合成氮肥對(duì)中國(guó)茶園土壤養(yǎng)分供應(yīng)和活性氮流失的影響*

喬春連 布仁巴音

（1 信陽(yáng)師范學(xué)院大別山生物農(nóng)業(yè)資源開(kāi)發(fā)與利用研究院，河南信陽(yáng) 464000）

（2 河南大學(xué)河南省全球變化生態(tài)學(xué)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南開(kāi)封 475004）

（3 信陽(yáng)師范學(xué)院分析測(cè)試中心，河南信陽(yáng) 464000）

茶（Camellia sinensisL.Kuntze）作為全球最重要的健康飲品之一，廣泛種植于熱帶和亞熱帶地區(qū)，尤其是東亞和南亞等發(fā)展中國(guó)家，具有重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和文化價(jià)值［1］。我國(guó)的茶種植歷史悠久，作為世界第一產(chǎn)茶大國(guó)，至2013年種植面積已達(dá)2.58×106hm2，產(chǎn)量達(dá)1.92×106t，分別占世界總量的47%和35%［2］。茶樹(shù)為多年生喜銨植物，因采摘用葉使茶樹(shù)組織中氮素消耗很大，為高需氮植物。茶園施氮量通常在N450～1200 kg hm-2a-1［3-5］。隨著工業(yè)合成氮肥施用量的上升，土壤微生物的硝化反應(yīng)加速，以淋溶和氣態(tài)含氮化合物形式流失的活性氮上升，在很大程度上干擾了氮的生物地球化學(xué)循環(huán)，引發(fā)全球水體、大氣和土壤方面一系列嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題［6-8］。我國(guó)約66%的N2O排放是由農(nóng)田氮肥施用引起的，造成了全國(guó)62%的淡水區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化［9-10］，使密集農(nóng)業(yè)區(qū)大氣氮沉降高達(dá)89～104 kg hm-2a-1［11］，這進(jìn)一步導(dǎo)致了土壤嚴(yán)重酸化和土壤中鈣鎂等營(yíng)養(yǎng)元素的大量流失。

盡管施用氮肥可顯著提高茶葉產(chǎn)量［12-14］，但由于茶樹(shù)多生長(zhǎng)于高熱高濕、透水性良好的酸性土壤，大量施用合成氮肥可能導(dǎo)致土壤pH進(jìn)一步降低［15-16］。我國(guó)南方植茶區(qū)生長(zhǎng)季降水頻率高且降水量大，土壤酸化及養(yǎng)分流失，影響茶樹(shù)根系的生長(zhǎng)及土壤微生物的活性［17］。福建茶園土柱淋濾實(shí)驗(yàn)顯示，隨著氮肥施用量的增加，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的淋溶量均顯著上升［16］。據(jù)估算，中國(guó)的茶園生態(tài)系統(tǒng)N2O排放約占世界茶園N2O排量的85%［18］，且隨著茶樹(shù)樹(shù)齡的增加，土壤酸化逐漸加劇，使N2O排放也呈顯著的上升趨勢(shì)［19，4-5］，導(dǎo)致茶園生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化。我國(guó)南方茶樹(shù)種植區(qū)域廣，氮肥施用劑量高，目前就合成氮肥對(duì)茶園生態(tài)系統(tǒng)的影響仍缺乏準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。因此，本研究搜集茶園模擬合成氮肥實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展整合分析（Meta-analysis），旨在量化和評(píng)估合成氮肥對(duì)不同茶樹(shù)建植的茶園土壤養(yǎng)分供應(yīng)和活性氮流失的影響，為我國(guó)茶園氮肥的科學(xué)管理和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供初步的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究在Web of Sciences（2004—2016）、谷歌學(xué)術(shù)、中國(guó)知網(wǎng)上搜集公開(kāi)發(fā)表的中國(guó)茶園開(kāi)展的模擬合成氮肥施用的研究論文。研究必須滿足以下條件：（1）基于茶園生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)展的，遵循茶園常規(guī)管理，（2）至少有兩個(gè)氮肥施用劑量，（3）相關(guān)的指標(biāo)在研究中有準(zhǔn)確的測(cè)定。對(duì)滿足條件的研究數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，共評(píng)估了合成氮肥對(duì)15個(gè)相關(guān)指標(biāo)的影響：（1）土壤基本情況：土壤pH、土壤有機(jī)碳（SOC）、全氮（TN）；（2）土壤速效養(yǎng)分供應(yīng)：總無(wú)機(jī)氮（DIN）、有效磷濃度、K+、Ca2+、Mg2+、Al3+濃度；（3）活性氮的流失：N2O 排放、DIN淋溶、淋溶和淋溶。對(duì)于文獻(xiàn)中以圖片形式呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)使用Engauge Digitizer（Free Software Foundation，Inc.，Boston，MA，USA）軟件進(jìn)行數(shù)字化處理，并盡量按照同一標(biāo)準(zhǔn)降低人工處理過(guò)程中造成數(shù)據(jù)的誤差。

