氣候變化對(duì)茶園土壤質(zhì)量和茶樹營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響

李強(qiáng)，韓文炎，李鑫，顏鵬，張麗平，張?zhí)m，付建玉

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，310008

氣候變化最顯著的特征是大氣溫度和CO2濃度的升高，及其伴隨而來的諸如高溫干旱、低溫凍害和暴雨等極端天氣的日益增多。自工業(yè)革命以來，全球平均氣溫（包括陸地和海洋）升高了0.87℃，其中陸地升高了1.53℃，據(jù)統(tǒng)計(jì)，近50年來，海口、昆明、杭州和濟(jì)南4 市平均氣溫升高了1.3℃[1]。大氣平均CO2質(zhì)量濃度目前是393.1 mg/L，比工業(yè)化前提高了41%。據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）預(yù)測(cè)，到本世紀(jì)末，全球平均氣溫預(yù)計(jì)將上升3.5 ～5.0℃，最樂觀的情況也會(huì)增高2℃；大氣CO2濃度則取決于各國(guó)的減排努力，超過450 mg/L 是幾乎可以肯定的[2]。氣候變化對(duì)茶園土壤及施肥會(huì)產(chǎn)生什么影響？如何采取必要的應(yīng)對(duì)措施？本文就這些問題談?wù)効捶ā?/p>

一、對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中最重要的成分，它對(duì)改善土壤物理性質(zhì)、促進(jìn)微生物活性起關(guān)鍵作用，而且在微生物的作用下，通過礦化供應(yīng)養(yǎng)分，是植物N、P和S養(yǎng)分的重要來源。因此，土壤有機(jī)質(zhì)的高低直接關(guān)系到土壤的結(jié)構(gòu)、通氣、滲透、吸附、緩沖和保肥性能，是衡量土壤質(zhì)量高低最重要的指標(biāo)。土壤有機(jī)質(zhì)含量取決于土壤有機(jī)碳輸入量和輸出量的平衡，這是一個(gè)不斷累積和分解的動(dòng)態(tài)變化過程。輸入量包括有機(jī)肥、茶樹及其他植物枯枝落葉、修剪枝葉、根系和動(dòng)物殘?bào)w及分泌物等；輸出量包括土壤和根系呼吸、含碳有機(jī)物的分解和化學(xué)氧化等。

氣候變化一方面影響植物生長(zhǎng)，改變植物凋落物和根系進(jìn)入到土壤中的數(shù)量從而影響有機(jī)質(zhì)的增加量；另一方面影響微生物的生存條件和活性，進(jìn)而改變外源有機(jī)物和土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率。氣候變化導(dǎo)致的氣溫升高會(huì)加速土壤有機(jī)質(zhì)的分解，不僅減少土壤有機(jī)質(zhì)的含量，而且排放更多的CO2，從而加速氣候變化，導(dǎo)致惡性循環(huán)。研究表明，茶園土壤CO2排放速率主要取決于土壤溫度，茶園土壤呼吸的溫度敏感系數(shù)Q10在1.86 ～1.98之間，即溫度提高10℃，土壤CO2排放速率可提高1.86 ～1.98 倍，一般夏天的土壤呼吸速率是冬天的3 ～4倍[3-4]；但是如果茶樹種植年份較長(zhǎng)，土壤有機(jī)質(zhì)也較為穩(wěn)定，如100年生的茶園土壤Q10可降至1.64，與森林土壤相仿[5]；土壤有機(jī)質(zhì)含量也表現(xiàn)為隨著茶樹種植時(shí)間的延長(zhǎng)而提高[6]。另外，一年生作物改成茶樹等多年生作物后，表層土壤有機(jī)質(zhì)含量有所提高，但提高的幅度與溫度呈反比，即溫度越高有機(jī)質(zhì)的提高幅度越小[7]。降水的變化，特別是長(zhǎng)期干旱和暴雨等極端天氣不僅會(huì)導(dǎo)致水土流失，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的礦化，而且影響茶樹及茶園生態(tài)系統(tǒng)中其他植物的生長(zhǎng)，降低光合作用強(qiáng)度和生長(zhǎng)速率，從而減少茶樹修剪枝葉和枯枝落葉進(jìn)入土壤的數(shù)量，導(dǎo)致土壤質(zhì)量進(jìn)一步惡化[8-9]。

但是大氣CO2濃度的升高會(huì)促進(jìn)茶樹的光合作用，使茶樹生物量增加，從而有利于提高土壤有機(jī)碳的歸還量。如當(dāng)大氣CO2質(zhì)量濃度從目前約400 mg/L增加到800 mg/L時(shí)，茶樹葉片的凈光合速率提高87.9%～142.0%，茶樹樹高增加13.5%，茶樹地上部枝葉和根系分別增加24.7%和67.8%[10]。但茶樹對(duì)CO2濃度升高的反應(yīng)也會(huì)隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸鈍化，從而降低其對(duì)茶樹生長(zhǎng)的促進(jìn)作用[10-11]。最新的研究還表明，CO2濃度的升高可能會(huì)加速土壤固有有機(jī)質(zhì)的氧化分解，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的積累并不明顯[12]。

