養(yǎng)分對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和其他生態(tài)過程的限制在陸地生態(tài)系統(tǒng)廣泛存在。養(yǎng)分限制不僅影響生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)的碳固定，還制約著其他生態(tài)系統(tǒng)功能的維持。氮（N）和（P）被認(rèn)為是陸地生態(tài)系統(tǒng)最主要的兩種限制性養(yǎng)分元素。在我國西南喀斯特地區(qū)，生態(tài)學(xué)家和土壤學(xué)家很早就注意到，由于石灰土的高pH和富鈣（Ca）等特性，該地區(qū)植被群落普遍受P限制。但是強(qiáng)烈的人類活動（如毀林開荒和不合理的耕作）會改變養(yǎng)分循環(huán)的生態(tài)化學(xué)計(jì)量平衡，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分限制因子發(fā)生改變。
上世紀(jì)50年代末以來，我國西南喀斯特地區(qū)大面積土地經(jīng)歷了從植被退化、石漠化到植被次生演替的歷史變化。90年代后期國家重大生態(tài)工程的實(shí)施（退耕還林還草、生態(tài)移民與石漠化治理等），極大地促進(jìn)了該地區(qū)植被恢復(fù)。但由于對植被演替過程中生源要素的生物地球化學(xué)循環(huán)規(guī)律缺乏充分認(rèn)知，理論研究與工程治理脫節(jié)，該生態(tài)脆弱區(qū)植被恢復(fù)緩慢，在巨大的人口壓力下，部分恢復(fù)土地又面臨著二次退化的危險。因而，研究退化喀斯特生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)過程中養(yǎng)分限制規(guī)律，對該地區(qū)植被恢復(fù)重建和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理均具有重要意義。
針對以上科學(xué)問題，環(huán)江喀斯特站養(yǎng)分循環(huán)研究團(tuán)隊(duì)選取不同演替階段典型植被群落為研究對象（草叢、灌木林、次生林），以國家自然保護(hù)區(qū)原生林為參照，研究了喀斯特退化土地次生演替過程中生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分限制特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在歷史耕作擾動期間，盡管N和P均會大量流失，但由于N和P對耕作擾動的響應(yīng)不同，N的流失途徑和流失量均多于P。如侵蝕和淋失均會導(dǎo)致N和P元素的流失，但由于P容易被土壤顆粒吸附，因而N（尤其是硝態(tài)氮）更易于淋溶丟失。而且在N轉(zhuǎn)化過程中，大量的N素會以氣體的形式丟失。同時，由于生態(tài)系統(tǒng)N和P的來源不同（N主要來源于大氣，而P主要來源于基巖和母質(zhì)風(fēng)化），在生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)初期，植物可以通過出露及淺埋基巖的風(fēng)化獲取P。因此，喀斯特退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)初期（草叢階段），植被群落主要受N限制。隨著植被的正向演替，自生固氮和共生固氮過程逐漸恢復(fù)，N素迅速積累，而土壤P素在Ca和土壤礦物作用下多轉(zhuǎn)化為無效態(tài)，因此在生態(tài)系統(tǒng)演替后期（次生林和原生林階段），植被群落主要受P限制。在生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)中期（灌木林階段），植被群落受N、P共同限制。以上研究表明，在退化喀斯特生態(tài)恢復(fù)重建初期應(yīng)關(guān)注N素的輸入管理，如豆科植物的引種和自生固氮過程的培育。
相關(guān)研究結(jié)果已發(fā)表在Plant and Soil上。該研究得到國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金及中科院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
圖1 西南喀斯特地區(qū)不同演替階段群落葉片N:P比與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析
圖2 西南喀斯特地區(qū)不同演替階段群落葉片N:P比與土壤堿性磷酸酶活性相關(guān)性分析