江西省茶葉主產(chǎn)地茶園土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

何紹浪， 林小兵， 黃尚書， 王斌強(qiáng)， 黃欠如， 吳艷， 孫永明

(江西省紅壤研究所， 南昌 330046)

碳(C)是生命體基本組成元素，氮(N)、磷(P)是植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素和限制性元素，C、N、P元素之間既有共變性又有其獨(dú)立性，是土壤養(yǎng)分循環(huán)和轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因子[1-2]。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是根據(jù)物理、化學(xué)和生物過程中多種元素的變化規(guī)律來(lái)探究生態(tài)系統(tǒng)能量平衡和化學(xué)元素(主要為C、N、P)平衡及其交互作用的科學(xué)[3]，既能反映了土壤養(yǎng)分狀況，也能揭示土壤養(yǎng)分的可獲得性及其限制因子，為研究土壤-植物相互作用與C、N、P循環(huán)和平衡機(jī)制提供了新思路和手段[4-5]，在植物個(gè)體生長(zhǎng)、種群動(dòng)態(tài)、群落演替、養(yǎng)分循環(huán)、限制性元素判斷、養(yǎng)分利用效率乃至全球C、N、P 生物地球化學(xué)循環(huán)等研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6-7]。近年來(lái)，關(guān)于土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征及其影響因素的研究成果豐碩。張富榮等[8]對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)不同恢復(fù)年限的人工刺槐林土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征研究表明，隨恢復(fù)年限的增加，土壤 C∶P和N∶P均顯著增加，C∶N則無(wú)顯著變化，且土壤水分嚴(yán)重不足是土壤C、N、P含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的最主要影響因子。楊霞等[9]對(duì)遼寧省撫順縣溫道林場(chǎng)不同林齡油松人工林土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的影響因素研究發(fā)現(xiàn)，林齡和土層深度對(duì)土壤C∶P、N∶P均有顯著性影響，對(duì)土壤C∶N則無(wú)顯著影響。張莎莎等[10]對(duì)安徽金寨天馬國(guó)家自然保護(hù)區(qū)不同海拔梯度上杉木人工林土壤化學(xué)計(jì)量特征的研究結(jié)果為土壤C∶N隨海拔增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，土壤C∶P和N∶P均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。Abrar等[5]對(duì)長(zhǎng)期施肥后的東北黑土研究發(fā)現(xiàn)，土壤C、N、P含量及其化學(xué)計(jì)量比均隨深度的增加而降低，且C∶N、C∶P和N∶P僅與表層土壤的有機(jī)碳組分呈顯著相關(guān)。Su等[11]對(duì)中國(guó)西南喀斯特地區(qū)不同植被恢復(fù)階段土層在細(xì)根和土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量特征的研究結(jié)果為植被類型和土層對(duì)土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比均有顯著影響，且細(xì)根C∶N和C∶P與土壤C∶N和C∶P呈顯著負(fù)相關(guān)，而細(xì)根N∶P與土壤N∶P呈顯著相關(guān)。這些研究對(duì)豐富生態(tài)系統(tǒng)化學(xué)計(jì)量特征起到了重要的作用。

