气候变化对茶园土壤质量和茶树营养元素含量的影响

李强，韩文炎，李鑫，颜鹏，张丽平，张兰，付建玉

中国农业科学院茶叶研究所，310008

气候变化最显著的特征是大气温度和CO2浓度的升高，及其伴随而来的诸如高温干旱、低温冻害和暴雨等极端天气的日益增多。自工业革命以来，全球平均气温（包括陆地和海洋）升高了0.87℃，其中陆地升高了1.53℃，据统计，近50年来，海口、昆明、杭州和济南4 市平均气温升高了1.3℃[1]。大气平均CO2质量浓度目前是393.1 mg/L，比工业化前提高了41%。据政府间气候变化专门委员会（IPCC）预测，到本世纪末，全球平均气温预计将上升3.5 ～5.0℃，最乐观的情况也会增高2℃；大气CO2浓度则取决于各国的减排努力，超过450 mg/L 是几乎可以肯定的[2]。气候变化对茶园土壤及施肥会产生什么影响？如何采取必要的应对措施？本文就这些问题谈谈看法。

一、对土壤有机质的影响

土壤有机质是土壤中最重要的成分，它对改善土壤物理性质、促进微生物活性起关键作用，而且在微生物的作用下，通过矿化供应养分，是植物N、P和S养分的重要来源。因此，土壤有机质的高低直接关系到土壤的结构、通气、渗透、吸附、缓冲和保肥性能，是衡量土壤质量高低最重要的指标。土壤有机质含量取决于土壤有机碳输入量和输出量的平衡，这是一个不断累积和分解的动态变化过程。输入量包括有机肥、茶树及其他植物枯枝落叶、修剪枝叶、根系和动物残体及分泌物等；输出量包括土壤和根系呼吸、含碳有机物的分解和化学氧化等。

气候变化一方面影响植物生长，改变植物凋落物和根系进入到土壤中的数量从而影响有机质的增加量；另一方面影响微生物的生存条件和活性，进而改变外源有机物和土壤有机质的分解速率。气候变化导致的气温升高会加速土壤有机质的分解，不仅减少土壤有机质的含量，而且排放更多的CO2，从而加速气候变化，导致恶性循环。研究表明，茶园土壤CO2排放速率主要取决于土壤温度，茶园土壤呼吸的温度敏感系数Q10在1.86 ～1.98之间，即温度提高10℃，土壤CO2排放速率可提高1.86 ～1.98 倍，一般夏天的土壤呼吸速率是冬天的3 ～4倍[3-4]；但是如果茶树种植年份较长，土壤有机质也较为稳定，如100年生的茶园土壤Q10可降至1.64，与森林土壤相仿[5]；土壤有机质含量也表现为随着茶树种植时间的延长而提高[6]。另外，一年生作物改成茶树等多年生作物后，表层土壤有机质含量有所提高，但提高的幅度与温度呈反比，即温度越高有机质的提高幅度越小[7]。降水的变化，特别是长期干旱和暴雨等极端天气不仅会导致水土流失，促进土壤有机质的矿化，而且影响茶树及茶园生态系统中其他植物的生长，降低光合作用强度和生长速率，从而减少茶树修剪枝叶和枯枝落叶进入土壤的数量，导致土壤质量进一步恶化[8-9]。

但是大气CO2浓度的升高会促进茶树的光合作用，使茶树生物量增加，从而有利于提高土壤有机碳的归还量。如当大气CO2质量浓度从目前约400 mg/L增加到800 mg/L时，茶树叶片的净光合速率提高87.9%～142.0%，茶树树高增加13.5%，茶树地上部枝叶和根系分别增加24.7%和67.8%[10]。但茶树对CO2浓度升高的反应也会随着处理时间的延长逐渐钝化，从而降低其对茶树生长的促进作用[10-11]。最新的研究还表明，CO2浓度的升高可能会加速土壤固有有机质的氧化分解，从而导致土壤有机质的积累并不明显[12]。

总的来说，气候变化会降低茶园生产力，使茶树凋落物回归土壤的数量减少，而有机质的分解加快，不利于土壤有机质的积累和提高。因此，在当前气候变化逐渐加剧的过程中，如何避免土壤有机质的快速减少甚至适当提高其含量是气候变化影响下需解决的重要课题。

二、对土壤养分的影响

土壤养分含量的高低取决于土壤本身养分的贮量，以及外源肥料的输入。其中土壤本身贮藏的养分包括土壤有机质和有机物包含的有机态养分、土壤矿物质中的矿质态养分，这两部分又称土壤缓效养分，以及土壤溶液中能被植物直接吸收的速效养分。外源肥料也由这几部分组成，有机肥主要含有机态养分，矿质肥料如磷矿粉含矿质态养分，极大多数化肥则是速效养分。土壤中的氮和硫极大多数呈有机态，钾和镁以矿物态为主，而磷则是有机态和矿物态共存。土壤中的缓效态养分必须经过化学或生物化学作用逐步转化成速效态养分后才能被植物吸收利用。土壤缓效态养分的转化和速效态养分的运移主要受到土壤温度和水分的影响。气候变化导致的温度升高，会加速土壤有机物和有机质的分解速度，如土壤呼吸速率与温度呈极显著正相关[3-5]。这一方面增大土壤养分的转化速率，有利于促进植物对养分的吸收，但另一方面也会缩短养分的持续时间；而降水模式的改变，特别是暴雨频次和强度的增加，会显著增加土壤养分的地面径流和淋溶损失[8]。气候变化还会导致土壤微生物活性、群落和功能的变化，从而影响土壤养分的转化。如CO2浓度升高能增加根际分泌物和有机沉积物，为土壤微生物生长提供更多的能源和碳源，从而促进其活性。但对不同微生物的响应有明显差异，如CO2升高增加真菌群落的丰度，但对细菌影响较小，从而提高土壤真菌/细菌的比值[13]；大气CO2浓度和温度升高还会在一定程度上增加氨氧化古菌的数量，而减少氨氧化细菌和反硝化细菌的数量[14]。茶园土壤由于酸性较强，土壤中的真菌和氨氧化古菌相对较多，显然这会影响土壤硝化和反硝化速率，从而影响茶园土壤氮素的有效性[15]。

