基于生态化学计量学的喀斯特森林凋落物分解及养分归还研究

喀斯特区域土层薄，物质（有机质和养分）流失严重，生态脆弱，凋落物的分解及养分归还对于维持喀斯特生态系统功能具有突出作用。申请项目借鉴生态化学计量学（Ecological stoichiometry）理论，以喀斯特区不同自然林与人工林为研究对象，采用原位实验与室内模拟相结合的方法，通过对凋落物分解过程主要元素（C、N、P）计量动态分析，研究凋落物分解与养分归还过程的C-N-P生态化学计量比特征，揭示碳氮磷化学计量比对环境因子（温度、湿度、养分等）的响应；通过对凋落物分解与养分归还过程中生态系统其他组分（植被和土壤，尤其土壤微生物）碳氮磷计量动态的分析，研究凋落物养分归还过程"植物-凋落物-土壤"连续体的C-N-P生态化学计量比特征，探明主要元素生态化学计量特征对生态系统养分循环的影响，明确凋落物分解与养分归还对生态系统功能的重要作用，为喀斯特森林生态系统过程和功能研究提供数据支持和理论依据。

探明我国西南喀斯特生态脆弱区植被恢复重建背景下的森林凋落物分解特征、阐明新鲜叶片与凋落叶主要元素生态化学形状，进而深入研究森林植物、凋落物与土壤的碳（C）、氮（N）、磷（P）生态化学计量特征及相互关联有助于我们更加深入地认识喀斯特森林生态系统养分循环特征和系统稳定机制。项目在桂西北喀斯特区分别选取了3个原生林群落与3个自然恢复28年的次生林群落，研究其建群种植物凋落物分解与养分释放特征、新鲜叶片与凋落叶的C、N、P元素生态化学计量特征以及“植物-凋落物-土壤”连续体的C、N、P化学计量学特征与相关性。结果发现，原生林凋落叶的降解速率略大于次生林。C、N、K 元素在前180天释放速率较快，随后趋于稳定。次生林凋落叶总P含量在降解初始阶段呈净积累，随后净释放，而原生林的凋落叶在降解360天后仍呈现P素净积累。相关分析表明，凋落叶降解速率与凋落叶初始总N、木质素含量及木质素:N比值呈负相关，与C：N比呈正相关。综合比较发现，次生林圆叶乌桕(Sapium rotundifolium Hemsl)凋落叶的降解速率与养分释放速率较快，是喀斯特退化土地及植被恢复过程中潜在的优势种和建群种。6个群落建群种新鲜叶片C、N、P含量（其平均含量分别为404.3、22.5、1.75 mg/g）均大于凋落叶（平均含量分别为376.5、19.0、1.35 mg/g），鲜叶C:N、C:P、N:P比值（均值分别为17.8、244.9、13.8）均小于凋落叶（均值分别为19.3、315.3、16.3）。3个原生林群落建群种鲜叶与凋落叶的平均C、N含量均大于次生林，而P含量则略小于次生林；原生林鲜叶与凋落叶的C:N比均小于次生林，C:P、N:P则大于次生林，推测次生林相对于原生林有更快的生长速率。3种原生林植物N:P范围为16–19之间，3种次生林植物N:P比为17–19之间，其均值无明显差异，但是作为养分供应状况的判断指标，喀斯特区森林N:P比值的临界值还需进一步研究。喀斯特森林土壤0–10 cm土层C、N、P元素平均含量分别为92.0，6.35及1.5 mg•g-1，而植物的养分利用率(C:N、C:P比值)及对养分的再吸收率相对较低，表明喀斯特区域养分周转快，植物主要吸收利用土壤表层养分，这也是植物适应石生环境的结果。该研究结果可为我国西南典型喀斯特脆弱生态区的生态功能恢复与植被重建提供科学依据。