崔靜雅，顏明娟，吳曉榮，王慎強，倪 康，蔡祖聰，張金波*，程 誼*

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林地改為茶園對土壤凈硝化速率及N2O排放的影響①

崔靜雅1，顏明娟2，吳曉榮3，王慎強4，倪 康5，蔡祖聰6,7,8,9，張金波6,7,8,9*，程 誼4*

(1 南京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210023；2福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，福州 350013；3寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院，陜西寶雞 721013；4土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；5中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，杭州 310008；6南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京 210023；7虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室(南京師范大學(xué))，南京 210023；8江蘇省地理環(huán)境演化國家重點實驗室培育建設(shè)點，南京 210023；9江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210023)

以我國江南茶區(qū)(安徽、浙江)和華南茶區(qū)(福建)典型茶園土壤及各自相鄰的林地土壤為研究對象，在25oC和60%田間持水量條件下，通過28 d的室內(nèi)培養(yǎng)試驗，研究了林地改為茶園后對土壤凈硝化速率及N2O排放規(guī)律的影響。結(jié)果表明：安徽地區(qū)林地改種茶園顯著抑制了凈硝化速率；與安徽地區(qū)的林地和茶園土壤相比，浙江和福建地區(qū)林地和茶園土壤凈硝化速率很低(N，<0.2 mg/(kg·d))，且林地改為茶園后對土壤凈硝化速率沒有顯著影響。安徽地區(qū)植茶年限超過10 a的茶園土壤N2O累積排放量均顯著低于鄰近的林地土壤，而植茶年限為10 a的茶園土壤與鄰近的林地土壤差異不顯著。浙江和福建茶園土壤N2O累積排放量均高于各自對照的林地土壤。安徽地區(qū)土壤的N2O累積排放量與pH呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，這表明林地改為茶園后，隨著植茶年限的增加和氮肥的施用，pH降低抑制了凈硝化速率，進(jìn)而降低N2O排放。

種植年限；茶園；林地；凈硝化速率；N2O累積排放量

我國是傳統(tǒng)的茶葉種植大國。2013年，我國茶園種植面積為258萬hm2，產(chǎn)量為189萬t，種植面積和產(chǎn)量均占世界首位[1]。茶葉是我國重要的經(jīng)濟作物，在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、發(fā)展高效農(nóng)業(yè)和增加農(nóng)民收入方面起著舉足輕重的作用，在南方很多山區(qū)成為支柱產(chǎn)業(yè)。茶樹是典型的喜酸好鋁作物，能在pH為4.5 ~ 6.0的土壤中生長，其最適宜pH為5.5，因而適合在熱帶亞熱帶的酸性土壤中種植[2-3]。自然土壤植茶后，由于茶園自身物質(zhì)循環(huán)(即茶樹凋落物和修剪葉還園)和茶樹根系代謝，茶園土壤隨著植茶年齡的增加，pH顯著下降，鈣、鎂等鹽基離子和微量元素相對缺乏，而鋁、氟和多酚類物質(zhì)逐漸在茶園土壤中富集，形成了獨特的茶園土壤生態(tài)系統(tǒng)[4-6]。

