不同肥力茶園土壤碳氮養(yǎng)分對(duì)施氮量的響應(yīng)

代依涵，李渝，劉彥伶，黃興成，張雅蓉，于翊鵬，聶云，蔣太明

1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，貴州 貴陽(yáng) 550006；3.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550006

碳作為土壤肥力核心，是土壤養(yǎng)分的重要來(lái)源，其有機(jī)形態(tài)的礦化速率和轉(zhuǎn)化速率影響土壤養(yǎng)分的供應(yīng)[1]。氮素是構(gòu)成作物氨基酸、蛋白質(zhì)的主要成分，為茶樹(shù)生長(zhǎng)、發(fā)育、品質(zhì)形成的必需元素之一，而氮素在土壤中極易損失，利用率較低[2]，其有效性對(duì)土壤肥力和作物生產(chǎn)力影響較大[3]。茶樹(shù)作為葉用型經(jīng)濟(jì)作物，對(duì)氮素吸收較多，一般認(rèn)為茶樹(shù)的氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收需求比例約為5∶1∶2[4-5]，施用氮肥對(duì)實(shí)現(xiàn)茶葉高產(chǎn)和維持土壤肥力具有重要作用[6]。然而，調(diào)查研究表明，當(dāng)前我國(guó)超過(guò)30%的茶園存在過(guò)量施氮現(xiàn)象[7]，導(dǎo)致土壤酸化[8]、活性氮排放[9]、土壤退化[10]等諸多問(wèn)題。因此，合理施用氮肥對(duì)保持土壤肥力及減少環(huán)境污染具有重要意義。

前人研究發(fā)現(xiàn)，施用氮肥能顯著提升茶園土壤全氮、有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳、微生物量碳含量[11-13]，土壤外源氮素投入越多，土壤有機(jī)碳、全氮含量越高。也有研究認(rèn)為，過(guò)量施氮對(duì)土壤有機(jī)碳和微生物量碳的提高不顯著，甚至土壤微生物量碳氮和可溶性有機(jī)碳氮會(huì)有所降低[14-15]。土壤微生物量、酶活性與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化密切相關(guān)[16-17]，土壤微生物以碳素、氮素作為能源及營(yíng)養(yǎng)，微生物對(duì)有機(jī)碳及土壤氮礦化和轉(zhuǎn)化起著關(guān)鍵作用，而土壤酶活性可以反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化能力強(qiáng)弱[18]。有研究表明，隨著氮肥施用量的增加，土壤β-葡萄糖苷酶活性不斷增加[19]。也有研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)量施氮會(huì)導(dǎo)致土壤酸化、微生物數(shù)量下降[20-21]，從而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量下降，說(shuō)明土壤養(yǎng)分含量、土壤微生物量、土壤酶活性受氮營(yíng)養(yǎng)水平影響[16]。氮肥施用量對(duì)不同肥力水平土壤碳氮養(yǎng)分的影響不盡相同。如楊馨逸等[22]研究認(rèn)為，在高肥力地區(qū)，隨著氮肥施用量的增加，土壤中活性氮組分含量提高；在低肥力地區(qū)，氮肥施用量增加反而會(huì)降低土壤微生物量氮含量。也有研究表明在相同施肥量條件下，基礎(chǔ)肥力低的土壤的肥料貢獻(xiàn)率較高，基礎(chǔ)肥力高則反之[23]。因此，茶園合理的施肥管理不僅需要考慮氮肥施用量對(duì)茶園土壤肥力的影響，還需考慮不同地區(qū)土壤基礎(chǔ)肥力的差異性。目前，不同氮肥施用量對(duì)大田作物土壤養(yǎng)分的影響研究已有不少，但在不同土壤肥力條件下，氮肥施用量對(duì)茶園土壤碳氮轉(zhuǎn)化及酶活性的影響缺乏系統(tǒng)研究。本研究選取不同土壤肥力茶園，研究不同氮肥施用量對(duì)茶園土壤碳、氮養(yǎng)分及相關(guān)酶活性的影響，以探明不同肥力茶園土壤碳氮養(yǎng)分對(duì)氮肥用量的響應(yīng)規(guī)律，為茶園氮肥合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地I位于貴州省貴定縣報(bào)管鄉(xiāng)（107°8′53.8″E、26°13′44.6″N），平均海拔1 085 m，年平均氣溫21.5℃，年平均降水量1 200 mm，全年平均無(wú)霜期280 d。試驗(yàn)茶樹(shù)品種為當(dāng)?shù)厝后w種鳥王種，土壤類型黃壤，試驗(yàn)從2016年開(kāi)始。氮肥用量試驗(yàn)耕層（0～20 cm）土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量為：有機(jī)碳11.02 g/kg、全氮1.44 g/kg、堿解氮110.20 mg/kg，pH值5.01，碳氮比7.65，土壤肥力中等偏低。下文以“低肥力茶園”表示。

