安溪縣山地茶園土壤化學(xué)計(jì)量特征在不同空間的變化

劉岑薇，張 燕，辛思潔，陳錦輝，楊 慶，王義祥

(1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，福建 福州 350003；2.福建省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，福建 福州 350003； 3.福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州 350002)

福建是我國(guó)茶葉生產(chǎn)的主要省份，全省共有茶園面積17.33萬(wàn)hm2，占全國(guó)茶園總面積的10.5%，居全國(guó)第2位[1]。近年來(lái)福建省各地區(qū)開(kāi)墾坡地種茶力度不斷加大，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民多進(jìn)行高坡度開(kāi)墾，將茶園開(kāi)到頂、“四面光”的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，全省茶園(特別是新開(kāi)墾茶園)水土流失比較嚴(yán)重。安溪縣是福建水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2012年底安溪縣水土流失面積有690.3 km2[2]。這不僅導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞，而且直接影響和制約茶產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。目前對(duì)于茶園水土流失的研究多集中在山地茶園水土流失特征、成因和防治措施上，且多利用傳統(tǒng)觀(guān)測(cè)手段，例如徑流小區(qū)觀(guān)測(cè)法[3]等，較少?gòu)那治g泥沙的源頭研究，對(duì)水土保持措施在不同條件下的影響與效果缺少定量、準(zhǔn)確、快速的描述和評(píng)價(jià)。碳(C)、氮(N)、磷(P)是地球上所有生命化學(xué)組成的基礎(chǔ)，目前生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的研究更多是在探究C、N、P元素的比例關(guān)系[4]，這在生物地球化學(xué)循環(huán)的研究中具有重要意義[5]。由于N、P元素在化學(xué)循環(huán)中的特殊性，因此在陸地生態(tài)系統(tǒng)中通常是限制性元素[6]，而不同土地利用類(lèi)型及人為作用(例如施肥和耕地)對(duì)土壤N或P的環(huán)境影響強(qiáng)烈，使得土壤中的C、N、P總量變化很大，造成土壤C∶N∶P的空間變異性較大[7]。利用生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，能更好地在元素水平上統(tǒng)一不同研究區(qū)域的生物學(xué)研究[8]。

本研究結(jié)合生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，研究不同海拔梯度下已治理與未治理茶園土壤的N、P化學(xué)計(jì)量特征，探討不同治理?xiàng)l件下茶園土壤N、P在空間上的變化，以期為進(jìn)一步研究小流域泥沙來(lái)源提供快捷便利的方法，為快速評(píng)價(jià)水土保持措施效益提供新的思路及理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省安溪縣西北部的感德鎮(zhèn)槐植村(北緯25°18′，東經(jīng)117°51′)，該地屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，年均氣溫18.5 ℃，年均降水量1 600 mm，降水季節(jié)分配不均，每年的3—6月份為梅雨季節(jié)，7—9月份受臺(tái)風(fēng)影響大暴雨次數(shù)增多。年均日照時(shí)數(shù)1 907.6 h，無(wú)霜期350～365 d，氣候溫和濕潤(rùn)，大多數(shù)地區(qū)海拔500～600 m，適宜茶樹(shù)生長(zhǎng)。

2 研究材料與方法

2.1 樣品采集

野外試驗(yàn)地選在感德鎮(zhèn)雙岐溪支毛溝，采樣點(diǎn)選在支毛溝南北兩側(cè)的茶山上，茶山山頂海拔平均為600 m，山腳海拔平均為300 m。支毛溝南側(cè)的茶園未采取良好的水土保持措施，僅修了水平梯田，田面寬<1 m，梯臺(tái)清耕，記為未治理茶園(A)；支毛溝北側(cè)的茶園采取了良好的水土保持措施，修了反坡梯田，田面寬<1 m，梯面邊緣種植黃花菜、豆科植物，梯壁種草，修山地水利設(shè)施等，記為已治理茶園(B)。根據(jù)該區(qū)域地形情況，各選取3座坡度、海拔大體相似的茶山，分別處于支毛溝上、中、下游的位置，依次標(biāo)記為未治理A1、A2、A3和已治理B1、B2、B3。根據(jù)地形、坡長(zhǎng)等因素，從山頂?shù)缴侥_垂直方向每隔100 m取1次表層土樣(0～5 cm)，用環(huán)刀法采集3個(gè)樣品混合制備成1個(gè)樣品待分析，具體的采樣點(diǎn)信息見(jiàn)表1。

