合成氮肥对中国茶园土壤养分供应和活性氮流失的影响*

乔春连 布仁巴音

（1 信阳师范学院大别山生物农业资源开发与利用研究院，河南信阳 464000）

（2 河南大学河南省全球变化生态学国际联合实验室，河南开封 475004）

（3 信阳师范学院分析测试中心，河南信阳 464000）

茶（Camellia sinensisL.Kuntze）作为全球最重要的健康饮品之一，广泛种植于热带和亚热带地区，尤其是东亚和南亚等发展中国家，具有重要的社会、经济和文化价值［1］。我国的茶种植历史悠久，作为世界第一产茶大国，至2013年种植面积已达2.58×106hm2，产量达1.92×106t，分别占世界总量的47%和35%［2］。茶树为多年生喜铵植物，因采摘用叶使茶树组织中氮素消耗很大，为高需氮植物。茶园施氮量通常在N450～1200 kg hm-2a-1［3-5］。随着工业合成氮肥施用量的上升，土壤微生物的硝化反应加速，以淋溶和气态含氮化合物形式流失的活性氮上升，在很大程度上干扰了氮的生物地球化学循环，引发全球水体、大气和土壤方面一系列严重的环境问题［6-8］。我国约66%的N2O排放是由农田氮肥施用引起的，造成了全国62%的淡水区域产生严重富营养化［9-10］，使密集农业区大气氮沉降高达89～104 kg hm-2a-1［11］，这进一步导致了土壤严重酸化和土壤中钙镁等营养元素的大量流失。

尽管施用氮肥可显著提高茶叶产量［12-14］，但由于茶树多生长于高热高湿、透水性良好的酸性土壤，大量施用合成氮肥可能导致土壤pH进一步降低［15-16］。我国南方植茶区生长季降水频率高且降水量大，土壤酸化及养分流失，影响茶树根系的生长及土壤微生物的活性［17］。福建茶园土柱淋滤实验显示，随着氮肥施用量的增加，土壤铵态氮和硝态氮的淋溶量均显著上升［16］。据估算，中国的茶园生态系统N2O排放约占世界茶园N2O排量的85%［18］，且随着茶树树龄的增加，土壤酸化逐渐加剧，使N2O排放也呈显著的上升趋势［19，4-5］，导致茶园生态环境的持续恶化。我国南方茶树种植区域广，氮肥施用剂量高，目前就合成氮肥对茶园生态系统的影响仍缺乏准确的认识。因此，本研究搜集茶园模拟合成氮肥实验，开展整合分析（Meta-analysis），旨在量化和评估合成氮肥对不同茶树建植的茶园土壤养分供应和活性氮流失的影响，为我国茶园氮肥的科学管理和生态环境的可持续发展提供初步的理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究在Web of Sciences（2004—2016）、谷歌学术、中国知网上搜集公开发表的中国茶园开展的模拟合成氮肥施用的研究论文。研究必须满足以下条件：（1）基于茶园生态系统开展的，遵循茶园常规管理，（2）至少有两个氮肥施用剂量，（3）相关的指标在研究中有准确的测定。对满足条件的研究数据进行提取，共评估了合成氮肥对15个相关指标的影响：（1）土壤基本情况：土壤pH、土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）；（2）土壤速效养分供应：总无机氮（DIN）、有效磷浓度、K+、Ca2+、Mg2+、Al3+浓度；（3）活性氮的流失：N2O 排放、DIN淋溶、淋溶和淋溶。对于文献中以图片形式呈现的数据使用Engauge Digitizer（Free Software Foundation，Inc.，Boston，MA，USA）软件进行数字化处理，并尽量按照同一标准降低人工处理过程中造成数据的误差。

1.2 整合分析

通过搜集2004—2016年间的17篇关于我国茶园氮肥施用影响茶园土壤养分供应和活性氮流失的文献，获取到246条数据记录。对于土壤养分，有效磷和K＋浓度等用茶树每个茶季的平均值表示。对于有较大季节变化的变量，如淋溶、淋溶和DIN的淋溶及N2O的排放等指标，用整个茶季的累计值来表示。由于整合分析模型要求数据的独立性，如研究中包含同一地点的多个茶季的数据，提取最后一个茶季的数据进行整合分析［20］。如果同一个实验中设有不同氮肥类型或施氮水平，视为独立观测值处理。

响应比（Response Ratio，RR）用来衡量施用氮肥对评估变量的效应［21］。每个变量响应比的自然对数用以下公式计算：lnRR=ln（XT/XC），其中，XC为对照均值（未施用氮肥组），XT为处理组均值。本研究采用重取样方法、95%的置信区间来估算响应比的均值。响应比的 95%置信区间（95%CI）与1没有交叠表明变量有显著的正效应或负效应，变量间95% CI无交叠表明差异显著，反之则认为变量间不存在显著差异。

