茶樹根際土壤氮素組成及其吸收利用效率分析

趙虎, 王海斌, 陳曉婷, 王裕華, 張華彬,丁力, 孔祥海, 師桂英

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學園藝學院, 蘭州 7300701; 2.龍巖學院生命科學學院, 福建 龍巖 364012; 3.福建農(nóng)林大學生命科學學院, 福建省農(nóng)業(yè)生態(tài)過程與安全監(jiān)控重點實驗室, 福州 350002)

茶樹是喜酸作物，適宜的土壤pH為4.0～6.5，最適pH 5.0～5.5，當pH低于4.0時，茶樹生長受到限制，茶葉的產(chǎn)量和品質下降[1-2]。王海斌等[3]研究發(fā)現(xiàn)，福建省泉州市安溪縣9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)茶園中，37.67%的土壤已經(jīng)酸化，10.03%的土壤不適宜種植茶樹。茶樹樹齡與其根際土壤pH值呈極顯著負相關，即隨著茶樹樹齡的增加，其根際土壤pH值呈現(xiàn)下降趨勢。其次，分析發(fā)現(xiàn)，隨著茶樹樹齡的增加，茶樹根際土壤酸度加劇，茶葉產(chǎn)量降低，茶葉品質呈現(xiàn)下降趨勢[3]。

茶樹是葉用喜銨作物，因此在茶園施肥管理中偏施氮肥，而氮肥的大量使用極易導致土壤酸化加劇[4-6]。近年來，眾多學者開展大量酸化對土壤氮素轉化及茶樹生長影響的研究，表明酸化導致土壤鹽基離子流失，土壤中正電荷增加，凈負電荷減少，土壤中植物可直接利用性銨態(tài)氮、硝態(tài)氮數(shù)量下降，土壤酸度加劇，土壤中氮素轉化效率降低[7-9]，而這種轉化與土壤中的氨氧化細菌的數(shù)量與活性相關[10]。其次，土壤酸化可改變土壤微生物量和微生物群落結構多樣性，例如，酸化細菌、綠非硫細菌和芽孢菌的相對豐度增加，變形菌、擬桿菌和放線菌的數(shù)量下降[11-12]。這些微生物豐度的變化與土壤氮素轉化及氮素流失密切相關，主要原因在于土壤微生物數(shù)量與豐度變化導致土壤中氮素轉化相關酶活性發(fā)生改變，例如，脲酶、硝化酶、轉化酶、氨化酶等活性[13-16]。然而，上述研究只是探討了土壤中的微生物如何改變土壤中的氮素循環(huán)，而對于土壤中氮素存在形式、組分變化及其對茶樹氮素吸收利用能力的影響并未做深入研究。

據(jù)此，本研究以植茶0、4、9和30年的鐵觀音茶樹根際土壤為材料，分析不同樹齡茶樹根際土壤可溶性有機氮(soluble organic nitrogen，SON)組成及土壤不同類型氨基酸含量，同時將茶苗重新種植于不同種植年限的土壤中，分析土壤對茶樹氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率和氮素經(jīng)濟效率的影響，以期為酸化茶園土壤修復提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以鐵觀音原產(chǎn)地福建省泉州市安溪縣龍涓鄉(xiāng)為研究地點，收集已種植0、4、9、30年的鐵觀音茶樹根際土壤，用于茶樹根際土壤的可溶性有機氮組分、氨基酸含量測定及茶樹幼苗種植。根際土壤取樣，參考王海斌等[17]的方法，隨機選擇樹齡為4、9和30年的鐵觀音茶樹各100株，去除土壤表層枯枝落葉，挖出茶樹，收集茶樹根際土壤，樣品量約為15 kg，每個樣品3個重復；0年土壤為同一茶園未種植過鐵觀音茶樹的土壤，取樣時，先去除地表植被和凋落物后，收集15～25 cm深度的土壤，多點隨機收集，樣品量約為15 kg，3個重復。不同樹齡茶樹根際土壤的基本理化指標全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為，0年土壤：2.63 g·kg-1、1.37 g·kg-1、1.72 g·kg-1、27.2 mg·kg-1、79.3 mg·kg-1、305.2 mg·kg-1；4年土壤：2.58 g·kg-1、1.29 g·kg-1、1.64 g·kg-1、29.3 mg·kg-1、87.4 mg·kg-1、312.1 mg·kg-1；9年土壤：2.47 g·kg-1、1.21 g·kg-1、1.71 g·kg-1、28.1 mg·kg-1、88.5 mg·kg-1、320.2 mg·kg-1；30年土壤：2.49 g·kg-1、1.24 g·kg-1、1.69 g·kg-1、28.7 mg·kg-1、89.2 mg·kg-1、324.5 mg·kg-1[18]。