江西省是中國(guó)重點(diǎn)產(chǎn)茶區(qū)域之一，2019年江西茶葉主產(chǎn)區(qū)即“四綠一紅”(狗牯腦、婺源綠茶、廬山云霧、浮梁茶、寧紅茶)所在市縣茶園面積約為90萬(wàn)畝，占全省茶園總面積182萬(wàn)畝(1畝≈666.7 m2)的49.45%。目前，不少學(xué)者圍繞江西茶園土壤理化性質(zhì)、肥力及其影響因子等方面開展了較為系統(tǒng)的研究[12-16]，但針對(duì)茶園土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量及其對(duì)海拔和種植年限響應(yīng)特征的系統(tǒng)研究卻少見于文獻(xiàn)。本研究以江西省廬山市、婺源縣、浮梁縣、遂川縣和修水縣5個(gè)茶葉主產(chǎn)區(qū)茶園為研究對(duì)象，通過對(duì)各個(gè)主產(chǎn)縣茶園土壤C、N、P含量的測(cè)定和分析，探討不同海拔和種植年限茶園土壤C、N、P含量及生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征，對(duì)完善和補(bǔ)充江西茶園土壤養(yǎng)分平衡和生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征數(shù)據(jù)也具有重要科學(xué)價(jià)值，同時(shí)也為茶園土壤肥力的管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2018年4—5月，在江西省廬山市、婺源縣、浮梁縣、遂川縣、修水縣5個(gè)茶葉主產(chǎn)區(qū)以每13.3 hm2集中連片茶園為采樣單元，采取“S”形布點(diǎn)采樣，每個(gè)單元采集5個(gè)0～20 cm土層土樣混合為1個(gè)土壤樣品，5個(gè)茶葉主產(chǎn)區(qū)共計(jì)187份土樣，記錄每個(gè)點(diǎn)位茶園種植年限和海拔。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

采集的土壤樣品經(jīng)過室內(nèi)處理后用于土壤有機(jī)碳(SOC)、總氮(TN)、總磷(TP)分析。土壤SOC采用高溫外熱重鉻酸鉀法(HH-S恒溫油浴)；土壤TN采用自動(dòng)定氮儀法(KQ860全自動(dòng)凱氏定氮儀)；土壤TP采用HCIO4-H2SO4熔融-分光光度計(jì)比色法(721可見分光光度計(jì))，具體方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[17]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

對(duì)采樣點(diǎn)的測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并剔除少數(shù)異常點(diǎn)后，獲得178個(gè)有效采樣點(diǎn)，廬山市17個(gè)、婺源縣41個(gè)、浮梁縣25個(gè)、遂川縣52個(gè)、修水縣43個(gè)。采用microsoft office excel 2003、DPS 7.05軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)的最小顯著差異(least-significat difference, LSD)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同主產(chǎn)地茶園土壤C、N、P含量及生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

5個(gè)主產(chǎn)地茶園土壤C、N、P含量及生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征見表1。從土壤C、N、P含量來(lái)看，5個(gè)主產(chǎn)地茶園土壤SOC、TN、TP含量分別在1.27～50.54 g/kg、0.15～3.65 g/kg、0.11～1.49 g/kg，均值分別為13.84、1.37、0.47 g/kg。各主產(chǎn)地茶園土壤SOC含量存在顯著差異，而土壤TN和TP含量均不存在顯著差異。其中，浮梁縣和遂川縣茶園土壤SOC含量顯著高于廬山市和修水縣(P<0.05)，婺源縣和廬山市茶園土壤SOC含量顯著高于修水縣(P<0.05)。從土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)來(lái)看，5個(gè)主產(chǎn)地茶園土壤C∶N、C∶P和N∶P變化范圍為2.31～56.11、5.78～116.46、0.50～11.40，均值分別為10.97、32.61、3.49。各主產(chǎn)地茶園土壤C∶N和C∶P均存在顯著差異，而土壤N∶P不存在顯著差異。其中，浮梁縣茶園土壤C∶N顯著高于其他4個(gè)主產(chǎn)地，遂川縣茶園土壤C∶N顯著高于廬山市和修水縣(P<0.05)；浮梁縣和婺源縣茶園土壤C∶P顯著高于廬山市和修水縣(P<0.05)，遂川縣茶園土壤C∶P顯著高于修水縣(P<0.05)。

