不同植茶年限土壤中有機氮組分的變化*

李子密, 于紅梅, 束良佐

(1.浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004;2.淮北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，安徽 淮北 235000)

0 引 言

作為當今農(nóng)業(yè)土壤中主要的營養(yǎng)元素之一,氮素對植物的生長發(fā)育、產(chǎn)量高低、品質(zhì)優(yōu)劣起到了重要的作用.土壤中的氮素主要可分為無機氮和有機氮兩大類，其中無機態(tài)的氮素含量低，一般只占全氮含量的1%～2%[1]；土壤中有機態(tài)氮，特別是容易礦化的有機氮對土壤的供氮能力起到了決定性作用[2].通常將有機態(tài)氮分成酸解性氮和非酸性氮，其中酸解性氮包括酸解氨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮、未知態(tài)氮[3].據(jù)學(xué)者研究，酸解性氮與非酸性氮占全氮的比例差異將會影響土壤有機氮的礦化速率[4].因此，深入研究有機氮組成及轉(zhuǎn)化速度對于探索土壤氮素的有效性，優(yōu)化生產(chǎn)過程中的施氮量具有重要意義.

茶樹是葉用植物，生長發(fā)育中需要吸收大量的營養(yǎng)元素[5].因此，在茶葉生產(chǎn)中，氮素投入占茶葉生產(chǎn)成本的很大部分，但其氮素有效利用率低于40%[6].茶樹對于氮素的吸收具有明顯的季節(jié)性，大部分集中于4—11月[7]，有學(xué)者關(guān)注茶園氮素的季節(jié)性變化，并從不同的茶樹種類、施肥方式等方面進行研究[8].但茶園一經(jīng)投采后可以利用數(shù)十年，甚至上百年，這就使得茶園土壤氮素及其組分在不同植茶年限土壤中的體現(xiàn)更為突出，而研究植茶年限與茶園土壤有機氮組分關(guān)系的文獻較少.因此，本文主要研究不同年限茶園土壤有機氮含量的變化，揭示不同種植時間尺度下茶園土壤有機氮變化的規(guī)律，從而為茶樹種植、施肥管理等方面提供建議.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于金華市湯溪鎮(zhèn)境內(nèi)，區(qū)域經(jīng)緯度大致在 29° N，119° E，海拔約為 80～90 m，地勢平坦，坡度在 15°以下.屬亞熱帶季風氣候，年均溫約為18 ℃，年降水量約為1 500 mm ，季節(jié)分明，年溫適中，熱量豐富，雨量充沛.土壤的主要類型為亞熱帶紅壤和黃壤，自然帶主要以亞熱帶常綠闊葉林為主.自20世紀 80 年代以來，區(qū)域確定建立茶葉生產(chǎn)基地，目前已經(jīng)形成了面積廣大、管理良好的現(xiàn)代化生態(tài)茶園.在茶園施肥上采用機械化的方式，主要施有機肥，同時也施氮肥、葉面肥等作為補充.基于生態(tài)和綠色有機理念，茶園在茶樹種植方面多采用有機肥，實現(xiàn)精準施肥，盡量減少人為干預(yù).

1.2 土樣采集與分析

2017 年 7 月采集土壤樣品，在實地走訪的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同植茶年限區(qū)域的地理位置、施肥情況、地形植被等多方面考慮，選擇植茶年限為10 a，20 a，30 a和40 a的區(qū)域進行樣點布設(shè)，每個區(qū)域設(shè)置3個采樣點，并采集3個荒地土壤作為對照樣本.茶園采樣點設(shè)在樹冠邊緣的垂直線區(qū)域，采集表土后去除植物殘枝與雜草，經(jīng)風干后按要求過篩，用于基本理化性質(zhì)和有機氮組分測定.土壤pH、全氮、有機質(zhì)、C/N(ωC/ωN)測試參照土壤農(nóng)化分析方法[9]，土壤有機氮組分采用 Bremner[10]法.

