江西省茶叶主产地茶园土壤生态化学计量特征

何绍浪， 林小兵， 黄尚书， 王斌强， 黄欠如， 吴艳， 孙永明

(江西省红壤研究所， 南昌 330046)

碳(C)是生命体基本组成元素，氮(N)、磷(P)是植物生长所必需的营养元素和限制性元素，C、N、P元素之间既有共变性又有其独立性，是土壤养分循环和转化的关键因子[1-2]。生态化学计量学是根据物理、化学和生物过程中多种元素的变化规律来探究生态系统能量平衡和化学元素(主要为C、N、P)平衡及其交互作用的科学[3]，既能反映了土壤养分状况，也能揭示土壤养分的可获得性及其限制因子，为研究土壤-植物相互作用与C、N、P循环和平衡机制提供了新思路和手段[4-5]，在植物个体生长、种群动态、群落演替、养分循环、限制性元素判断、养分利用效率乃至全球C、N、P 生物地球化学循环等研究领域得到广泛应用[6-7]。近年来，关于土壤C、N、P生态化学计量特征及其影响因素的研究成果丰硕。张富荣等[8]对黄土丘陵沟壑区不同恢复年限的人工刺槐林土壤生态化学计量特征研究表明，随恢复年限的增加，土壤 C∶P和N∶P均显著增加，C∶N则无显著变化，且土壤水分严重不足是土壤C、N、P含量及其生态化学计量比的最主要影响因子。杨霞等[9]对辽宁省抚顺县温道林场不同林龄油松人工林土壤生态化学计量特征的影响因素研究发现，林龄和土层深度对土壤C∶P、N∶P均有显著性影响，对土壤C∶N则无显著影响。张莎莎等[10]对安徽金寨天马国家自然保护区不同海拔梯度上杉木人工林土壤化学计量特征的研究结果为土壤C∶N随海拔增加呈先升高后降低的趋势，土壤C∶P和N∶P均呈现先降低后升高的趋势。Abrar等[5]对长期施肥后的东北黑土研究发现，土壤C、N、P含量及其化学计量比均随深度的增加而降低，且C∶N、C∶P和N∶P仅与表层土壤的有机碳组分呈显著相关。Su等[11]对中国西南喀斯特地区不同植被恢复阶段土层在细根和土壤C、N、P化学计量特征的研究结果为植被类型和土层对土壤C、N、P化学计量比均有显著影响，且细根C∶N和C∶P与土壤C∶N和C∶P呈显著负相关，而细根N∶P与土壤N∶P呈显著相关。这些研究对丰富生态系统化学计量特征起到了重要的作用。

江西省是中国重点产茶区域之一，2019年江西茶叶主产区即“四绿一红”(狗牯脑、婺源绿茶、庐山云雾、浮梁茶、宁红茶)所在市县茶园面积约为90万亩，占全省茶园总面积182万亩(1亩≈666.7 m2)的49.45%。目前，不少学者围绕江西茶园土壤理化性质、肥力及其影响因子等方面开展了较为系统的研究[12-16]，但针对茶园土壤C、N、P生态化学计量及其对海拔和种植年限响应特征的系统研究却少见于文献。本研究以江西省庐山市、婺源县、浮梁县、遂川县和修水县5个茶叶主产区茶园为研究对象，通过对各个主产县茶园土壤C、N、P含量的测定和分析，探讨不同海拔和种植年限茶园土壤C、N、P含量及生态化学计量特征，对完善和补充江西茶园土壤养分平衡和生态化学计量特征数据也具有重要科学价值，同时也为茶园土壤肥力的管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2018年4—5月，在江西省庐山市、婺源县、浮梁县、遂川县、修水县5个茶叶主产区以每13.3 hm2集中连片茶园为采样单元，采取“S”形布点采样，每个单元采集5个0～20 cm土层土样混合为1个土壤样品，5个茶叶主产区共计187份土样，记录每个点位茶园种植年限和海拔。