2.2 不同海拔茶園土壤C、N、P含量及生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

五個(gè)主產(chǎn)地取樣點(diǎn)海拔在20.0～980.0 m，將其分為≤99 m、100～199 m、200～299 m、300～399 m、400～499 m和≥500 m共6個(gè)等級(jí)進(jìn)行分析(見表2)。從表2可知，不同海拔茶園土壤SOC、TN和TP含量均存在顯著差異。其中，海拔≥500 m茶園土壤SOC含量顯著高于其他海拔(P<0.05)，海拔≤99 m茶園土壤SOC含量顯著高于海拔100～199 m、200～299 m、300～399 m和400～499 m(P<0.05)；海拔≥500 m茶園土壤TN含量顯著高于其他海拔(P<0.05)；海拔≥500 m茶園土壤TP含量顯著高于海拔≤99 m、100～199 m、200～299 m和400～499 m(P<0.05)，海拔300～399 m茶園土壤TP含量顯著高于海拔100～199 m和400～499 m(P<0.05)，海拔≤99 m和200～299 m茶園土壤TP含量顯著高于海拔400～499 m(P<0.05)。不同海拔茶園土壤C∶N和C∶P均存在顯著差異，而土壤N∶P差異不顯著。其中，海拔400～499 m和海拔≥500 m茶園土壤C∶N均顯著高于海拔100～199 m(P<0.05)；海拔400～499 m和海拔≥500 m茶園土壤C∶P均顯著高于海拔200～299 m(P<0.05)。總體來(lái)看，隨著海拔的增加，土壤SOC含量及C∶N、C∶P均呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，而土壤TN、TP含量及N∶P變化規(guī)律不明顯。

2.3 不同種植年限茶園土壤C、N、P含量及生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

5個(gè)主產(chǎn)縣取樣點(diǎn)種植年限在2～48年，將其分為≤9年、10～19年、20～29年、30～39年和≥40年共5個(gè)等級(jí)進(jìn)行分析(見表3)。從表3可以得出，不同種植年限茶園土壤SOC、TN含量均存在顯著差異，而土壤TP含量不存在顯著差異。其中，種植年限≥40年茶園土壤SOC含量顯著高于種植年限≤9年、10～19年和30～39年(P<0.05)，種植年限20～29年茶園土壤SOC含量顯著高于種植年限≤9年(P<0.05)；種植年限20～29年茶園土壤TN含量顯著高于種植年限≤9年、10～19年和30～39年(P<0.05)，種植年限≥40年茶園土壤TN含量顯著高于種植年限≤9年(P<0.05)。不同種植年限茶園土壤C∶N、C∶P和N∶P均存在顯著差異。其中，種植年限≥40年茶園土壤C∶N和C∶P均顯著高于其他種植年限(P<0.05)；種植年限20～29年茶園土壤N∶P顯著高于種植年限≤9年、10～19年和≥40年(P<0.05)。總體來(lái)看，隨著種植年限的增加，土壤SOC含量、TN含量和C∶P均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，土壤C∶N呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，土壤N∶P呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，而土壤TP含量變化規(guī)律不明顯。

表1 不同主產(chǎn)縣茶園土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征Table 1 Soil ecological stoichiometry characteristics of tea garden in different main producing counties

表2 不同海拔茶園土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征Table 2 Soil ecological stoichiometry characteristics of tea garden at different altitudes

表3 不同種植年限茶園土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征Table 3 Soil ecological stoichiometry characteristics of tea garden with different planting years

2.4 土壤C、N、P含量與生態(tài)化學(xué)計(jì)量比相關(guān)分析

由表4可知，研究區(qū)茶園土壤SOC、TN、TP含量?jī)蓛芍g存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，其中SOC含量和TN含量的相關(guān)性系數(shù)最高，達(dá)到了0.695，說(shuō)明它們之間存在比較高的耦合關(guān)系。土壤C∶N與SOC含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與TN含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；土壤C∶P與SOC含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與TP含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；土壤N∶P與TN含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與TP含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。說(shuō)明土壤 C∶N、C∶P和N∶P與土壤SOC、TN、TP含量有非常密切的關(guān)系。

