碳、 氮、 磷、 钾作为植物生长的必需元素，对植物的生长发育及个体功能运行具有重要的作用^[1]. 生态化学计量学(ecological stoichiometry)结合了生态学和化学计量学的基本原理，是研究生物系统能量平衡和多重化学元素(主要是C、 N、 P)平衡的科学，它是分析多重化学元素的质量平衡对生态过程相互影响的一种理论，且逐渐成为研究退化生态系统植物内稳性和NP限制率的新的方法. 随着生态化学计量学理论的完善，研究领域逐渐从水生生态系统向陆地生态系统扩展. 陆地植物碳氮磷含量及其化学计量学特征，越来越成为研究者关注的热点^{[2, 3]}. 植物N ∶P比营养限制理论已被广泛接受，并应用于不同生态系统的研究^{[4, 5, 6]}. 植物叶片是植物进行光合作用的主要器官，其N ∶P比的大小可用来表征陆地生态系统的生产力，同时也可表明该植物受到哪种元素的限制作用，但是这种限制关系会随着外界环境的改变而变化^{[5, 7, 8, 9]}. N、 P协同限制植物代谢，同时施加N、 P造成的植物生长响应比单独施加时更明显^[10]. 通过对N ∶P比在植被恢复过程中养分限制的研究，为植被的合理配置提供科学依据.

黄土丘陵区纸坊沟流域作为一个完整的小流域，生态系统趋于稳定. 但是自1938年以来毁林开荒逐渐开展，到1958年为止果树及灌木面积减小到3.5 km²，生态环境急剧恶化，土壤侵蚀严重，生态系统逐渐退化^[11]. 近年来，大规模退耕还林(草)等生态工程的开展，植被得到了有效的恢复，土壤养分及结构等都得到了有效的改善，形成了乔木、 灌木、 草本相结合的多元生态系统. 但是对于该生态系统内植物叶片-枯落物的生态化学计量学特征还不了解，因此本研究选取该区域不同层次植物叶片与枯落物作为研究对象，运用生态化学计量学手段，分析不同植物类型的叶片与枯落物的生态化学计量学特征，探讨不同植物类型叶片与枯落物的养分变化以及相互关系，对于理解养分循环具有重要的现实意义，可为黄土高原植被恢复建设提供理论支撑，同时为完善陆地退化生态系统生态化学计量学提供理论依据.

研究区位于黄土高原陕北安塞县纸坊沟流域(36°51′30″N,109°19′30″E)，属暖温带半干旱气候，年均降水量549.1 mm，降水的年内分布不均，多暴雨，流域内梁峁起伏，地形破碎，是延河支流杏子河下游的一级支流，属典型黄土丘陵沟壑区，流域面积8.27 km²，沟壑密度达8.06 km ·km^-2. 自国家“七五”计划开始，纸坊沟流域成为黄土高原综合治理试验示范区，经过20多年的综合治理，尤其是“退耕还林工程”的实施，该区域生态系统得以逐步恢复，并进入良性循环的轨道. 主要优势物种为刺槐(Robinia pseudoacacia)、 丁香(Syzygium aromaticum)、 狼牙刺(Sophora viciifolia)、 沙棘(Hippophae rhamnoides)、 黄刺玫(Rosa xanthina Lindl)、 铁杆蒿(Artemisia sacrorum)、 茭蒿(Artemisia giraldii)等.

1.2 采样地设置与样品采集

植物叶片与叶片枯落物于2013年8月采集，此时植物生长处于生长旺盛期，叶片与枯落物并存. 在纸坊沟流域选取20 m×20 m的样方18个，在样方内根据生活型分成乔、 灌、 草这3个层次采集优势物种的叶片及相应的叶片枯落物. 选择长势均匀的优势物种，根据不同层次(高、 中、 低)、 不同方位(东、 西、 南、 北)采集单一物种叶片. 在样方内多点采集单一物种的枯落物，采集的样品质量大约为300 g左右，叶片于105℃下杀青15 min,然后65℃烘干至恒重.

