山地学报

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全球变化下的山地表生环境过程:认知与挑战——中国科学院贡嘎山高山生态系统观测试验站建站30周年回顾与展望

王根绪, 程根伟, 刘巧, 孙守琴, 冉飞

2017, 35(05): 605-621. https://doi.org/10.16089/j.cnki.1008-2786.000259

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立足山地表生环境长期定位观测,明确山地表生环境变化过程与机理、掌握山地生态系统响应变化环境的演化规律、探索应对全球变化的山区经济社会发展模式,维系着国家发展战略目标的实现。从高山典型生态系统对气候变化的响应与适应、变化环境下高山植被原生演替过程与模拟、高山生态系统生物地球化学循环、海洋性冰川动态与山地气候变化以及山地资源开发利用与保护等方面,系统总结了贡嘎山高山生态观测试验站过去30年取得的重要科学进展,归纳了在山地表生环境过程理论与实践方面取得创新突破。围绕贡嘎山站在山地生态和环境变化观测试验体系建设中存在的不足,以及面临的重要前沿科学领域的挑战和国家发展需求,提出了未来进一步发展的5个重要方向:构建和发展综合观测网络、深化高山生态系统垂直带谱分异与重建机制的研究、拓展高低纬度典型山地生态系统变化的比较研究、发展山地生态过程模型以及探索山区生态经济可持续发展模式。

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贡嘎山东坡海螺沟:现代冰川与森林景观

2017, 35(05): 621.

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<正>贡嘎山地区的海洋性冰川具有低海拔与活动性强特征,其冰舌下伸至峨眉冷杉林线以下,形成独特的冰川与森林相互交错的景观,同时冰川退缩前缘地带植被演替快,成为研究森林生态系统原生演替的天然实验室。

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贡嘎山高山林线动态与生理形成机制

朱万泽, 冉飞, 李迈和, 王文志, 贾敏

2017, 35(05): 622-628. https://doi.org/10.16089/j.cnki.1008-2786.000260

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作为典型的生态交错带,高山林线因其特殊的结构、功能及对气候变化的高度敏感性,已成为全球气候变化研究的热点之一。本文分析了贡嘎山高山林线动态,林线峨眉冷杉径向生长与气候变化的关系;基于贡嘎山地区现有的峨眉冷杉、川西云杉、川滇高山栎3个林线树种非结构碳水化合物(NSC)测定,探讨了贡嘎山高山林线形成生理机制,贡嘎山地区林线树木可能遭受冬季碳限制,"碳源与碳汇"的平衡关系影响高山林线的位置与分布,生长在高山恶劣环境条件下林线树种的发育和幸存,不仅依赖于最小需求的NSC浓度,而且要求冬季高于3的可溶性糖:淀粉比率,以成功越冬和维持其正碳平衡;指出了今后应重点关注气候变化背景下区域尺度高山林线动态长期观测与模拟、高山林线树木对极端环境的生理生态适应机制、高山林线森林植被碳源-汇关系的长期监测等研究。

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贡嘎山海螺沟冰川退缩区植被演替过程的碳动态

罗辑, 李伟, 佘佳, 何咏梅, 高嘉宁

2017, 35(05): 629-635. https://doi.org/10.16089/j.cnki.1008-2786.000261

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在贡嘎山海螺沟冰川退缩区植被原生演替序列不同演替阶段设置7个样地,分别对7个样地的环境因子进行连续观测试验,对各个样地的植物、土壤碳、粗木质物残体的有机碳含量进行测定。结果表明:原生演替序列7个样地的有机碳储量分别为:889.3,8930.3,13902.5,17021.5,19699.9,26121.9,34587.4 g C·m~(-2)。样地的有机碳储量按大小顺序排列为:植被>土壤>粗木质物残体。7个样地的土壤呼吸C排放分别是326.7,265.7,260.3,382.5,555.6,774.9,1030.5 g C·m~(-2)·a~(-1)。在未来气候变化情景模式下,不同演替阶段林分的土壤呼吸量均随着温度的增加而增加,演替初期生态系统的土壤呼吸季节模式会发生显著变化,对气候变化更加敏感,演替后期的变化较小。植被原生演替序列总有机碳储量呈现持续增加的趋势,在演替中后期碳汇作用变强。

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杨树(Populus)生理生态特性对增温、大气CO_2浓度升高和干旱响应的Meta分析