表4 土壤C、N、P含量與生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的 相關(guān)系數(shù)(n=178)Table 4 Correlation coefficient between soil C, N, P contents and ecological stoichiometry ( n=178)

3 討論與結(jié)論

3.1 土壤C、N、P含量特征

土壤C、N、P元素是植物正常生長(zhǎng)發(fā)育必需的養(yǎng)分，在植物生長(zhǎng)過程中起著非常重要的作用[9]。土壤SOC、TN、TP等含量與茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)具有明顯的相關(guān)性[18]。本研究對(duì)江西省廬山市、婺源縣、浮梁縣、遂川縣和修水縣5個(gè)茶葉主產(chǎn)地茶園土壤SOC、TN、TP含量研究發(fā)現(xiàn)，5個(gè)主產(chǎn)地茶園0 ～20 cm土壤SOC、TN、TP含量均值分別為13.84、1.37、0.47 g/kg。其中，土壤SOC、TN含量均值高于全國(guó)土壤SOC(11.12 g/kg)、TN(1.06 g/kg)含量均值，TP含量均值低于全國(guó)土壤TP(0.65 g/kg)含量均值[19]，婺源縣、浮梁縣、遂川縣、修水縣茶園土壤SOC、TN含量均值均高于楊普香等[16]在2009—2010年取樣和測(cè)定結(jié)果。此外，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《茶葉產(chǎn)地環(huán)境技術(shù)條件》(NY/T 853─2004)中茶園土壤的肥力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[20]，本研究中5個(gè)茶葉主產(chǎn)地茶園土壤SOC、TN含量均值達(dá)到Ⅰ級(jí)茶園肥力指標(biāo)，而土壤TP含量均值達(dá)到Ⅱ級(jí)茶園肥力指標(biāo)。但從各個(gè)主產(chǎn)地來(lái)看，修水縣茶園土壤SOC含量均值低于全國(guó)SOC含量均值，達(dá)到Ⅲ級(jí)茶園肥力指標(biāo)。

本研究發(fā)現(xiàn)海拔≤99 m茶園土壤SOC、TN、TP含量均高于100～199 m，這主要是因?yàn)楸狙芯繀^(qū)域海拔≤99 m茶園的地形以平地居多，而海拔100～199 m茶園的地形偏向于丘陵。土壤SOC含量隨海拔在一定范圍內(nèi)(100～980 m)的上升而增加，這可能是由于不同海拔氣溫存在差異，高海拔地區(qū)較低海拔地區(qū)氣溫低，更利于有機(jī)碳的積累。土壤SOC、TN含量隨著種植年限的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，這與薛冬等[21]、李敬等[12]的研究結(jié)果一致。其原因一方面是茶園的長(zhǎng)期施肥，另一方面是隨著種植年限的延長(zhǎng)，茶樹凋落物逐漸增加，而土壤 C、N的補(bǔ)充和積累主要來(lái)自長(zhǎng)期施肥、茶樹凋落物、根系分泌物歸還土壤等[22]。鄭子成等[23]研究表明隨著植茶年限的增加，土壤有機(jī)碳庫(kù)趨于穩(wěn)定，碳匯效應(yīng)明顯增強(qiáng)。王晟強(qiáng)等[24]研究表明土壤SOC、TN儲(chǔ)量的增加量在植茶17年之前主要來(lái)源于>2 mm粒徑團(tuán)聚體，而植茶17年以后主要來(lái)源于<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體。也有研究表明[25]，茶園土壤微生物群落隨著植茶年限的增加逐漸單一，不利于微生物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解。本研究中茶園土壤TP含量海拔、種植年限均無(wú)明顯變化規(guī)律，這主要是土壤TP的來(lái)源相對(duì)固定，其含量主要受土壤母質(zhì)、成土作用及耕作施肥的影響[26]，其他方式(干濕沉降，動(dòng)植物殘?bào)w，微生物活動(dòng))等對(duì)TP的影響相對(duì)較小[10]。此外，本研究中茶園土壤 SOC、TN、TP含量?jī)蓛芍g呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，表明研究區(qū)土壤C、N、P養(yǎng)分元素的循環(huán)過程是相互耦合、相互影響。這與彭曉等[27]、張富榮等[8]的研究結(jié)果相似。