1.2 测定项目与方法

采集的土壤样品经过室内处理后用于土壤有机碳(SOC)、总氮(TN)、总磷(TP)分析。土壤SOC采用高温外热重铬酸钾法(HH-S恒温油浴)；土壤TN采用自动定氮仪法(KQ860全自动凯氏定氮仪)；土壤TP采用HCIO4-H2SO4熔融-分光光度计比色法(721可见分光光度计)，具体方法参照《土壤农业化学分析方法》[17]。

1.3 数据统计与分析

对采样点的测定数据进行整理并剔除少数异常点后，获得178个有效采样点，庐山市17个、婺源县41个、浮梁县25个、遂川县52个、修水县43个。采用microsoft office excel 2003、DPS 7.05软件进行数据处理分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)的最小显著差异(least-significat difference, LSD)进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同主产地茶园土壤C、N、P含量及生态化学计量学特征

5个主产地茶园土壤C、N、P含量及生态化学计量学特征见表1。从土壤C、N、P含量来看，5个主产地茶园土壤SOC、TN、TP含量分别在1.27～50.54 g/kg、0.15～3.65 g/kg、0.11～1.49 g/kg，均值分别为13.84、1.37、0.47 g/kg。各主产地茶园土壤SOC含量存在显著差异，而土壤TN和TP含量均不存在显著差异。其中，浮梁县和遂川县茶园土壤SOC含量显著高于庐山市和修水县(P<0.05)，婺源县和庐山市茶园土壤SOC含量显著高于修水县(P<0.05)。从土壤C、N、P生态化学计量学来看，5个主产地茶园土壤C∶N、C∶P和N∶P变化范围为2.31～56.11、5.78～116.46、0.50～11.40，均值分别为10.97、32.61、3.49。各主产地茶园土壤C∶N和C∶P均存在显著差异，而土壤N∶P不存在显著差异。其中，浮梁县茶园土壤C∶N显著高于其他4个主产地，遂川县茶园土壤C∶N显著高于庐山市和修水县(P<0.05)；浮梁县和婺源县茶园土壤C∶P显著高于庐山市和修水县(P<0.05)，遂川县茶园土壤C∶P显著高于修水县(P<0.05)。

2.2 不同海拔茶园土壤C、N、P含量及生态化学计量学特征

五个主产地取样点海拔在20.0～980.0 m，将其分为≤99 m、100～199 m、200～299 m、300～399 m、400～499 m和≥500 m共6个等级进行分析(见表2)。从表2可知，不同海拔茶园土壤SOC、TN和TP含量均存在显著差异。其中，海拔≥500 m茶园土壤SOC含量显著高于其他海拔(P<0.05)，海拔≤99 m茶园土壤SOC含量显著高于海拔100～199 m、200～299 m、300～399 m和400～499 m(P<0.05)；海拔≥500 m茶园土壤TN含量显著高于其他海拔(P<0.05)；海拔≥500 m茶园土壤TP含量显著高于海拔≤99 m、100～199 m、200～299 m和400～499 m(P<0.05)，海拔300～399 m茶园土壤TP含量显著高于海拔100～199 m和400～499 m(P<0.05)，海拔≤99 m和200～299 m茶园土壤TP含量显著高于海拔400～499 m(P<0.05)。不同海拔茶园土壤C∶N和C∶P均存在显著差异，而土壤N∶P差异不显著。其中，海拔400～499 m和海拔≥500 m茶园土壤C∶N均显著高于海拔100～199 m(P<0.05)；海拔400～499 m和海拔≥500 m茶园土壤C∶P均显著高于海拔200～299 m(P<0.05)。总体来看，随着海拔的增加，土壤SOC含量及C∶N、C∶P均呈现先减少后增加的趋势，而土壤TN、TP含量及N∶P变化规律不明显。