用粉碎机将植物叶片以及叶片枯落物磨成0.15 mm的粉末后测定其全碳、 全氮、 全磷、 全钾含量. 植物叶片与枯落物的全碳用重铬酸钾外加热法测定; 全氮、 全磷、 全钾采用H₂SO₄-H₂O₂消煮，消煮液分别用凯氏法测定全氮，钒钼黄比色法测定全磷，火焰光度法测定全钾^[12]. 凋落物养分回收能力用养分回流率(R)表示,可以将其定义为：在秋季来临时，正常生长器官养分含量与凋落物中养分含量的差值，即凋落物在凋落前转移养分的量. 养分回流率可按下式计算：

表 1(Table 1)

表 1 所选植物物种名录Table 1 List of selected plant species 植物类型 编号 物种 拉丁名 科 乔木 1 刺槐 Robinia pseudoacacia 豆科Leguminosae 2 丁香 Syzygium aromaticum 木犀科Oleaceae 灌木 1 沙棘 Hippophae rhamnoides 胡颓子科Elaeagnaceae 2 狼牙刺 Sophora viciifolia 豆科Leguminosae 3 黄刺玫 Rosa xanthina Lindl 蔷薇科Rosaceae 草本 1 铁杆蒿 Artemisia sacrorum 菊科Asteraceae 2 茭蒿 Artemisia giraldii 菊科Asteraceae

表 1 所选植物物种名录Table 1 List of selected plant species

采用SPSS 20.0 统计分析软件对养分与化学计量学比进行相关性分析，对不同植物类型间进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)以及多重比较，探讨不同植物类型间的养分及生态化学计量学特征差异. 运用Excel 2013 和Origin 8.0进行数据处理和图形制作. C、 N、 P、 K采用质量分数，C ∶N、 C ∶P、 N ∶P、 C ∶K、 N ∶K、 P ∶K均采用质量比.

由图 1可以看出，不同植物类型下植物叶片全碳含量的变化范围为504.56~529.40 g ·kg^-1，均值为520.72 g ·kg^-1，变异系数为2.69%; 全氮含量的变化范围为27.18~33.40 g ·kg^-1，均值为30.00 g ·kg^-1，变异系数为10.50%; 全磷含量的变化范围为1.74~2.24 g ·kg^-1，均值为1.99 g ·kg^-1，变异系数为12.62%; 全钾含量的变化范围为10.66~21.67 g ·kg^-1，均值为15.66 g ·kg^-1，变异系数为35.62%. 不同植物类型下植物枯落物全碳含量的变化范围为407.54~496.79 g ·kg^-1，均值为444.08 g ·kg^-1，变异系数为10.53%; 全氮含量的变化范围为11.63~22.25 g ·kg^-1，均值为16.59 g ·kg^-1，变异系数为32.20%; 全磷含量的变化范围为0.51~1.46 g ·kg^-1，均值为1.00 g ·kg^-1，变异系数为47.75%; 全钾含量的变化范围为2.31~5.71 g ·kg^-1，均值为3.85 g ·kg^-1，变异系数为44.72%.

图 1

Fig. 1

图中不同大写字母表示同种植物类型叶片和枯落物含量差异显著(P＜0.05)，不同小写字母表示不同植物类型间叶片或枯落物含量差异显著(P＜0.05)，下同图 1 不同植物类型植物叶片和枯落物碳氮磷钾含量Fig. 1 Nutrient contents in leaf and litter of different vegetation types

不同植物类型下植物叶片全碳含量具体表现为乔木＞草本＞灌木; 全氮含量表现为灌木＞乔木＞草本; 全磷、 全钾含量均表现为草本＞乔木＞灌木. 不同植物类型下植物枯落物全碳、 全磷、 全钾含量均表现为乔木＞灌木＞草本; 枯落物全氮含量表现为乔木最大，灌木最小. 不同植物类型下植物叶片全碳氮磷钾含量均高于枯落物. 乔木叶片与枯落物的碳氮磷含量差异不显著，叶片钾含量显著高于枯落物(P<0.05); 灌木和草本植物叶片碳氮磷钾含量显著高于枯落物(P<0.05). 植物叶片全碳、 全氮、 全磷含量在3种不同植物类型下差异不显著，钾含量差异显著(P<0.05); 枯落物全碳、 全氮、 全磷、 全钾含量随着植物类型的不同变异较大，其中乔木显著高于草本植物(P<0.05).

