茶园生态系统铝的生物地球化学循环*

郑达贤，沙济琴

(福建师范大学地理研究所，福州 350007)

茶园生态系统铝的生物地球化学循环*

郑达贤，沙济琴

(福建师范大学地理研究所，福州 350007)

根据近年作者及国内相关研究数据，分析茶园生态系统中各子系统Al的库容、循环流量和速率，提出茶园生态系统Al的生物地球化学循环模型．生态系统Al的惰性库、调节库和活动库之比为10 000∶200∶1;Al的内外循环量都很大，分别达51.89 kg·hm－2·a－1和33.48 kg·hm－2·a－1;调节库和活动库Al的周转速率非常快，年更新率分别达0.34%和55.48%，体现了其他生态系统所没有的特别高的Al循环特征;茶园Al循环导致了土壤的加速酸化、无机态Al向有机结合态Al的转化和生态系统中有机结合态Al的不断积聚．

茶园;生态系统;铝;生物地球化学循环

Al是湿润热带、亚热带生物地球化学景观中的标型元素［1］．茶园多建在Al相对富集的富铁土和铁铝土上，而茶树不仅比其他许多植物Al含量高，而且Al高度集中于更新循环快速 (约1年［2］63－64)的老茶叶上，因此茶园Al的生物地球化学循环不仅直接或间接在茶树的生长及其矿质元素的吸收和循环中具有重要作用，而且在元素的生物地球化学循环中具有典型意义．但是，至今在茶园Al的生物地球化学循环研究方面仅见有零星的实验观测资料，尚缺乏完整的模型和实验数据．因此，本课题根据已有的关于茶树生物量的研究，茶树各器官Al含量的研究，茶园土壤Al和降水、透冠水、土壤溶液Al的有关研究，综合成一个茶园生态系统Al的生物地球化学循环模型．

1 模型参数

Al的生物地球化学循环模型包括两大部分:外循环和内循环．外循环的输入包括降水降尘Al的收入和通过灌溉、施肥Al的收入，输出包括地表、地下径流Al的支出和茶叶采摘Al的输出;内循环只列出茶树的生长、代谢和与土壤间Al的生物小循环，忽略其他生物的循环，而土壤中还存在结晶矿物中难移动的Al和Al的活性库之间的土壤内循环．Al的生物地球化学循环的参数包括3部分:库、流和速率．存在于土壤各组分中和茶树各器官中的Al的总量为库，以1 hm2和1 m厚土层计;各库之间的迁移量及输入输出量为流，以年流量计，库的年增加量或减少量为速率．该模型的各种参数估算的依据如下:

1.1 茶树生物子系统中Al的积累和分配

茶树现存生物量根据作者在福建茶科所茶园对种植7年的茶树 (黄棪品种)生物量的测定［3］．该测定茶树地上部分和地下部分生物量的比值为1∶2.53，与已研究的茶树各器官生物量的分配［2］65、［4］122基本一致．按茶树种植的一般密度标准 ((30×150)cm2/株)可拟定茶园现存生物量的分配 (表1)，按这一估算总生物量 (仅指茶树)为45.11 t·hm－2;生物量的年均净积累量为6.44 t·hm－2;茶园每年茶叶采摘量按茶园中等产量设为2 t·hm－2;茶树叶的年枯落量根据茶树叶龄一般1年左右，则年枯落叶量应大致视为现存量减去年增量，即为5 162 kg·hm－2;这一数值与丁瑞兴在茅麓茶场测定的数据(3 661～4 572 kg·hm－2)［5］是接近的;枯枝的枯落量不能用现存量的比例估算，故采用丁瑞兴测定数据的均值1 117 kg·hm－2;茶树细根的生命周期或年枯死量未见报道，参照一些木本植物不同直径细根的存活时间，暂时定为1年，则细根的年枯死量大致为细根现存量与年增量之差1 560 kg·hm－2．这样，茶树生物质年总枯死量为7 839 kg·hm－2，细根枯死量占总枯死量的20%左右，这一比值略低于森林生态系统细根死亡对土壤总有机碳贡献率 (25% ～80%)的下限［6］，故似乎偏低，可能是因为细根存活期估算为1年偏长之故．但没有实测数据，只能姑且用之．根据以上估算，则茶园年净初级生产力 (年增量、年枯死量和年采摘量之和)为16 282 kg·hm－2，这一数值基本符合立地条件中上的亚热带木本植物生态系统的净初级生产力水平［7］，因而是基本合理的．

