鋁對(duì)不同pH茶園土壤基礎(chǔ)呼吸的影響

范利超，韓文炎

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

鋁對(duì)不同pH茶園土壤基礎(chǔ)呼吸的影響

范利超，韓文炎*

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

通過(guò)添加碳酸鈣調(diào)節(jié)茶園土壤pH值，利用室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)研究鋁離子對(duì)不同pH值茶園土壤基礎(chǔ)呼吸的影響。結(jié)果表明，使用碳酸鈣可以顯著提高茶園土壤pH值，但土壤水溶性有機(jī)碳含量顯著下降。添加鋁離子降低了土壤pH值，減少了土壤微生物量和水溶性有機(jī)碳含量，對(duì)土壤基礎(chǔ)呼吸有抑制作用。

茶園土壤； 土壤基礎(chǔ)呼吸； pH值； 鋁離子； 碳酸鈣

土壤呼吸是大氣二氧化碳的重要貢獻(xiàn)源，每年通過(guò)土壤呼吸釋放到大氣中的二氧化碳量是化石燃料燃燒(石油和煤炭)和森林砍伐退化兩者排放二氧化碳量之和的10倍[1]，且通過(guò)土壤呼吸向大氣中釋放二氧化碳的量在逐年增加[2]。土壤呼吸具有很強(qiáng)的溫度敏感性，即隨著溫度升高，土壤呼吸速率顯著增加，特別是在全球變暖的背景下，土壤呼吸受全球氣候變化的影響更加明顯[3]。土壤呼吸主要由根際呼吸(根呼吸和根際微生物呼吸)和非根際土壤微生物呼吸(細(xì)菌和真菌的腐食活動(dòng))組成，后者也被稱為土壤基礎(chǔ)呼吸[4]。大量的研究表明，土壤呼吸主要受生物因素和非生物因素的影響[5]。其中，根呼吸主要受根系生物量[6]、光合作用產(chǎn)物向根系的分配比例等影響[7]；土壤基礎(chǔ)呼吸主要受土壤微生物量、有機(jī)質(zhì)含量和土壤理化性質(zhì)等影響[8]。

世界范圍內(nèi)，土壤呼吸現(xiàn)已在森林生態(tài)系統(tǒng)[9]、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)[10]和草地生態(tài)系統(tǒng)[11]中進(jìn)行了大量的研究，而在茶園生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)于土壤呼吸的研究相對(duì)滯后。茶樹(shù)是多年生常綠植物，主要種植于熱帶和亞熱帶區(qū)域。2015年我國(guó)茶園種植面積高達(dá)288萬(wàn)hm2，是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，在高效農(nóng)業(yè)和提高茶農(nóng)生活水平方面起著十分重要的作用。茶樹(shù)是典型的喜酸植物，能在pH值3.2～6.8的土壤中生長(zhǎng)，以pH值4.5～6.5最為適宜[12]。茶樹(shù)是典型的聚鋁植物，老葉和根系的平均鋁含量分別為15.3和10.1 g·kg-1[13]。為了便于采摘和促進(jìn)新梢生長(zhǎng)，茶園每年進(jìn)行修剪管理，修剪的枝葉大多留在茶園內(nèi)，導(dǎo)致茶園表層土壤鋁不斷富集，土壤進(jìn)一步酸化。在生產(chǎn)實(shí)踐中，常通過(guò)施用碳酸鈣或白云石粉以保持茶園土壤適合的酸性環(huán)境[14]。土壤pH值是土壤微生物生長(zhǎng)發(fā)育的重要影響因素，鋁離子具有較強(qiáng)的殺菌作用。本研究通過(guò)在不同pH茶園土壤中添加鋁離子，間接了解茶樹(shù)枝葉修剪對(duì)茶園土壤基礎(chǔ)呼吸的影響，以期為進(jìn)一步揭示茶園土壤碳循環(huán)，指導(dǎo)茶園科學(xué)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集及處理

土壤樣品采集于地處杭州的中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所試驗(yàn)茶園(120°09′E，30°14′N)。杭州屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。試驗(yàn)用茶樹(shù)品種為龍井43，樹(shù)齡40 a左右。茶園每年施純N 600 kg·hm-2，N∶P∶K比例約為4∶1∶1，另施商品有機(jī)肥或菜籽餅肥2 250 kg·hm-2[15]。每年春茶結(jié)束后進(jìn)行一次重修剪，修剪枝葉覆蓋在行間。

