茶树根际土壤氮素组成及其吸收利用效率分析

赵虎, 王海斌, 陈晓婷, 王裕华, 张华彬,丁力, 孔祥海, 师桂英

(1.甘肃农业大学园艺学院, 兰州 7300701; 2.龙岩学院生命科学学院, 福建 龙岩 364012; 3.福建农林大学生命科学学院, 福建省农业生态过程与安全监控重点实验室, 福州 350002)

茶树是喜酸作物，适宜的土壤pH为4.0～6.5，最适pH 5.0～5.5，当pH低于4.0时，茶树生长受到限制，茶叶的产量和品质下降[1-2]。王海斌等[3]研究发现，福建省泉州市安溪县9个乡镇茶园中，37.67%的土壤已经酸化，10.03%的土壤不适宜种植茶树。茶树树龄与其根际土壤pH值呈极显著负相关，即随着茶树树龄的增加，其根际土壤pH值呈现下降趋势。其次，分析发现，随着茶树树龄的增加，茶树根际土壤酸度加剧，茶叶产量降低，茶叶品质呈现下降趋势[3]。

茶树是叶用喜铵作物，因此在茶园施肥管理中偏施氮肥，而氮肥的大量使用极易导致土壤酸化加剧[4-6]。近年来，众多学者开展大量酸化对土壤氮素转化及茶树生长影响的研究，表明酸化导致土壤盐基离子流失，土壤中正电荷增加，净负电荷减少，土壤中植物可直接利用性铵态氮、硝态氮数量下降，土壤酸度加剧，土壤中氮素转化效率降低[7-9]，而这种转化与土壤中的氨氧化细菌的数量与活性相关[10]。其次，土壤酸化可改变土壤微生物量和微生物群落结构多样性，例如，酸化细菌、绿非硫细菌和芽孢菌的相对丰度增加，变形菌、拟杆菌和放线菌的数量下降[11-12]。这些微生物丰度的变化与土壤氮素转化及氮素流失密切相关，主要原因在于土壤微生物数量与丰度变化导致土壤中氮素转化相关酶活性发生改变，例如，脲酶、硝化酶、转化酶、氨化酶等活性[13-16]。然而，上述研究只是探讨了土壤中的微生物如何改变土壤中的氮素循环，而对于土壤中氮素存在形式、组分变化及其对茶树氮素吸收利用能力的影响并未做深入研究。

据此，本研究以植茶0、4、9和30年的铁观音茶树根际土壤为材料，分析不同树龄茶树根际土壤可溶性有机氮(soluble organic nitrogen，SON)组成及土壤不同类型氨基酸含量，同时将茶苗重新种植于不同种植年限的土壤中，分析土壤对茶树氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率和氮素经济效率的影响，以期为酸化茶园土壤修复提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

以铁观音原产地福建省泉州市安溪县龙涓乡为研究地点，收集已种植0、4、9、30年的铁观音茶树根际土壤，用于茶树根际土壤的可溶性有机氮组分、氨基酸含量测定及茶树幼苗种植。根际土壤取样，参考王海斌等[17]的方法，随机选择树龄为4、9和30年的铁观音茶树各100株，去除土壤表层枯枝落叶，挖出茶树，收集茶树根际土壤，样品量约为15 kg，每个样品3个重复；0年土壤为同一茶园未种植过铁观音茶树的土壤，取样时，先去除地表植被和凋落物后，收集15～25 cm深度的土壤，多点随机收集，样品量约为15 kg，3个重复。不同树龄茶树根际土壤的基本理化指标全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾含量分别为，0年土壤：2.63 g·kg-1、1.37 g·kg-1、1.72 g·kg-1、27.2 mg·kg-1、79.3 mg·kg-1、305.2 mg·kg-1；4年土壤：2.58 g·kg-1、1.29 g·kg-1、1.64 g·kg-1、29.3 mg·kg-1、87.4 mg·kg-1、312.1 mg·kg-1；9年土壤：2.47 g·kg-1、1.21 g·kg-1、1.71 g·kg-1、28.1 mg·kg-1、88.5 mg·kg-1、320.2 mg·kg-1；30年土壤：2.49 g·kg-1、1.24 g·kg-1、1.69 g·kg-1、28.7 mg·kg-1、89.2 mg·kg-1、324.5 mg·kg-1[18]。