表1 茶树生物质中Al的积累和分配Table 1 Accumulation and distribution of Al in the biomass of tea plant

茶树各器官的Al含量，包括枯枝的Al含量，均按作者关于黄棪各器官Al含量测定的数据［3］，采摘的嫩叶Al含量采用闽东茶区黄棪春季嫩叶Al含量平均值 (248.4 μg·g－1)乘以黄棪四季Al含量与春季Al含量的比值 (1.56［8］)为387.5 μg·g－1，这一数值相当于谢忠雷等测定苏浙皖茶园15日龄嫩叶的 Al含量 (328 ±143 μg·g－1)［9］和陈育峰测定的茶树一芽二叶的 Al含量 (333 μg·g－1)［4］89，这一数值比其他测定的茶树嫩叶Al含量低［10－15］，可以看做相当于优质绿茶原料的Al含量．落叶的Al含量，李海生测定广东8个茶场茶树落叶的Al含量为11 271±332 μg·g－1，为幼叶平均Al含量 (639±232 μg·g－1)的17.64 倍［10］，把17.64 乘以上述嫩叶 Al含量 (387.5 μg·g－1)，则设定的茶园茶树落叶的Al含量为6 835.57 μg·g－1．这一数值与丁瑞兴在江苏茅麓茶场测定的落叶Al含量 (5 986 μg·g－1)［5］相近，应该说是比较合理的．

根据以上茶园茶树各器官的生物量、年增长量与枝、叶、根的年枯落量及其Al含量，估算各器官Al含量的积累总量和年增长量以及枯落枝叶与死根Al的年回归量 (表1)．

1.2 土壤子系统中各形态Al的量和分配

根据茶树伸展的一般深度范围［2］54－55，以土层厚度100 cm，土壤容重1.30 g·cm－3来设定土壤子系统中各形态Al的量及其分配．土体的总重量按13 000 t计．

土壤总Al根据作者对福建三茶园和谢忠雷等对浙、苏、皖、川、渝、滇、湘、鄂等8省 (市)茶园［9，11］共42个土壤剖面0～60 cm土层Al含量测定结果计算，平均为94.16 mg·g－1，则茶园生态系统土壤Al的总库容为1 224 080 kg·hm－2．

茶园土壤各形态Al的比例根据谢忠雷对黄棕壤茶园的测定结果［9］．其中，本研究把KCl浸提的代换性Al，CuCl2浸提的有机络合态Al和NH4OAc提取的无机吸附态Al合称易交换态Al，三者合计占土壤总Al的比例 (1.18%)与李庆康等用Kojiwada＆Tcruo Higachi方法提取的交换性Al、非晶质态Al、游离态Al及有机络合态Al总和占土壤总Al比例［16］处于同一数量级，也与作者用Mehlich3提取的土壤有效态Al占总Al的比例1.44±0.66%近似．土壤总Al扣除上述3种形态的Al及HCl提取的水合氧化物、氢氧化物态的Al和NaOH提取的腐殖质结合态的Al，即土壤总Al的其余部分占总Al的95.28%，可视为土壤中较难交换的原生矿物态和次生矿物态的Al．根据1 hm2100 cm厚土层土壤总量13 000 t及上述各形态Al占总Al的比例，估算土壤固相部分各形态的Al库 (表2)．

表2 茶园生态系统土壤子系统中各形态Al库估算*Table 2 Estimations of Al pools of various forms in the soil of tea garden