早在20世紀(jì)初，人們已經(jīng)認(rèn)識到酸性土壤的硝化作用較弱，甚至缺失[7]。當(dāng)這些土壤開墾成為茶園后，其耐酸耐鋁毒、喜銨厭硝的特性無疑決定其與其他熱帶、亞熱帶生態(tài)系統(tǒng)存在不同的微生物以及氮循環(huán)特性。一方面，隨著茶園種植年限的增加，嚴(yán)重的土壤酸化和鋁毒極可能導(dǎo)致微生物活性和數(shù)量的下降，因而抑制硝化作用并降低N2O排放[8]；另一方面，長期大量施用氮肥又很可能促進(jìn)氨氧化細(xì)菌的生長及改善磷素營養(yǎng)狀況，進(jìn)而顯著地促進(jìn)硝化作用并提高N2O排放[9-10]。然而，目前仍不清楚林地改為茶園后，硝化作用究竟是被抑制還是刺激？茶樹是典型的喜銨厭硝植物，顯然，土壤硝化作用不利于茶樹對氮素的吸收利用。目前，我國茶園氮肥施用量最高可達(dá)N 2 600 kg/hm2，主要產(chǎn)茶區(qū)平均達(dá)N 553 kg/hm2，且有不斷增加的趨勢[11]，這不僅會引起茶園土壤酸化、氮肥利用率下降，還會造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，比如地表水體富營養(yǎng)化、地下水硝酸鹽累積[12-13]和溫室氣體N2O排放增加[14]等。因此，迫切需要不斷深化茶園土壤氮素循環(huán)及其環(huán)境效應(yīng)的研究。

本研究以我國江南茶區(qū)和華南茶區(qū)典型茶園土壤及其鄰近的林地土壤為研究對象，采取室內(nèi)培養(yǎng)試驗，研究林地改為茶園對茶園土壤的凈硝化速率及N2O排放規(guī)律的影響，為茶園合理施肥和減少溫室氣體的排放提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試茶園土壤分別采自安徽省宣城市(119o08′E, 30o59′N)、浙江省杭州市(120o09′E, 30o14′N)和福建省建甌市(119o32′E, 27o27′N)的耕層土壤。安徽省宣城市、浙江省杭州市、福建省建甌市茶園土壤分別發(fā)育于第四紀(jì)紅色黏土、石灰?guī)r和花崗巖。在安徽采集植茶10、20、30、40、60 a的土壤(分別記為AH10、AH20、AH30、AH40、AH60)，在浙江采集植茶15、50、100 a的土壤(分別記為ZJ15、ZJ50、ZJ100)，在福建采集植茶22、35 a的土壤(分別記為FJ22、FJ35)，同時采集附近同一母質(zhì)并具有相似地形地貌特征的林地土壤作為對照，安徽、浙江和福建森林土壤分別記為AHCK、ZJCK和FJCK。同一地區(qū)的茶園每年施肥時間和施肥用量基本是相同的，安徽茶園在每年2月中旬、5月下旬和7月上旬分別施用尿素-N 225、150和150 kg/hm2，在10月底前后施用有機肥-N 138 kg/hm2和復(fù)合肥-N 112.5 kg/hm2；浙江茶園在每年的2月和5月施用尿素-N 225 kg/hm2或硫酸銨-N 225 kg/hm2，在9月或10月施用有機肥-N 103.5 kg/hm2或復(fù)合肥-N 120 kg/hm2；福建茶園只在每年11月施用復(fù)合肥-N 114 kg/hm2。每種土壤取3個空間重復(fù)樣品之后混勻，采樣深度為0 ~ 20 cm。新鮮樣品采集后，盡快運回實驗室，過2 mm篩后于4oC保存?zhèn)溆?。供試土壤的理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤的理化性質(zhì)

注：表中同列不同小寫字母表示同一區(qū)域的不同土壤pH間差異達(dá)到<0.05顯著水平。

1.2 試驗方法

對于每種土壤，稱取相當(dāng)于20 g干土重的新鮮土樣于一組250 ml的三角瓶中，每組設(shè)置3個重復(fù)，25oC室內(nèi)預(yù)培養(yǎng)1 d。然后向每個三角瓶中加含N 100 mg/kg的(NH4)2SO4溶液1 ml，用移液管均勻滴入，以盡可能均勻分布于土壤。同時加入蒸餾水，調(diào)節(jié)土壤含水量至60%田間持水量。用硅膠塞將三角瓶密封，繼續(xù)在25oC下恒溫培養(yǎng)28 d，每天去塞通氣1 h左右，每3 d補水1次以補充因蒸發(fā)導(dǎo)致的水分損失。

