茶樹(shù)根際土壤微生物碳氮磷及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量

賈國(guó)梅， 岳云飛， 王世彤， LIU Xiao， 向瀚宇， 瞿紅云

(1.三峽大學(xué)生物與制藥學(xué)院，湖北宜昌 443002； 2.湖北三峽地區(qū)生態(tài)保護(hù)與治理國(guó)際聯(lián)合研究中心，湖北宜昌 443002； 3.Pall Corporation，NY，USA 11050)

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是研究生態(tài)系統(tǒng)功能和動(dòng)態(tài)的一門(mén)學(xué)科，主要強(qiáng)調(diào)碳(C)、氮(N)、磷(P)循環(huán)及其組成關(guān)系[1]，對(duì)C、N、P化學(xué)計(jì)量比的研究，可以使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的復(fù)雜性變得簡(jiǎn)單化[2]。土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)土壤養(yǎng)分的固持、礦化，以及土壤養(yǎng)分循環(huán)具有重要的驅(qū)動(dòng)和調(diào)節(jié)作用，在土壤肥力和有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中扮演重要的角色[3]。土壤微生物的數(shù)量、組成、生理活動(dòng)的改變會(huì)影響它們的功能，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)的過(guò)程[4]。土壤微生物可通過(guò)調(diào)整自身的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比以及對(duì)資源的利用效率來(lái)適應(yīng)周?chē)h(huán)境的改變[5]。微生物對(duì)土壤養(yǎng)分的固持和礦化可以通過(guò)土壤微生物量生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征來(lái)反映[6]，因此土壤微生物生物量碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征是評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)限制的一個(gè)有用的工具[7]。

茶樹(shù)是湖北宜昌重要的經(jīng)濟(jì)作物，五峰采花毛尖、鄧村綠茶和宜紅茶品質(zhì)聞名全國(guó)，然而目前關(guān)于茶園土壤的報(bào)道主要集中在閩、浙、皖等地區(qū)，且主要研究茶樹(shù)土壤養(yǎng)分特性、微生物活性以及微生物群落結(jié)構(gòu)特征[8]，對(duì)于茶樹(shù)土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的研究相對(duì)較少，對(duì)茶樹(shù)根際土壤微生物生物量碳氮磷及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的研究報(bào)道則更為少見(jiàn)。因此，本研究以五峰茶園為研究對(duì)象，分析同一海拔不同茶齡茶樹(shù)根際土壤微生物生物量碳氮磷含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征，揭示茶樹(shù)根際土壤微生物生物量碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量比，探明影響茶樹(shù)可持續(xù)生長(zhǎng)的限制性營(yíng)養(yǎng)元素，以期為茶園的管理、增產(chǎn)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與樣地概況

研究地點(diǎn)位于湖北省宜昌市五峰縣采花鄉(xiāng)采花臺(tái)茶場(chǎng)(110°24′E，30°8′N(xiāo)，海拔800 m)，屬亞熱帶溫濕季風(fēng)氣候。年平均氣溫為13 ℃，氣候較為溫和，年均降水量1 400 mm以上，年10 ℃以上有效積溫為2 442～3 510 ℃。

1.2 樣品采集與處理

2016年4月份取樣，此時(shí)正是采摘春茶的最佳時(shí)間，取樣更有代表性。分別選取海拔800 m處3、8、40年茶齡的根際土壤為研究對(duì)象，3個(gè)年齡的茶樹(shù)樣地之間的距離不到 1 m，土壤都為黃棕壤。根際土壤采用掘根抖落法：分別在每個(gè)林齡的茶樹(shù)區(qū)域隨機(jī)選擇6株茶樹(shù)，相鄰2株茶樹(shù)為1個(gè)樣地重復(fù)，即每個(gè)林齡的茶樹(shù)根際有3個(gè)樣地的重復(fù)。然后用取土器在茶樹(shù)根際周?chē)〕鲩L(zhǎng)約50 cm (直徑8 cm)的土柱，小心地取出0～20 cm土柱內(nèi)的細(xì)根，輕輕抖落附在根上的3 mm以?xún)?nèi)的土壤即為根際土壤，采集每2株平均木根際土壤混合為1個(gè)樣品，分別充分混勻。迅速撿去枯枝落葉后分為2部分，一部分自然風(fēng)干用于土壤理化特性的測(cè)定，另一部分于 0～4 ℃ 冰箱保存用于土壤微生物碳氮磷的分析。