供試土壤的成土母質(zhì)為安山斑巖，土壤為紅壤。于2013年9月采集0～20 cm土層土壤，過(guò)2 mm篩，分成3組，分別加0、4、8 g·kg-1的CaCO3(以干重計(jì))，將土壤與碳酸鈣充分混合均勻后，于2013年10月裝盆(高25 cm，直徑15 cm)，每盆種植5～6株無(wú)性系茶苗，此后正常管理以確保茶苗成活。經(jīng)過(guò)10個(gè)月的反應(yīng)，至2014年7月，添加0、4、8 g·kg-1碳酸鈣的土壤pH值分別為3.87、4.17、4.65。

1.2 試驗(yàn)方法

2014年7月取上述3組土壤各100 g(以干重計(jì))于250 mL錐形瓶(上下各有一個(gè)濾嘴)，土壤處理為添加AlCl3960 mg·kg-1。土壤含水量調(diào)節(jié)至田間持水量的60%，將培養(yǎng)瓶放在25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中敞口培養(yǎng)。在培養(yǎng)箱內(nèi)放置2個(gè)燒杯，一個(gè)盛稀NaOH溶液用于吸收土壤基礎(chǔ)呼吸排放的CO2，另一個(gè)盛水維持培養(yǎng)箱內(nèi)的濕度[16]。培養(yǎng)土樣在測(cè)量前預(yù)處理3 d，重復(fù)3次。分別在培養(yǎng)的第1、2、4、7和21天測(cè)定土壤基礎(chǔ)呼吸速率。

土壤呼吸采用北京均方理化GXH-3051A型紅外分析儀測(cè)定，土壤基礎(chǔ)呼吸速率用單位時(shí)間、單位重量土壤排放CO2-C的量(mg C·kg-1·h-1)表示[16]。土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定方法同范利超等[17]，簡(jiǎn)述如下。土壤全氮和有機(jī)碳采用VarioMax碳氮自動(dòng)分析儀(Elementar，German)測(cè)定。土壤pH值使用玻璃電極法(DRION 3 STAR pH計(jì)，Thermo Jarrell Ash Corporation，USA)測(cè)定，土液比1∶1。土壤含水量用烘干法[(105±2)℃，24 h]測(cè)定。土壤田間持水量采用容量法測(cè)定。土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸—0.5 mol·L-1K2SO4提取法測(cè)定，測(cè)定前在溫度25 ℃、相對(duì)濕度5%的恒溫恒濕培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)7 d。土壤水溶性有機(jī)碳(water soluble organic carbon，WSOC)使用TOC碳氮分析儀(multi N/C 2100，Analytikjena，German)測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)在Excel 2010平臺(tái)上整理，用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及方差分析，對(duì)有顯著差異的處理采用LSD法進(jìn)行多重比較，采用Sigma Plot 12.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋁離子對(duì)土壤基本性質(zhì)的影響

如圖1所示，土壤有機(jī)碳和全氮含量隨著土壤pH值的增加而減少，但添加鋁離子對(duì)土壤有機(jī)碳含量無(wú)顯著影響(P>0.05)。土壤水溶性有機(jī)碳隨著土壤pH值的增加而減少，添加鋁離子則進(jìn)一步降低了土壤水溶性有機(jī)碳的含量。與對(duì)照(CK)相比，添加鋁離子后，pH值3.87、4.17和4.65土壤的水溶性有機(jī)碳含量分別降低了51.9%、57.3%和35.1%。鋁對(duì)土壤微生物量碳的影響則隨土壤pH不同略有差異，添加鋁離子對(duì)pH值3.87的土壤影響不大，但添加了鋁離子后，pH值4.17和4.65的土壤微生物量碳明顯降低，其中pH值4.65的土壤上降幅達(dá)顯著水平(P<0.05)。添加鋁離子后，土壤pH值與對(duì)照相比均顯著(P<0.05)降低，pH值3.87、4.17和4.65土壤的pH值分別下降了25.9%、24.2%和21.3%。

