不同肥力茶园土壤碳氮养分对施氮量的响应

代依涵，李渝，刘彦伶，黄兴成，张雅蓉，于翊鹏，聂云，蒋太明

1.贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省农业科学院土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；3.贵州省农业科学院，贵州 贵阳 550006

碳作为土壤肥力核心，是土壤养分的重要来源，其有机形态的矿化速率和转化速率影响土壤养分的供应[1]。氮素是构成作物氨基酸、蛋白质的主要成分，为茶树生长、发育、品质形成的必需元素之一，而氮素在土壤中极易损失，利用率较低[2]，其有效性对土壤肥力和作物生产力影响较大[3]。茶树作为叶用型经济作物，对氮素吸收较多，一般认为茶树的氮、磷、钾养分吸收需求比例约为5∶1∶2[4-5]，施用氮肥对实现茶叶高产和维持土壤肥力具有重要作用[6]。然而，调查研究表明，当前我国超过30%的茶园存在过量施氮现象[7]，导致土壤酸化[8]、活性氮排放[9]、土壤退化[10]等诸多问题。因此，合理施用氮肥对保持土壤肥力及减少环境污染具有重要意义。

前人研究发现，施用氮肥能显著提升茶园土壤全氮、有机碳、可溶性有机碳、微生物量碳含量[11-13]，土壤外源氮素投入越多，土壤有机碳、全氮含量越高。也有研究认为，过量施氮对土壤有机碳和微生物量碳的提高不显著，甚至土壤微生物量碳氮和可溶性有机碳氮会有所降低[14-15]。土壤微生物量、酶活性与土壤养分转化密切相关[16-17]，土壤微生物以碳素、氮素作为能源及营养，微生物对有机碳及土壤氮矿化和转化起着关键作用，而土壤酶活性可以反映土壤养分转化能力强弱[18]。有研究表明，随着氮肥施用量的增加，土壤β-葡萄糖苷酶活性不断增加[19]。也有研究发现，过量施氮会导致土壤酸化、微生物数量下降[20-21]，从而导致土壤养分含量下降，说明土壤养分含量、土壤微生物量、土壤酶活性受氮营养水平影响[16]。氮肥施用量对不同肥力水平土壤碳氮养分的影响不尽相同。如杨馨逸等[22]研究认为，在高肥力地区，随着氮肥施用量的增加，土壤中活性氮组分含量提高；在低肥力地区，氮肥施用量增加反而会降低土壤微生物量氮含量。也有研究表明在相同施肥量条件下，基础肥力低的土壤的肥料贡献率较高，基础肥力高则反之[23]。因此，茶园合理的施肥管理不仅需要考虑氮肥施用量对茶园土壤肥力的影响，还需考虑不同地区土壤基础肥力的差异性。目前，不同氮肥施用量对大田作物土壤养分的影响研究已有不少，但在不同土壤肥力条件下，氮肥施用量对茶园土壤碳氮转化及酶活性的影响缺乏系统研究。本研究选取不同土壤肥力茶园，研究不同氮肥施用量对茶园土壤碳、氮养分及相关酶活性的影响，以探明不同肥力茶园土壤碳氮养分对氮肥用量的响应规律，为茶园氮肥合理施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地I位于贵州省贵定县报管乡（107°8′53.8″E、26°13′44.6″N），平均海拔1 085 m，年平均气温21.5℃，年平均降水量1 200 mm，全年平均无霜期280 d。试验茶树品种为当地群体种鸟王种，土壤类型黄壤，试验从2016年开始。氮肥用量试验耕层（0～20 cm）土壤基础养分含量为：有机碳11.02 g/kg、全氮1.44 g/kg、碱解氮110.20 mg/kg，pH值5.01，碳氮比7.65，土壤肥力中等偏低。下文以“低肥力茶园”表示。