1.3 測(cè)定方法

土壤含水量采用烘干法測(cè)定；土壤pH值采用1 ∶1水土浸提后，用酸度計(jì)測(cè)定；土壤有機(jī)碳(OC)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[9]；全氮(TN)含量采用半微量凱氏法測(cè)定[9]；全磷(TP)含量采用硫酸高氯酸-鉬銻抗比色法分析[10]；微生物量碳氮磷采用三氯甲烷熏蒸浸提法測(cè)定[11]。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

不同年限的茶樹(shù)根際土壤指標(biāo)采用Turkey’s-b單因素方差分析，指標(biāo)之間的關(guān)系采用Pearson’s test和線性回歸方程分析，在SPSS 11.5軟件上進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶樹(shù)根際土壤生境因子

隨著茶齡的延長(zhǎng)，根際土壤含水量呈現(xiàn)出顯著的先升高，8年達(dá)到最大值，隨后又顯著降低的趨勢(shì)(表1)。根際土壤pH值變化范圍在3.83～4.81之間，且隨著茶齡的延長(zhǎng)呈現(xiàn)顯著降低趨勢(shì)，這意味著茶樹(shù)的長(zhǎng)期生長(zhǎng)，導(dǎo)致土壤酸化。

表1 茶樹(shù)根際土壤生境因子

注：同列不同小寫(xiě)字母表示不同林齡間差異顯著(P<0.05)。表2、表3同。

2.2 根際土壤碳氮磷和微生物生物量碳氮磷

根際土壤有機(jī)碳、全氮、全磷含量變化范圍分別為22.00～37.46、2.53～3.53、0.70～1.04 g/kg(表2)。根際土壤有機(jī)碳和全氮含量的排序?yàn)?0年>8年>3年，全磷含量的排序是8年>40年>3年，但是單因素方差分析的結(jié)果表明，根際土壤有機(jī)碳、全氮和全磷含量都是3年的顯著小于40年和8年的樣地，而8年和40年樣地之間并無(wú)顯著性差異。這說(shuō)明根際土壤有機(jī)碳、全氮和全磷含量在8年的樣地達(dá)到最大值，其后逐漸趨于穩(wěn)定。這可能是由于茶樹(shù)地長(zhǎng)期施肥不但提高了茶樹(shù)的生產(chǎn)力，還提高了土壤碳氮磷含量，另外茶樹(shù)的凋落物歸還土壤，也提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，然而茶樹(shù)生長(zhǎng)前期(8年及以前)有機(jī)質(zhì)含量提高顯著，而后期并無(wú)顯著性的提高。

根際土壤微生物生物量碳氮磷含量的變化范圍分別是208.56～474.09、94.16～222.57、4.48～13.66 mg/kg(表3)。根際土壤微生物生物量碳氮磷含量隨著茶樹(shù)林齡的延長(zhǎng)而提高，8年達(dá)到最大值，其后又呈現(xiàn)顯著的降低趨勢(shì)。這說(shuō)明茶樹(shù)根際土壤微生物生物量比土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤肥力變化的響應(yīng)更為敏感。線性回歸分析的結(jié)果表明，土壤碳氮磷含量互相之間具有顯著的正相關(guān)性，土壤微生物量碳氮磷含量互相之間也具有顯著的正相關(guān)性(圖1)。相關(guān)性分析的結(jié)果表明，土壤含水量與微生物生物量碳氮磷含量之間都具有顯著或極顯著的正相關(guān)性。土壤pH值與土壤有機(jī)碳和全氮含量之間具有極顯著的負(fù)相關(guān)性(P<0.01)(表4)。

