安溪县山地茶园土壤化学计量特征在不同空间的变化

刘岑薇，张 燕，辛思洁，陈锦辉，杨 庆，王义祥

(1.福建省农业科学院 农业生态研究所，福建 福州 350003；2.福建省环境监测中心站，福建 福州 350003； 3.福建农林大学，福建 福州 350002)

福建是我国茶叶生产的主要省份，全省共有茶园面积17.33万hm2，占全国茶园总面积的10.5%，居全国第2位[1]。近年来福建省各地区开垦坡地种茶力度不断加大，当地农民多进行高坡度开垦，将茶园开到顶、“四面光”的现象屡见不鲜，全省茶园(特别是新开垦茶园)水土流失比较严重。安溪县是福建水土流失最严重的区域之一，据统计，截至2012年底安溪县水土流失面积有690.3 km2[2]。这不仅导致生态环境破坏，而且直接影响和制约茶产业的可持续发展。目前对于茶园水土流失的研究多集中在山地茶园水土流失特征、成因和防治措施上，且多利用传统观测手段，例如径流小区观测法[3]等，较少从侵蚀泥沙的源头研究，对水土保持措施在不同条件下的影响与效果缺少定量、准确、快速的描述和评价。碳(C)、氮(N)、磷(P)是地球上所有生命化学组成的基础，目前生态化学计量学的研究更多是在探究C、N、P元素的比例关系[4]，这在生物地球化学循环的研究中具有重要意义[5]。由于N、P元素在化学循环中的特殊性，因此在陆地生态系统中通常是限制性元素[6]，而不同土地利用类型及人为作用(例如施肥和耕地)对土壤N或P的环境影响强烈，使得土壤中的C、N、P总量变化很大，造成土壤C∶N∶P的空间变异性较大[7]。利用生态化学计量学方法，能更好地在元素水平上统一不同研究区域的生物学研究[8]。

本研究结合生态化学计量学方法，研究不同海拔梯度下已治理与未治理茶园土壤的N、P化学计量特征，探讨不同治理条件下茶园土壤N、P在空间上的变化，以期为进一步研究小流域泥沙来源提供快捷便利的方法，为快速评价水土保持措施效益提供新的思路及理论依据。

1 研究区概况

研究区位于福建省安溪县西北部的感德镇槐植村(北纬25°18′，东经117°51′)，该地属于亚热带季风性气候，年均气温18.5 ℃，年均降水量1 600 mm，降水季节分配不均，每年的3—6月份为梅雨季节，7—9月份受台风影响大暴雨次数增多。年均日照时数1 907.6 h，无霜期350～365 d，气候温和湿润，大多数地区海拔500～600 m，适宜茶树生长。

2 研究材料与方法

2.1 样品采集

野外试验地选在感德镇双岐溪支毛沟，采样点选在支毛沟南北两侧的茶山上，茶山山顶海拔平均为600 m，山脚海拔平均为300 m。支毛沟南侧的茶园未采取良好的水土保持措施，仅修了水平梯田，田面宽<1 m，梯台清耕，记为未治理茶园(A)；支毛沟北侧的茶园采取了良好的水土保持措施，修了反坡梯田，田面宽<1 m，梯面边缘种植黄花菜、豆科植物，梯壁种草，修山地水利设施等，记为已治理茶园(B)。根据该区域地形情况，各选取3座坡度、海拔大体相似的茶山，分别处于支毛沟上、中、下游的位置，依次标记为未治理A1、A2、A3和已治理B1、B2、B3。根据地形、坡长等因素，从山顶到山脚垂直方向每隔100 m取1次表层土样(0～5 cm)，用环刀法采集3个样品混合制备成1个样品待分析，具体的采样点信息见表1。

表1 采样点信息

2.2 研究方法

将土壤样品自然风干，所有样品过2 mm筛，分析前再将样品过0.25 mm筛，分析全氮(TN)、全磷(TP)含量。TN含量测定采用半微量凯氏定氮法[9]，TP含量测定采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法[9]。每个指标重复测定3次，结果取平均值。利用Minitab 17统计分析软件对测定数据进行处理。

3 结果与分析

3.1 不同高程下已治理与未治理茶园土壤的TN、TP含量

不同高程下土壤TN含量见图1。未治理茶园土壤TN含量在600、500、400、300 m高程处分别为1.51、1.44、1.24、1.15 g/kg，已治理茶园土壤TN含量在600、500、400、300 m高程处分别为2.35、1.88、1.39、1.24 g/kg，均呈现出随着高程降低而减少的趋势，且已治理茶园均高于未治理茶园。分析结果表明，未治理茶园土壤TN含量在不同高程间无显著差异(p>0.05)，已治理茶园土壤TN含量除在400与300 m之间无显著差异外，其余高程之间差异显著(p<0.05)。在600 m高程处已治理茶园土壤TN含量比未治理茶园高57%，在最低高程(300 m)处已治理茶园土壤TN含量仅比未治理茶园高7.8%。这可能是因为在茶山低处，人类活动较为频繁，对茶山地表植被的破坏和土壤扰动都高于山顶处，生产活动后疏松土壤受到台风、暴雨等影响，造成严重的水土流失和养分流失。