如图 2所示，植物叶片凋落过程中C、 N、 P、 K含量逐渐减低，碳的回流率为6.16%~22.84%，氮的回流率为24.38%~65.18%，磷的回流率为22.38%~77.16%，钾的回流率为60.99%~89.35%. 不同植物类型下，碳、 磷、 钾的回流率表现为乔木＜灌木＜草本，氮则表现为灌木＞乔木＞草本.

图 2

Fig. 2

图 2 不同植物类型叶片变成枯落物碳氮磷钾回流率Fig. 2 Nutrients resorption efficiencies in leaf and litter of different vegetation types

由图 3可以看出，不同植物类型叶片的生态化学计量学特征除C ∶N比值外均表现为灌木＞乔木＞草本，其中，N ∶P、 P ∶K、 N ∶K、 C ∶P、 C ∶K比值的变化范围分别为12.14~19.17、 0.10~0.16、 1.26~3.12、 235.97~298.60、 24.48~48.03，平均值分别为15.37、 0.14、 2.17、 273.25、 36.5，变异系数分别为23.11%、 22.04%、 42.84%、 12.07%、 32.27%; C ∶N比值表现为草本＞乔木＞灌木，C ∶N比值的变化范围为15.61~19.48，平均值为18.14，变异系数为12.09%. 不同植物类型枯落物的生态化学计量学特征N ∶P比值表现为草本＞乔木＞灌木，N ∶P比值变化范围为12.84~30.67，平均值为19.54，变异系数为49.65%; P ∶K比值表现为灌木＞乔木＞草本，P ∶K比值的变化范围为0.22~0.35，平均值为0.27，变异系数为24.78%; N ∶K和C ∶P比值均表现为草本＞灌木＞乔木，N ∶K和C ∶P比值的变化范围分别为3.77~6.75、 395.54~794.88，平均值分别为5.11~592.59，变异系数分别为29.62%、 33.70%; C ∶N和C ∶K比值均表现为灌木＞草本＞乔木，C ∶N和C ∶K比值的变化范围分别为26.39~42.78、 92.40~252.60，平均值分别为32.03、 174.02，变异系数分别为29.08%、 46.05%.

图 3

Fig. 3

图 3 植物叶片和枯落物生态化学计量学特征Fig. 3 Characteristics of ecological stoichiometry in leaf and litter of different vegetation types

由图 3可知，乔木和灌木叶片与枯落物N ∶P、 N ∶K、 C ∶P、 C ∶K差异不显著，草本植物叶片与枯落物差异显著(P<0.05). 不同植物类型下，枯落物P ∶K、 N ∶K、 C ∶N、 C ∶P、 C ∶K以及叶片P ∶K、 C ∶N、 C ∶P差异不显著; 灌木叶片N ∶P显著高于乔木与草本植物(P<0.05)，草本植物枯落物N ∶P显著高于乔木与灌木(P<0.05); 灌木叶片N ∶K显著高于乔木与草本植物，乔木与草本植物差异显著(P<0.05); 灌木叶片C ∶K显著高于乔木与草本植物(P<0.05)，乔木与草本植物差异不显著.