表2 不同林齡茶樹(shù)根際土壤碳氮磷含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比

表3 不同林齡茶樹(shù)根際土壤微生物碳氮磷含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比

注：MBC為微生物生物量碳，MBN為微生物生物量氮，MBP為微生物生物量磷。下同。

2.3 根際土壤碳氮磷和微生物生物量碳氮磷濃度

本研究中，3種茶齡土壤C/N的變化范圍是8.70～10.43，C/P的變化范圍是31.81～39.49，N/P的變化范圍是3.35～3.72(表2)。方差分析表明，3種茶齡土壤的C/N、C/P、N/P均無(wú)顯著差異，這意味著土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量比具有內(nèi)穩(wěn)態(tài)的特征。本研究中，土壤微生物碳氮比(MBC/MBN)的變化范圍為3.07～3.63，微生物碳磷比(MBC/MBP)的變化范圍為34.94～48.67，微生物氮磷比(MBN/MBP)的變化范圍為16.05～30.36(表3)。 單因素方差分析的結(jié)果表明，3種茶齡土壤MBC/MBN和MBC/MBP之間都無(wú)顯著性差異，而MBN/MBP卻是40年顯著大于3年和8年，3年和8年之間無(wú)顯著性的差異，這說(shuō)明茶樹(shù)生長(zhǎng)到一定林齡后，根際土壤有效磷成為茶樹(shù)的限制性元素。線性回歸分析表明，土壤C/P與MBC/MBP、N/P與MBN/MBP之間、C/N與MBC/MBN之間都無(wú)顯著的相關(guān)性(圖2)。

表4 土壤生境因子與土壤碳氮磷含量及其微生物生物量碳氮磷含量之間的相關(guān)性

注：“*”“**”分別表示在0.05、0.01水平上顯著相關(guān)。

3 討論

3.1 土壤生境因子對(duì)根際土壤微生物生物量的影響

土壤微生物是土壤養(yǎng)分的源和匯，它們可以分解土壤有機(jī)物，提供陸地植物生長(zhǎng)所需的N和P，因此與植物營(yíng)養(yǎng)密切相關(guān)[12]。土壤微生物生理、組成和活性的改變可能影響它們的功能，進(jìn)一步影響生態(tài)系統(tǒng)地球化學(xué)循環(huán)的過(guò)程[13]。

本研究中，茶樹(shù)根際土壤微生物量碳氮磷含量都表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。這可能是由于根際土壤碳源的逐年增加為微生物生長(zhǎng)提供了足夠的養(yǎng)分，土壤微生物大量繁殖，微生物生物量增大，8年后又下降可能是因?yàn)橥寥浪峄瘒?yán)重，抑制了微生物的生長(zhǎng)[14]，結(jié)果導(dǎo)致根際土壤微生物生物量下降。但是本研究中，土壤pH值與土壤有機(jī)碳和全氮含量之間具有顯著的負(fù)相關(guān)性，而與土壤微生物碳氮磷含量之間并無(wú)顯著的相關(guān)性，這說(shuō)明茶樹(shù)根際土壤pH值可能是通過(guò)影響微生物群落的資源進(jìn)而對(duì)微生物固持營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生影響。本研究的結(jié)果與其他研究是相似的[7，15]。干旱脅迫也影響微生物的生理機(jī)能，低的含水量使微生物脫水，可能最終導(dǎo)致其死亡。由于干旱脅迫，30%的碳源可以被限制在細(xì)胞質(zhì)中，這會(huì)降低微生物的活動(dòng)和數(shù)量的增長(zhǎng)[16]。Nielsen等觀察到，高的水分含量增加了養(yǎng)分的可利用性以及微生物的增長(zhǎng)量，進(jìn)而增加了微生物對(duì)N和P的固持[17]。本研究中，8年的茶樹(shù)根際土壤含水量顯著高于其他樣地，其微生物生物量碳氮磷含量也顯著高于其他樣地，這進(jìn)一步說(shuō)明適宜的含水量對(duì)土壤微生物固持營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)具有明顯的促進(jìn)作用。

3.2 根際茶樹(shù)土壤生態(tài)系統(tǒng)限制性營(yíng)養(yǎng)