表1 采樣點(diǎn)信息

2.2 研究方法

將土壤樣品自然風(fēng)干，所有樣品過(guò)2 mm篩，分析前再將樣品過(guò)0.25 mm篩，分析全氮(TN)、全磷(TP)含量。TN含量測(cè)定采用半微量凱氏定氮法[9]，TP含量測(cè)定采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法[9]。每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測(cè)定3次，結(jié)果取平均值。利用Minitab 17統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同高程下已治理與未治理茶園土壤的TN、TP含量

不同高程下土壤TN含量見(jiàn)圖1。未治理茶園土壤TN含量在600、500、400、300 m高程處分別為1.51、1.44、1.24、1.15 g/kg，已治理茶園土壤TN含量在600、500、400、300 m高程處分別為2.35、1.88、1.39、1.24 g/kg，均呈現(xiàn)出隨著高程降低而減少的趨勢(shì)，且已治理茶園均高于未治理茶園。分析結(jié)果表明，未治理茶園土壤TN含量在不同高程間無(wú)顯著差異(p>0.05)，已治理茶園土壤TN含量除在400與300 m之間無(wú)顯著差異外，其余高程之間差異顯著(p<0.05)。在600 m高程處已治理茶園土壤TN含量比未治理茶園高57%，在最低高程(300 m)處已治理茶園土壤TN含量?jī)H比未治理茶園高7.8%。這可能是因?yàn)樵诓枭降吞?，人?lèi)活動(dòng)較為頻繁，對(duì)茶山地表植被的破壞和土壤擾動(dòng)都高于山頂處，生產(chǎn)活動(dòng)后疏松土壤受到臺(tái)風(fēng)、暴雨等影響，造成嚴(yán)重的水土流失和養(yǎng)分流失。

圖1 不同高程下茶園土壤TN含量

圖2為不同高程下茶園土壤TP含量。未治理茶園土壤TP含量在600、500、400、300 m高程處分別為0.62、0.41、0.38、0.35 g/kg，呈現(xiàn)出隨高程降低而減少的趨勢(shì)，且600 m高程處顯著高于300 m高程處(p<0.05)。已治理茶園土壤TP含量的變化趨勢(shì)則與未治理茶園相反，隨著高程降低呈增加趨勢(shì)，且600 m高程處顯著低于300 m高程處(p<0.05)。在600 m高程處，已治理茶園土壤TP含量比未治理茶園低37.1%，而在茶園高程最低處(300 m)，已治理茶園土壤TP含量比未治理茶園高1.4倍。

圖2 不同高程下茶園土壤TP含量

3.2 不同水平位置未治理與已治理茶園土壤的N、P含量

由圖3可知，從支毛溝的上游到下游，未治理茶園土壤TN含量呈增加趨勢(shì)，而已治理茶園總體呈降低趨勢(shì)。這可能是由于未治理茶園沒(méi)有布設(shè)合理的水土保持措施，導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重，土壤中的N隨土壤與地表徑流而發(fā)生流失。從未治理茶園土壤TN含量變化趨勢(shì)來(lái)看，A2(中游)與A1(上游)、A3(下游)茶園土壤的TN含量差異不顯著(p>0.05)，但A1顯著低于A(yíng)3茶園土壤的TN含量(p<0.05)。從已治理茶園土壤TN含量變化趨勢(shì)可知，B1(上游)顯著高于B2(中游)、B3(下游)茶園土壤的TN含量(p<0.05)，但B2、B3間差異不顯著(p>0.05)。從總體來(lái)看，未治理茶園土壤的TN平均含量低于已治理茶園，這可能是由于已治理茶園采取了梯壁種草等水土保持措施，增加了植被覆蓋，能夠有效攔蓄地表徑流，減少土壤養(yǎng)分流失，而且地表枯枝落葉分解的氮素能夠進(jìn)入土壤，使得已治理茶園的土壤TN高于未治理茶園。

圖3 不同水平位置未治理與已治理茶園土壤的TN含量

由圖4可見(jiàn)，在不同水平位置，未治理茶園A1、A2、A3土壤中TP含量無(wú)顯著差異(p>0.05)；已治理茶園B1與B3土壤中TP含量有顯著差異(p<0.05)，中游的B2與B1、B3無(wú)顯著差異。P元素是沉積型循環(huán)，在空間上可能表現(xiàn)出無(wú)固定趨勢(shì)。從總體來(lái)看，已治理茶園(B)土壤中TP平均含量為0.63 g/kg，比未治理茶園(A)土壤中TP平均含量0.44 g/kg高43.2%，說(shuō)明反坡梯田的治理方式對(duì)土壤P的積累有促進(jìn)作用，且梯壁種草對(duì)土壤有固持作用。未治理茶園因無(wú)序開(kāi)墾且多處在陡峭山坡，受地形限制茶樹(shù)種植分散，不利于蓄水截流，極易受到臺(tái)風(fēng)、暴雨的影響，導(dǎo)致土壤肥力大量流失，使得土壤中P含量降低。