培養(yǎng)第1、3、5、7、10、14、21、28天采集氣體樣品。采集氣體樣品之前，需要提前24 h進(jìn)行換氣密封。換氣前用南大704硅膠將硅膠塞與三角瓶的空隙密封好，待硅膠干燥之后，用真空泵抽取三角瓶中的氣體30 s，接著通入新鮮空氣，使三角瓶中的氣體與外界的氣體平衡，再次進(jìn)行上述操作，如此反復(fù)3次，確保三角瓶中充滿新鮮的空氣。在最后一次通入空氣時，采集此時的空氣于20 ml的真空瓶中，作為初始?xì)怏w濃度，記錄采樣時間。密封培養(yǎng)24 h之后，隨機取出3個土壤樣品作為重復(fù)，用注射器抽氣5次以確保三角瓶上的氣體充分混勻，立即采集20 ml的氣體，注入20 ml的真空瓶中用于測定N2O的濃度。

同時，分別在添加氮肥后的第7、14、21、28天，隨機取出3個土壤樣品作為重復(fù)，按液土比5︰1向三角瓶中加入100 ml的2 mol/L KCl溶液，振蕩，過濾，收集濾液于塑料瓶中，并于4oC下低溫保存用于測定土壤中NO– 3-N濃度。

1.3 測定項目與方法

土壤pH用電位法(水土比為2.5︰1)測定；KCl溶液提取后的濾液用Skalar連續(xù)流動分析儀測定NO– 3- N濃度；N2O濃度用氣相色譜儀(Agilent Technologies 7890A)測定。

1.4 計算方法及數(shù)據(jù)處理

凈硝化速率計算公式為：

式中：為凈硝化速率(N，mg/(kg·d))；[NO– 3]2和[NO– 3]1分別是培養(yǎng)2d和1d時NO– 3的含量(N，mg/kg)。

N2O排放速率計算公式為:

式中：為氣體的排放速率(N，μg/(kg·d))；為標(biāo)準(zhǔn)狀況下N2O的密度(N，kg/m3)；dd為單位時間內(nèi)三角瓶內(nèi)氣體濃度增加量(mg/(L·d))；代表三角瓶中氣體的有效空間體積(ml)；代表培養(yǎng)溫度(oC)，代表干土的質(zhì)量(kg)。兩次排放通量測定間隔時間內(nèi)的N2O排放量用兩次測定的平均排放通量乘以時間間隔計算。在某一培養(yǎng)時段的N2O總的排放量則為N2O累積排放量。

文中給出的pH、凈硝化速率和N2O排放數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。采用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)性分析，用Duncan(SSR)方法分析處理間平均數(shù)在<0.05和<0.01水平的差異顯著性，用Origin軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH

如表1所示，林地和茶園土壤都呈現(xiàn)比較低的pH，均處于3.54 ~ 4.71，茶園土壤的pH基本都小于各自鄰近的林地土壤。這表明，林地改為茶園后，土壤pH降低。

2.2 凈硝化速率

如圖1所示，林地改為茶園之后對硝化作用的影響因地區(qū)而有所差別。在安徽地區(qū)，土壤凈硝化速率的順序為AHCK>AH10>AH60>AH30>AH20>AH40，這表明，林地改為茶園抑制了硝化作用的進(jìn)行。相關(guān)性分析表明安徽茶園土的凈硝化速率與土壤pH呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(2=0.93，<0.01)。在浙江和福建地區(qū)，土壤硝化作用微弱，凈硝化速率均小于0.2 mg/(kg·d)，并且茶園土壤和各自鄰近的林地土壤之間無顯著差異，這表明，林地改為茶園之后對土壤凈硝化速率沒有顯著影響。