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用 SPSS 19.0分析土壤全氮和各有機氮組分含量的差異及其與種植年限的關(guān)系，用Origin軟件進行繪圖.

2 分 析

2.1 植茶年限對茶園土壤理化性質(zhì)的影響

由表1可知，伴隨著種植年限的延長，從荒地到10 a，20 a，30 a及40 a茶園的轉(zhuǎn)變，土壤的pH值由4.56下降為3.86，下降的幅度比較明顯.土壤C/N的變化指示著土壤有機氮的積累過程及土壤質(zhì)量的波動.由表1可知，不同植茶年限土壤C/N分別為12.39,12.11,13.24,13.14，茶園土壤C/N平均值(12.72)略高于荒地C/N(12.55)；C/N 隨著植茶年限的增加出現(xiàn)先降低后穩(wěn)定的趨勢，具體表現(xiàn)為：荒地開墾后至植茶20 a，土壤的C/N 降低至12.11；植茶30 a，土壤的C/N上升至13.24；植茶40 a，土壤的C/N 則維持在比較穩(wěn)定的水平.

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

注:同一列中不同字母代表差異顯著(P<0.05).

有機質(zhì)是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[11]，它對茶葉產(chǎn)量的增加具有顯著的影響.荒地有機質(zhì)含量最低，平均含量為8.57 g·kg-1.不同年限茶園土壤有機質(zhì)平均含量為19.65，26.25，31.59 g·kg-1及34.15 g·kg-1，且不同年限對土壤有機質(zhì)含量的影響達到了顯著的水平.將荒地開墾為茶園后，土壤有機質(zhì)增長顯著，植茶10 a后，有機質(zhì)增長了11.08g·kg-1，且有機質(zhì)隨植茶年限的延長而增加，不同年限茶園土壤有機質(zhì)增長率分別為129.20%，206.30%，268.61%及298.85%.

土壤全氮不僅僅是評價土壤肥力的基本指標[12]，同時也是植物生長必需的潛在供氮能力的科學(xué)依據(jù)[13].在對荒地、茶園土壤全氮含量進行差異分析后，發(fā)現(xiàn)荒地土壤的含氮量僅為0.41 g·kg-1，茶園土壤全氮含量基本為0.75～1.00 g·kg-1，依據(jù)土壤養(yǎng)分的分級評價標準，全氮的含量屬中等水平.荒地全氮含量最低，其中植茶年限40 a土壤的全氮含量最高，在0.05水平上差異明顯.植茶10 a，20 a，30 a和40 a全氮增長率分別為139.02%，212.19%，248.78% 和269.98%，表明茶園的全氮含量變化規(guī)律與有機質(zhì)變化規(guī)律相似，且全氮含量增幅隨著年限增加而減緩.

2.2 土壤有機氮組分隨種植年限的變化規(guī)律

從表 2 可看出，茶園土壤有機氮組分含量都獲得較大增長.相較于荒地土壤有機氮組分含量，植茶40 a土壤中氨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮、未知態(tài)氮和非酸性氮含量分別增加了0.210,0.250，0.090，0.200 g·kg-1和0.336 g·kg-1，其中非酸性氮含量增加最大，增長率為302.70%.通過圖1發(fā)現(xiàn)，土壤全氮與氨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮、未知態(tài)氮、非酸性氮存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.995，0.967，0.775，0.754，0.908.

表 2 不同植茶年限土壤有機氮組分含量 (g·kg-1 )

注:同一列中不同字母代表差異顯著(P<0.05).

土壤氮素始終處于動態(tài)變化之中，有機氮各組分之間的耦合關(guān)系更能全面闡述土壤氮素的轉(zhuǎn)化變異[14].研究不同植茶年限下茶園全氮的變化量向有機氮各組分的分配比例,有助于了解這一動態(tài)過程.由全氮與各有機氮組分回歸曲線斜率(見圖1)可知，將荒地開墾為茶園并經(jīng)過40 a種植后，土壤增加的氮素轉(zhuǎn)化分配至有機氮各組分之中，氨基酸態(tài)氮和非酸性氮分配比例分別為21.4%和32.0%，表明增加的氮素主要于氨基酸態(tài)氮和非酸解性氮中，占全氮增加量的53.4%.