1.2 整合分析

通過(guò)搜集2004—2016年間的17篇關(guān)于我國(guó)茶園氮肥施用影響茶園土壤養(yǎng)分供應(yīng)和活性氮流失的文獻(xiàn)，獲取到246條數(shù)據(jù)記錄。對(duì)于土壤養(yǎng)分，有效磷和K＋濃度等用茶樹(shù)每個(gè)茶季的平均值表示。對(duì)于有較大季節(jié)變化的變量，如淋溶、淋溶和DIN的淋溶及N2O的排放等指標(biāo)，用整個(gè)茶季的累計(jì)值來(lái)表示。由于整合分析模型要求數(shù)據(jù)的獨(dú)立性，如研究中包含同一地點(diǎn)的多個(gè)茶季的數(shù)據(jù)，提取最后一個(gè)茶季的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析［20］。如果同一個(gè)實(shí)驗(yàn)中設(shè)有不同氮肥類(lèi)型或施氮水平，視為獨(dú)立觀測(cè)值處理。

響應(yīng)比（Response Ratio，RR）用來(lái)衡量施用氮肥對(duì)評(píng)估變量的效應(yīng)［21］。每個(gè)變量響應(yīng)比的自然對(duì)數(shù)用以下公式計(jì)算：lnRR=ln（XT/XC），其中，XC為對(duì)照均值（未施用氮肥組），XT為處理組均值。本研究采用重取樣方法、95%的置信區(qū)間來(lái)估算響應(yīng)比的均值。響應(yīng)比的 95%置信區(qū)間（95%CI）與1沒(méi)有交疊表明變量有顯著的正效應(yīng)或負(fù)效應(yīng)，變量間95% CI無(wú)交疊表明差異顯著，反之則認(rèn)為變量間不存在顯著差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤pH、有機(jī)碳及全氮的變化

當(dāng)酸性土壤的pH低于5.5，將制約農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力［22］。而作為一種耐酸植物，茶樹(shù)的最適生長(zhǎng)pH范圍是5.0～5.6［23］。已搜集到的茶園數(shù)據(jù)顯示對(duì)照組土壤平均pH為 4.86，低于茶樹(shù)生長(zhǎng)的最適pH范圍，合成氮肥使茶園pH約降低了0.20（-0.27～-0.15），加劇了茶園土壤的酸性。對(duì)于種植綠茶、紅茶和烏龍茶樹(shù)種的3種土壤，合成氮肥均使pH顯著降低（表1），且茶樹(shù)種間無(wú)顯著差異（p＞0.05，表1）。茶園土壤的酸化與土壤交換性鋁與鋁絡(luò)合物的增加以及土壤鹽基的淋溶密切相關(guān)［24］。以往研究表明，土壤硝化反應(yīng)的加速，是由于H+作為中間產(chǎn)物大量產(chǎn)生，導(dǎo)致土壤酸化［25］；另一方面大量的淋失導(dǎo)致鹽基離子的流失，使土壤緩沖系統(tǒng)中的H+進(jìn)一步釋放出來(lái)［23-26］。

合成氮肥施用對(duì)土壤有機(jī)碳含量無(wú)顯著影響（圖1）。對(duì)于種植不同茶樹(shù)類(lèi)型的土壤，合成氮肥使種植綠茶的土壤中有機(jī)碳顯著升高了15%（7%～24%，表1），而對(duì)烏龍茶茶園土壤有機(jī)碳影響不顯著（表1）。合成氮肥施用情況下，土壤全氮含量顯著升高了18%（10%～27%，圖1）。盡管合成氮肥施用引起的土壤酸化在一定程度上抑制茶樹(shù)的生長(zhǎng)，影響茶園生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展［27］，本研究結(jié)果可見(jiàn)，茶樹(shù)產(chǎn)量的升高主要是由土壤中氮供應(yīng)量的上升決定的。由于已有研究文獻(xiàn)數(shù)據(jù)量的限制，本研究尚無(wú)法評(píng)估種植不同類(lèi)型茶樹(shù)的土壤全氮的響應(yīng)差異。