1.2 土壤可溶性有机氮及氨基酸含量测定

土壤可溶性有机氮(SON)含量的测定参照Chen等[19]的方法，采用总可溶性氮含量与可溶性无机氮含量的差减法进行计算。具体提取方法为，取4 g新鲜茶树根际土壤，加入20 mL蒸馏水，于70 ℃下恒温振荡提取18 h，采用Whatman 42滤纸过滤，滤液用于后续指标测定[20]。其中，总可溶性氮采用高温催化氧化-SHIMADZU TOC-VCPH/CPN分析仪(日本岛津)测定，可溶性无机氮-铵态氮和硝态氮采用LACHAT Quickchem离子自动分析仪(HACH(哈希)公司)测定，氨基酸总量及其组成采用日立L-8900全自动氨基酸分析仪(日本日立公司)测定[19]。非氨基酸SON，采用土壤SON与氨基酸SON差减法计算获得。

1.3 不同树龄茶树根际土壤种植茶树幼苗后的氮素效率测定

将不同树龄茶树根际土壤风干并研磨、过40目筛；将研磨后的土壤装入盆中，每盆8 kg，选择1年生修剪后长势相对一致的铁观音茶苗，分别移栽到盆中，每盆5株，常规种植茶树60 d，种植过程中不做施肥处理，每个处理种植3盆，即3个重复。种植前，测定移栽茶树全株的生物量、叶片生物量、氮素含量和土壤全氮含量。种植结束后，轻挖茶树，将茶树的根系清洗干净，剪取新梢部分(绿色茎以上的部分)和叶片，将剪取的材料与剩余部分用于生物量测定，其总和即为茶树全株生物量，测定后用于茶树全株氮素含量测定。其中，茶树全株生物量测定，将茶树全株置于230 ℃杀青15 min，然后置于80 ℃烘至恒重；植株和土壤氮素测定采用凯氏定氮法[21]进行测定。

不同树龄茶树根际土壤重新种植茶树幼苗后的氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率和氮素经济效率的算法如下[22]。

氮素效率=(种植前后全株茶树生物量增加值/土壤全氮含量)×100%

氮素吸收效率=(种植前后全株茶树氮素增加量/土壤全氮含量)×100%

氮素生理利用率=(种植前后全株茶树生物量增加值/种植前后全株茶树氮素增加量)×100%

氮素经济效率=(种植前后全株茶树新梢和叶片生物量增加值/土壤全氮含量)×100%

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010进行数据统计分析，采用DPS 7.05与SPSS 19.0进行方差分析、显著性分析及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同树龄茶树根际土壤SON组成差异

不同树龄茶树根际土壤总SON含量和组成结果见图1，可见不同树龄茶树根际土壤总SON含量不存在显著差异，而不同SON组分含量差异显著，表现为，随着茶树树龄的增加，茶树根际土壤氨基酸SON呈现下降趋势(土壤氨基酸SON含量从46.83%下降至22.71%)，不同处理间差异显著；而非氨基酸SON呈上升趋势(含量从53.17%上升至77.29%)，不同处理间差异显著。可见，随着茶树树龄的增加，茶树根际土壤SON组成发生显著变化。

注：不同小写字母表示不同年限土壤相应指标间差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at P<0.05 level among soils of different cropping years.图1 不同树龄茶树根际土壤可溶性有机氮的含量和组成Fig.1 Contents and components of SON in rhizospheric soil of tea tree with different ages.

2.2 不同树龄茶树根际土壤氨基酸含量分析

不同树龄茶树根际土壤共检测到14种氨基酸，不同氨基酸含量结果(表1)表明，随着茶树树龄的增加，茶树根际土壤中的缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸5种疏水氨基酸含量呈现显著上升趋势；而苏氨酸、赖氨酸、丝氨酸、谷氨酸、甘氨酸、半胱氨酸、组氨酸、精氨酸8种亲水氨基酸含量则呈现显著下降趋势。不同树龄茶树根际土壤的疏水氨基酸总量，随着茶树树龄的增加，从3.843 mg·kg-1上升至5.751 mg·kg-1，亲水氨基酸总量则从3.722 mg·kg-1下降至2.214 mg·kg-1；氨基酸总量虽然随着茶树树龄的增加呈现上升趋势，但不同树龄之间差异不显著。可见，随着茶树树龄的增加，茶树根际土壤不同亲水性氨基酸含量发生显著变化，表现为疏水氨基酸含量呈现上升趋势，而亲水氨基酸含量呈现下降趋势。

表1 不同树龄茶树根际土壤氨基酸含量Table 1 Amino acids content in rhizospheric soil of tea trees with different ages.