圖4 不同水平位置未治理與已治理茶園土壤的TP含量

3.3 不同高程下土壤的N∶P化學(xué)計(jì)量特征

從圖5看，未治理茶園土壤N∶P隨高程降低變化規(guī)律不明顯，且相互間差異不顯著(p>0.05)；已治理茶園土壤N∶P隨著高程降低而減小， 各高程間差異顯著(p<0.05)。在600和500 m高程處，已治理茶園土壤N∶P大于未治理茶園，而在400和300 m處，已治理茶園土壤N∶P小于未治理茶園。統(tǒng)計(jì)分析表明，不同高程對(duì)治理茶園土壤N∶P有顯著的影響。

圖5 不同高程下茶園土壤的N∶P

3.4 不同水平位置茶園土壤的N∶P化學(xué)計(jì)量特征

從圖6可知，在不同水平位置，未治理茶園的土壤N∶P與已治理茶園均有顯著差異(p<0.05)。位于支毛溝上游的茶園土壤中，未治理茶園A1的土壤N∶P為2.4，顯著低于已治理茶園B1的3.3(p<0.05)；位于支毛溝中、下游的茶園土壤中，未治理茶園A2、A3的土壤N∶P分別為3.3、3.5，顯著高于已治理茶園B2、B3的1.9、1.8(p<0.05)。已治理茶園土壤的N∶P從上游到下游隨水流方向呈顯著減少趨勢(shì)，而未治理茶園土壤的N∶P則相反，呈顯著增加趨勢(shì)。

圖6 不同水平位置茶園土壤N∶P化學(xué)計(jì)量特征

4 討 論

隨海拔梯度的變化，植物的多樣性呈現(xiàn)出梯度變化，土壤作為植物生長(zhǎng)的基質(zhì)，其養(yǎng)分特征也具有空間和時(shí)間上的差異[10]。李林源[11]對(duì)福建三明仙人谷不同海拔梯度下土壤C、N、P含量特征的研究結(jié)果表明，隨海拔增加土壤C、N含量呈減少趨勢(shì)，在海拔600 m處最小，土壤P含量無(wú)顯著梯度變化。而楊淑貞等[12]對(duì)浙江天目山不同海拔梯度下樹(shù)林土壤理化性質(zhì)進(jìn)行的研究結(jié)果表明，土壤TN、TP含量隨海拔變化沒(méi)有固定的變化趨勢(shì)，但隨著土壤深度增加TN含量呈降低趨勢(shì)，TP含量表層土壤高于底層。各地研究結(jié)果不同，可能與生態(tài)系統(tǒng)的多樣性、復(fù)雜性及環(huán)境空間性有關(guān)。

本研究中未治理茶園土壤TN、TP含量大致呈現(xiàn)出隨海拔降低而減少的趨勢(shì)，在300 m高程處最低，這可能是由于低海拔地區(qū)人類(lèi)活動(dòng)更為頻繁，且沒(méi)有采取適宜的水土保持措施，不利于養(yǎng)分的積累。已治理茶園土壤TN含量隨海拔降低呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，TP含量則與之相反。已治理茶園修反坡梯田，梯面種植黃花菜、豆科植物等，有較多植物覆蓋，土壤氮素可來(lái)源于生物固氮和隨降水進(jìn)入土壤中的氮[13]，且在600 m高程處人為活動(dòng)較少，故土壤TN含量隨海拔降低而減少；已治理茶園土壤TP含量的變化可能與不同海拔降水量和溫度的差異有關(guān)。

土壤養(yǎng)分含量會(huì)受不同海拔梯度下的地形、氣候及生物因素相互作用的影響[14]。有研究表明，土壤總氮含量與植被覆蓋度呈正相關(guān)關(guān)系[15]。未治理茶園僅修水平梯田，梯臺(tái)清耕，缺少植被覆蓋，加上南方茶園土壤大多為粗晶?；◢弾r風(fēng)化發(fā)育而成的酸性紅壤，結(jié)構(gòu)松散，保水能力差，同時(shí)小流域地貌多山地丘陵，茶園多為陡坡開(kāi)墾，流域內(nèi)大強(qiáng)度的集中降水沖刷能力較強(qiáng)，因此造成該地區(qū)較嚴(yán)重的水土流失。N、P含量及N∶P可以作為評(píng)價(jià)土壤養(yǎng)分狀況的指標(biāo)之一。根據(jù)KOERSELMAN et al.[16]的研究，土壤中N∶P小于14，表示該生態(tài)系統(tǒng)受到N的限制。土壤N含量來(lái)源于凋落物歸還、大氣沉降及固氮植物，因此已治理茶園與未治理茶園N∶P值產(chǎn)生差異的原因可能在于地表植被的差異。在不同水平位置，不同茶園之間土壤養(yǎng)分差異較大，茶樹(shù)自身物質(zhì)循環(huán)和根系代謝會(huì)引起茶園酸化，導(dǎo)致土壤N∶P對(duì)空間差異的響應(yīng)較大。由于茶園治理?xiàng)l件不同，未治理茶園水土流失嚴(yán)重，表土不斷受到?jīng)_蝕，大量黏粒和養(yǎng)分隨表土的流失而損失，因此造成了已治理茶園與未治理茶園土壤養(yǎng)分的差異和化學(xué)計(jì)量比的差異。