2.3 不同种植年限茶园土壤C、N、P含量及生态化学计量学特征

5个主产县取样点种植年限在2～48年，将其分为≤9年、10～19年、20～29年、30～39年和≥40年共5个等级进行分析(见表3)。从表3可以得出，不同种植年限茶园土壤SOC、TN含量均存在显著差异，而土壤TP含量不存在显著差异。其中，种植年限≥40年茶园土壤SOC含量显著高于种植年限≤9年、10～19年和30～39年(P<0.05)，种植年限20～29年茶园土壤SOC含量显著高于种植年限≤9年(P<0.05)；种植年限20～29年茶园土壤TN含量显著高于种植年限≤9年、10～19年和30～39年(P<0.05)，种植年限≥40年茶园土壤TN含量显著高于种植年限≤9年(P<0.05)。不同种植年限茶园土壤C∶N、C∶P和N∶P均存在显著差异。其中，种植年限≥40年茶园土壤C∶N和C∶P均显著高于其他种植年限(P<0.05)；种植年限20～29年茶园土壤N∶P显著高于种植年限≤9年、10～19年和≥40年(P<0.05)。总体来看，随着种植年限的增加，土壤SOC含量、TN含量和C∶P均呈现增加的趋势，土壤C∶N呈现先减少后增加的趋势，土壤N∶P呈现先增加后减少的趋势，而土壤TP含量变化规律不明显。

表1 不同主产县茶园土壤生态化学计量学特征Table 1 Soil ecological stoichiometry characteristics of tea garden in different main producing counties

表2 不同海拔茶园土壤生态化学计量学特征Table 2 Soil ecological stoichiometry characteristics of tea garden at different altitudes

表3 不同种植年限茶园土壤生态化学计量学特征Table 3 Soil ecological stoichiometry characteristics of tea garden with different planting years

2.4 土壤C、N、P含量与生态化学计量比相关分析

由表4可知，研究区茶园土壤SOC、TN、TP含量两两之间存在极显著的正相关关系(P<0.01)，其中SOC含量和TN含量的相关性系数最高，达到了0.695，说明它们之间存在比较高的耦合关系。土壤C∶N与SOC含量呈极显著正相关(P<0.01)，与TN含量呈极显著负相关(P<0.01)；土壤C∶P与SOC含量呈极显著正相关(P<0.01)，与TP含量呈极显著负相关(P<0.01)；土壤N∶P与TN含量呈极显著正相关(P<0.01)，与TP含量呈极显著负相关(P<0.01)。说明土壤 C∶N、C∶P和N∶P与土壤SOC、TN、TP含量有非常密切的关系。

表4 土壤C、N、P含量与生态化学计量比的 相关系数(n=178)Table 4 Correlation coefficient between soil C, N, P contents and ecological stoichiometry ( n=178)

3 讨论与结论

3.1 土壤C、N、P含量特征

土壤C、N、P元素是植物正常生长发育必需的养分，在植物生长过程中起着非常重要的作用[9]。土壤SOC、TN、TP等含量与茶叶产量和品质具有明显的相关性[18]。本研究对江西省庐山市、婺源县、浮梁县、遂川县和修水县5个茶叶主产地茶园土壤SOC、TN、TP含量研究发现，5个主产地茶园0 ～20 cm土壤SOC、TN、TP含量均值分别为13.84、1.37、0.47 g/kg。其中，土壤SOC、TN含量均值高于全国土壤SOC(11.12 g/kg)、TN(1.06 g/kg)含量均值，TP含量均值低于全国土壤TP(0.65 g/kg)含量均值[19]，婺源县、浮梁县、遂川县、修水县茶园土壤SOC、TN含量均值均高于杨普香等[16]在2009—2010年取样和测定结果。此外，参照行业标准《茶叶产地环境技术条件》(NY/T 853─2004)中茶园土壤的肥力分级标准[20]，本研究中5个茶叶主产地茶园土壤SOC、TN含量均值达到Ⅰ级茶园肥力指标，而土壤TP含量均值达到Ⅱ级茶园肥力指标。但从各个主产地来看，修水县茶园土壤SOC含量均值低于全国SOC含量均值，达到Ⅲ级茶园肥力指标。