試驗(yàn)地Ⅱ位于貴州省安順市西秀區(qū)雞場(chǎng)鎮(zhèn)（106°4′33.1″E、26°5′20.4″N），平均海拔1 233 m，年平均氣溫14.4℃，年平均降水量1 360 mm，全年平均無(wú)霜期250 d。試驗(yàn)茶樹(shù)品種為福鼎大白茶，土壤類型黃壤，試驗(yàn)從2016年開(kāi)始。氮肥用量試驗(yàn)耕層（0～20 cm）土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量為：有機(jī)碳39.68 g/kg、全氮3.29 g/kg、堿解氮181.60 mg/kg，pH值3.74，碳氮比12.06，土壤肥力較高。下文以“高肥力茶園”表示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均設(shè)置4個(gè)不同氮肥用量處理（N1，150kg/hm2；N2，300kg/hm2；N3，600kg/hm2；N4，900 kg/hm2），田間3個(gè)重復(fù)。磷、鉀肥等量施用，施用量為100 kg/hm2。供試肥料品種為尿素（含N 46.0%）、過(guò)磷酸鈣（含P2O516.0%）、硫酸鉀（含K2O 50.0%），磷、鉀肥于每年10—11月作基肥一次性施入，施肥方式為溝施。氮肥按照基肥∶春肥∶夏肥3∶4∶3的比例分3次施用。

1.3 樣品采集與分析

土壤樣品于2020年茶園冬管封園管理前采集，采集深度0～20 cm。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后篩選剔除雜質(zhì)和根系，一部分裝入自封袋，存于冰箱內(nèi)4℃冷藏，用于測(cè)定可溶性有機(jī)碳、可溶性總氮、土壤微生物量碳氮、土壤酶活性；一部分自然風(fēng)干后，磨碎分別過(guò)10目、100目篩后用自封袋分裝密封，用于測(cè)定土壤常規(guī)養(yǎng)分。

土壤常規(guī)養(yǎng)分參照《土壤農(nóng)化分析》進(jìn)行測(cè)定[24]?？扇苄杂袡C(jī)碳、可溶性總氮采用冷水浸提法，微生物量碳、微生物量氮采用氯仿熏蒸法，β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶采用微孔板法，β-葡萄糖苷酶采用硝基酚比色法，硝酸還原酶采用酚二磺酸比色法，亞硝酸還原酶采用α-奈胺比色法[25]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007整理和歸類數(shù)據(jù)，采用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥施用量對(duì)茶園土壤碳含量的影響

雙因素方差分析結(jié)果表明（表1），施氮量和土壤基礎(chǔ)肥力對(duì)土壤有機(jī)碳、微生物量碳、微生物熵（微生物量碳/土壤有機(jī)碳）均有顯著影響。土壤有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳、微生物熵受施氮量和土壤基礎(chǔ)肥力二者交互作用影響。

表1 施氮量及土壤基礎(chǔ)肥力對(duì)茶園土壤碳含量影響的雙因素方差分析

不同肥力茶園氮肥用量對(duì)茶園土壤碳含量的影響不盡相同（圖1）。低肥力茶園土壤有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳含量均隨氮肥用量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，以N2處理最高，較N1處理分別提高了33.14%和8.71%，較N4處理分別顯著提高了47.40%和25.60%；土壤微生物量碳和微生物熵則均隨氮肥用量增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，以N2和N3處理較低。高肥力茶園土壤有機(jī)碳含量隨施氮量的增加不斷降低，N2～N4處理土壤有機(jī)碳含量較N1處理顯著降低了17.44%～20.50%。可見(jiàn)，低肥力茶園土壤碳素養(yǎng)分對(duì)氮肥施用量響應(yīng)較敏感。

圖1 不同氮肥施用量對(duì)不同肥力茶園土壤碳含量的影響

2.2 氮肥施用量對(duì)茶園土壤氮含量的影響

雙因素方差分析結(jié)果（表2）表明，土壤可溶性總氮、微生物量氮、微生物量氮/全氮等指標(biāo)受施氮量和土壤基礎(chǔ)肥力及二者交互作用顯著影響。土壤全氮僅受土壤基礎(chǔ)肥力影響。