腐殖质结合态Al的估算根据谢忠雷等对苏、浙、皖13个茶园土壤NaOH溶液提取的土壤腐殖质结合态Al占土壤总Al的比例为2.38%［9］．这一数值是土壤耕作层和0～60 cm土层共46个土样的平均值，由于土壤上层有机质含量较高，如按上述比例折算0～100 cm土层中腐殖质结合态铝的比例显然偏高，因而首先将其换算为腐殖质中的Al含量．按文献［9］表1计算，46个土层平均有机质含量为33.9 g·kg－1，则土壤有机质中的 Al含量为35 664 μg·g－1(35．664 kg·t－1)．根据土壤有机质含量随土层加深而递减特征，假设60～80 cm和80～100 cm土层有机质含量分别为40～60 cm土层的1/2和1/4，则根据该表估算0～100 cm土层平均有机质含量为21.6 g·kg－1．这一含量可以看作是中上肥沃的茶园土壤0～100 cm土层平均的有机质含量．据此，可设定茶园土壤中腐殖质结合态的 Al总量为10 014.45 kg．

枯枝落叶层Al的现存量估算根据丁瑞兴的实验研究［5］．28年茶园茶树落叶自然分解中Al的年损失率为10.9%;根据李庆康的实验结果的图示为20%左右［16］，故用15%的损失率估算．假设茶园凋落的枯枝落叶在3年内逐步分解，3年内未分解的残留物仍作为枯枝落叶层看待，3年以后基本转化为腐殖质，不再计为枯枝落叶层部分，根据年枯枝落叶回归的总Al量为35.413 6 kg·hm－2(表1)，则枯枝落叶层的总Al量为88.275 kg·hm－2．

土壤溶液中的Al存量:土壤容重1.30 g·cm－3左右的土壤田间持水量一般为25% ～30%，假定茶园有比较充分的供水，平均土壤水分为田间持水量的80%左右，则每公顷100 cm土层内土壤溶液量按2 500 m3计．根据李庆康测定，9年生茶园土壤渗液的Al含量的平均值7.8 mg·L－1［16］，可设定茶园土壤溶液中Al总量为19.25 kg·hm－2．

1.3 茶园生态系统Al传输的估算

水是茶园生态系统Al传输的首要介质．中国茶区年降水量基本在1 200～2 000 mm之间，最适区域为1 500 mm左右［17］，本研究按1 500 mm，即降水量15 000 m3·hm－2·a－1来设定茶园Al的传输．设茶园的径流系数为0.50，茶园腾发量为750 mm，折7 500 m3·hm－2·a－1．有研究认为，茶树的蒸腾比率为300～385，一般要比其他木本植物需水量大［2］341．但实际上C3植物的蒸腾比率，一般认为在500左右，甚至更高［18］．因而本研究设定蒸腾比率为400 g(水)·g－1(干物质)，根据上述茶园净初级生产力16.282 t·hm－2(表1)，则茶园用于茶树生长的净耗水量为6 513 m3·hm－2．假设这一水量80%来自土壤的蓄水，20%来自茶树叶面的截流蒸发，则有1 303 m3由叶面截取蒸发，根系从土壤吸收的水分为5 210 m3．这一数值可视为通过质流把土壤溶液中的Al输向根区自由空间的介质量．其余蒸腾蒸发的量 (7 500 m3－5 210 m3=2 290 m3)则可视为植物叶面截留的降水蒸发和从土壤表面蒸发的水量之和．设茶园的茶叶地面覆盖率为90%，且1 303 m3水由叶面截取蒸发，则15 000 m3的降水中有12 197 m3的降水作为透冠水到达茶园地面，1 500 m3的降水直接到达茶园地面．设占降水50%的径流有一半作为地表径流流出茶园生态系统，则有375 mm降水、折3 750 m3为地表径流，3 750 m3降水穿过土壤根系层作为地下径流流出茶园生态系统．