由表 2可以看出，不同植物类型植物叶片全碳只与P ∶K比值呈正相关，与其他比值均呈负相关，但相关性不显著; 植物叶片全氮与C ∶N、 C ∶P比值呈负相关，其中与C ∶N比的相关性显著(P<0.05)，与N ∶P、 P ∶K、 N ∶K、 C ∶K比值均呈正相关，其中与N ∶K比值的相关性显著(P<0.05); 植物叶片全磷与P ∶K呈正相关关系，与C ∶P呈极显著的负相关(P<0.01)，与N ∶P、 N ∶K、 C ∶K、 C ∶N均呈负相关，但相关性不显著; 植物叶片全钾与C ∶N呈正相关，与其他比值均呈负相关，其中与N ∶P、 N ∶K、 C ∶K呈极显著的负相关(P<0.01). 不同植物类型植物枯落物全碳与N ∶P、 N ∶K呈负相关，与其他比值均呈正相关; 枯落物全氮与N ∶P呈正相关，与其他比值均呈负相关，其中与C ∶N呈显著的负相关(P<0.05); 枯落物全磷与各比值之间均呈负相关，其中与C ∶P呈极显著的负相关(P<0.01); 枯落物全钾与各比值之间均呈负相关，其中与C ∶K、 N ∶K呈显著的负相关，和C ∶P呈极显著的负相关(P<0.01).

表 2(Table 2)

表 2 植物叶片和枯落物碳氮磷钾含量与生态化学计量学特征相关性分析1)Table 2 Pearson correlations between C，N，P，K nutrients and the characteristics of ecological stoichiometry in leaf and litter of different vegetation types 项目 元素 N ∶P P ∶K N ∶K C ∶N C ∶P C ∶K 叶片 C -0.431 0.068 -0.141 -0.196 -0.666 -0.448 N 0.472 0.834* 0.773* -0.966** -0.603 0.425 P -0.459 0.294 -0.004 -0.491 -0.986** -0.376 K -0.910** -0.742 -0.880** 0.500 -0.390 -0.983** 枯落物 C -0.095 0.040 -0.051 0.211 0.069 0.092 N 0.177 -0.445 -0.186 -0.819* -0.570 -0.593 P -0.570 -0.233 -0.700 -0.557 -0.909** -0.645 K -0.476 -0.463 -0.787* -0.680 -0.952** -0.797* 1)*为P＜0.05，**为P＜0.01，下同

表 2 植物叶片和枯落物碳氮磷钾含量与生态化学计量学特征相关性分析1)Table 2 Pearson correlations between C，N，P，K nutrients and the characteristics of ecological stoichiometry in leaf and litter of different vegetation types

如表 3 所示，植物叶片C回流率与枯落物碳含量呈极显著的负相关，N回流率与枯落物氮含量呈显著的负相关，P回流率与枯落物P、 K含量呈显著的负相关，K回流率与与枯落物P、 K含量呈显著的负相关.

表 3(Table 3)

表 3 叶片碳氮磷钾回流率与叶片及枯落物碳氮磷钾含量的相关性分析1)Table 3 Pearson correlations between the contents of C，N，P，K nutrients and the resorption efficiencies in leaf and litter of different vegetation typess 回流率 碳 氮 磷 钾 叶片 枯落物 叶片 枯落物 叶片 枯落物 叶片 枯落物 RC 0.461 -0.900** 0.446 0.157 0.730 0.096 0.483 0.146 RN -0.752 -0.409 -0.014 -0.854* -0.532 -0.377 -0.405 -0.505 RP -0.315 -0.311 -0.524 -0.397 -0.028 -0.910** 0.586 -0.897** RK -0.449 -0.103 -0.746 -0.549 -0.311 -0.977** 0.53 -0.939** 1)*为P＜0.05，**为P＜0.01，下同

表 3 叶片碳氮磷钾回流率与叶片及枯落物碳氮磷钾含量的相关性分析1)Table 3 Pearson correlations between the contents of C，N，P，K nutrients and the resorption efficiencies in leaf and litter of different vegetation typess