1.2 土壤可溶性有機氮及氨基酸含量測定

土壤可溶性有機氮(SON)含量的測定參照Chen等[19]的方法，采用總可溶性氮含量與可溶性無機氮含量的差減法進行計算。具體提取方法為，取4 g新鮮茶樹根際土壤，加入20 mL蒸餾水，于70 ℃下恒溫振蕩提取18 h，采用Whatman 42濾紙過濾，濾液用于后續(xù)指標測定[20]。其中，總可溶性氮采用高溫催化氧化-SHIMADZU TOC-VCPH/CPN分析儀(日本島津)測定，可溶性無機氮-銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用LACHAT Quickchem離子自動分析儀(HACH(哈希)公司)測定，氨基酸總量及其組成采用日立L-8900全自動氨基酸分析儀(日本日立公司)測定[19]。非氨基酸SON，采用土壤SON與氨基酸SON差減法計算獲得。

1.3 不同樹齡茶樹根際土壤種植茶樹幼苗后的氮素效率測定

將不同樹齡茶樹根際土壤風干并研磨、過40目篩；將研磨后的土壤裝入盆中，每盆8 kg，選擇1年生修剪后長勢相對一致的鐵觀音茶苗，分別移栽到盆中，每盆5株，常規(guī)種植茶樹60 d，種植過程中不做施肥處理，每個處理種植3盆，即3個重復。種植前，測定移栽茶樹全株的生物量、葉片生物量、氮素含量和土壤全氮含量。種植結束后，輕挖茶樹，將茶樹的根系清洗干凈，剪取新梢部分(綠色莖以上的部分)和葉片，將剪取的材料與剩余部分用于生物量測定，其總和即為茶樹全株生物量，測定后用于茶樹全株氮素含量測定。其中，茶樹全株生物量測定，將茶樹全株置于230 ℃殺青15 min，然后置于80 ℃烘至恒重；植株和土壤氮素測定采用凱氏定氮法[21]進行測定。

不同樹齡茶樹根際土壤重新種植茶樹幼苗后的氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率和氮素經(jīng)濟效率的算法如下[22]。

氮素效率=(種植前后全株茶樹生物量增加值/土壤全氮含量)×100%

氮素吸收效率=(種植前后全株茶樹氮素增加量/土壤全氮含量)×100%

氮素生理利用率=(種植前后全株茶樹生物量增加值/種植前后全株茶樹氮素增加量)×100%

氮素經(jīng)濟效率=(種植前后全株茶樹新梢和葉片生物量增加值/土壤全氮含量)×100%

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用DPS 7.05與SPSS 19.0進行方差分析、顯著性分析及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同樹齡茶樹根際土壤SON組成差異

不同樹齡茶樹根際土壤總SON含量和組成結果見圖1，可見不同樹齡茶樹根際土壤總SON含量不存在顯著差異，而不同SON組分含量差異顯著，表現(xiàn)為，隨著茶樹樹齡的增加，茶樹根際土壤氨基酸SON呈現(xiàn)下降趨勢(土壤氨基酸SON含量從46.83%下降至22.71%)，不同處理間差異顯著；而非氨基酸SON呈上升趨勢(含量從53.17%上升至77.29%)，不同處理間差異顯著。可見，隨著茶樹樹齡的增加，茶樹根際土壤SON組成發(fā)生顯著變化。

注：不同小寫字母表示不同年限土壤相應指標間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計學意義。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at P<0.05 level among soils of different cropping years.圖1 不同樹齡茶樹根際土壤可溶性有機氮的含量和組成Fig.1 Contents and components of SON in rhizospheric soil of tea tree with different ages.