图1 不同高程下茶园土壤TN含量

图2为不同高程下茶园土壤TP含量。未治理茶园土壤TP含量在600、500、400、300 m高程处分别为0.62、0.41、0.38、0.35 g/kg，呈现出随高程降低而减少的趋势，且600 m高程处显著高于300 m高程处(p<0.05)。已治理茶园土壤TP含量的变化趋势则与未治理茶园相反，随着高程降低呈增加趋势，且600 m高程处显著低于300 m高程处(p<0.05)。在600 m高程处，已治理茶园土壤TP含量比未治理茶园低37.1%，而在茶园高程最低处(300 m)，已治理茶园土壤TP含量比未治理茶园高1.4倍。

图2 不同高程下茶园土壤TP含量

3.2 不同水平位置未治理与已治理茶园土壤的N、P含量

由图3可知，从支毛沟的上游到下游，未治理茶园土壤TN含量呈增加趋势，而已治理茶园总体呈降低趋势。这可能是由于未治理茶园没有布设合理的水土保持措施，导致水土流失严重，土壤中的N随土壤与地表径流而发生流失。从未治理茶园土壤TN含量变化趋势来看，A2(中游)与A1(上游)、A3(下游)茶园土壤的TN含量差异不显著(p>0.05)，但A1显著低于A3茶园土壤的TN含量(p<0.05)。从已治理茶园土壤TN含量变化趋势可知，B1(上游)显著高于B2(中游)、B3(下游)茶园土壤的TN含量(p<0.05)，但B2、B3间差异不显著(p>0.05)。从总体来看，未治理茶园土壤的TN平均含量低于已治理茶园，这可能是由于已治理茶园采取了梯壁种草等水土保持措施，增加了植被覆盖，能够有效拦蓄地表径流，减少土壤养分流失，而且地表枯枝落叶分解的氮素能够进入土壤，使得已治理茶园的土壤TN高于未治理茶园。

图3 不同水平位置未治理与已治理茶园土壤的TN含量

由图4可见，在不同水平位置，未治理茶园A1、A2、A3土壤中TP含量无显著差异(p>0.05)；已治理茶园B1与B3土壤中TP含量有显著差异(p<0.05)，中游的B2与B1、B3无显著差异。P元素是沉积型循环，在空间上可能表现出无固定趋势。从总体来看，已治理茶园(B)土壤中TP平均含量为0.63 g/kg，比未治理茶园(A)土壤中TP平均含量0.44 g/kg高43.2%，说明反坡梯田的治理方式对土壤P的积累有促进作用，且梯壁种草对土壤有固持作用。未治理茶园因无序开垦且多处在陡峭山坡，受地形限制茶树种植分散，不利于蓄水截流，极易受到台风、暴雨的影响，导致土壤肥力大量流失，使得土壤中P含量降低。

图4 不同水平位置未治理与已治理茶园土壤的TP含量

3.3 不同高程下土壤的N∶P化学计量特征

从图5看，未治理茶园土壤N∶P随高程降低变化规律不明显，且相互间差异不显著(p>0.05)；已治理茶园土壤N∶P随着高程降低而减小， 各高程间差异显著(p<0.05)。在600和500 m高程处，已治理茶园土壤N∶P大于未治理茶园，而在400和300 m处，已治理茶园土壤N∶P小于未治理茶园。统计分析表明，不同高程对治理茶园土壤N∶P有显著的影响。

图5 不同高程下茶园土壤的N∶P

3.4 不同水平位置茶园土壤的N∶P化学计量特征

从图6可知，在不同水平位置，未治理茶园的土壤N∶P与已治理茶园均有显著差异(p<0.05)。位于支毛沟上游的茶园土壤中，未治理茶园A1的土壤N∶P为2.4，显著低于已治理茶园B1的3.3(p<0.05)；位于支毛沟中、下游的茶园土壤中，未治理茶园A2、A3的土壤N∶P分别为3.3、3.5，显著高于已治理茶园B2、B3的1.9、1.8(p<0.05)。已治理茶园土壤的N∶P从上游到下游随水流方向呈显著减少趋势，而未治理茶园土壤的N∶P则相反，呈显著增加趋势。

图6 不同水平位置茶园土壤N∶P化学计量特征

4 讨 论

随海拔梯度的变化，植物的多样性呈现出梯度变化，土壤作为植物生长的基质，其养分特征也具有空间和时间上的差异[10]。李林源[11]对福建三明仙人谷不同海拔梯度下土壤C、N、P含量特征的研究结果表明，随海拔增加土壤C、N含量呈减少趋势，在海拔600 m处最小，土壤P含量无显著梯度变化。而杨淑贞等[12]对浙江天目山不同海拔梯度下树林土壤理化性质进行的研究结果表明，土壤TN、TP含量随海拔变化没有固定的变化趋势，但随着土壤深度增加TN含量呈降低趋势，TP含量表层土壤高于底层。各地研究结果不同，可能与生态系统的多样性、复杂性及环境空间性有关。

