内的变化。主要结果: 1)植物叶片C、N、P含量及其比值的季节性变化在不同功能类群间不同步, 其中叶片N、P含量的季节变化体现了明显的稀释作用。2)叶片C、N、P含量及其比值在不同功能类群间差异显著, 单子叶、多年生禾草类的叶片N、P含量显著低于双子叶和多年生杂类草植物, 而其叶片C:N、C:P则高于双子叶和多年生杂类草植物。3)叶片N、P含量显著正相关, 叶片C:N和C:P分别与N和P含量显著负相关, 可能体现了植物体内营养元素间的内在耦合机制。4)叶片N含量与C:N, 叶片P含量与C:P以及叶片N含量与P含量均呈现等速生长关系, 且等速生长关系在生长季保持稳定。     

秦岭不同海拔森林土壤-植物-凋落物化学计量特征对土壤氮组分的影响

为探究不同海拔森林土壤氮组分对土壤-植物-凋落物化学计量特征的响应规律,选取太白山1300～2600 m海拔范围内4种典型森林——锐齿栎林(Quercus aliena var.acuteserrata)、辽东栎林(Quercus liaotungensis)、红桦林(Betula albo-sinensis)、牛皮桦林(Betula albo-sinensis var. septen-trionalis)为研究对象,测定土壤、叶片、凋落物、根的碳(C)、氮(N)、磷(P)及土壤铵态氮、硝态氮、微生物生物量氮,分析不同森林土壤、植物、凋落物的化学计量比值的变化特征及其对氮组分的影响。结果表明:1) 4种森林土壤C、N、P含量的变化范围分别为36.77～59.80、2.91～4.76、0.13～0.80 g·kg-1。C、N含量在不同森林间变化趋势基本一致,均表现为牛皮桦林>红桦林>辽东栎林>锐齿栎林; P含量的变化趋势表现为辽东栎林>牛皮桦林>红桦林>锐齿栎林; 2)锐齿栎林叶片N∶P<14,表明锐齿栎林生长较大程度受N限制;辽东栎林、红桦林、...