2.2 土壤養(yǎng)分供應(yīng)的變化

土壤中磷和鉀元素也是茶樹(shù)正常生長(zhǎng)的關(guān)鍵元素［27］。已有研究顯示，施用氮肥可能加劇土壤中磷和鉀元素的匱乏［28-29］。而本研究顯示，施用合成氮肥總體上對(duì)土壤有效磷和K+的供應(yīng)沒(méi)有顯著影響（圖1）。土壤Ca2+和Mg2+濃度分別降低了23%（-30%～-16%）和37%（-48%～-24%），Al3+濃度升高了54%（38%～69%）（圖1）。鈣鎂不僅是植物生長(zhǎng)的必須元素，Ca2+和Mg2+也是重要的緩沖離子。在高氮輸入情況下，隨著土壤的酸化，大量H+將Ca2+和Mg2+置換出來(lái)，兩者隨著的淋溶而大量流失［24］。氮肥添加導(dǎo)致的Ca2+和Mg2+濃度顯著降低將直接影響土壤緩沖能力，加劇土壤pH的降低（圖1）。土壤中Al3+對(duì)植物的毒性和生長(zhǎng)抑制作用已被廣泛證明［30-31］，外源氮肥添加使茶園土壤Al3+大量累積可能抑制茶樹(shù)的生長(zhǎng)，阻礙茶葉產(chǎn)量的形成。

2.3 土壤活性氮的流失

隨著氮肥施用量的上升，土壤微生物的硝化和反硝化反應(yīng)加劇，土壤中活性氮?dú)怏w污染物和水溶性無(wú)機(jī)氮淋溶量上升［32］，導(dǎo)致我國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中大量活性氮以含氮污染物形式流失［11］。合成氮肥被認(rèn)為是N2O排放的主要的貢獻(xiàn)源［33-34］。本研究結(jié)果顯示，合成氮肥使我國(guó)茶園土壤活性氮流失顯著升高，其中N2O排放平均上升292%（140%～575%）。有研究發(fā)現(xiàn)，有外源氮添加的茶園生態(tài)系統(tǒng)中土壤硝化反應(yīng)是N2O的主要來(lái)源，土壤酸化程度控制著土壤N2O 排放速率［19］。15N示蹤實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)林地轉(zhuǎn)化為茶園后，土壤微生物的硝化過(guò)程加速，而微生物對(duì)硝態(tài)氮的固持顯著降低，導(dǎo)致低銨高硝的土壤環(huán)境，不利于茶樹(shù)的生長(zhǎng)［35］。在施氮情況下，茶園土壤的進(jìn)一步酸化將加劇N2O的排放［19］。由于N2O較高的全球增溫潛能［36］，持續(xù)增加N2O的排放將極大程度地加快區(qū)域甚至全球尺度的氣候變暖。

氮肥施用使我國(guó)茶園土壤DIN淋溶總體上升高了127%（55%～206%）、淋溶升高了422%（280%～617%）、淋溶升高了92%（31%～161%）（圖2）。淡水及飲用水資源的硝態(tài)氮污染已成為全球共同關(guān)注和面臨的環(huán)境問(wèn)題之一［34，37］。土壤具有較強(qiáng)的移動(dòng)性，是農(nóng)田系統(tǒng)土壤無(wú)機(jī)氮淋溶液的主要成分［38］。已有研究表明，茶園中土壤的淋溶量隨氮肥施用量的升高而增加，淋溶量約占到系統(tǒng)氮流失量70%～90%［19］，活性氮的流失將導(dǎo)致毗鄰系統(tǒng)和地表地下水的污染，危機(jī)飲用水資源和水體物種多樣性的安全。本研究中土壤和數(shù)據(jù)量的限制可能會(huì)降低其結(jié)果的可靠性。因此，當(dāng)前我國(guó)茶園生態(tài)學(xué)研究應(yīng)加強(qiáng)氮循環(huán)和氮肥施用引起的環(huán)境效應(yīng)方面的機(jī)理和應(yīng)用研究。