3.2 土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，是確定土壤C、N和P平衡特征的重要參數(shù)，對(duì)植物生長(zhǎng)有重要影響。土壤C∶N可以反映土壤有機(jī)質(zhì)的分解狀況、土壤N素礦化能力和土壤C、N養(yǎng)分平衡狀況的重要指標(biāo)。C∶N值較小時(shí)，有利于增強(qiáng)土壤微生物的分解能力，從而促進(jìn)土壤有效N增多；比值較高時(shí)，則由于存在N素受限，影響土壤微生物分解能力，從而促進(jìn)有機(jī)碳的累積[4]。本研究中5個(gè)茶葉主產(chǎn)地茶園土壤C∶N均值為10.97，低于全國(guó)土壤C∶N均值11.90[19]。其中，浮梁縣茶園土壤C∶N均值高于全國(guó)土壤C∶N均值的40.42%，修水縣、廬山市、婺源縣茶園土壤C∶N均值分別低于全國(guó)的土壤C∶N均值的33.78%、21.76%、11.85%，遂川縣茶園土壤相近。表明浮梁縣茶園土壤N素相對(duì)缺乏，土壤微生物分解能力較弱，造成有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分礦化速度減慢，而修水縣、廬山市、婺源縣茶園土壤微生物分解能力較強(qiáng)，土壤有機(jī)質(zhì)具有較快的礦化作用。土壤C∶P比可作為衡量微生物礦化土壤有機(jī)物質(zhì)釋放P或從環(huán)境中吸收固持P素潛力的一種指標(biāo)，土壤C∶P值越小，越利于土壤微生物礦化土壤有機(jī)質(zhì)釋放較多P素，補(bǔ)充土壤有效P庫(kù)[22]。本研究中各個(gè)主產(chǎn)地茶園土壤C∶P均值均低于全國(guó)土壤C∶P均值61[19]，表明各個(gè)茶葉主產(chǎn)地茶園土壤微生物在礦化土壤有機(jī)質(zhì)釋放P素能力較強(qiáng)，土壤P素充足。土壤N∶P可以作為判斷生境中N或P不足的指標(biāo)，指示植物生長(zhǎng)過程中土壤營(yíng)養(yǎng)成分的供應(yīng)情況[22]。本研究中各個(gè)茶葉主產(chǎn)地茶園土壤N∶P均值均低于全國(guó)土壤N∶P的平均水平5.20[19]，表明各個(gè)茶葉主產(chǎn)地茶園土壤P素相對(duì)豐富，而土壤N素相對(duì)缺乏，可能是一個(gè)重要的限制因子。因此，在茶園經(jīng)營(yíng)過程中適當(dāng)施加氮肥以維持氮磷元素平衡。

本研究中茶園土壤C∶N隨著海拔、種植年限的增加均呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，表明中海拔(100～299 m)和種植中期(20～29年)有機(jī)質(zhì)分解速率較快，不利于養(yǎng)分積累。土壤C∶P隨著海拔的增加呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，隨種植年限的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，這很大程度上是受到土壤SOC含量隨海拔和種植年限變化而變化的影響，同時(shí)也說(shuō)明隨著種植年限的增加，土壤磷的有效性越來(lái)越低。土壤N∶P隨著海拔增加變化趨勢(shì)不明顯，而隨著種植年限的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)?？梢姡０魏头N植年限在一定程度上影響著茶園土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量比。這與李敬等[12]對(duì)植茶年齡的丘陵區(qū)茶園土壤化學(xué)計(jì)量特征研究結(jié)果相似。