试验地Ⅱ位于贵州省安顺市西秀区鸡场镇（106°4′33.1″E、26°5′20.4″N），平均海拔1 233 m，年平均气温14.4℃，年平均降水量1 360 mm，全年平均无霜期250 d。试验茶树品种为福鼎大白茶，土壤类型黄壤，试验从2016年开始。氮肥用量试验耕层（0～20 cm）土壤基础养分含量为：有机碳39.68 g/kg、全氮3.29 g/kg、碱解氮181.60 mg/kg，pH值3.74，碳氮比12.06，土壤肥力较高。下文以“高肥力茶园”表示。

1.2 试验设计

两个试验点均设置4个不同氮肥用量处理（N1，150kg/hm2；N2，300kg/hm2；N3，600kg/hm2；N4，900 kg/hm2），田间3个重复。磷、钾肥等量施用，施用量为100 kg/hm2。供试肥料品种为尿素（含N 46.0%）、过磷酸钙（含P2O516.0%）、硫酸钾（含K2O 50.0%），磷、钾肥于每年10—11月作基肥一次性施入，施肥方式为沟施。氮肥按照基肥∶春肥∶夏肥3∶4∶3的比例分3次施用。

1.3 样品采集与分析

土壤样品于2020年茶园冬管封园管理前采集，采集深度0～20 cm。样品带回实验室后筛选剔除杂质和根系，一部分装入自封袋，存于冰箱内4℃冷藏，用于测定可溶性有机碳、可溶性总氮、土壤微生物量碳氮、土壤酶活性；一部分自然风干后，磨碎分别过10目、100目筛后用自封袋分装密封，用于测定土壤常规养分。

土壤常规养分参照《土壤农化分析》进行测定[24]。可溶性有机碳、可溶性总氮采用冷水浸提法，微生物量碳、微生物量氮采用氯仿熏蒸法，β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶采用微孔板法，β-葡萄糖苷酶采用硝基酚比色法，硝酸还原酶采用酚二磺酸比色法，亚硝酸还原酶采用α-奈胺比色法[25]。

1.4 数据处理

采用Excel 2007整理和归类数据，采用SPSS软件对数据进行方差分析，用Duncan新复极差法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 氮肥施用量对茶园土壤碳含量的影响

双因素方差分析结果表明（表1），施氮量和土壤基础肥力对土壤有机碳、微生物量碳、微生物熵（微生物量碳/土壤有机碳）均有显著影响。土壤有机碳、可溶性有机碳、微生物熵受施氮量和土壤基础肥力二者交互作用影响。

表1 施氮量及土壤基础肥力对茶园土壤碳含量影响的双因素方差分析

不同肥力茶园氮肥用量对茶园土壤碳含量的影响不尽相同（图1）。低肥力茶园土壤有机碳和可溶性有机碳含量均随氮肥用量的增加呈先升高后降低的趋势，以N2处理最高，较N1处理分别提高了33.14%和8.71%，较N4处理分别显著提高了47.40%和25.60%；土壤微生物量碳和微生物熵则均随氮肥用量增加呈现先降低后升高的趋势，以N2和N3处理较低。高肥力茶园土壤有机碳含量随施氮量的增加不断降低，N2～N4处理土壤有机碳含量较N1处理显著降低了17.44%～20.50%。可见，低肥力茶园土壤碳素养分对氮肥施用量响应较敏感。

图1 不同氮肥施用量对不同肥力茶园土壤碳含量的影响

2.2 氮肥施用量对茶园土壤氮含量的影响

双因素方差分析结果（表2）表明，土壤可溶性总氮、微生物量氮、微生物量氮/全氮等指标受施氮量和土壤基础肥力及二者交互作用显著影响。土壤全氮仅受土壤基础肥力影响。

表2 施氮量及土壤基础肥力对茶园土壤氮含量影响的双因素方差分析

低肥力茶园土壤全氮、可溶性总氮、微生物量氮随氮肥施用量的增加呈现先升高后降低的趋势，以N2处理最高，较N1处理分别提高了20.73%、40.27%、3.06%，较N4处理分别提高了22.63%、67.04%、69.79%；土壤微生物量氮/全氮随氮肥施用量的增加不断降低，N2～N4处理土壤分别较N1处理降低0.97、2.29、2.44个百分点。高肥力茶园土壤微生物量氮、微生物量氮/全氮以N1处理较高，微生物量氮N2～N4处理较N1处理分别降低了30.97%、35.05%、37.85%，微生物量氮/全氮分别降低了0.49、0.45、0.44个百分点（图2）。