李树鑫, 卢元兵, 段宝利, 张远彬

2017, 35(05): 636-644. https://doi.org/10.16089/j.cnki.1008-2786.000262

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近几十年来,气候变暖、大气CO_2浓度升高和干旱对陆地生态系统的影响引起了广泛关注。杨树是世界各国普遍种植的木本植物,研究其对环境变化的响应具有重要的理论和实践意义。本文采用Meta分析(Meta analysis)方法定量总结了增温、大气CO_2浓度升高、干旱对杨树生理生态特性的影响。通过Web of Science、中国知网等中英文数据库检索,共收集了34篇原始文献,获得690个独立样本。结果表明:(1)增温显著提高了杨树的高增长(+78.32%)、叶面积(+58.23%),促进了地上生物量(+89.59%)和叶生物量的积累(+71.69%),显著降低了杨树的水分利用效率(-22.61%)和碳同位素(-5.51%);(2)CO_2浓度升高显著提高了杨树的叶面积(+49.65%)和光合速率(+22.53%),以及根生物量(+72.36%),显著降低了杨树的气孔导度(-17.21%);(3)干旱显著提高了杨树的根冠比(+38.95%)和水分利用效率(+34.52%),显著降低了杨树的叶面积(-148.53%),以及总生物量(-70.81%)。从本文收集的文献来看,单独研究大气CO_2浓度升高、增温或干旱对杨树生理生态特性影响的文献较多,关注两两交互或三者协同作用对杨树生理生态特性影响的文献很少,这些环境因子的交互作用对杨树生理生态特性的影响研究应加强。

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杨柳科植物随环境变化的性别响应差异

宋海凤, 张胜

2017, 35(05): 645-652. https://doi.org/10.16089/j.cnki.1008-2786.000263

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杨柳科(Salicaceae)植物多为雌雄异株植物,在维持陆地生态系统的结构与功能方面具有重要作用。杨柳科植物不同性别植株间具有不同的生长特征及繁殖策略,对环境因子变化也具有不同的响应机制。本文主要探讨了紫外线(UV-B)辐射、温度和降水等山地环境因子的变化对雌雄异株植物的影响。杨属雄株植物从形态特征、生理特征及分子机制等层面体现出对环境变化较强的耐受能力,而柳属植物性别间差异研究大多局限于形态生理变化等方面,过量的UV-B辐射对雌雄柳属植物未产生性别特异性影响,增温则对柳属雌株的生长具有一定的促进作用。杨柳科植物对环境变化的差异响应在一定程度上对其性别比例变化产生影响,从而改变种群结构及动态特征。未来杨柳科雌雄植物对环境变化的适应机理仍需要进一步探索,为揭示陆地生态系统结构和功能稳定性对环境变化的响应机制提供依据。

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贡嘎山林线峨嵋冷杉叶片功能属性特征

赵小祥, 王根绪, 彭阿辉, 张莉, 冉飞, 杨阳, 杨燕

2017, 35(05): 653-662. https://doi.org/10.16089/j.cnki.1008-2786.000264

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本文以贡嘎山东坡、西坡和东北坡四处林线峨眉冷杉叶片为研究对象,分析测试了叶片比叶面积(SLA)、全氮(N)、全磷(P)、全碳(C)和碳同位素,并结合林下土壤有机碳(SOC)、总氮(TN)、总磷(TP)、有效氮(AN)、有效磷(AP)含量,从叶片化学计量特征、水分和养分利用效率的角度,试图利用植物叶片功能属性探讨林线植物峨眉冷杉的现存可能机制。结论显示,环贡嘎山林线峨眉冷杉林线的叶片N∶P均低于10,说明已经发生了较为明显的N限制;林线处相较于低海拔林下土壤有更低的土壤有机质、有效氮和磷,以及更低的比叶面积(SLA),说明该区域冷杉的分布和生长可能受到可获取的土壤养分限制,峨眉冷杉生长转向资源保守型,减缓生长以适应可利用资源贫瘠的环境。研究结果从某种程度上说明,土壤养分利用状况和植物本身的资源利用策略也是影响贡嘎山林线峨眉冷杉生长和分布一个不容忽视的可能潜在因子,在未来模型碳估算中应当予以考虑。

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川西亚高山生态系统三种典型植物凋落物分解动态特征

刘涛, 孙守琴, 邱阳

2017, 35(05): 663-668. https://doi.org/10.16089/j.cnki.1008-2786.000265

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植物凋落物是高山生态系统重要的养分存储库,凋落物的分解在高山生态系统生物地球化学循环中具有重要作用。本研究采用凋落物分解袋法,分析了贡嘎山亚高山暗针叶林和高山灌丛中赤茎藓(Pleurozium schreberi)、峨眉冷杉(Abies fabri)和杜鹃(Rhododendron williamsianum)三种植物凋落物的分解速率和养分释放动态及差异。结果表明:1)经三年分解后,无论是暗针叶林还是高山灌丛,杜鹃凋落物分解率均最高;峨眉冷杉凋落物分解率在暗针叶林略高于赤茎藓凋落物,但在高山灌丛和赤茎藓无显著差异;2)三种植物凋落物的分解动态均能用Olson经典指数模型拟合;3)分解三年后,三种凋落物碳(C)含量下降了5.66%~14.58%;氮(N)含量增加了6.46%~42.10%;峨眉冷杉和杜鹃凋落物磷(P)含量增高,赤茎藓凋落物中P含量降低。

