中国湿地土壤碳氮磷生态化学计量学特征研究

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1、中国湿地土壤碳氮磷生态化学计量学特征研究*张仲胜*国家自然科学基金项目（41471081，41171092）资助SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(Nos.41471081and41171092)作者简介：张仲胜（1982-），男，山东莱阳人，博士，副研究员，主要从事湿地生物地球化学循环研究。E-mail:zzslycn@neigae.ac.cn，吕宪国，薛振山，刘晓辉（中国科学院湿地生态与环境重点实验室，中国科学院东北地理与农业生态研究所，长春13010

2、2）摘要明确区域及全球湿地土壤中是否存在类似“Redfield比值（Redfieldratio）”的碳氮磷（C:N:P）比例，是认识湿地生态系统中元素循环，构建湿地物质循环模型的基础。本文基于《中国沼泽志》中有详细土壤理化性质记录的119块沼泽湿地数据，利用数理统计方法，分析了区域尺度上湿地土壤中碳C:N:P生态化学计量学特征及分布格局，并探讨了其可能的影响因素。结果表明，中国湿地土壤中C:N、C:P和N:P（摩尔比）平均为18.22、245.22和13.60，高于中国及世界土壤中C:N、C:P和N:P的平均值，C:N:P比例

3、平均值为245:13.6:1。碳、氮、磷三者之间并不具备显著的两两相关性，说明中国湿地土壤中不存在类似于“Redfieldratio”的C:N:P比例。相比于N元素，湿地生态系统更多受到P供应的限制。不同湿地类型或不同盐度情况下湿地土壤中C:N、C:P和N:P存在显著性差异，而植被类型对土壤中C:N、C:P和N:P影响不大。相关性分析表明，海拔高度、温度（年平均气温、1月平均气温、7月平均气温、活动积温）及pH是决定湿地土壤中C:N、C:P和N:P的主要因素。考虑到海拔与C:P及N:P之间极显著的相关关系，海拔这一非地带性因子

4、是决定湿地土壤C:N:P计量学特征的主要因素。关键词湿地；土壤；C:N:P；生态化学计量学中图分类号Q143文献标识码A元素的生物地球化学循环过程如何耦合生态系统的服务功能，一直是生态学研究中的核心问题之一[1-2]。在经典的李比希定律中，低于某种生物需要的最小值的任何特定因子，是决定该种物生存和分布的根本因素[3]。这种因子除了元素之外，其内涵还包括了光照、水分、温度等一系列环境因素[4-6]。1958年Redfield发现海洋浮游植物生物量中C:N:P的比例为106:16:1，接近于海水中C:N:P比值[6]，这说明海洋中

5、C、N、P的生物地球化学循环过程可能以一个固定的比例进行，任何元素的剩余或者不足均将影响其他元素的循环过程[7-9]，此后这个比值被越来越多的研究所证实并被称之为“Redfield比值（Redfieldratio）”，成为众多揭示海洋碳及氮磷营养元素生物地球化学循环模型的构建基础之一，为研究海洋生态系统中物质循环过程及认识限制性元素对生态系统影响开辟了新的视角[10-14]。2002年出版的Ecologicalstoichiometry:thebiologyofelementsfrommoleculestothebiosphe

6、re，正式标志生态化学计量学理论的建立，表明其成为联系分子水平化学过程与生态系统水平生态过程的有效工具[15-18]。水生生态系统中C:N:P的计量学特征研究已经取得了重要的进步[19-21]。而对于陆地生态系统而言，作为生态系统的基质的土壤中是否存在类似于“Redfieldratio”的碳氮磷C:N:P比值目前尚未存在无统一的定论。近来的一些研究表明，在全球尺度上，土壤中可能存在一个类似的比值[22-24]。例如，全球土壤及土壤微生物中具有相对稳定的C:N:P比例，分别为186:13:1和60:7:1[22]。在区域尺度上，

7、土壤中的C:N比例也通常在一个较窄的范围内波动。例如中国土壤中C:N、C:P和N:P比例平均为11.9,61和5.2，C:N:P比例稳定在60:5:1[24]。然而，相比于水生生态系统，土壤具有更高的空间异质性，影响土壤发育及地理分布的各种环境因素，将通过直接或者间接的作用11影响土壤中碳氮磷的物质循环循环过程[25-27]。植被、气候带、地貌特征、水文情势、生物活动等均将对土壤中碳氮磷的计量学特征造成影响。而反之，土壤中营养元素的供应水平将通过限制某些关键生态过程，如土壤中微生物的群落结构、生长速率、枯落物的分解过程等因素，

8、通过“由下而上”或者“由上而下”等途径影响并控制调控生态系统尺度上的物种组成及生态功能[28-29]。全球许多陆地生态系统受到氮的限制，尤其反映在土壤C:N:P计量学特征对陆地生态系统中碳固定过程具有极强的调控作用[30-31]。例如N、P等营养元素的计量学特征主要通过影响生