基于生物有效性的茶园土壤剖面磷素形态分布特征研究

陈迎港 潘继花 王艳玲 刘飞 孙小银 叶敦雨

关键词：生物有效性；茶园；土壤剖面；磷素形态；日照市

磷（P）是植物生長发育必需的三大营养元素之一，不仅参与植物体内新陈代谢过程，更是植物体内许多重要有机化合物的组成成分。植物生长所需磷素主要来源于土壤，其在土壤中的丰缺程度和供给状况对植物的生长发育具有重要影响。土壤中的磷素存在多种形态，不同形态的磷对植物的有效性不同。为研究土壤磷素的有效性，研究人员利用不同的化学提取剂对土壤中的磷素进行分级，Chang等根据正磷酸盐所结合的主要阳离子不同，将土壤无机磷分为A1-P、Fe-P、Ca-P和O-P 4种形态：Bowman等采用不同浸提剂将有机磷分为活性有机磷、中度活性有机磷、中稳性有机磷和高稳性有机磷4个组分；Hed-ley等根据不同浸提剂和处理方法将土壤磷素分为树脂交换态磷（Resin P）、NaHCO，提取态磷（NaHC03 P）、土壤微生物磷（Micro P）、NaOH溶性磷（NaOH P）、土壤团聚体内磷（Sonic P）、磷灰石型磷（HCIP）和残留磷（Residual P）7类。Ties-sen等对Hedley的磷素分级方法进行了修正，将磷素分为6个大类。2015年，DeLuca等根据生物利用磷素难易程度提出基于磷素生物有效性的分级方法（biologically based phosphorus，BBP），将土壤中的磷分为CaCl，-P、Citrate -P、En-zyme -P和HCl-P 4个组分。其中，CaCl2 -P含量的高低能反映直接被根际截留或扩散的磷酸根离子数量，Citrate -P反映能被有机酸活化的无机磷，Enzyme -P代表被微生物和植物分泌的酸性磷酸酶和植酸酶矿化的有机磷，HCl-P则代表被氢质子活化的最大潜力磷库。该方法可模拟植物根系和微生物对土壤磷素的矿化利用，能够客观评价土壤不同磷素形态的生物有效性，近年来被广泛应用于不同生态系统土壤磷素有效性研究。

茶树为“喜酸植物”，茶园土壤通常呈酸性或强酸性，自然条件下土壤中有效磷含量较低，因此，施肥成为茶园管理中增加土壤磷素供应的重要措施。由于磷肥当季利用率低，长期施肥使得土壤中磷素积累，一方面造成大量磷素盈余在土壤中，另一方面易造成磷素流失，破坏生态系统平衡。因此，研究茶园土壤磷素形态及变化规律有助于茶园土壤磷素管理。当前，有关茶园土壤磷素形态研究主要以全磷和有效磷为主，部分学者对茶园土壤无机磷和有机磷组分进行了研究。上述关于土壤磷素研究主要集中于南方茶区，且主要为表层土壤。茶树是深根性植物，从剖面角度研究土壤磷素形态特征更能反映土壤磷素的丰缺状况及潜在环境风险。为此，本研究以北方茶叶主产区——日照市茶园剖面土壤为研究对象，采用能反映植物根系和微生物对土壤磷素矿化利用的磷素分级方法（BBP）对土壤磷素进行分级，并探讨土壤理化性质与管理措施对土壤磷素组分的影响，以期为加强茶园土壤磷素科学管理、提高磷素有效性提供理论参考，助力生态茶园建设。

1材料与方法

1.1研究区概况

日照市（118°25～119°39'E，35°04'～36°04'N）位于山东省东南部，地处鲁东丘陵区，地势起伏和缓。该区属于暖温带湿润季风气候，光照充足，受季风性气候与海洋的影响，空气湿度大，降水充沛，年均降水量达到897mm。成土母质主要是花岗岩和花岗片麻岩等酸性岩类。土壤类型以棕壤为主，面积达14.8x104hm2，占土壤总面积的77.48%；褐土、潮土、粗骨土、盐土和水稻土等也有一定分布。