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雌雄青杨幼苗对磷缺乏差异响应的离子组学研究

唐铎腾, 周荣, 张胜

2017, 35(05): 669-676. https://doi.org/10.16089/j.cnki.1008-2786.000266

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为探究雌雄异株植物对磷元素缺乏的性别差异响应,以水培雌雄青杨幼苗为对象,利用ICP-OES分别测定了对照条件和缺磷条件下,雌雄青杨幼苗叶片及根中10种元素(Ca,Cu,Fe,K,Mg,Mn,Na,P和Zn)的含量,并分析了雌雄青杨元素含量变化与性别之间的关系。主成分分析中,第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)分别解释了总变量的50.6%和15.6%,明确区分了器官之间和处理之间的差异,发现缺磷条件下的根的变化比叶片更为明显。缺磷处理的青杨雄株幼苗叶片中P和Cu含量显著降低,而雌株幼苗叶片中Ca、Zn和Cu的含量却显著增加;缺磷处理导致雌雄青杨幼苗根中P含量均显著下降,雄株幼苗根系中Ca含量也显著下降,雌株幼苗根系中S含量显著增加。与青杨雄株相比,对照和缺磷处理雌株根系中K和Zn含量均较高。此外,缺磷处理的雌株叶片中Ca和Cu含量也比雄株高。元素相关性分析显示,相同价态元素之间存在竞争效应,但同主族元素之间的竞争并不显著。综上所述,缺磷处理导致了雌雄青杨幼苗根和叶片中元素含量的显著变化,相比于雄株,青杨雌株幼苗受到的影响更为显著。

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贡嘎山山地暗针叶林森林生态系统水循环及其空间分异规律

孙向阳, 王根绪

2017, 35(05): 677-685. https://doi.org/10.16089/j.cnki.1008-2786.000267

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在全球气候变化下背景下,山区水循环加剧、水文过程和水资源变化更加复杂,客观认识变化环境下山区流域的水循环规律及其与气候、植被、土壤的相互作用机理,是全球变化及人类社会可持续发展共同面临的核心问题。本文从森林空间异质性结构对生态系统蒸散发、土壤水分、水量平衡和水碳关系的影响研究,结合国内外研究进展,系统阐述了贡嘎山高山生态系统观测试验站目前的研究工作和取得的研究结果。此外,针对复杂山地条件下生态系统水循环研究,提出了未来山地水文学重要的研究方向:系统开展土壤-植被-大气连续体(SPAC)系统下各连续体介质相关研究工作;开展生态水文过程多尺度综合研究;开展能够准确模拟山地水文过程的模型模拟工作。

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贡嘎山营养元素和重金属的生物地球化学研究现状与展望

祝贺, 吴艳宏, 邴海健, 周俊, 孙宏洋, 何清清

2017, 35(05): 686-697. https://doi.org/10.16089/j.cnki.1008-2786.000268

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本文对贡嘎山地区营养元素和重金属的生物地球化学循环的研究现状进行了总结,在此基础上探讨了未来须关注的热点和方向。目前围绕贡嘎山生态系统的碳(C)、氮(N)生物地球化学循环研究主要开展了C和N的分布特征、储量、凋落物中元素的归还与释放等方面的工作;磷(P)的生物地球化学研究包括不同海拔梯度和土壤演替阶段土壤P的形态、生物有效性、迁移转化及其影响因素、成土作用和微生物作用对土壤P的生物有效性的影响等;重金属的生物地球化学研究主要围绕重金属的赋存特征、来源、影响因素和潜在生态风险等方面。未来需要将大气-水-土壤-植物-微生物系统作为一个整体,系统研究养分元素的生物地球化学循环过程和机制以及重金属的迁移转化和关键控制因素,加强各元素生物地球化学循环耦合关系研究,建立多种元素循环的耦合模型,为山地生态安全和生态修复提供理论基础。