表2 施氮量及土壤基礎(chǔ)肥力對(duì)茶園土壤氮含量影響的雙因素方差分析

低肥力茶園土壤全氮、可溶性總氮、微生物量氮隨氮肥施用量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，以N2處理最高，較N1處理分別提高了20.73%、40.27%、3.06%，較N4處理分別提高了22.63%、67.04%、69.79%；土壤微生物量氮/全氮隨氮肥施用量的增加不斷降低，N2～N4處理土壤分別較N1處理降低0.97、2.29、2.44個(gè)百分點(diǎn)。高肥力茶園土壤微生物量氮、微生物量氮/全氮以N1處理較高，微生物量氮N2～N4處理較N1處理分別降低了30.97%、35.05%、37.85%，微生物量氮/全氮分別降低了0.49、0.45、0.44個(gè)百分點(diǎn)（圖2）。

圖2 不同氮肥施用量對(duì)不同肥力茶園土壤氮含量的影響

2.3 氮肥施用量對(duì)茶園土壤酶活性的影響

雙因素方差分析結(jié)果（表3）表明，施氮量對(duì)土壤碳氮相關(guān)轉(zhuǎn)化酶活性無(wú)顯著影響。亞硝酸還原酶活性受土壤基礎(chǔ)肥力影響顯著，硝酸還原酶活性受施氮量及土壤基礎(chǔ)肥力二者交互作用影響。

表3 施氮量及土壤基礎(chǔ)肥力對(duì)茶園土壤酶活性影響的雙因素方差分析

由表4可以看出，低肥力茶園N2處理β-葡糖苷酶和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性較高，N1處理硝酸還原酶活性及亞硝酸還原酶活性均較高，但不同氮肥施用量間土壤碳氮轉(zhuǎn)化酶活性均無(wú)顯著差異。高肥力茶園施氮量對(duì)β-葡萄糖苷酶活性及硝酸還原酶活性無(wú)顯著影響，β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性隨氮肥施用量增加呈先下降后增高趨勢(shì)，N3處理活性最低；亞硝酸還原酶活性隨氮肥施用量增加而增高。可見(jiàn)，高肥力茶園土壤碳氮轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性對(duì)氮肥施用量的響應(yīng)較敏感。

表4 不同氮肥施用量對(duì)不同肥力茶園土壤酶活性的影響

2.4 氮肥施用量對(duì)茶園土壤碳氮比的影響

由圖3可知，低肥力茶園土壤微生物量碳氮比、可溶性碳氮比隨氮肥施用量的增加呈先降低后升高的趨勢(shì)，以N2處理最低，較N1處理分別顯著降低了27.98%和17.82%，較N4處理分別顯著降低了37.95%和24.75%；土壤碳氮比含量以N2處理較高，其他處理土壤碳氮比較N2處理降低了9.38%～21.23%。高肥力茶園土壤微生物量碳氮比以N1處理較低，但處理間差異不顯著；土壤可溶性碳氮比以N1處理較低，N2～N4處理較N1處理升高了3.47%～16.88%；土壤碳氮比以N1處理較高，N2～N4處理土壤碳氮比較N1處理降低了9.12%～18.77%。

圖3 不同氮肥施用量對(duì)不同肥力茶園土壤碳氮比的影響

3 小結(jié)與討論

本研究表明，氮肥施用對(duì)低肥力茶園土壤碳、氮養(yǎng)分含量的影響較高肥力茶園大。其原因可能是在低肥力茶園合理施用氮素可有效增加土壤微生物對(duì)外源碳素底物固持水平，減少因有機(jī)碳礦化導(dǎo)致土壤碳素?fù)p失，提高土壤碳固持速率[26]，從而影響土壤碳組分含量，并且低肥力土壤微生物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性易受土壤環(huán)境的改變而改變，施加氮素也會(huì)影響土壤活性碳、氮組分[27-28]，所以氮肥施用對(duì)低肥力茶園土壤碳、氮養(yǎng)分影響較顯著。而高肥力茶園土壤碳、氮養(yǎng)分含量高，土壤有足夠的碳源固持氮素，碳循環(huán)和氮循環(huán)過(guò)程耦合更加緊密，土壤的緩沖能力更強(qiáng)[29-30]，所以合理添加外源氮素對(duì)高肥力土壤的碳、氮養(yǎng)分影響相對(duì)較小。

在低肥力茶園，合理施氮肥可提高土壤中有機(jī)碳含量，這可能是因?yàn)榈实妮斎朐黾恿酥参锷锪亢椭参餁埐邕€田量，進(jìn)而增加了土壤有機(jī)碳含量[31]。但過(guò)量施氮反而會(huì)降低土壤有機(jī)碳的含量，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果相似[32]，其原因可能是過(guò)量施用氮肥會(huì)對(duì)根系產(chǎn)生毒害，影響根系和茶園土壤的物質(zhì)交換，使根系輸入到土壤中的碳減少[33-34]，從而降低了土壤有機(jī)碳含量。