3 結(jié) 論

本研究通過(guò)利用整合分析方法對(duì)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析，量化和評(píng)估了合成氮肥對(duì)不同茶樹(shù)的茶園土壤養(yǎng)分供應(yīng)和活性氮流失的影響，為我國(guó)茶園氮肥的科學(xué)管理和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供了理論依據(jù)。研究結(jié)果表明，施用合成氮肥總體上加劇了我國(guó)茶園土壤的酸化，顯著提高了土壤全氮及速效氮的供應(yīng)，對(duì)土壤有機(jī)碳、速效磷和鉀離子濃度無(wú)影響，使土壤鈣鎂等金屬陽(yáng)離子大量流失，毒性鋁離子富集。同時(shí)，合成氮肥施用還導(dǎo)致以N2O和淋溶流失的活性氮量顯著上升，對(duì)大氣和淡水系統(tǒng)造成負(fù)面影響。未來(lái)有必要在我國(guó)茶園生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)展長(zhǎng)期的野外原位實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步探究合成氮肥施用產(chǎn)生的長(zhǎng)遠(yuǎn)影響及潛在機(jī)制。

致 謝 對(duì)本文數(shù)據(jù)庫(kù)涉及的文獻(xiàn)作者表示由衷的感謝！

［1］ Chang K. World tea production and trade：Current and future development. A publication by the Food and Agricultural Organization of the United Nations，Rome.（2016-05-29）［2017-09-18］. http://www. fao. org

［2］ FAO. Current situation of tea production and marketing in China. Report for the 21st session of fao-igg on tea. （2014）［2017-09-18］. www. fao. org/. . . /IGGtea21/14-CRS4-MarketReportChinaFullReport. pdf

［3］ Li S X，Wang Z H，StewartA. Responses of crop plants to ammonium and nitrate//Advances in agronomy. New York：Academic Press，2013：205—397

［4］ Tokuda S，Hayatsu M. Nitrous oxide emission potential of 21 acidic tea field soils in Japan. Soil Science and Plant Nutrition，2001，47（3）：637—642

［5］ Tokuda S，Hayatsu M. Nitrous oxide flux from a tea field amended with a large amount of nitrogen fertilizer and soil environmental factors controlling the flux. Soil Science And Plant Nutrition，2004，50（3）：365—374

［6］ Davidson E，David M，Galloway J，et al. Excess nitrogen in the US environment：Trends，risks，and solutions. Issues in Ecology，2012，15：1—16

［7］ De Vries F T，Hoffland E，van Eekeren N，et al.Fungal/bacterial ratios in grasslands with contrasting nitrogen management. Soil Biology & Biochemistry，2006，38（8）：2092—2103

［8］ Fowler D，Coyle M，Skiba U，et al. The global nitrogen cycle in the twenty-first century. Philosophical Transactions of the Royal Society B—Biological Sciences，2013，368（1621）：1—13

［9］ Ju X T，Liu X J，Zhang F S，et al. Nitrogen fertilization，soil nitrate accumulation，and policy recommendations in several agricultural regions of China. Ambio：A Journal of the Human Environment，2004，33（6）：300—305

［10］ Le C，Zha Y，Li Y，et al. Eutrophication of lake waters in china：Cost，causes，and control. Environmental Management，2010，45（4）：662—668

［11］ Ju X T，Xing G X，Chen X P，et al. Reducing environmental risk by improving Nmanagement in intensive Chinese agricultural systems. Proceedings of the National Academy of Sciences，2009，106（9）：3041—3046

［12］ Owuor P O，Cheruiyot D K A. Effects of nitrogen fertilizers on the aluminium contents of mature tea leaf and extractable aluminium in the soil. Plant and Soil，1989，119（2）：342—345

［13］ Ruan J，Haerdter R，Gerendás J. Impact of nitrogen supply on carbon/nitrogen allocation：A case study on amino acids and catechins in green tea ［Camellia sinensis（L. ）o. Kuntze］ plants. Plant Biology，2010，12（5）：724—734

［14］ Venkatesan S，Ganapathy M N K. Impact of nitrogen and potassium fertiliser application on quality of ctc teas. Food Chemistry，2004，84（3）：325—328

［15］ Alekseeva T，Alekseev A，Xu R，et al. Effect of soil acidification induced by a tea plantation on chemical and mineralogical properties of alfisols in eastern China.Environmental Geochemistry and Health，2011，33（2）：137—148

［16］ 陳玉真，王峰，尤志明，等. 不同施氮量對(duì)茶園土壤氮淋失的影響. 福建農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2015，30（4）：394—399 Chen Y Z，Wang F，You Z M，et al. Effects of different application levels on nitrogen leaching in tea garden soil（In Chinese）. Fujian Journal of Agricultural Sciences，2015，30（4）：394—399