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海螺沟冰川退缩区土壤元素分布特征及影响因素

何清清, 邴海健, 吴艳宏, 王吉鹏, 周俊, 孙宏洋, 祝贺

2017, 35(05): 698-708. https://doi.org/10.16089/j.cnki.1008-2786.000269

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土壤形成和发育过程中,元素的赋存特征对陆地生态系统的健康发育至关重要。本研究选择海螺沟冰川退缩区,按照土壤年龄设置了6个采样点(0,30,40,52,80和120年),调查了18种元素在O层(有机层)、A层(矿物质层)和C层(母质层)的分布特征,并分析了主要影响因素。结果显示,在海螺沟冰川退缩区C层土壤中所有元素的浓度变化不大,反映了母岩基质相对单一;在表层土壤(O层和A层)中,Al、Ba、Ca、Cr、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、Ni、Sr、Ti、V发生明显亏损,P和Zn次之,而Cd和Pb存在明显富集。随土壤发育和植被演替,大多数元素的亏损程度增加,特别在针叶林阶段明显高于植被演替前期。土壤风化、植物吸收和径流损失对大多数元素的亏损具有重要影响,而Cd和Pb的高度富集主要归因于大气沉降和植物的归还作用。

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贡嘎山酸性土壤微生物量磷紧密关联碳酸氢钠提取态有机磷

孙宏洋, 吴艳宏, 李娜, 周俊, 邴海健

2017, 35(05): 709-716. https://doi.org/10.16089/j.cnki.1008-2786.000270

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有效磷是土壤中最重要的磷组分,被广泛用于评估各种生态系统的土壤磷营养。然而,很少有研究基于野外数据评估有效磷的来源。本研究通过野外调查和室内试验,展示和评估了微生物量磷(MBP)和微生物群落对贡嘎山酸性土中有效磷组分的关联性。结果发现,微生物功能组脂肪酸显著解释有效磷变异性,尤其细菌脂肪酸强烈关联有效磷。与Hedley磷连续提取法中其他有效磷相比,仅碳酸氢钠提取态有机磷(NaHCO_3-Po)强烈关联MBP。本研究的数据分析、实验结果和以往的研究结果证明MBP与NaHCO_3-Po之间的这种关联性是直接的:微生物死亡裂解释放有效磷是导致这种联系的主要原因。这些结果揭示了微生物量磷测定方法与Hedley磷连续提取法测定方法的关联性:酸性土中MBP是Hedley磷连续提取法中NaHCO_3-Po的主要来源,也强调了Hedley磷连续提取法在评估微生物对土壤磷有效性作用中的重要参考性。

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贡嘎山海洋型冰川监测与研究:历史、现状与展望

刘巧, 张勇

2017, 35(05): 717-726. https://doi.org/10.16089/j.cnki.1008-2786.000271

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贡嘎山是我国典型海洋型现代冰川发育中心之一,冰川动态与环境演替关系密切。20世纪80年代初的系统科考,将其东坡海螺沟冰川定位为我国典型海洋型冰川并开展了连续监测,之后逐步建立与完善的野外台站为冰川研究及其相关的环境与生态系统定位监测提供了重要基础平台。本文主要围绕冰冻圈地理学领域,对贡嘎山地区典型海洋型冰川的科考、定位监测及相关研究进行了回顾,并结合近年来国内外冰川学领域的发展趋势,探讨与展望未来在该地区亟需关注的与冰川学科相关的科学问题。

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保水剂结合黑麦草绿肥对烟田土壤的改良效应及烤烟品质的影响

徐露, 张丹, 青会, 官宇

2017, 35(05): 727-733. https://doi.org/10.16089/j.cnki.1008-2786.000272

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攀枝花是季节性干旱植烟区,水、肥条件是制约其土壤培肥的重要因素,影响烟叶的产量和质量。本试验利用不同浓度的保水剂Guilspare(0、2、4和6 L/m~2)施用结合黑麦草(绿肥)种植,对比不同处理下新垦植烟土壤的保水和培肥能力及烤烟的农艺、经济性状和化学成分,通过主成分分析法计算土壤综合肥力指数和评价曲线计算烟草综合质量得分,找出适合当地烤烟生长的最佳浓度保水剂绿肥组合。结果表明:保水剂结合黑麦草提高了土壤保水能力,各处理水平下土壤综合肥力指数(IFI)都有升高,烤烟品质和农艺、经济性状都得到有效改善,烟叶综合质量明显提高。其中4 L/m~2保水剂与黑麦草处理在保水培肥土壤和提升烤烟经济价值方面效果最佳。