根据丁瑞兴测定［5］:1)降水的Al含量在测定的检测限以下，可视为0;2)透冠水的Al含量平均为0.52 mg·L－1，此数值可视为通过透冠水从茶树叶中淋出的Al的计算参数，同时也可粗略地作为地表径流从茶园生态系统带出的Al的浓度．当然，地表径流的一部分水是直接到达地表的水，并未穿过茶树树冠，但考虑到这些水必然也会从枯枝落叶层或表土中淋出部分Al，但其量未予测定，只能把全部地表径流的Al含量视为与透冠水一样．据李庆康测定［16］，茶园土壤10 cm、25 cm和50 cm土层处土壤渗液的 Al含量分别为6.4 mg·L－1、8.5 mg·L－1和8.2 mg·L－1．三者的均值7.8 mg·L－1可视为土壤质流的Al含量，50 cm处土壤渗漏水Al含量8.2 mg·L－1可视为地下径流的Al含量．

根据降水在茶园生态系统中的分配及其转化过程中Al含量的变化，可估算茶园生态系统通过水介质而进行的Al传输 (表3)．

表3 茶园生态系统Al的水流传输Table 3 Al transmission by water in tea garden ecosystem

Al传输的第二途径是以落叶、枯枝和死根为介质把Al回归土壤．这部分已在表1中说明，现重新列于表4．

表4 茶树生物质中的Al向土壤的回归Table 4 The return of Al from tea biomass to soil

假定茶树Al的收支是平衡的，则茶树Al的支出与茶树各器官Al的年增量之和应等于Al的摄取量，即从根系自由空间向细根内传输的总Al量．所以，本模型设定:

根据表1和表4，Al从自由空间向根系的转移量为52.30 kg·hm－2·a－1．

根系摄取的Al在向树冠传输过程中应依次扣除各器官每年增加的Al量，因而其传输量逐级减少(表5)．

表5 茶树内部Al的传输/kg·hm－2·a－1Table 5 Al transmission inside tea plant

2 循环特征

根据表1～表5可绘出茶园生态系统Al的生物地球化学循环图(图1)．

从图1和表1～表5可以看出，茶园生态系统Al的生物地球化学循环有如下特征:

图1 茶园生态系统的Al循环示意图Figure 1 A flowchart of Al biogeochemical cycle in tea garden ecosystem

1)系统的Al库可分为3类:惰性库、调节库和活动库．惰性库指土壤结晶与稳晶质矿物中的Al和Al的水合氧化物与氢氧化物中的 Al，总量 1 199 597.90 kg·hm－2，占茶园生态系统总Al库量的97.99%，这一部分Al除了Al的水合氧化物与氢氧化物在酸性条件下可少量溶解于土壤溶液外，只能靠缓慢的风化作用和成土作用转化到调节库中，才能对生态系统Al的循环及茶树的生物吸收起作用;调节库指土壤腐殖质中的Al和由代换性Al、有机络合态Al及无机络合态Al组成的易交换态的Al．这是直接支撑茶园生态系统Al循环的最主要的后备Al库，总贮量24 458.60 kg·hm－2，占总Al量的1.998%，如果把循环系统Al流通的各环节中的最大流量 (82.64 kg·hm－2·a－1，从易交换态Al库向土壤溶液和根系自由空间输送的Al总量)作为总流量看，则调节库库量与年流量之比为289倍，可见其调节能力是极高的;活动库指有机体贮存的Al、枯枝落叶与死根中所贮存的Al，以及土壤溶液中的Al，总量149.13 kg·hm－2，占总Al库的0.012%，活动库与Al的年流量之比为1.76倍，可见这是一个更新速率很快的暂存库，在这个库中，除土壤溶液Al库外，其余部分均由生物的代谢过程所控制，其中茶叶有机体中的Al库由茶树的生理代谢所控制，而枯枝落叶和死根中的Al库，则主要由微生物的分解作用所控制．3个库的容量大致以2个数量级的比例递减，即10 000∶200∶1．