柱上無(wú)相同小寫(xiě)字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖3同圖1 鋁離子對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮、水溶性有機(jī)碳、微生物量碳及pH的影響

2.2 鋁離子對(duì)茶園土壤基礎(chǔ)呼吸的影響

由圖2可知，對(duì)照土壤中基礎(chǔ)呼吸速率以pH值4.17的土壤最高，且顯著(P<0.05)高于pH值3.87和4.65的土壤，說(shuō)明茶園土壤基礎(chǔ)呼吸速率并不必然隨著土壤pH值的增加而增強(qiáng)。添加鋁離子后，茶園土壤基礎(chǔ)呼吸速率表現(xiàn)為培養(yǎng)初期相對(duì)較高，隨后下降，但整體趨勢(shì)較為平緩，與不加鋁的對(duì)照土壤相比，3組pH值的土壤基礎(chǔ)呼吸速率均有大幅降低，說(shuō)明鋁離子對(duì)土壤呼吸有明顯的抑制作用。

圖2 鋁離子對(duì)茶園土壤基礎(chǔ)呼吸速率的影響

2.3 鋁離子對(duì)茶園土壤呼吸碳通量的影響

由圖3可知，對(duì)照土壤中，pH值4.17的土壤基礎(chǔ)呼吸碳通量顯著(P<0.05)高于土壤pH值為3.87和4.65的土壤。添加鋁離子后，各組pH值的土壤呼吸碳通量均比對(duì)照降低，pH值4.17與4.65組的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。另外，pH值4.17的土壤呼吸碳通量的降幅最大。

圖3 鋁離子對(duì)茶園土壤基礎(chǔ)呼吸碳通量的影響

3 討論

在本研究中，施用碳酸鈣在顯著提高茶園土壤pH值的同時(shí)，微生物量碳也隨之增加。土壤微生物量增加需要消耗必要的底物，因而使土壤水溶性有機(jī)碳含量降低。這與Kemmitt等[18]的研究結(jié)果相似。然而黃瑩[19]通過(guò)對(duì)茶園土壤施用碳酸鈣處理2個(gè)月的研究表明，施碳酸鈣處理后土壤水溶性有機(jī)碳含量顯著增加。黃瑩研究還發(fā)現(xiàn)，施碳酸鈣促使土壤基礎(chǔ)呼吸速率升高。本研究也表明，施用碳酸鈣處理后茶園土壤基礎(chǔ)呼吸碳通量明顯增加，特別是土壤pH值4.17組的土壤上增幅達(dá)顯著水平，這可能與碳酸鈣處理后土壤酸度降低，微生物數(shù)量及活性增加有關(guān)，進(jìn)而使得土壤呼吸速率增強(qiáng)。

在本研究中，添加鋁離子后土壤水溶性有機(jī)碳下降了35%～57%。這可能是由于鋁離子抑制了微生物活性，使有機(jī)碳分解速率降低。伴隨著水溶性有機(jī)碳含量的降低，土壤的基礎(chǔ)呼吸速率也隨之降低。這與Kraal等[20]研究結(jié)果相同。綜上，本研究表明，向土壤中添加鋁離子，會(huì)降低土壤pH值，減少土壤微生物量和水溶性有機(jī)碳含量，對(duì)土壤基礎(chǔ)呼吸有抑制作用。在嚴(yán)重酸化的茶園土壤中施用碳酸鈣可以顯著提高土壤pH值，但土壤水溶性有機(jī)碳含量顯著下降。

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(責(zé)任編輯：高 峻)

2017-03-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41171218)

范利超(1988—)，男，山東菏澤人，碩士，主要從事土壤碳氮循環(huán)方面的研究，E-mail: flcxsy@126.com。

韓文炎(1963—)，男，浙江嵊州人，博士，研究員，主要從事茶園土壤碳氮循環(huán)方面的研究，E-mail: hanwy@tricaas.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170620

S571.1；S153.6+22

A

0528-9017(2017)06-0964-04

文獻(xiàn)著錄格式：范利超，韓文炎. 鋁對(duì)不同pH茶園土壤基礎(chǔ)呼吸的影響[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(6)：964-967.