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植被发育斜坡根土间隙降雨入渗研究

张有为, 徐则民, 张期树, 郭丽丽, 曾强

2017, 35(05): 734-741. https://doi.org/10.16089/j.cnki.1008-2786.000273

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基于土柱CT扫描数据,运用Volview软件重构土体三维图及根系分布图,精确了解土体根系分布情况;应用Navier-Stokes方程计算根土间隙物理概念模型,分析横向间隙流速分布情况;采用格子Boltzmann方法,并结合Matlab程序,实现渗流场细观模拟。为研究根土间隙在土体降雨入渗过程中的作用,综合以上多种方法,深入并全面分析根土间隙在植被发育斜坡降雨入渗过程中的作用。结果表明,(1)CT扫描技术结合Volview软件能够进行土柱三维重建,从而获取根系在土体分布实际情况,为研究根土间隙导流奠定基础;(2)横向根土间隙流速分布情况,中心线位置流速最大,为平均速度的1.5倍;(3)格子Boltzmann方法作为一种基于流体离散粒子的计算方法,能够结合编程软件进行土体渗流细观模拟;(4)随着深度的增加,竖向根土间隙渗流速度逐渐降低,其渗流作用主要依赖于一些连通性好的间隙通道,且流速在30 cm左右深度降低为零。以上各分析手段可有效评估根土间隙对植被发育斜坡在降雨入渗过程中的贡献,并深入分析植被发育斜坡根土间隙降雨入渗机理。

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柴达木盆地西部末次间冰期以来植被特征及其环境变化

杨庆华, 侯献华, 杨振京, 毛建业

2017, 35(05): 742-752. https://doi.org/10.16089/j.cnki.1008-2786.000274

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柴达木盆地干旱已久,其西部深厚的湖相地层记录着环境演变的过程。本文通过对大浪滩ZK06钻孔沉积物孢粉分析,结合铀系测年数据,根据孢粉沉积运移总浓度变化、区域代表性针叶乔木植物与草本植物彼此消长的变化、蕨类植物孢子峰值出现等特征,探讨了本区末次间冰期以来特征时期的植被演替及环境演变,并对MIS5~MIS2各阶段柴达木盆地西部的气候及环境变化进行了区域对比。初步得出柴达木盆地西部末次间冰期以来伴随青藏高原的阶段性隆升效应以及全球变化的影响下,虽然区域总体植被类型更替不太明显,但在湖水咸化的成盐期孢粉浓度很低,反映出干旱的成盐期环境下植被稀少,在湖水淡化的碎屑沉积期孢粉总浓度较高,表明气候转为湿润,盆地周边山地森林面积增加和盆地草原扩张。MIS5阶段以来总体趋势为盐层厚度逐渐增加、碎屑淤泥层厚度逐渐减少、孢粉总浓度逐渐降低、草本植物花粉百分比逐渐减少、乔木植物花粉百分比逐渐增加。由于本区受冰川融水引起河流径流量的变化对湖水供给影响较大,导致该区湖水水质咸化与淡化以及水位升降的变化因素较为复杂。进入MIS1阶段盆地西部大浪滩盐湖完全干涸,中全新世大暖期并未出现湖泊水位上升和湖水淡化现象,可能受区域构造运动的影响控制。

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秦岭山区沟渠植物和土壤CNP生态化学计量特征

赵培, 王群盈, 刘志鹏

2017, 35(05): 753-760. https://doi.org/10.16089/j.cnki.1008-2786.000275

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探究山区城市沟渠湿地环境中植物与土壤中CNP生态化学计量特征,对于揭示植物对营养元素的吸收、净化以及植物对环境的适应与反馈能力,指导沟渠植被恢复重建和山区城市规划具有十分重要的意义。在秦岭山区的商洛市三条沟渠中测定了植物多样性及主要植物根、叶、土壤的C、N、P含量。结果显示:秦岭山区城市沟渠土壤C与全国平均水平相当,N含量高于而P元素含量远低于全国的平均水平,表现出沟渠土壤养分元素含量的不平衡。自然植被叶片C、N、P的平均含量分别为384.13(±19.35)、24.65(±7.64)和1.62(±0.53)mg/g,叶的元素含量显著高于根和土壤;C∶N、C∶P及N∶P分别为17.06(±7.20)、256.49(±78.59)、16.05(±5.85)。C∶N和C∶P之比低于全国平均水平,说明该地区城市沟渠自然植被固C效率低,沟渠植物的生长受到P限制。土壤与植物的N含量存在显著的正相关关系(P<0.05),而C、P、C∶N、C∶P、N∶P间的相关性并不显著(P>0.05),表明土壤的N含量影响植物体中的含量,同时土壤含量也受到植物凋落物的影响。植物对元素的吸收利用显著影响着土壤-植被间元素的相互作用和再分配模式。

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