2)Al循环的总流量约为 82.64 kg·hm－2·a－1，包括 51.89 kg·hm－2·a－1的内循环和 33.48 kg·hm－2·a－1的外循环 (其中由地表径流和采摘合计的2.73 kg·hm－2·a－1为内外循环交叉形成的Al流量属重复计算)．这么高的Al循环是其他生态系统所没有的．

外循环流基本上是一个单向的不平衡流．由降水向系统输入的Al极低．丁瑞兴测定的茶园降水Al含量为0［9］;Likens 1963—1974年在美国东北部哈伯德河实验林区进行森林生态系统生物地球化学循环研究10年测得的降水Al含量为痕量［19］;北美、欧洲的降水Al测定值绝大部分都小于50 μg·L－1［20］．因此，降水从外源给系统提供的Al至多也不会超过1 kg·hm－2·a－1，这比茶园生态系统向外输出的Al是少得多的;茶园的灌溉一般不多，因此，通过灌溉的Al输入量也不多;施肥有可能输入一定量的Al，这是需要进一步研究的，但似乎不可能达到每公顷几十公斤的Al量．因此，外循环的收支不平衡必然要消耗易交换态的Al库．这个消耗似乎应靠惰性库在风化过程和其他生物地球化学过程中的逐步释放来补充，这也是需要进一步研究的．外循环的这种强的Al输出流似乎是茶园生态系统的一个重要特征．许多研究表明，茶树根系具有很强的分泌有机酸的能力，以增加被固定的磷酸盐的离解或溶解，解决亚热带酸性土壤磷酸盐活度低的环境中茶树P营养的需求问题，并降低Al离子对植物可能产生的毒害［21－23］，同时也伴随着茶园土壤的酸化 (表6)［5］．由于土壤的酸化和有机酸的增加，必然加强土壤中原生矿物的风化及矿质元素的释放，以及各种形态的可溶、可代换的含Al物质的增加，导致土壤溶液中Al含量的提高和通过地下径流Al的排出［5，16］．

表6 不同种茶年数的茶园土壤pH值对比［5］Table 6 The difference of soil pH in tea gardens at different cultivated age

内循环是在水介质和茶树有机体介质运动的参与下，由茶树对Al的摄取同化作用、枯枝落叶和死根的分解异化作用及土壤固一液相之间矿质元素复杂的化学与物理动力过程实现的．这一内循环过程在量上是近于平衡的，但在Al的依存形态变化的总方向上也是不平衡的，单向的．Al的生物小循环导致有机态Al在茶园生态系统中不断积聚，包括土壤中有机Al的积聚和茶叶活质中Al的积聚．在土壤方面，李庆康、丁瑞兴等对茶园有机Al的富集进行实验研究［5，16］，提出了土壤有机Al富集的示意模型(图2)，认为土壤有机Al主要通过3条途径进行积聚:

图2 茶园土壤有机Al富集示意图［16］Figure 2 The accumulation of organic Al in tea garden

a)茶树的凋落物和残根，每年凋落物量可达4 600 kg·hm－2，凋落物富含Al和单宁类有机物，进入土壤后缓慢分解．而Al的淋失速率低于有机质的分解速率，使枯枝落叶分解过程中Al在分解的残余物中不断积聚，残余物中Al含量不断提高．丁瑞兴通过茶树枯枝落叶自然分解试验发现，28年茶园和80年茶园的茶树落叶分解一年的分解率分别为26.7%和37.7%，茶叶中K、Mg、Ca、F的淋失率在50%左右，Al的损失率分别为10%和近于0，从而使28年茶园落叶残留物的Al含量从0.84%增加到1.15%，80年茶园落叶残留物的Al含量从0.68%增加到0.99%．显然，其结果是使由茶树枯枝落叶腐解发育的土壤腐殖质Al含量远高于茶树叶的Al含量水平．在茶树枯枝落叶的分解过程中，有一定水溶性单宁类有机物的释放．在土壤溶液中单宁类有机物含量达5～5 000 mg·L－1．这些水溶性有机物会与土壤中游离态的Al，或与水合氧化物态或羟基结合态的Al络合，形成有机络合态Al;