總的來說，氣候變化會(huì)降低茶園生產(chǎn)力，使茶樹凋落物回歸土壤的數(shù)量減少，而有機(jī)質(zhì)的分解加快，不利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累和提高。因此，在當(dāng)前氣候變化逐漸加劇的過程中，如何避免土壤有機(jī)質(zhì)的快速減少甚至適當(dāng)提高其含量是氣候變化影響下需解決的重要課題。

二、對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分含量的高低取決于土壤本身養(yǎng)分的貯量，以及外源肥料的輸入。其中土壤本身貯藏的養(yǎng)分包括土壤有機(jī)質(zhì)和有機(jī)物包含的有機(jī)態(tài)養(yǎng)分、土壤礦物質(zhì)中的礦質(zhì)態(tài)養(yǎng)分，這兩部分又稱土壤緩效養(yǎng)分，以及土壤溶液中能被植物直接吸收的速效養(yǎng)分。外源肥料也由這幾部分組成，有機(jī)肥主要含有機(jī)態(tài)養(yǎng)分，礦質(zhì)肥料如磷礦粉含礦質(zhì)態(tài)養(yǎng)分，極大多數(shù)化肥則是速效養(yǎng)分。土壤中的氮和硫極大多數(shù)呈有機(jī)態(tài)，鉀和鎂以礦物態(tài)為主，而磷則是有機(jī)態(tài)和礦物態(tài)共存。土壤中的緩效態(tài)養(yǎng)分必須經(jīng)過化學(xué)或生物化學(xué)作用逐步轉(zhuǎn)化成速效態(tài)養(yǎng)分后才能被植物吸收利用。土壤緩效態(tài)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和速效態(tài)養(yǎng)分的運(yùn)移主要受到土壤溫度和水分的影響。氣候變化導(dǎo)致的溫度升高，會(huì)加速土壤有機(jī)物和有機(jī)質(zhì)的分解速度，如土壤呼吸速率與溫度呈極顯著正相關(guān)[3-5]。這一方面增大土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化速率，有利于促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收，但另一方面也會(huì)縮短養(yǎng)分的持續(xù)時(shí)間；而降水模式的改變，特別是暴雨頻次和強(qiáng)度的增加，會(huì)顯著增加土壤養(yǎng)分的地面徑流和淋溶損失[8]。氣候變化還會(huì)導(dǎo)致土壤微生物活性、群落和功能的變化，從而影響土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化。如CO2濃度升高能增加根際分泌物和有機(jī)沉積物，為土壤微生物生長(zhǎng)提供更多的能源和碳源，從而促進(jìn)其活性。但對(duì)不同微生物的響應(yīng)有明顯差異，如CO2升高增加真菌群落的豐度，但對(duì)細(xì)菌影響較小，從而提高土壤真菌/細(xì)菌的比值[13]；大氣CO2濃度和溫度升高還會(huì)在一定程度上增加氨氧化古菌的數(shù)量，而減少氨氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的數(shù)量[14]。茶園土壤由于酸性較強(qiáng)，土壤中的真菌和氨氧化古菌相對(duì)較多，顯然這會(huì)影響土壤硝化和反硝化速率，從而影響茶園土壤氮素的有效性[15]。