［17］ 阮建云，馬立鋒，石元值. 茶樹(shù)根際土壤性質(zhì)及氮肥的影響. 茶葉科學(xué)，2004，23（2）：167—170 Ruan J Y，Ma L F，Shi Y Z，Properties of rhizosphere soil of tea plants and the impact of nitrogen fertilizer（In Chinese）. Journal of Tea Science，2004，23（2）：167—170

［18］ Li Y，Zheng X，F(xiàn)u X，et al. Is green tea still ‘green’?Geo：Geography and Environment，2016，3（2），DOI：10. 1002/geo2. 21

［19］ Cheng Y，Wang J，Zhang J，et al. Mechanistic insights into the effects of n fertilizer application on N2O-emission pathways in acidic soil of a tea plantation.Plant and Soil，2015，389（1/2）：45—57

［20］ Liu L L，Greaver T L. A global perspective on belowground carbon dynamics under nitrogen enrichment.Ecology Letters，2010，13（7）：819—828

［21］ Hedges L V，Gurevitch J，Curtis P S. The metaanalysis of response ratios in experimental ecology.Ecology，1999，80（4）：1150—1156

［22］ Kochian L V，Hoekenga O A，Pineros M A. How do crop plants tolerate acid soils? Mechanisms of aluminum tolerance and phosphorous efficiency. Annual Review of Plant Biology，2004，55（1）：459—493

［23］ Owuor P O，Othieno C O，Robinson J M，et al.Response of tea quality parameters to time of year and nitrogen fertiliser. Journal of the Science of Food and Agriculture，1991，55（1）：1—11

［24］ 丁瑞興，黃驍. 茶園-土壤系統(tǒng)鋁和氟的生物地球化學(xué)循環(huán)及其對(duì)土壤酸化的影響. 土壤學(xué)報(bào)，1991，28（3）：229—236 Ding R X，Huang X. Biochemical cycle of aluminium and fluorine in tea garden soil system and its relationship to soil acidification（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，1991，28（3）：229—236

［25］ Li SX，Wang ZH，Stewart BA. Responses of crop plants to ammonium andnitrate N//Donald L. Advances in agronomy. New York：Academic Press，2013：205—397

［26］ Bowman W D，Cleveland C C. Negative impact of nitrogen deposition on soil buffering capacity. Nature Geoscience，2008，1（11）：767—770

［27］ Ruan J L，Sattelmacher B. Effect of nitrogen form and root-zone pHon growth and nitrogen uptake of tea（Camellia sinensis）plants. Annals of Botany，2007，99（2）：301—310

［28］ Li Y，Niu S，Yu G. Aggravated phosphorus limitation on biomass production under increasing N addition：A meta-analysis. Global Change Biology，2016，22（2）：934—943

［29］ Ruan J，Ma L，Shi Y. Potassium management in tea plantations：Its uptake by field plants，status in soils，and efficacy on yields and quality of teas in China.Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2013，176（3）：450—459

［30］ Ma J F，Ryan P R，Delhaize E. Aluminium tolerance in plants and the complexing role of organic acids. Trends in Plant Science，2001，6（6）：273—278

［31］ Shaojian Z. Crop production on acidic soils：Overcoming aluminium toxicity and phosphorus deficiency. Annals of Botany，2010，106（1）：183—184

［32］ Aber J，McDowell W，Nadelhoffer K，et al. Nitrogen saturation in temperate forest ecosystems. Bioscience，1998，48（11）：921—934

［33］ Liu L L，Greaver T L. A review of nitrogen enrichment effects on three biogenic GHGs：The CO2sink may be largely offset by stimulated N2O and CH4emission.Ecology Letters，2009，12（10）：1103—1117

［34］ Sutton M A，Howard C M，Erisman J W，et al. The european nitrogen assessment：Sources，effects and policy perspectives. Cambridge，United Kingdom：Cambridge University Press，2011

［35］ Zhu T，Zhang J，Meng T，et al. Tea plantation destroys soil retention ofand increases N2O emissions in subtropical China. Soil Biology & Biochemistry，2014，73：106—114

［36］ IPCC. Working group III contribution to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change//Climate change 2007：Mitigation of climate change. Cambridge，United Kingdom and New York，USA，Cambridge University Press，2007

［37］ Zhang W，Tian Z，Zhang N，et al. Nitrate pollution of groundwater in northern china. Agriculture，Ecosystems and Environment，1996，59（3）：223—231

［38］ Smil V. Nitrogen in crop production：An account of global flows. Global Biogeochemical Cycles，1999，13（2）：647—662