用主成分分析(PCA)法对不同植物类型下几种植物叶片和枯落物碳氮磷钾与生态化学计量学特征的关系进行分析. 如图 4所示，不同植物类型下植物叶片全氮与P ∶K、 N ∶K、 N ∶P、 C ∶K呈正相关性，与C ∶P和C ∶N呈负相关; 全碳和全磷与N ∶K、 P ∶K相关性较小; 全钾与C ∶N呈正相关性，与其他比值均呈负相关性. 丁香叶片受C ∶N影响较大; 黄刺玫叶片受C ∶P影响较大; 沙棘叶片受C ∶K、 N ∶P、 N ∶K、 P ∶K影响较大; 狼牙刺和刺槐叶片受全氮和P ∶K影响较大; 铁杆蒿和茭蒿叶片受全碳、 全磷、 全钾影响较大. 不同植物类型下植物枯落物全氮与N ∶P存在正相关性，与N ∶K相关性较小，与其他比值存在负相关性; 枯落物全碳、 全磷、 全钾与各比值均存在负相关性. 刺槐群落受枯落物全氮影响较大; 狼牙刺、 丁香、 沙棘群落受枯落物全碳、 全磷、 全钾影响较大; 茭蒿和铁杆蒿群落受N ∶P、 N ∶K、 C ∶P影响较大; 黄刺玫群落受C ∶K、 P ∶K、 C ∶N影响较大.

图 4

Fig. 4

图 4 植物叶片和枯落物碳氮磷钾含量与生态化学计量学特征关系Fig. 4 Relationships between the contents of C，N，P，K nutrients and the resorption efficiencies in leaf and litter of different vegetation types

植物作为陆地生态系统的子系统，在调节整个系统的稳定性方面发挥着重要的作用. 碳、 氮、 磷、 钾等元素是植物生长发育所必需的营养元素，直接控制植物的生长及其行为过程^[13]. 植物叶片和枯落物作为生态系统中环境因子和生物因子的代表，对环境变化的反应比较敏感^[14]. 植物枯落物分解产生养分，土壤养分得到相应的补给，为植物自身养分的调节和需求提供了条件^[15]. 不同类型植物吸收养分的种类、 数量以及对养分的利用效率均存在差异. 本研究表明，不同植物类型植物叶片全碳氮磷钾含量均高于枯落物，其中植物叶片氮磷含量均略高于我国植物叶片氮(20.2 g ·kg^-1)^[16]和磷(1.5 g ·kg^-1)^[17]的平均含量，这与郑淑霞等^[18]对黄土高原植物叶片的养分组成研究的结果相一致; 植物叶片碳含量略高于全球植物叶片碳(464 g ·kg^-1)的平均含量，这与杨佳佳等^[19]对黄土高原刺槐林叶片碳含量的研究结果(低于全球植物叶片碳的平均含量)不一致，这可能是由于不同物种之间的差异和黄土高原多变的环境和气候条件引起.

植物枯落物的全碳氮磷钾含量与植物本身的再吸收能力有关. 研究表明植物叶片掉落前会将养分转移到花、 果实、 枝、 根中，从而防止养分随着叶片的凋落而流失^[20]. 研究结果显示，乔木植物叶片全钾含量显著高于枯落物，灌木与草本植物叶片碳氮磷钾含量显著高于枯落物，这可能是因为凋落物在老化前会将部分养分转移到新鲜组织当中去，实现了养分的再吸收利用^[21]. 养分再吸收不仅影响植物体内养分的有效性和养分循环过程，而且也是生物地球化学过程的一个关键步骤. 本研究中，3种不同的植物类型下，植物叶片的碳氮磷钾明显高于枯落物，也证实了上述理论. 其中，钾的转移能力最强，3种植物类型钾回流率均超过60%，草本植物钾回流率高达80%. 钾在植物体内主要以离子态存在，不像碳、 氮、 磷主要以有机态形式储存在植物体内，流动性差^[12]. 钾在植物水分竞争中起着非常重要的作用，植物对钾的吸收能力决定植物的耐旱性. 本研究显示不同植物类型植物叶片钾的含量差异显著，这是因为研究区内随着生态系统的恢复，不同植物间对水分的竞争愈加激烈，植物通过吸收相对多的钾来提高自身的抗旱能力和水分吸收能力^[22]. 草本植物叶片钾含量显著高于乔木和灌木，说明草本植物的耐旱性显著高于乔木和灌木. 对不同植物类型植物枯落物进行分析发现，枯落物碳、 氮、 磷、 钾随着植物类型的不同变异较大，乔木显著高于草本植物. 乔木、 灌木为深根系植物，在相同的环境中对土壤水分和养分具有较强的吸收能力，而草本植物为浅根系，较多的依靠自身养分的回流供给植物的生长.