三、对茶树体内矿质养分的影响

由于气候变化导致土壤质量和有效养分的改变，从而对植物体内营养元素的含量产生明显影响。植物所需的必需营养元素共有17种，包括碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、硫（S）、铁（Fe）、锰（Mn）、铜（Cu）、锌（Zn）、硼（B）、钼（Mo）、氯（Cl）和镍（Ni）等，除C、H、O从空气和水中吸收外，其余元素大都从土壤中吸收。随着大气中CO2浓度的升高，植物光合作用吸收C元素的能力明显增强，但对其他元素的吸收变化不大甚至有所减少，从而导致植物体内的养分失衡。据Loladze 等[16]对全球包括7 000 多项实验和130 多种C3 作物或品种的数据分析表明，大气中CO2浓度升高后（实验处理平均CO2质量浓度为699 mg/L，对照为364 mg/L），除了植物体内的C含量显著提高外（提高2.6% ～10.4%，平均6%），其他元素包括N、P、K、Ca、Mg、S、Na、Fe、Mn、Cu、Zn 等25 种营养元素在植物体内的含量均有明显下降，其中N 的下降幅度最大，为13.1%～17.8%，平均降幅15.0%，其次为Fe、Mg、P、Zn、S和Cu等元素，平均降幅8%～10%。植物体内C和N含量的变化，导致植物非结构性碳水化合物如淀粉和糖的含量明显提高，而蛋白质和氨基酸含量降低；另外，植物体内的元素比例如C/N、C/P和C/S比均显著提高。与C3植物相比，C4植物矿质元素含量也明显降低，但降幅小一些。茶树是典型的C3植物，已有初步试验表明，茶树体内C 含量显著提高，而包括N 在内的其他营养元素则呈明显降低状态；茶叶品质成分茶多酚含量有所提高，而游离氨基酸和咖啡碱含量则降低[8,17]。这一结果预示，从品质成分和矿质营养元素的角度，随着将来大气中CO2浓度的持续升高，茶叶品质，特别是绿茶品质会降低；为了维持茶叶品质和茶树体内营养元素的平衡，肥料的需要量，特别是N、P、K 三要素，以及一些中微量元素，如Mg、S、Cu、Zn的使用量必将提高，导致施肥成本增加。

四、应对技术措施

1.免耕或少耕

免耕能显著减少表土流失。与强烈耕作相比，免耕可减少50%以上的土壤侵蚀。免耕能保护土壤结构，减轻土壤呼吸消耗，从而减少土壤有机质的分解，提高土壤质量。另外，免耕还能避免茶树根系损伤。实践证明，疏松、深厚、肥沃、有机质含量高、通透性好的土壤，免耕或少耕并不影响茶叶产量和品质。但粘重、板结和肥力水平较低的土壤还是需要进行定期耕作。

2.修剪枝叶回园

茶树需要经常性地修剪以维持一定的高度和分枝性能。修剪产生的大量枝叶含有茶树生长所需的各种营养元素，是很好的有机肥，腐烂后对提高土壤肥力具有明显的作用。不仅如此，这些枝叶保留在茶园土壤表面作为覆盖材料，对于减少水土流失和杂草生长也有很好的作用。因此，修剪枝叶回园是提高土壤质量的有效措施。

3.增施有机肥

提高土壤有机质含量，改善土壤结构，从整体上提高茶园土壤理化和生物性状，是促进茶树生长发育，提高茶园应对气候变化能力的关键。前述免耕和修剪枝叶回园对于保持和提高茶园土壤有机质含量有很好的作用，但这还不够，在平时的茶园管理过程中还必须多施有机肥。由于有机肥需要开沟深施，因此，每2～3年施1 次，每次施肥时适当增加有机肥使用量，既可减少耕作次数，又能有效改善土壤结构，效果较好。

4.增施氮肥和其他矿质肥料

如前所述，随着大气CO2浓度的提高，茶树体内N 和其他矿质营养元素的含量降低。因此，适当增施N、P、K三要素和Mg、S、Cu、Zn等其他中微量元素，对于保持茶树体内养分平衡，充分提高茶叶产量和品质是必不可少的。

5.加强茶园排灌系统建设

气候变化不一定导致降水量的减少，但水分分布不匀是肯定的。“不是暴雨，就是长期干旱”的极端天气现象会进一步增多。因此，建好茶园水利设施，做到能排能灌十分必要。在灌溉设施方面，最好能做到一机多用，如微喷灌既能抗旱，改善茶园小气候，又可用于预防“倒春寒”，对于水源相对充足的地方建议使用，但对于水源不足的地区则以滴灌为佳，以充分提高水分利用率。