b)茶树的根系向土壤分泌大量的有机酸，包括苹果酸、柠檬酸、草酸等．李庆康、丁瑞兴等也发现茶园土壤溶液中有机酸的比例很高［5，16］．这些有机酸将会与土壤中的无机结合态Al形成Al的有机络合物;

c)透冠水从茶树树冠叶中淋下相当量的Al和有机酸，二者可能本身就已结合为有机态的Al，或这些有机酸进入土壤后与Al结合成Al的有机络合物．茶园土壤对有机络合态的Al有很强的吸附能力，李庆康等用单宁酸和氯化铝制成10－6M混合液进行茶园土壤对Al和单宁酸的吸附试验［16］，结果表明，土壤对Al和单宁的吸附率多在80%以上 (表7)．正是由于以上3种途径在土壤中不断地形成有机态Al，加上土壤黏粒对有机态Al强的吸持能力，使得随着茶树种植年数的增加，土壤中有机Al含量不断增加，从而使茶园生态系统Al的内循环中部分无机结合态的Al向有机结合态Al方向的转化 (图2)．

表7 茶园土壤对Al和单宁的吸附量［16］Table 7 Absorptions of tea garden soils to Al and Tannins

3)茶园生态系统Al库的周转率就总库而言是慢的，但就活动库和调节库而言则是非常快的．如上所述，Al循环的流通量为82.64 kg·hm－2·a－1，仅占总库的6.7×10－5．但相对于直接支撑循环的调节库和活动库而言，Al的年循环速率是很快的，从而使其年更新率分别达0.34%和55.48%．值得注意的是，调节库和活动库都是由多个子库组成的，这些子库之间主要呈串联关系，组成Al传输的一个个相连接的环节，因而，对于每一个子库而言，其周转率更快，每一个子库与总Al流之间均存在输入—库存—输出的关系，存在着库更新的问题．这些子库库容大小不一，各库的输入输出机制不尽相同，使得每一环节都成为控制Al循环的因素．根据各个环节Al循环特征及其对Al循环流的影响，茶园Al循环的速率主要取决于以下4个因素:

a)茶园的水文气象环境;

b)茶树对Al的摄取能力及其直接影响因素;

c)残落有机体的分解速率及Al的释放速率;

d)土壤固液相间Al的吸附—解吸平衡，其平衡常数、速率及其影响因素．

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The Biogeochemical Cycle of Al in Tea Garden Ecosystem

ZHENG Da-xian，SHA Ji-qin
(Institute of Geography，Fujian Normal University，350007，Fuzhou，China)

Based on the data from recent researches，the rates of pool，flow and turnover of Al in the subsystems of tea garden ecosystem were analyzed，and a model on the biogeochemical cycle of Al in the ecosystem was conceptualized．Results indicated that the capacity proportion of the inert pool，regulate pool and active pool of Al in the ecosystems was 10 000∶200∶1．As prominent characteristics，the biogeochemical cycle of Al in tea garden ecosystem is especially larger and rapider than in other ecosystems．The flows of in-and-out cycle of Al are of great quantity，which amount to 51.89 kg．hm－2·a－1and 33.48 kg·hm－2·a－1，respectively．And the turnover rate of Al in the regulate pool and active pool are both rapid，leading to a fast yearly replacement rate of Al in the regulate pool(0.34%)and the active pool(55.48%)．Such biogeochemical cycle of Al would lead to the acceleration of acidification in the soils，to the transformation of Al from inorganic compound form into organic compound form，and to the continuous accumulation of Al in organic compound form in tea garden．

tea garden;ecosystem;aluminum;biogeochemical cycle

X836

A

1673-7105(2011)02-0001-09

2011-05-18

国家自然科学基金 (No.41001064)

郑达贤 (1941—)，男，福建惠安人，教授，主要从事自然地理研究，(E-mail)dxzheng@fjnu.edu.cn．