叶片的N、 P含量和N ∶P比值反映了植物对当地土壤条件的适应^{[9, 23]}，研究区域、 生长阶段及植物种类的差异都会影响氮磷比临界值的变化^[9]. 通常将N ∶P比为16作为评价植物生长受氮或者磷限制的临界值，N ∶P比大于16受磷限制，小于14受氮限制，介于14~16则受氮和磷共同限制. 本研究发现植物叶片N ∶P比表现为灌木最大(19.17)，大于临界值16，主要受磷限制; 乔木居中(14.78)，介于14到16之间，受氮与磷的共同限制; 草本植物N ∶P比最小(12.14)，主要受氮限制. 有研究表明，即使在同一气候区，不同的植物群落对养分的吸收也有差异^[18]. 本研究区域草本植物主要生长在乔木或者灌木下，其覆盖度较大，草本植物作为浅根性植物对土壤表层养分含量吸收能力较强，特别是对磷的吸收. 此外，草本植物叶片在凋落前磷的转移能力较强，显著高于乔木和灌木，能够有效地利用叶片中磷的含量，满足植物生长对磷的需求，因此纸坊沟流域草本植物受磷的限制较小，受氮等元素的限制较大. 此外，草本植物叶片磷含量高于乔木和灌木，这也印证了草本植物的生长主要受氮的限制. 研究表明，灌木受磷的限制较大，这与Han等^[24]对中国753种陆生植物的研究结果相似，我国陆地植被普遍受磷限制. Güsewell^[9]和贺金生等^[25]的研究发现叶片N ∶P比的变化主要取决于叶片磷含量的变化. 本研究表明3种植物类型不同植物叶片磷含量差异不显著. 叶片N ∶P比与叶片氮含量呈正相关，与磷含量呈负相关，但相关性不显著，但是与叶片钾含量呈显著的负相关，表明纸坊沟流域叶片N ∶P比可能与叶片钾含量有关.

草本植物枯落物N ∶P比(30.67)显著高于乔木和灌木，这是由于草本植物的枯落物磷含量较低，氮含量较高导致的. 然而草本植物叶片磷含量较高，具有较高的N ∶P比，说明草本植物叶片在凋落前磷的再吸收能力较强. 乔木与灌木叶片与枯落物的N ∶P比差异不显著，表明在由成熟叶片凋落的过程中叶片的N ∶P比变化较小. 因此对于乔木与灌木，叶片和枯落物N、 P的再吸收能力一致.

植物叶片的C ∶N和C ∶P比能够反映其同化碳的能力，在一定程度上反映植物营养的利用效率，具有重要的生态学意义^[26]. 3种不同植物类型下叶片的C ∶N比低于全球水平(22.5)，C ∶P比高于全球水平(232). 叶片C ∶P、 C ∶K、 C ∶N、 P ∶K、 N ∶K均小于枯落物，这与McGroddy等^[27]的研究结果一致，表明C、 N的再吸收能力小于P、 K.

(1)植物叶片凋落之前C、 N、 P、 K 均发生了营养转移，不同元素养分回流率各不相同，其中以钾的回流最为突出. 草本植物的养分回流率高于乔木与灌木. 较高的养分回流率表明纸坊沟流域植物具有较高的养分再吸收作用，通过提高养分再吸收程度和养分再吸收效率来适应贫瘠的土壤，对于该区植被恢复和生态系统的重建具有重要的现实意义.

(2)植物叶片N ∶P比可以作为植物演替阶段的限制性营养元素指标. 不同种植物类型下植物叶片N ∶P比以灌木最高，乔木居中，草本最低，这表明植物生长旺盛期(8月)灌木和草本植物分别受磷、 氮的限制，这可为黄土高原植被恢复与重建提供理论指导.