图2 不同氮肥施用量对不同肥力茶园土壤氮含量的影响

2.3 氮肥施用量对茶园土壤酶活性的影响

双因素方差分析结果（表3）表明，施氮量对土壤碳氮相关转化酶活性无显著影响。亚硝酸还原酶活性受土壤基础肥力影响显著，硝酸还原酶活性受施氮量及土壤基础肥力二者交互作用影响。

表3 施氮量及土壤基础肥力对茶园土壤酶活性影响的双因素方差分析

由表4可以看出，低肥力茶园N2处理β-葡糖苷酶和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性较高，N1处理硝酸还原酶活性及亚硝酸还原酶活性均较高，但不同氮肥施用量间土壤碳氮转化酶活性均无显著差异。高肥力茶园施氮量对β-葡萄糖苷酶活性及硝酸还原酶活性无显著影响，β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性随氮肥施用量增加呈先下降后增高趋势，N3处理活性最低；亚硝酸还原酶活性随氮肥施用量增加而增高。可见，高肥力茶园土壤碳氮转化相关酶活性对氮肥施用量的响应较敏感。

表4 不同氮肥施用量对不同肥力茶园土壤酶活性的影响

2.4 氮肥施用量对茶园土壤碳氮比的影响

由图3可知，低肥力茶园土壤微生物量碳氮比、可溶性碳氮比随氮肥施用量的增加呈先降低后升高的趋势，以N2处理最低，较N1处理分别显著降低了27.98%和17.82%，较N4处理分别显著降低了37.95%和24.75%；土壤碳氮比含量以N2处理较高，其他处理土壤碳氮比较N2处理降低了9.38%～21.23%。高肥力茶园土壤微生物量碳氮比以N1处理较低，但处理间差异不显著；土壤可溶性碳氮比以N1处理较低，N2～N4处理较N1处理升高了3.47%～16.88%；土壤碳氮比以N1处理较高，N2～N4处理土壤碳氮比较N1处理降低了9.12%～18.77%。

图3 不同氮肥施用量对不同肥力茶园土壤碳氮比的影响

3 小结与讨论

本研究表明，氮肥施用对低肥力茶园土壤碳、氮养分含量的影响较高肥力茶园大。其原因可能是在低肥力茶园合理施用氮素可有效增加土壤微生物对外源碳素底物固持水平，减少因有机碳矿化导致土壤碳素损失，提高土壤碳固持速率[26]，从而影响土壤碳组分含量，并且低肥力土壤微生物群落结构稳定性易受土壤环境的改变而改变，施加氮素也会影响土壤活性碳、氮组分[27-28]，所以氮肥施用对低肥力茶园土壤碳、氮养分影响较显著。而高肥力茶园土壤碳、氮养分含量高，土壤有足够的碳源固持氮素，碳循环和氮循环过程耦合更加紧密，土壤的缓冲能力更强[29-30]，所以合理添加外源氮素对高肥力土壤的碳、氮养分影响相对较小。

在低肥力茶园，合理施氮肥可提高土壤中有机碳含量，这可能是因为氮肥的输入增加了植物生物量和植物残茬还田量，进而增加了土壤有机碳含量[31]。但过量施氮反而会降低土壤有机碳的含量，这与其他学者的研究结果相似[32]，其原因可能是过量施用氮肥会对根系产生毒害，影响根系和茶园土壤的物质交换，使根系输入到土壤中的碳减少[33-34]，从而降低了土壤有机碳含量。