2.3 不同树龄茶树根际土壤对茶树氮素吸收利用效率的影响

不同树龄茶树根际土壤种植茶树幼苗后，对茶树幼苗的氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素效率和氮素经济效益的影响结果(图2)表明，随着茶树根际土壤年限的增加(0～30年)，茶树幼苗的氮素吸收效率由3.25%下降至1.32%，氮素生理利用率由95.23%下降至62.15%，氮素效率由235.16%下降至89.45%，氮素经济效益则由90.59%下降至53.42%。可见，随着茶树根际土壤年限的增加，茶树幼苗对土壤的氮素吸收能力显著下降，吸收后的氮素在利用和转化能力上呈下降趋势，最终导致茶树幼苗的氮素经济效益降低。

2.4 茶树根际土壤年限与SON组分、氨基酸含量及茶树氮素效率指标的相关性

对土壤年限、可溶性氮组分、氨基酸含量及氮素效率进行相关性分析，结果(表2)表明，土壤年限与土壤非氨基酸SON、疏水氨基酸、总氨基酸含量均呈显著或极显著正相关，而与土壤氨基酸SON、亲水氨基酸含量、氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素经济效率均呈显著或极显著负相关。氨基酸SON含量与非氨基酸SON、疏水氨基酸和总氨基酸含量呈极显著负相关，与亲水氨基酸含量、氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素经济效率呈极显著正相关，而非氨基酸SON含量则相反。进一步分析发现，本研究条件下，随着土壤年限的增加，茶树根际土壤的氨基酸含量与氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素经济效率呈显著或极显著负相关。氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素经济效率之间则呈极显著正相关。

注：不同小写字母表示不同树龄茶树间差异在 P<0.05水平具有统计学意义。Note: Lowercase letters indicate significant difference between different age tea trees at P<0.05 level.图2 不同树龄茶树根际土壤对茶树氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素效率和氮素经济效益的影响Fig.2 Effects of different age tea tree rhizospheric soil on nitrogen absorption efficiency, physiological nitrogen utilization rate, nitrogen efficiency and nitrogen economic benefits of tea trees

表2 土壤年限、可溶性氮组分、氨基酸含量及氮素效率之间的相关性分析Table 2 Correlation analysis among soil age, SON, amino acid content and nitrogen use efficiency

可见，随着茶树树龄的增加，茶树根际土壤氮素组分和不同类型氨基酸含量均受到显著影响，茶树根系氮素吸收能力下降，进而导致茶树的氮素利用率降低，最终影响其经济效益。

3 讨论

土壤是茶树种植与生长的主要载体，土壤中养分含量的高低及其形态影响着茶树的生长与品质。氮素是植物生长所需的主要养分元素之一，氮素在土壤中的存在方式众多，可溶性有机氮(SON)是氮素存在的形式之一[23]。SON可大致分为2大类别，氨基酸SON以低分子量游离氨基酸和蛋白质为主，易分解；非氨基酸SON以大分子量的含氮腐殖质为主，难分解[24-26]。据报道，SON组分与土壤生态系统功能，氮素循环等密切相关，其不同组分含量高低象征着土壤氮素循环的能力[26-27]。本研究结果表明，随着茶树树龄的增加(0～30年)，不同树龄茶树根际土壤总SON含量不存在显著差异，而在不同SON组分含量上差异显著，茶树根际土壤氨基酸SON比例呈现下降趋势，而非氨基酸SON比例则呈上升趋势。其次，茶树根际土壤氨基酸含量结果表明，随着茶树树龄的增加，茶树根际土壤疏水氨基酸含量呈现上升趋势，而亲水氨基酸含量呈现下降趋势。可见，随着茶树树龄的增加，茶树根际土壤中易分解的氨基酸SON和亲水氨基酸含量降低，难分解的非氨基酸SON和疏水氨基酸含量则升高，土壤中可被茶树吸收与利用的氮素含量下降，可能导致茶树对氮素的吸收与利用效率降低。

不同树龄茶树根际土壤重新种植茶树后，土壤对茶树氮素吸收与利用效率的影响结果表明，随着土壤年限的增加，茶树的氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素效率均呈现下降趋势；同时，茶树自身的经济效益也呈现下降趋势。相关性分析结果表明，土壤年限与土壤非氨基酸SON、疏水氨基酸、总氨基酸含量呈显著或极显著正相关，而与土壤氨基酸SON、亲水氨基酸含量、氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素经济效率等呈显著或极显著负相关。可见，随着茶树树龄的增加，茶树根际土壤的SON组分发生显著变化，土壤中易分解的亲水性氨基酸含量降低，难分解的疏水性氨基酸含量升高，根际土壤的氮素循环受阻，茶树氮素吸收能力下降，氮素生理利用率与氮素效率降低，最终导致茶树氮素经济效率降低，产量和品质下降。

综上所述，茶树树龄的增加可改变土壤的氮素组分，影响土壤氮素循环，导致茶树氮素吸收与利用能力下降。然而，随着茶树树龄增加，土壤中的微生物是如何改变土壤中的氮素形态并进而影响茶树对氮素的吸收与利用，还需进一步研究。