與全球土壤C ∶N ∶P計(jì)量比186 ∶13 ∶1[7]、 287 ∶17 ∶1[15]和中國(guó)表層土壤碳氮磷計(jì)量比(134 ∶9 ∶1)[18]相比，本研究茶樹(shù)根際土壤C ∶N ∶P計(jì)量比較低(81 ∶8 ∶1～102 ∶8 ∶1)，但是與中國(guó)南亞熱帶地區(qū)土壤碳氮磷比(80 ∶7.9 ∶1)近似[19]。與全球土壤微生物量 C ∶N ∶P 計(jì)量比(60 ∶7 ∶1)[7]和42 ∶6 ∶1[15]以及與中國(guó)南亞熱帶地區(qū)微生物量C ∶N ∶P計(jì)量比(70.2 ∶6 ∶1)相比，本研究茶樹(shù)根際土壤微生物量C ∶N ∶P計(jì)量比(90 ∶36 ∶1～126.36 ∶1)較高，但是略高于Tischer等的微生物量碳氮磷計(jì)量比(11 ∶1 ∶1～93 ∶10 ∶1)[20]。這可能是由于不同的土地利用類(lèi)型，其生態(tài)過(guò)程和土地管理措施都不同，結(jié)果產(chǎn)生了不同的土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)[7，21]，進(jìn)而影響了土壤微生物量碳氮磷計(jì)量比。

本研究中，雖然茶樹(shù)根際土壤碳氮磷含量、微生物量碳氮磷含量隨著茶樹(shù)年限的延長(zhǎng)發(fā)生相應(yīng)的變化，但是茶樹(shù)根際土壤碳氮磷比、微生物量碳氮比和碳磷比隨著茶齡的延長(zhǎng)并無(wú)顯著性的變化，驗(yàn)證了土壤碳氮磷比、微生物量碳氮比和碳磷比相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)果[7]。另外，土壤碳氮比與微生物量碳氮比之間也無(wú)顯著性的相關(guān)性，且土壤碳磷比和微生物量碳磷比之間、土壤氮磷比和微生物量氮磷比之間都無(wú)顯著的相關(guān)性，這說(shuō)明茶樹(shù)根際資源和分解者的碳氮磷計(jì)量比之間具有內(nèi)穩(wěn)態(tài)的特性[1]。這與Li等的研究結(jié)果[19]不同，他們的研究結(jié)果表明，雖然土壤資源氮磷比與微生物量氮磷比之間無(wú)顯著的相關(guān)性，但是資源碳磷比與微生物量碳磷之間具有顯著的正相關(guān)性，因而其研究結(jié)果表明，土壤微生物量不是內(nèi)穩(wěn)態(tài)的系統(tǒng)[19]。Cleveland 等認(rèn)為土壤MBN/MBP可作為生態(tài)系統(tǒng)限制性指標(biāo)[7]，但是Xu等認(rèn)為MBN/MBP可能不適合成為生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)限制的指標(biāo)。他們認(rèn)為土壤微生物的生長(zhǎng)通常受碳的限制，而不是受氮或者磷的限制[15]。本研究中，根際土壤MBN/MBP是40年的茶樹(shù)根際顯著大于其他樣地，這與Cleveland等的研究結(jié)果[7]相似，所以根際土壤微生物氮磷比適合作為茶園根際微生態(tài)系統(tǒng)限制性營(yíng)養(yǎng)的指標(biāo)。

4 結(jié)論

隨著茶齡的延長(zhǎng)，茶樹(shù)根際土壤有機(jī)碳全氮含量逐漸增大，全磷含量先增大后略減小，而根際土壤微生物生物量碳氮磷含量在一定范圍內(nèi)逐漸提高，8年達(dá)到最大值，隨后又呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。這說(shuō)明土壤微生物量比土壤有機(jī)質(zhì)更能敏感指示土壤質(zhì)量的變化。土壤碳氮磷含量和土壤MBC/MBN，MBC/MBP隨著林齡的延長(zhǎng)都無(wú)顯著性的變化，這說(shuō)明同一海拔不同林齡茶樹(shù)根際土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量具有內(nèi)穩(wěn)態(tài)的調(diào)控特征，而土壤微生物量氮磷比可作為茶樹(shù)根際土壤限制性元素的指示指標(biāo)。