圖1 不同植茶年限下全氮與有機氮組分關(guān)系

2. 3 不同植茶年限土壤有機氮組分結(jié)構(gòu)變化規(guī)律

由于植茶年限的差異，土壤有機氮各組分具有不同的比例分布.如圖 2 所示，不同種植年限茶園土壤氨基酸態(tài)氮占全氮比例為22.47%～24.61%，氨態(tài)氮占全氮的比例為18.31%～20.94%，略低于氨基酸態(tài)氮的占比，植茶 10 a 土壤非酸性氮比例最高，且伴隨植茶年限的延長，比例不斷降低.氨基糖態(tài)氮所占全氮比例較低，范圍為7.62%～9.17%.茶園土壤未知態(tài)氮占全氮比例為18.40%～22.32%，不同種植年限的未知態(tài)氮比例都低于非酸性氮，且未知態(tài)氮占全氮比例也隨著年限的增長而降低.非酸性氮所占比例為27.65%～30.92%,植茶年限越長，非酸性氮占全氮的比例越高.

植茶年限對于土壤有機氮組分結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生影響.荒地有機氮組分比例排序為氨基糖態(tài)氮<氨態(tài)氮<未知態(tài)氮<氨基酸態(tài)氮<非酸性氮.由于植茶年限的延長及新增的氮素在各組分中的分配比例不同，有機氮各組分比例排序也隨之發(fā)生變化，氨態(tài)氮、非酸性氮占全氮的比重從荒地土壤的18.57%，27.65% 增加到19.11%，30.10%；氨基酸態(tài)氮和未知態(tài)氮占比則由24.61%，19.98% 降至23.46%，18.48%；植茶40 a 土壤有機氮組分結(jié)構(gòu)排序變化為氨基糖態(tài)氮<未知態(tài)氮<氨態(tài)氮<氨基酸態(tài)氮<非酸性氮.土壤有機氮組分中的酸解性氮的變化主要體現(xiàn)在將荒地開墾為茶園的10 a ，并且增長率隨著植茶年限的增長而放緩，種植30 a 后土壤的有機氮組分中非酸性氮比例不斷擴大，酸解性氮比例不斷減小.

圖2 不同植茶年限下土壤有機氮組分占全氮比例

3 討 論

通過實驗發(fā)現(xiàn),土壤全氮受到種植年限的影響顯著，含量逐年提升，植茶 10 a的土壤全氮的增長率最高.這是由于枯枝落葉是表層土壤有機質(zhì)供給來源[15]，因10 a的茶樹正處于生長期,采摘較少，茶園地被層凋謝物分解的腐殖質(zhì)進入土壤表層，且茶樹根系的分泌物及肥料施用也向表層土壤投入相當數(shù)量的有機物質(zhì)，平均蓋度與地上生物量都較大，致使它發(fā)生強烈的富集效應(yīng)，導(dǎo)致有機質(zhì)在表層積累.表層土壤中80%～97%氮素存在于有機質(zhì)中[16]，故而土壤全氮含量較多.而植茶 30 a 后全氮含量增速減緩，這是由于此時茶樹經(jīng)過多年培育進入成熟期，逐年加大的采摘量損失了部分的生物量，減少了植被土壤的生物歸還量，再加上茶園的地上生物量均較低，氮素被茶樹吸收利用，總體上茶園土壤全氮含量較低.