本研究发现海拔≤99 m茶园土壤SOC、TN、TP含量均高于100～199 m，这主要是因为本研究区域海拔≤99 m茶园的地形以平地居多，而海拔100～199 m茶园的地形偏向于丘陵。土壤SOC含量随海拔在一定范围内(100～980 m)的上升而增加，这可能是由于不同海拔气温存在差异，高海拔地区较低海拔地区气温低，更利于有机碳的积累。土壤SOC、TN含量随着种植年限的增加呈现增加的趋势，这与薛冬等[21]、李敬等[12]的研究结果一致。其原因一方面是茶园的长期施肥，另一方面是随着种植年限的延长，茶树凋落物逐渐增加，而土壤 C、N的补充和积累主要来自长期施肥、茶树凋落物、根系分泌物归还土壤等[22]。郑子成等[23]研究表明随着植茶年限的增加，土壤有机碳库趋于稳定，碳汇效应明显增强。王晟强等[24]研究表明土壤SOC、TN储量的增加量在植茶17年之前主要来源于>2 mm粒径团聚体，而植茶17年以后主要来源于<0.25 mm粒径团聚体。也有研究表明[25]，茶园土壤微生物群落随着植茶年限的增加逐渐单一，不利于微生物对土壤有机质的分解。本研究中茶园土壤TP含量海拔、种植年限均无明显变化规律，这主要是土壤TP的来源相对固定，其含量主要受土壤母质、成土作用及耕作施肥的影响[26]，其他方式(干湿沉降，动植物残体，微生物活动)等对TP的影响相对较小[10]。此外，本研究中茶园土壤 SOC、TN、TP含量两两之间呈极显著正相关(P<0.01)，表明研究区土壤C、N、P养分元素的循环过程是相互耦合、相互影响。这与彭晓等[27]、张富荣等[8]的研究结果相似。

3.2 土壤C、N、P生态化学计量学特征

土壤生态化学计量比是评价土壤质量的重要指标，是确定土壤C、N和P平衡特征的重要参数，对植物生长有重要影响。土壤C∶N可以反映土壤有机质的分解状况、土壤N素矿化能力和土壤C、N养分平衡状况的重要指标。C∶N值较小时，有利于增强土壤微生物的分解能力，从而促进土壤有效N增多；比值较高时，则由于存在N素受限，影响土壤微生物分解能力，从而促进有机碳的累积[4]。本研究中5个茶叶主产地茶园土壤C∶N均值为10.97，低于全国土壤C∶N均值11.90[19]。其中，浮梁县茶园土壤C∶N均值高于全国土壤C∶N均值的40.42%，修水县、庐山市、婺源县茶园土壤C∶N均值分别低于全国的土壤C∶N均值的33.78%、21.76%、11.85%，遂川县茶园土壤相近。表明浮梁县茶园土壤N素相对缺乏，土壤微生物分解能力较弱，造成有机质分解和养分矿化速度减慢，而修水县、庐山市、婺源县茶园土壤微生物分解能力较强，土壤有机质具有较快的矿化作用。土壤C∶P比可作为衡量微生物矿化土壤有机物质释放P或从环境中吸收固持P素潜力的一种指标，土壤C∶P值越小，越利于土壤微生物矿化土壤有机质释放较多P素，补充土壤有效P库[22]。本研究中各个主产地茶园土壤C∶P均值均低于全国土壤C∶P均值61[19]，表明各个茶叶主产地茶园土壤微生物在矿化土壤有机质释放P素能力较强，土壤P素充足。土壤N∶P可以作为判断生境中N或P不足的指标，指示植物生长过程中土壤营养成分的供应情况[22]。本研究中各个茶叶主产地茶园土壤N∶P均值均低于全国土壤N∶P的平均水平5.20[19]，表明各个茶叶主产地茶园土壤P素相对丰富，而土壤N素相对缺乏，可能是一个重要的限制因子。因此，在茶园经营过程中适当施加氮肥以维持氮磷元素平衡。

本研究中茶园土壤C∶N随着海拔、种植年限的增加均呈现先减少后增加的趋势，表明中海拔(100～299 m)和种植中期(20～29年)有机质分解速率较快，不利于养分积累。土壤C∶P随着海拔的增加呈现先减少后增加的趋势，随种植年限的增加呈现增加的趋势，这很大程度上是受到土壤SOC含量随海拔和种植年限变化而变化的影响，同时也说明随着种植年限的增加，土壤磷的有效性越来越低。土壤N∶P随着海拔增加变化趋势不明显，而随着种植年限的增加呈现先增加后减少的趋势。可见，海拔和种植年限在一定程度上影响着茶园土壤C、N、P生态化学计量比。这与李敬等[12]对植茶年龄的丘陵区茶园土壤化学计量特征研究结果相似。