自1966年成功实现“南茶北引”以来，日照茶叶种植已有50多年历史，截至2019年初，日照市茶园面积1.85x104hm2，占山东省茶园面积的60%以上，成为全省最大的茶叶产区，也是重要的北方茶产区。日照市茶园主要分布在岚山区黄墩镇、巨峰镇、碑廓镇及东港区后村镇等地，莒县、五莲等地也有一定分布。

1.2样品采集与处理

在野外调查的基础上，在日照市茶叶的主产区——东港区，选择地理位置相近、土壤类型一致，但植茶年限和施肥方式不同的茶园进行剖面土壤样品的采集。在每个茶园内以“S”形选择3个采样点，以土钻采集剖面土壤样品，钻取深度为70cm。以10cm间隔收集土壤．并将同一茶园相同深度的土壤样品充分混匀成一个混合样品，放人自封袋带回实验室。本研究共布设5个茶园土壤剖面采样点，采集土壤样品35个，各茶园基本状况见表1。

土壤样品置于室内自然风干，剔除砾石、根系等杂质，用玛瑙研钵研磨过筛，装入自封袋备用。

1.3测定项目及方法

参照DeLuca等的BBP方法对生物有效磷进行分级，具体步骤如下：称取4份1.0000g过筛后的土样置于离心管中，分别加入20mL提取剂（0.01mol/L CaC12、0.01mol/L Citrate、0.02EU/mL酶溶液、1mol/L HCl），置于恒温振荡器振荡3h后，以4000r/min离心5min。将滤液收集于比色管中，加5%过硫酸钾溶液4mL，加塞并用纱布包好，放于压力锅中，在120～124℃之间消解30min后，自然冷却至室温。用孔雀绿一磷钼杂多酸分光光度法测定CaCl2-P、Citrate-P、Enzyme-P和HCl-P含量。

称取过2mm孔径的沉积物样品0.3～0.4g于100mL高脚烧杯中，加入10%过氧化氢溶液10mL，摇匀，静置过夜；将烧杯摇匀放置到电炉上加热去除多余的过氧化氢，冷却；加入10%盐酸10mL，摇匀，待反应完全后，置于电炉上加热去除多余盐酸，冷却；加入蒸馏水20mL、0.05mol/L的六偏磷酸钠分散剂10mL，超声10min，采用Malvern2000激光粒度分析仪进行粒度分析。采用高温外热重铬酸钾氧化一容量法测定有机质含量，水土比采用2.5：1、用雷磁pH计测定pH值，酸溶一钼锑抗比色法测定全磷（TP），盐酸一氟化铵法测定有效磷（Olsen-P）。各指标的分析方法、检出限、准确度和精密度均符合有关规范要求，数据可靠。

1.4数据处理与分析

运用Microsoft Excel2010进行数据统计，运用SPSS 26.0软件进行土壤磷素形态与理化性质间的相关性分析，运用Origin2017软件作图。

2结果与分析

2.1茶园土壤剖面全磷（TP）分布特征

由图IA看出，日照市茶园土壤剖面中，TP含量范围为202. 97～2334. 49mg/kg，平均值672.50mg/kg。随剖面深度增加TP含量呈降低趋势。其中，0～20cm土层TP含量较高，总体在800mg/kg以上，在农业部关于茶叶产地环境技术条件中土壤肥力指标的三级标准中属于I级水平（>600mg/kg）。30～40cm土层快速降至500mg/kg左右，之后随深度增加缓慢降低，至60cm土层保持相对稳定（200～400mg/kg），属于Ⅲ级水平（<400mg/kg）。在自然环境相似、施肥方式相近（化肥+有机肥）的状况下，随植茶年限延长，TP含量呈增加趨势，即H03（30a）>H02（17a）>H01（6a），且在0～30cm土层表现最为明显。其中，植茶年限由6、17a延至30a，0～10cm土层TP含量由1288.06、1574.27mg/kg增至2334.49mg/kg，为所有土层深度中的最大值，接近I级标准的4倍。在自然环境相似、植茶年限相同（12a）的状况下，施用有机肥茶园（BOI）0～10cm土层TP含量明显高于施用化肥的茶园（B02），分别为1292.02、855.82mg/kg，之后随土层深度增加，二者差异不大。