有機氮約占全氮含量的90%以上[17]，因此,土壤中全氮含量的多少基本取決于有機氮的含量.實驗發(fā)現(xiàn)，有機氮組分含量和全氮含量出現(xiàn)了一致的變化趨勢，二者均隨著植茶年限的延長而增長，同時還發(fā)現(xiàn)不同植茶年限的土壤有機氮組分增長率也存在差異.當荒地開墾為茶園后，肥料的投入使得土壤中的氮素迅速增加.研究表明，新進入的氮素會先轉(zhuǎn)化為氨基酸態(tài)氮和未知態(tài)氮[18]，致使10 a茶園土壤中氨基酸態(tài)氮和未知態(tài)氮的含量顯著增加，增長率為133.28%和190.17%；植茶30 a時，氨基酸態(tài)氮和未知態(tài)氮增長率迅速下降，相較于20 a，植茶30 a僅增長了7.96%和1.54%.不同植茶年限的土壤非酸性氮增長率分別為160.80%，234.93%，298.49%和303.63%，相較于植茶20 a，植茶30 a非酸性氮增長率為18.97%，顯著高于酸解性氮的增長.表明植茶30 a后，酸解性氮增長減緩，土壤酸解態(tài)有機氮庫的變化快于非酸解態(tài)的有機氮庫.

有機氮各組分的含量和存在形態(tài)對土壤氮素的有效性有重要影響，各組分的比例變化是氮素累積速率及其被礦化的難易程度共同作用的結(jié)果[19].在酸解性氮組分中，從絕對數(shù)量來看，氨基酸態(tài)氮和氨態(tài)氮占據(jù)主導(dǎo)地位，且新增氮素也多轉(zhuǎn)化為氨基酸態(tài)氮和氨態(tài)氮；未知態(tài)氮成分穩(wěn)定，難以被礦化，易于在土壤中積累，因此,酸解性氮含量和占全氮比例都應(yīng)較高；氨基酸態(tài)氮和氨態(tài)氮組成多樣，成分活躍，易被礦化[20]，致使酸解有機氮庫表現(xiàn)為易礦化，大量的酸解性有機氮被礦化以供茶樹吸收利用，致使酸解性有機氮累積減少.土壤有機質(zhì)含量是影響氮素礦化的重要原因[21]，陳玉真等[22]的研究表明，土壤有機質(zhì)含量越多，越有利于土壤礦化作用.茶樹周圍分布大量的凋落物，施肥管理以有機肥為主，有機質(zhì)豐富，并在真菌和細菌群落的參與下，利于礦化作用的發(fā)生，導(dǎo)致酸解性氮不斷被礦化，占比降低．此外，C/N影響氮素礦化的速率[23]，土壤C/N維持在較低水平，減弱了微生物的分解能力，降低礦化速率．非酸性氮是土壤較為惰性的有機氮組分，其含量不受礦化速率的影響[24]；新增氮素中的32%(見圖1)轉(zhuǎn)化為非酸性氮，進一步增加了非酸性氮的含量，擴大了非酸性氮占全氮的比例.這樣的多重因素作用造成了土壤有機氮組分比例出現(xiàn)差異.

4 結(jié) 論

土壤中氮素含量是積累量與消耗量共同作用的結(jié)果.從研究結(jié)果可以看出，與對照組土壤相比，茶園土壤基本的理化性質(zhì)發(fā)生了改變，其中有機質(zhì)、全氮、有機氮各組分的含量隨植茶年限的延長而增長.有機氮組分占全氮的比例排序也變化為氨基糖態(tài)氮<未知態(tài)氮<氨態(tài)氮<氨基酸態(tài)氮<非酸性氮，土壤中氨態(tài)氮和未知態(tài)氮占比呈下降趨勢,非酸性氮比例呈上升趨勢，氨基糖態(tài)氮占比則保持穩(wěn)定，酸解未知態(tài)氮、非酸解性氮占比最大，難以礦化的非酸性氮占全氮比例提升，進一步降低了礦化速率，影響了土壤的供氮能力.因此，在進一步加強氮肥管理過程中，探索量化易礦化有機氮組分對于作物的實際效用、提升土壤供氮能力等都具有重要意義.