三、對(duì)茶樹體內(nèi)礦質(zhì)養(yǎng)分的影響

由于氣候變化導(dǎo)致土壤質(zhì)量和有效養(yǎng)分的改變，從而對(duì)植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素的含量產(chǎn)生明顯影響。植物所需的必需營(yíng)養(yǎng)元素共有17種，包括碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）、鉀（K）、鈣（Ca）、鎂（Mg）、硫（S）、鐵（Fe）、錳（Mn）、銅（Cu）、鋅（Zn）、硼（B）、鉬（Mo）、氯（Cl）和鎳（Ni）等，除C、H、O從空氣和水中吸收外，其余元素大都從土壤中吸收。隨著大氣中CO2濃度的升高，植物光合作用吸收C元素的能力明顯增強(qiáng)，但對(duì)其他元素的吸收變化不大甚至有所減少，從而導(dǎo)致植物體內(nèi)的養(yǎng)分失衡。據(jù)Loladze 等[16]對(duì)全球包括7 000 多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)和130 多種C3 作物或品種的數(shù)據(jù)分析表明，大氣中CO2濃度升高后（實(shí)驗(yàn)處理平均CO2質(zhì)量濃度為699 mg/L，對(duì)照為364 mg/L），除了植物體內(nèi)的C含量顯著提高外（提高2.6% ～10.4%，平均6%），其他元素包括N、P、K、Ca、Mg、S、Na、Fe、Mn、Cu、Zn 等25 種營(yíng)養(yǎng)元素在植物體內(nèi)的含量均有明顯下降，其中N 的下降幅度最大，為13.1%～17.8%，平均降幅15.0%，其次為Fe、Mg、P、Zn、S和Cu等元素，平均降幅8%～10%。植物體內(nèi)C和N含量的變化，導(dǎo)致植物非結(jié)構(gòu)性碳水化合物如淀粉和糖的含量明顯提高，而蛋白質(zhì)和氨基酸含量降低；另外，植物體內(nèi)的元素比例如C/N、C/P和C/S比均顯著提高。與C3植物相比，C4植物礦質(zhì)元素含量也明顯降低，但降幅小一些。茶樹是典型的C3植物，已有初步試驗(yàn)表明，茶樹體內(nèi)C 含量顯著提高，而包括N 在內(nèi)的其他營(yíng)養(yǎng)元素則呈明顯降低狀態(tài)；茶葉品質(zhì)成分茶多酚含量有所提高，而游離氨基酸和咖啡堿含量則降低[8,17]。這一結(jié)果預(yù)示，從品質(zhì)成分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的角度，隨著將來大氣中CO2濃度的持續(xù)升高，茶葉品質(zhì)，特別是綠茶品質(zhì)會(huì)降低；為了維持茶葉品質(zhì)和茶樹體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素的平衡，肥料的需要量，特別是N、P、K 三要素，以及一些中微量元素，如Mg、S、Cu、Zn的使用量必將提高，導(dǎo)致施肥成本增加。

四、應(yīng)對(duì)技術(shù)措施

1.免耕或少耕

免耕能顯著減少表土流失。與強(qiáng)烈耕作相比，免耕可減少50%以上的土壤侵蝕。免耕能保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)，減輕土壤呼吸消耗，從而減少土壤有機(jī)質(zhì)的分解，提高土壤質(zhì)量。另外，免耕還能避免茶樹根系損傷。實(shí)踐證明，疏松、深厚、肥沃、有機(jī)質(zhì)含量高、通透性好的土壤，免耕或少耕并不影響茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)。但粘重、板結(jié)和肥力水平較低的土壤還是需要進(jìn)行定期耕作。

2.修剪枝葉回園

茶樹需要經(jīng)常性地修剪以維持一定的高度和分枝性能。修剪產(chǎn)生的大量枝葉含有茶樹生長(zhǎng)所需的各種營(yíng)養(yǎng)元素，是很好的有機(jī)肥，腐爛后對(duì)提高土壤肥力具有明顯的作用。不僅如此，這些枝葉保留在茶園土壤表面作為覆蓋材料，對(duì)于減少水土流失和雜草生長(zhǎng)也有很好的作用。因此，修剪枝葉回園是提高土壤質(zhì)量的有效措施。

3.增施有機(jī)肥

提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，從整體上提高茶園土壤理化和生物性狀，是促進(jìn)茶樹生長(zhǎng)發(fā)育，提高茶園應(yīng)對(duì)氣候變化能力的關(guān)鍵。前述免耕和修剪枝葉回園對(duì)于保持和提高茶園土壤有機(jī)質(zhì)含量有很好的作用，但這還不夠，在平時(shí)的茶園管理過程中還必須多施有機(jī)肥。由于有機(jī)肥需要開溝深施，因此，每2～3年施1 次，每次施肥時(shí)適當(dāng)增加有機(jī)肥使用量，既可減少耕作次數(shù)，又能有效改善土壤結(jié)構(gòu)，效果較好。

4.增施氮肥和其他礦質(zhì)肥料

如前所述，隨著大氣CO2濃度的提高，茶樹體內(nèi)N 和其他礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的含量降低。因此，適當(dāng)增施N、P、K三要素和Mg、S、Cu、Zn等其他中微量元素，對(duì)于保持茶樹體內(nèi)養(yǎng)分平衡，充分提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)是必不可少的。

5.加強(qiáng)茶園排灌系統(tǒng)建設(shè)

氣候變化不一定導(dǎo)致降水量的減少，但水分分布不勻是肯定的。“不是暴雨，就是長(zhǎng)期干旱”的極端天氣現(xiàn)象會(huì)進(jìn)一步增多。因此，建好茶園水利設(shè)施，做到能排能灌十分必要。在灌溉設(shè)施方面，最好能做到一機(jī)多用，如微噴灌既能抗旱，改善茶園小氣候，又可用于預(yù)防“倒春寒”，對(duì)于水源相對(duì)充足的地方建議使用，但對(duì)于水源不足的地區(qū)則以滴灌為佳，以充分提高水分利用率。