由图IB看出，茶园土壤剖面Olsen-P含量范围为12.20～317.50mg/kg，平均值185.90mg/kg。除B02剖面外，Olsen-P在0～40cm土层含量较高，总体在150mg/kg以上，远高于茶园土壤肥力指标分级中的I级水平（>10mg/kg）。之后随土层深度增加，Olsen-P含量呈逐渐降低趋势，但均高于10mg/kg。在自然环境相似、施肥方式相近（化肥+有机肥）的状况下，随植茶年限延长，Olsen-P含量整体呈增加趋势，即H03（30a）>H02（17a》H01（6a）。在自然环境相似、植茶年限相同（12a）的状况下，施用有机肥茶园（BOI）0～20cm土层Olsen-P含量略高于施用化肥的茶园（B02）。

2.2茶园土壤剖面生物有效磷分布特征

2.2.1茶园土壤剖面中生物有效磷组分特征日照市茶园土壤剖面中，CaCl-P含量范围为0.03～46.60mg/kg，平均值6.22mg/kg（图2）。从垂直变化来看，CaCl2-P随深度增加呈降低趋势，0～20cm土层含量较高，多在10～20mg/kg之间，之后快速降低，50～70cm土层CaCl2-P含量降至3mg/kg以下。随植茶年限延长，CaCl2-P含量在全剖面增加，且在植茶30a时增加最为明显。其中，在0～10cm土层，由23.15mg/kg（6a）增加至46.60mg/kg（30a）。施肥方式对CaCl-P的影响主要表现在剖面上部（0～20cm），且施用有机肥茶园CaCl2-P含量高于施用化肥茶园。

Enzyme-P含量范围为0.15～60.07mg/kg，平均值14.33mg/kg。垂直方向上，Enzyme-P含量除在薄家口茶园土壤剖面10～20cm土层略高于0～10cm土层外，整体随深度增加逐渐降低，由30～40mg/kg（0～20cm）降至10mg/kg以下（40～70cm）。植茶年限和施肥方式对Enzyme-P影响与CaCl2-P一致。

Citrate-P含量范围为1.73～39.89mg/kg，平均值14.48mg/kg。垂直方向上，除在B01剖面呈波动变化外，Citrate-P随深度增加整体呈下降趋势。就植茶年限而言，植茶6a Citrate-P含量最高，整体在25～35mg/kg之间，植茶17a降至10mg/kg，之后缓慢增加。施用有机肥茶园0～20cm土层Citrate-P含量低于施用化肥茶园（BOIB02）。

HC1-P含量范围为3.73～294.64mg/kg，平均值76.39mg/kg。垂直方向上，HC1-P含量随深度变化的趋势因植茶年限不同有所差异：植茶6a，剖面不同深度HC1-P含量相对一致；植茶17a，HC1-P含量随深度增加呈先上升后降低趋势，30～40cm土层含量最高；植茶30a，HC1-P含量随深度增加呈缓慢降低趋势。随植茶年限延长，HC1-P含量呈先降低后增加趋势，植茶30a含量最高。施肥方式对HC1-P的影响整体与CaCl2-P、Enzyme-P一致，且主要表现在0～20cm土层。

2.2.2茶园土壤中生物有效磷组分的相对关系

茶园土壤中不同组分生物有效磷占比不同，总体表现见为HC1·-P>Enzyme-P>Citrate-P>CaCl2-P（图3）。其中，HC1-P含量占比最高，平均为63.84%，占生物有效磷总量的50%以上；CaCl2-P含量占比最低，平均为4.63%。垂直方向上，施用化肥+有机肥的茶园（H01、H02、H03）随剖面深度增加，CaC12-P、Enzyme-P与Citrate-P3种组分占比总体呈下降趋势，而HCl-P占比呈增加趋势；单施有机肥（BO1）或化肥（B02）的茶园土壤HC1-P占比呈先升高后降低趋势，其它3种生物磷组分占比变化趋势则与之相反。随植茶年限延长，CaCl-P与Enzyme-P占比呈先升高后降低趋势，Citrate-P逐渐降低，而HC1-P占比则呈先降低后增加趋势。与施用化肥茶园（B02）相比，施用有机肥茶园（BOI）土壤0～20cm土层CaCl21-P、Enzyme-P、HC1-P3种组分在生物有效磷总量中占比增加，而Citrate -P占比降低。