2.2 不同樹齡茶樹根際土壤氨基酸含量分析

不同樹齡茶樹根際土壤共檢測到14種氨基酸，不同氨基酸含量結果(表1)表明，隨著茶樹樹齡的增加，茶樹根際土壤中的纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸5種疏水氨基酸含量呈現(xiàn)顯著上升趨勢；而蘇氨酸、賴氨酸、絲氨酸、谷氨酸、甘氨酸、半胱氨酸、組氨酸、精氨酸8種親水氨基酸含量則呈現(xiàn)顯著下降趨勢。不同樹齡茶樹根際土壤的疏水氨基酸總量，隨著茶樹樹齡的增加，從3.843 mg·kg-1上升至5.751 mg·kg-1，親水氨基酸總量則從3.722 mg·kg-1下降至2.214 mg·kg-1；氨基酸總量雖然隨著茶樹樹齡的增加呈現(xiàn)上升趨勢，但不同樹齡之間差異不顯著?？梢?，隨著茶樹樹齡的增加，茶樹根際土壤不同親水性氨基酸含量發(fā)生顯著變化，表現(xiàn)為疏水氨基酸含量呈現(xiàn)上升趨勢，而親水氨基酸含量呈現(xiàn)下降趨勢。

表1 不同樹齡茶樹根際土壤氨基酸含量Table 1 Amino acids content in rhizospheric soil of tea trees with different ages.

2.3 不同樹齡茶樹根際土壤對茶樹氮素吸收利用效率的影響

不同樹齡茶樹根際土壤種植茶樹幼苗后，對茶樹幼苗的氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素效率和氮素經(jīng)濟效益的影響結果(圖2)表明，隨著茶樹根際土壤年限的增加(0～30年)，茶樹幼苗的氮素吸收效率由3.25%下降至1.32%，氮素生理利用率由95.23%下降至62.15%，氮素效率由235.16%下降至89.45%，氮素經(jīng)濟效益則由90.59%下降至53.42%?？梢姡S著茶樹根際土壤年限的增加，茶樹幼苗對土壤的氮素吸收能力顯著下降，吸收后的氮素在利用和轉化能力上呈下降趨勢，最終導致茶樹幼苗的氮素經(jīng)濟效益降低。

2.4 茶樹根際土壤年限與SON組分、氨基酸含量及茶樹氮素效率指標的相關性

對土壤年限、可溶性氮組分、氨基酸含量及氮素效率進行相關性分析，結果(表2)表明，土壤年限與土壤非氨基酸SON、疏水氨基酸、總氨基酸含量均呈顯著或極顯著正相關，而與土壤氨基酸SON、親水氨基酸含量、氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素經(jīng)濟效率均呈顯著或極顯著負相關。氨基酸SON含量與非氨基酸SON、疏水氨基酸和總氨基酸含量呈極顯著負相關，與親水氨基酸含量、氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素經(jīng)濟效率呈極顯著正相關，而非氨基酸SON含量則相反。進一步分析發(fā)現(xiàn)，本研究條件下，隨著土壤年限的增加，茶樹根際土壤的氨基酸含量與氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素經(jīng)濟效率呈顯著或極顯著負相關。氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素經(jīng)濟效率之間則呈極顯著正相關。