5 結(jié) 論

我國(guó)地形條件復(fù)雜，山地茶園水土流失比例較大，雖然各地都對(duì)不同水土保持措施的減水減沙效益開(kāi)展了大量研究工作，但是由于不同研究采用的觀(guān)測(cè)小區(qū)不同，使得最終結(jié)果難以進(jìn)行比較。本研究運(yùn)用生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)，可以更好地在元素水平上統(tǒng)一不同生態(tài)系統(tǒng)、不同生長(zhǎng)群落和不同研究區(qū)域的研究結(jié)果。研究結(jié)果表明，福建省山地不同海拔梯度的茶園土壤N∶P差異顯著，且已治理與未治理茶園土壤的N、P含量有顯著差異；在同一海拔梯度內(nèi)，不同地理位置的山地茶園土壤的化學(xué)計(jì)量比也有顯著差異。通過(guò)全面評(píng)價(jià)不同海拔梯度與不同水平位置下茶園土壤的養(yǎng)分狀況，為布設(shè)更加適應(yīng)該區(qū)域茶園開(kāi)發(fā)的水土保持措施提供了科學(xué)依據(jù)。

[1] 陳文祥,游文芝,陳明華,等.福建省茶園水土流失現(xiàn)狀及防治對(duì)策[J].亞熱帶水土保持,2006,18(4):22-25．

[2] 汪水前.福建省安溪縣水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)變化分析及防治建議[J].亞熱帶水土保持,2014,26(2):35-38.

[3] 陳小英,查軒,陳世發(fā).山地茶園水土流失及生態(tài)調(diào)控措施研究[J].水土保持研究,2009,16(1):51-58.

[4] 曾德慧,陳廣生.生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)：復(fù)雜生命系統(tǒng)奧秘的探索[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2005,29(6):1007-1019.

[5] 王紹強(qiáng),于貴瑞.生態(tài)系統(tǒng)碳氮磷元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2008,28(8):3937-3947.

[6] 賀金生,韓興國(guó).生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué):探索從個(gè)體到生態(tài)系統(tǒng)的統(tǒng)一化理論[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2010,34(1):2-6.

[7] 曾冬萍,蔣利玲,曾從盛,等.生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(18):5484-5492.

[8] 郭匿春,馬友華,張震.農(nóng)田面源流失C、N、P元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量與生態(tài)攔截溝渠工程[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2015(17):234-236,241.

[9] 魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社,2000:146-150,166-169.

[10] 張廣帥,鄧浩君,杜錕,等.泥石流頻發(fā)區(qū)山地不同海拔土壤化學(xué)計(jì)量特征——以云南省小江流域?yàn)槔齕J].生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(3):675-687.

[11] 李林源.福建三明仙人谷不同海拔梯度下土壤碳氮磷含量特征研究[J].南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào),2014,33(4):28-31.

[12] 楊淑貞,馬原,蔣平，等.浙江西天目山土壤理化性質(zhì)的海拔梯度格局[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,11(6):101-107.

[13] 楊林章,周小平,王建國(guó),等.用于農(nóng)田非點(diǎn)源污染控制的生態(tài)攔截型溝渠系統(tǒng)及其效果[J].生態(tài)學(xué)雜志,2005,24(11):1371-1374.

[14] 李相楹,張維勇,劉峰,等.不同海拔高度下梵凈山土壤碳、氮、磷分布特征[J].水土保持研究,2016,23(3):19-24.

[15] 胡宗達(dá),劉世榮,史作民.川滇高山櫟林土壤氮素和微生物量碳氮隨海拔變化的特征[J].林業(yè)科學(xué)研究,2012,25(3):261-268.

[16] KOERSELMAN W,MEULEMAN A F M.The vegetation N∶P ratio: a new tool to detect the nature of nutrient limitation[J].Journal of Applied Ecology,1966,33(6):1441-1450.