2.2.3茶园土壤剖面生物有效磷组分与有效磷（Olsen-P）的相关性如图4所示，各组分生物有效磷与Olsen-P呈显著或极显著正相关，表明4种形态磷素均为茶园土壤有效磷源。不同生物有效磷与Olsen-P相关系数的差异可以反映其生物有效性差异，即CaCl2-P（0.936）>Enzyme-P（0.800）>HCl-P（0.388）>Citrate-P（0.367）.

2.3茶园土壤剖面磷素与土壤基本理化性质相关性分析

对茶园土壤剖面不同形态磷素与土壤基本理化性质进行相关分析，结果（表2）显示：各形态磷素（除HC1-P外）与黏粒含量呈极显著负相关（P<0.01），与蔡观的研究结果一致。Enzyme -P与粉粒含量呈显著负相关（P<0.05），与砂粒含量呈显著正相关（P<0.05）。各形态磷素（除HC1-P外）与有机质含量呈极显著正相关（P<0.01）。各形态磷素与土壤pH值相关性不显著。

3讨论

摸清土壤磷素形态及有效性，对于加强茶园科学管理、提高磷素利用率、保证茶叶产量及品质，同时降低土壤磷淋失风险具有重要作用。本研究中，日照市茶园各土壤剖面TP含量范围为202. 97～2334. 49mg/kg，表层（0～20cm）含量较高，在800mg/kg以上，达到I级水平。随土层深度增加，TP含量呈下降趋势，50～70cm土层降至400mg/kg以下；Olsen-P含量范围为12.20～317.50 mg/kg，在0～40cm土层内保持较高水平，达150mg/kg以上，远高于I级水平（>10mg/kg）。随土层深度增加，Olsen-P含量呈下降趋势，但至60～70cm土层仍高于10mg/kg。随植茶年限延长，土壤剖面中TP和Olsen-P含量均呈增加趋势，且在0～20cm土层增加显著。施用有机肥茶园的表层土壤（0～20cm） TP和Olsen-P含量高于施用化肥茶园，且TP表现更为显著。前人研究表明，土壤磷的淋失临界值为45mg/kg。本研究中HO1、H02、H03全剖面和BO1、B02剖面上部（0～40cm） Olsen-P含量均超过该临界值，具有较高的淋失风险。尤其在植茶30a（H03）后，0～10cm土层Olsen-P含量高达317.5mg/kg，约为磷淋失临界值的7倍。

为更好地反映茶树对土壤磷素的利用情况，本研究利用DeLuca等基于生物利用磷素难易程度的分级方法（BBP）对日照市茶园土壤剖面磷素形态进行了分级。结果表明，茶园土壤剖面生物有效磷中CaCl2-P、Enzyme-P、Citrate-P、HC1-P含量范围分别为0.03～46.60、0.15～60.07、1.73～39.89、3.73～294.64mg/kg。除HC1-P外，其它3种生物有效磷随土层深度增加整体呈下降趋势。各土层中不同形态生物有效磷含量占比以HC1-P最高，Enzyme-P、Citrate-P次之，CaCl2-P最低，这与前人研究结果一致。土壤不同形态磷与有效磷的相关分析表明，其生物有效性大小为CaCl2-P>Enzyme-P>HCl-P>Citrate -P。其中，CaC12-P是易溶性和弱吸附的无机磷组分，植物可以通过根系直接截留，因此增加CaCl2-P含量可以提高土壤磷素利用效率，降低土壤磷素淋失风险。Citrate-P是可被柠檬酸萃取、有机酸络合或溶解的难溶性无机磷，随有机酸的释放进入土壤，从而成为植物可利用的磷，HC1-P是被盐酸提取的吸附在矿物表面或存在于无机（铁、铝或钙）沉淀物中的可溶性、活性和中等稳定性无机磷。胡怡凡等研究发现，与不种作物的土壤相比，作物（豆科作物与禾本科作物）收获后的土壤中Citrate-P和HCl-P含量均降低，原因主要是由于根系分泌有机酸活化利用了土壤中的这部分磷源。本研究中，随植茶年限延长，HCl-P呈先降低后增加趋势，这可能是由于茶树是多年生植物，早期茶树根系生长旺盛，分泌有机酸能力强，能较多地活化利用土壤中的HC1-P，后期生理活动减弱，有机酸分泌减少，对这一部分磷的活化利用率降低。施用有机肥可增加CaCl2-P、Enzyme-P与HCl-P含量。相关性分析表明，土壤基本理化性质中黏粒和有机质是影响土壤磷素组分的重要因素，与前人研究结论一致。土壤各形态磷素与pH值相关性不显著，与蔡观等研究的农田土壤中磷素与pH值呈显著正相关不同，这可能是由于后者研究对象为农田表层土壤且土壤类型、土地利用方式多样，pH值差异大．而本研究中为同一地区的茶园土壤剖面样品，土壤类型和土地利用方式一致、pH值差异较小所致。