注：不同小寫字母表示不同樹齡茶樹間差異在 P<0.05水平具有統(tǒng)計學意義。Note: Lowercase letters indicate significant difference between different age tea trees at P<0.05 level.圖2 不同樹齡茶樹根際土壤對茶樹氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素效率和氮素經(jīng)濟效益的影響Fig.2 Effects of different age tea tree rhizospheric soil on nitrogen absorption efficiency, physiological nitrogen utilization rate, nitrogen efficiency and nitrogen economic benefits of tea trees

表2 土壤年限、可溶性氮組分、氨基酸含量及氮素效率之間的相關性分析Table 2 Correlation analysis among soil age, SON, amino acid content and nitrogen use efficiency

可見，隨著茶樹樹齡的增加，茶樹根際土壤氮素組分和不同類型氨基酸含量均受到顯著影響，茶樹根系氮素吸收能力下降，進而導致茶樹的氮素利用率降低，最終影響其經(jīng)濟效益。

3 討論

土壤是茶樹種植與生長的主要載體，土壤中養(yǎng)分含量的高低及其形態(tài)影響著茶樹的生長與品質。氮素是植物生長所需的主要養(yǎng)分元素之一，氮素在土壤中的存在方式眾多，可溶性有機氮(SON)是氮素存在的形式之一[23]。SON可大致分為2大類別，氨基酸SON以低分子量游離氨基酸和蛋白質為主，易分解；非氨基酸SON以大分子量的含氮腐殖質為主，難分解[24-26]。據(jù)報道，SON組分與土壤生態(tài)系統(tǒng)功能，氮素循環(huán)等密切相關，其不同組分含量高低象征著土壤氮素循環(huán)的能力[26-27]。本研究結果表明，隨著茶樹樹齡的增加(0～30年)，不同樹齡茶樹根際土壤總SON含量不存在顯著差異，而在不同SON組分含量上差異顯著，茶樹根際土壤氨基酸SON比例呈現(xiàn)下降趨勢，而非氨基酸SON比例則呈上升趨勢。其次，茶樹根際土壤氨基酸含量結果表明，隨著茶樹樹齡的增加，茶樹根際土壤疏水氨基酸含量呈現(xiàn)上升趨勢，而親水氨基酸含量呈現(xiàn)下降趨勢?？梢姡S著茶樹樹齡的增加，茶樹根際土壤中易分解的氨基酸SON和親水氨基酸含量降低，難分解的非氨基酸SON和疏水氨基酸含量則升高，土壤中可被茶樹吸收與利用的氮素含量下降，可能導致茶樹對氮素的吸收與利用效率降低。

不同樹齡茶樹根際土壤重新種植茶樹后，土壤對茶樹氮素吸收與利用效率的影響結果表明，隨著土壤年限的增加，茶樹的氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素效率均呈現(xiàn)下降趨勢；同時，茶樹自身的經(jīng)濟效益也呈現(xiàn)下降趨勢。相關性分析結果表明，土壤年限與土壤非氨基酸SON、疏水氨基酸、總氨基酸含量呈顯著或極顯著正相關，而與土壤氨基酸SON、親水氨基酸含量、氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素經(jīng)濟效率等呈顯著或極顯著負相關?？梢?，隨著茶樹樹齡的增加，茶樹根際土壤的SON組分發(fā)生顯著變化，土壤中易分解的親水性氨基酸含量降低，難分解的疏水性氨基酸含量升高，根際土壤的氮素循環(huán)受阻，茶樹氮素吸收能力下降，氮素生理利用率與氮素效率降低，最終導致茶樹氮素經(jīng)濟效率降低，產(chǎn)量和品質下降。

綜上所述，茶樹樹齡的增加可改變土壤的氮素組分，影響土壤氮素循環(huán)，導致茶樹氮素吸收與利用能力下降。然而，隨著茶樹樹齡增加，土壤中的微生物是如何改變土壤中的氮素形態(tài)并進而影響茶樹對氮素的吸收與利用，還需進一步研究。