本研究中未治理茶园土壤TN、TP含量大致呈现出随海拔降低而减少的趋势，在300 m高程处最低，这可能是由于低海拔地区人类活动更为频繁，且没有采取适宜的水土保持措施，不利于养分的积累。已治理茶园土壤TN含量随海拔降低呈现减少趋势，TP含量则与之相反。已治理茶园修反坡梯田，梯面种植黄花菜、豆科植物等，有较多植物覆盖，土壤氮素可来源于生物固氮和随降水进入土壤中的氮[13]，且在600 m高程处人为活动较少，故土壤TN含量随海拔降低而减少；已治理茶园土壤TP含量的变化可能与不同海拔降水量和温度的差异有关。

土壤养分含量会受不同海拔梯度下的地形、气候及生物因素相互作用的影响[14]。有研究表明，土壤总氮含量与植被覆盖度呈正相关关系[15]。未治理茶园仅修水平梯田，梯台清耕，缺少植被覆盖，加上南方茶园土壤大多为粗晶粒花岗岩风化发育而成的酸性红壤，结构松散，保水能力差，同时小流域地貌多山地丘陵，茶园多为陡坡开垦，流域内大强度的集中降水冲刷能力较强，因此造成该地区较严重的水土流失。N、P含量及N∶P可以作为评价土壤养分状况的指标之一。根据KOERSELMAN et al.[16]的研究，土壤中N∶P小于14，表示该生态系统受到N的限制。土壤N含量来源于凋落物归还、大气沉降及固氮植物，因此已治理茶园与未治理茶园N∶P值产生差异的原因可能在于地表植被的差异。在不同水平位置，不同茶园之间土壤养分差异较大，茶树自身物质循环和根系代谢会引起茶园酸化，导致土壤N∶P对空间差异的响应较大。由于茶园治理条件不同，未治理茶园水土流失严重，表土不断受到冲蚀，大量黏粒和养分随表土的流失而损失，因此造成了已治理茶园与未治理茶园土壤养分的差异和化学计量比的差异。

5 结 论

我国地形条件复杂，山地茶园水土流失比例较大，虽然各地都对不同水土保持措施的减水减沙效益开展了大量研究工作，但是由于不同研究采用的观测小区不同，使得最终结果难以进行比较。本研究运用生态化学计量学，可以更好地在元素水平上统一不同生态系统、不同生长群落和不同研究区域的研究结果。研究结果表明，福建省山地不同海拔梯度的茶园土壤N∶P差异显著，且已治理与未治理茶园土壤的N、P含量有显著差异；在同一海拔梯度内，不同地理位置的山地茶园土壤的化学计量比也有显著差异。通过全面评价不同海拔梯度与不同水平位置下茶园土壤的养分状况，为布设更加适应该区域茶园开发的水土保持措施提供了科学依据。

[1] 陈文祥,游文芝,陈明华,等.福建省茶园水土流失现状及防治对策[J].亚热带水土保持,2006,18(4):22-25．

[2] 汪水前.福建省安溪县水土流失动态监测变化分析及防治建议[J].亚热带水土保持,2014,26(2):35-38.

[3] 陈小英,查轩,陈世发.山地茶园水土流失及生态调控措施研究[J].水土保持研究,2009,16(1):51-58.

[4] 曾德慧,陈广生.生态化学计量学：复杂生命系统奥秘的探索[J].植物生态学报,2005,29(6):1007-1019.

[5] 王绍强,于贵瑞.生态系统碳氮磷元素的生态化学计量特征[J].生态学报,2008,28(8):3937-3947.

[6] 贺金生,韩兴国.生态化学计量学:探索从个体到生态系统的统一化理论[J].植物生态学报,2010,34(1):2-6.

[7] 曾冬萍,蒋利玲,曾从盛,等.生态化学计量学特征及其应用研究进展[J].生态学报,2013,33(18):5484-5492.

[8] 郭匿春,马友华,张震.农田面源流失C、N、P元素的生态化学计量与生态拦截沟渠工程[J].现代农业科技,2015(17):234-236,241.

[9] 鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京:中国农业科技出版社,2000:146-150,166-169.

[10] 张广帅,邓浩君,杜锟,等.泥石流频发区山地不同海拔土壤化学计量特征——以云南省小江流域为例[J].生态学报,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].南昌工程学院学报,2014,33(4):28-31.

[12] 杨淑贞,马原,蒋平，等.浙江西天目山土壤理化性质的海拔梯度格局[J].华东师范大学学报(自然科学版),2009,11(6):101-107.

[13] 杨林章,周小平,王建国,等.用于农田非点源污染控制的生态拦截型沟渠系统及其效果[J].生态学杂志,2005,24(11):1371-1374.

[14] 李相楹,张维勇,刘峰,等.不同海拔高度下梵净山土壤碳、氮、磷分布特征[J].水土保持研究,2016,23(3):19-24.

[15] 胡宗达,刘世荣,史作民.川滇高山栎林土壤氮素和微生物量碳氮随海拔变化的特征[J].林业科学研究,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.