低肥力茶園中，合理施氮肥可顯著提高土壤全氮、可溶性總氮含量，但過(guò)量施氮?jiǎng)t會(huì)降低土壤氮含量，以N2處理較高，表明在低肥力茶園適量氮肥輸入可增加土壤微生物活性，促進(jìn)氮素分解和轉(zhuǎn)化，提高土壤氮素養(yǎng)分含量[11]，但過(guò)量施用氮肥會(huì)導(dǎo)致部分氮素不能及時(shí)被茶樹(shù)利用，并且過(guò)量氮素在土壤中積累，亞硝酸鹽累積過(guò)多會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生毒害，抑制土壤微生物活性[35]，降低土壤腐殖質(zhì)分解，從而降低土壤中可溶性總氮含量，增加土壤氮損失[22]。本研究還發(fā)現(xiàn)低肥力茶園過(guò)量施用氮肥會(huì)降低可溶性總氮及土壤微生物量氮含量，這一現(xiàn)象符合其他研究者關(guān)于土壤活性碳、氮組分可以相互影響的結(jié)論，即土壤腐殖質(zhì)分解降低，土壤可溶性總氮含量降低，土壤微生物量氮含量也會(huì)隨之降低[14-15]。

土壤中無(wú)機(jī)氮部分源于土壤微生物的酶促降解產(chǎn)物[36]，本研究發(fā)現(xiàn)，在低肥力茶園中不同氮肥施用量間土壤碳、氮轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性均無(wú)顯著影響。高肥力茶園中，氮肥施用量對(duì)氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)的β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和亞硝酸還原酶活性影響較大。張露等[37]研究也發(fā)現(xiàn)在低肥力地區(qū)土壤酶活性轉(zhuǎn)化較低，高肥力茶園土壤微生物的代謝活動(dòng)相對(duì)較高，且由于投入的肥料是氮肥，所以對(duì)氮轉(zhuǎn)化酶活性影響較明顯。

土壤微生物量碳氮比的高低能夠反映氮素的供應(yīng)能力，土壤微生物量碳氮比較小時(shí)，土壤氮素的利用率會(huì)提高[38]。本研究發(fā)現(xiàn)，低肥力茶園土壤中微生物量碳氮比隨著施氮量的增加先降低后升高，以N2施肥處理最低，說(shuō)明合理施用氮肥能降低土壤微生物量碳氮比，提高土壤氮素的生物有效性，這與前人研究結(jié)果一致[39]。

可溶性有機(jī)碳、可溶性總氮是生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的組分之一。土壤微生物碳氮比和可溶性碳氮比變化趨勢(shì)一致，原因之一可能是微生物活動(dòng)消耗了土壤中的可溶性有機(jī)碳或可溶性總氮；另一原因可能是合理施用氮肥促進(jìn)土壤有機(jī)碳分解，增加了土壤中可溶性有機(jī)碳、可溶性總氮含量，使土壤可溶性有機(jī)碳、可溶性總氮同程度增加或減少[40]，所以N2處理的土壤可溶性碳氮比較低。土壤碳氮比在15～25范圍內(nèi)，土壤有機(jī)質(zhì)供肥越優(yōu)越，碳氮比越高；微生物活動(dòng)分解能力越快，碳氮比越低[41]。在本試驗(yàn)中，低肥力茶園除N2處理外，其他處理土壤碳氮比相對(duì)較低，表明低肥力茶園土壤碳素含量低，基礎(chǔ)肥力低，今后延續(xù)本試驗(yàn)應(yīng)適量添加有機(jī)肥，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)氮素養(yǎng)分合理轉(zhuǎn)化，提高土壤碳氮比。高肥力茶園土壤碳氮比在12～15范圍內(nèi)，需要注意平衡施肥，保證養(yǎng)分的協(xié)調(diào)供應(yīng)[42]。

本研究也表明，茶園土壤活性態(tài)碳、氮含量受施氮量、土壤基礎(chǔ)肥力以及二者交互作用影響，說(shuō)明無(wú)論在高肥力或低肥力茶園合理施肥是培育和提高土壤基礎(chǔ)肥力的關(guān)鍵措施[23]。

不同肥力茶園氮肥施用量對(duì)土壤碳、氮養(yǎng)分的影響不盡相同。低肥力茶園土壤碳、氮養(yǎng)分總體隨施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，N2（300 kg/hm2）水平具有較高碳、氮養(yǎng)分含量，是最適氮肥施用量。高肥力茶園土壤碳、氮養(yǎng)分總體隨施氮量的增加呈降低趨勢(shì)，N1（150 kg/hm2）水平具有較高的土壤碳、氮養(yǎng)分含量，是最適宜氮肥施用量。在實(shí)際茶園管理中，應(yīng)因地制宜合理施用氮肥，以提高土壤養(yǎng)分和氮肥利用效率。