低肥力茶园中，合理施氮肥可显著提高土壤全氮、可溶性总氮含量，但过量施氮则会降低土壤氮含量，以N2处理较高，表明在低肥力茶园适量氮肥输入可增加土壤微生物活性，促进氮素分解和转化，提高土壤氮素养分含量[11]，但过量施用氮肥会导致部分氮素不能及时被茶树利用，并且过量氮素在土壤中积累，亚硝酸盐累积过多会对微生物产生毒害，抑制土壤微生物活性[35]，降低土壤腐殖质分解，从而降低土壤中可溶性总氮含量，增加土壤氮损失[22]。本研究还发现低肥力茶园过量施用氮肥会降低可溶性总氮及土壤微生物量氮含量，这一现象符合其他研究者关于土壤活性碳、氮组分可以相互影响的结论，即土壤腐殖质分解降低，土壤可溶性总氮含量降低，土壤微生物量氮含量也会随之降低[14-15]。

土壤中无机氮部分源于土壤微生物的酶促降解产物[36]，本研究发现，在低肥力茶园中不同氮肥施用量间土壤碳、氮转化相关酶活性均无显著影响。高肥力茶园中，氮肥施用量对氮素转化相关的β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和亚硝酸还原酶活性影响较大。张露等[37]研究也发现在低肥力地区土壤酶活性转化较低，高肥力茶园土壤微生物的代谢活动相对较高，且由于投入的肥料是氮肥，所以对氮转化酶活性影响较明显。

土壤微生物量碳氮比的高低能够反映氮素的供应能力，土壤微生物量碳氮比较小时，土壤氮素的利用率会提高[38]。本研究发现，低肥力茶园土壤中微生物量碳氮比随着施氮量的增加先降低后升高，以N2施肥处理最低，说明合理施用氮肥能降低土壤微生物量碳氮比，提高土壤氮素的生物有效性，这与前人研究结果一致[39]。

可溶性有机碳、可溶性总氮是生态系统中最活跃的组分之一。土壤微生物碳氮比和可溶性碳氮比变化趋势一致，原因之一可能是微生物活动消耗了土壤中的可溶性有机碳或可溶性总氮；另一原因可能是合理施用氮肥促进土壤有机碳分解，增加了土壤中可溶性有机碳、可溶性总氮含量，使土壤可溶性有机碳、可溶性总氮同程度增加或减少[40]，所以N2处理的土壤可溶性碳氮比较低。土壤碳氮比在15～25范围内，土壤有机质供肥越优越，碳氮比越高；微生物活动分解能力越快，碳氮比越低[41]。在本试验中，低肥力茶园除N2处理外，其他处理土壤碳氮比相对较低，表明低肥力茶园土壤碳素含量低，基础肥力低，今后延续本试验应适量添加有机肥，增加土壤有机质含量，促进氮素养分合理转化，提高土壤碳氮比。高肥力茶园土壤碳氮比在12～15范围内，需要注意平衡施肥，保证养分的协调供应[42]。

本研究也表明，茶园土壤活性态碳、氮含量受施氮量、土壤基础肥力以及二者交互作用影响，说明无论在高肥力或低肥力茶园合理施肥是培育和提高土壤基础肥力的关键措施[23]。

不同肥力茶园氮肥施用量对土壤碳、氮养分的影响不尽相同。低肥力茶园土壤碳、氮养分总体随施氮量的增加呈先增加后降低的趋势，N2（300 kg/hm2）水平具有较高碳、氮养分含量，是最适氮肥施用量。高肥力茶园土壤碳、氮养分总体随施氮量的增加呈降低趋势，N1（150 kg/hm2）水平具有较高的土壤碳、氮养分含量，是最适宜氮肥施用量。在实际茶园管理中，应因地制宜合理施用氮肥，以提高土壤养分和氮肥利用效率。