2 结果与讨论

2.1 土壤pH、有机碳及全氮的变化

当酸性土壤的pH低于5.5，将制约农业生态系统的生产力［22］。而作为一种耐酸植物，茶树的最适生长pH范围是5.0～5.6［23］。已搜集到的茶园数据显示对照组土壤平均pH为 4.86，低于茶树生长的最适pH范围，合成氮肥使茶园pH约降低了0.20（-0.27～-0.15），加剧了茶园土壤的酸性。对于种植绿茶、红茶和乌龙茶树种的3种土壤，合成氮肥均使pH显著降低（表1），且茶树种间无显著差异（p＞0.05，表1）。茶园土壤的酸化与土壤交换性铝与铝络合物的增加以及土壤盐基的淋溶密切相关［24］。以往研究表明，土壤硝化反应的加速，是由于H+作为中间产物大量产生，导致土壤酸化［25］；另一方面大量的淋失导致盐基离子的流失，使土壤缓冲系统中的H+进一步释放出来［23-26］。

合成氮肥施用对土壤有机碳含量无显著影响（图1）。对于种植不同茶树类型的土壤，合成氮肥使种植绿茶的土壤中有机碳显著升高了15%（7%～24%，表1），而对乌龙茶茶园土壤有机碳影响不显著（表1）。合成氮肥施用情况下，土壤全氮含量显著升高了18%（10%～27%，图1）。尽管合成氮肥施用引起的土壤酸化在一定程度上抑制茶树的生长，影响茶园生态系统的健康发展［27］，本研究结果可见，茶树产量的升高主要是由土壤中氮供应量的上升决定的。由于已有研究文献数据量的限制，本研究尚无法评估种植不同类型茶树的土壤全氮的响应差异。

2.2 土壤养分供应的变化

土壤中磷和钾元素也是茶树正常生长的关键元素［27］。已有研究显示，施用氮肥可能加剧土壤中磷和钾元素的匮乏［28-29］。而本研究显示，施用合成氮肥总体上对土壤有效磷和K+的供应没有显著影响（图1）。土壤Ca2+和Mg2+浓度分别降低了23%（-30%～-16%）和37%（-48%～-24%），Al3+浓度升高了54%（38%～69%）（图1）。钙镁不仅是植物生长的必须元素，Ca2+和Mg2+也是重要的缓冲离子。在高氮输入情况下，随着土壤的酸化，大量H+将Ca2+和Mg2+置换出来，两者随着的淋溶而大量流失［24］。氮肥添加导致的Ca2+和Mg2+浓度显著降低将直接影响土壤缓冲能力，加剧土壤pH的降低（图1）。土壤中Al3+对植物的毒性和生长抑制作用已被广泛证明［30-31］，外源氮肥添加使茶园土壤Al3+大量累积可能抑制茶树的生长，阻碍茶叶产量的形成。

2.3 土壤活性氮的流失

随着氮肥施用量的上升，土壤微生物的硝化和反硝化反应加剧，土壤中活性氮气体污染物和水溶性无机氮淋溶量上升［32］，导致我国农业生态系统中大量活性氮以含氮污染物形式流失［11］。合成氮肥被认为是N2O排放的主要的贡献源［33-34］。本研究结果显示，合成氮肥使我国茶园土壤活性氮流失显著升高，其中N2O排放平均上升292%（140%～575%）。有研究发现，有外源氮添加的茶园生态系统中土壤硝化反应是N2O的主要来源，土壤酸化程度控制着土壤N2O 排放速率［19］。15N示踪实验显示，当林地转化为茶园后，土壤微生物的硝化过程加速，而微生物对硝态氮的固持显著降低，导致低铵高硝的土壤环境，不利于茶树的生长［35］。在施氮情况下，茶园土壤的进一步酸化将加剧N2O的排放［19］。由于N2O较高的全球增温潜能［36］，持续增加N2O的排放将极大程度地加快区域甚至全球尺度的气候变暖。

氮肥施用使我国茶园土壤DIN淋溶总体上升高了127%（55%～206%）、淋溶升高了422%（280%～617%）、淋溶升高了92%（31%～161%）（图2）。淡水及饮用水资源的硝态氮污染已成为全球共同关注和面临的环境问题之一［34，37］。土壤具有较强的移动性，是农田系统土壤无机氮淋溶液的主要成分［38］。已有研究表明，茶园中土壤的淋溶量随氮肥施用量的升高而增加，淋溶量约占到系统氮流失量70%～90%［19］，活性氮的流失将导致毗邻系统和地表地下水的污染，危机饮用水资源和水体物种多样性的安全。本研究中土壤和数据量的限制可能会降低其结果的可靠性。因此，当前我国茶园生态学研究应加强氮循环和氮肥施用引起的环境效应方面的机理和应用研究。

3 结 论

本研究通过利用整合分析方法对文献数据进行系统的分析，量化和评估了合成氮肥对不同茶树的茶园土壤养分供应和活性氮流失的影响，为我国茶园氮肥的科学管理和生态环境的可持续发展提供了理论依据。研究结果表明，施用合成氮肥总体上加剧了我国茶园土壤的酸化，显著提高了土壤全氮及速效氮的供应，对土壤有机碳、速效磷和钾离子浓度无影响，使土壤钙镁等金属阳离子大量流失，毒性铝离子富集。同时，合成氮肥施用还导致以N2O和淋溶流失的活性氮量显著上升，对大气和淡水系统造成负面影响。未来有必要在我国茶园生态系统开展长期的野外原位实验，进一步探究合成氮肥施用产生的长远影响及潜在机制。

致 谢 对本文数据库涉及的文献作者表示由衷的感谢！

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