2021年農业农村部发布的农业行业标准《生态茶园建设指南》指出，茶园生产要坚持生态优先和可持续发展。基于日照市茶园土壤剖面磷素形态分布特征，在茶园管理过程中，应根据不同种植年限茶树根系的生长特点，选择合适的施肥深度，促进根系对各层土壤磷素的高效利用，避免磷素在土壤上层过度累积。施肥种类以有机肥为主，增加绿肥的施用比例，以提高其生物有效性，增加易被植物吸收的CaCl2-P含量，加快磷素在土壤一植物系统中的迁移。对种植年限较长的茶园，结合土壤养分状况适量减少施肥量，保证茶叶产量和品质的同时降低土壤磷素淋失风险，保护茶园生态平衡，推动日照市茶产业的健康可持续发展。

4结论

（1）日照市茶园各土壤剖面TP含量范围为202.97～2334.49mg/kg，随土层深度增加呈降低趋势。随植茶年限延长，TP含量增加。施用有机肥茶园土壤TP含量高于施用化肥茶园，且在表层（0～20cm）更为显著。Olsen-P含量范围为12.20～317.50mg/kg，且在0～40cm土层内保持较高水平，达150mg/kg以上。随土层深度增加，Olsen-P含量呈下降趋势。随植茶年限延长，Ols-en-P呈增加趋势，且在表层（0～20cm）增加显著。尤其在植茶30a后，0～10cm土层Olsen-P含量高达317.5mg/kg，约为磷淋失临界值的7倍。施肥方式对Olsen-P的影响与TP一致。

（2）茶园土壤剖面生物有效磷CaCl2-P、En-zyme-P、Citrate-P、HCl-P含量范围分别为0.03～46.60、0.15～60.07、1.73～39.89 mg/kg和3.73～294.64mg/kg。除HCl-P外，其它3种生物有效磷随土层深度增加整体呈下降趋势。各土层不同形态生物有效磷含量占比以HCl-P最高，Enzyme-P、Citrate-P次之，CaCl2-P最低。土壤不同形态磷素与有效磷的相关分析表明，其生物有效性大小为CaCI2-P> Enzyme-P>HCl-P>Citrate-P。随植茶年限延长，CaCl2-P、Enzyme-P占比呈先增加后降低趋势，Citrate-P逐渐降低，HCl-P则呈先降低后增加趋势。施用有机肥茶园土壤CaCl2-P、Enzyme-P含量高于施用化肥茶园。

（3）土壤磷素形态及有效性受土壤黏粒、砂粒及有机质等基本理化性质以及植茶年限、施肥方式等人类活动的综合影响。在茶园管理中，应根据不同种植年限茶树根系的生长特点，选择合适的施肥深度，促进根系对各层土壤磷素的高效利用，避免磷素在土壤上层过度累积。以有机肥尤其是绿肥为主要肥料，增加CaCl2-P含量，加快磷素在土壤一植物系统中的迁移。对种植年限较长的茶园，适当减少施肥量，保证茶叶产量和品质的同时降低土壤磷素淋失风险。