2.3 N2O排放

如圖2所示，N2O累積排放量隨培養(yǎng)時間的延長而逐漸增加，林地改為茶園后對N2O累積排放量的影響因地區(qū)差異而有所不同。在安徽地區(qū)，培養(yǎng)28 d后，林地土壤的N2O累積排放量均高于植茶年限超過10 a的茶園土壤，但低于植茶年限為10 a的茶園土壤。在浙江地區(qū)，28 d的N2O累積排放量以ZJ50最高(114.64 μg/kg)，ZJ15僅次之(97.51 μg/kg)，ZJ100最低(32.82 μg/kg)，分別為ZJCK的4.35倍、3.70倍和1.24倍，這表明浙江地區(qū)的林地改為茶園之后強烈地刺激了N2O排放。同樣地，在福建地區(qū)，培養(yǎng)28 d后，F(xiàn)J22和FJ35 N2O累積排放量分別為FJCK的4.08倍和3.29倍，這表明福建地區(qū)的林地改為茶園之后刺激了N2O排放。相關(guān)性分析表明安徽土壤的N2O累積排放量與土壤pH呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(2=0.873,<0.05)。

3 討論

本研究表明，林地改為茶園后，土壤pH降低，這與前人的研究結(jié)果相一致[15-16]。這主要是因為：林地改為茶園后，為了滿足高品質(zhì)茶葉的需求，人們大量施用銨態(tài)氮肥，銨態(tài)氮是硝化過程的底物，長期施用可以刺激氨氧化細(xì)菌從而促進(jìn)硝化，硝化致酸，從而降低土壤pH[17-18]；其次，茶樹根系分泌大量蘋果酸、檸檬酸、草酸等有機酸和多酚類物質(zhì)，對鋁具有很強的絡(luò)合能力，促進(jìn)了固定態(tài)鋁的活化，活化的鋁可以吸附羥基或與H+交換，這些均可導(dǎo)致土壤酸化；另外有機酸通過羧基解離H+，提供土壤酸化的H+[19]。

硝化作用是指在微生物的作用下銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的過程。研究表明，對于中性和堿性土壤，大量施用銨態(tài)氮肥可以刺激氨氧化細(xì)菌的生長，從而提高硝化速率[9,10,18,20-21]，而對于酸性土壤，施用氮肥大量刺激了氨氧化古菌的生長[22-23]。對酸性茶園土壤的研究也證實自養(yǎng)硝化主要是由氨氧化古菌完成的[24]，這表明施用氮肥刺激自養(yǎng)硝化作用主要是由于氨氧化古菌種群的增加引起的[25]。與此不同，本研究中安徽地區(qū)的林地改為茶園后反而抑制了土壤凈硝化速率。一般而言，土壤pH是影響硝化作用的關(guān)鍵因子之一[26-28]，提高pH可以刺激硝化而酸化則抑制硝化[29-31]。本研究表明安徽茶園土的凈硝化速率與土壤pH呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，這意味著林地改為茶園后pH下降是導(dǎo)致凈硝化速率降低的原因之一。那么這也意味著氮肥對硝化的刺激作用已經(jīng)被pH下降引起的抑制作用所完全抵消。然而，本研究中浙江和福建茶區(qū)林地和茶園土壤凈硝化速率均已經(jīng)接近于零，且林地改為茶園卻對土壤凈硝化速率沒有影響。先前的研究已經(jīng)證實pH低于5的土壤較難發(fā)生微生物氧化銨態(tài)氮為硝態(tài)氮過程[32]。本研究中浙江和福建茶區(qū)林地和茶園土壤pH均低于5，可見，低pH已經(jīng)抑制了這兩個茶區(qū)的土壤硝化速率，以致硝化過程基本缺失，不再受植茶年限和氮肥的影響。

本研究表明，安徽茶區(qū)林地改為茶園抑制了土壤N2O排放，而浙江和福建茶區(qū)則相反。土壤中N2O排放主要來源于硝化作用和反硝化作用[33-36]，本研究是在好氧的條件下進(jìn)行的，硝化可能是N2O排放的主要來源[37-38]。本研究表明，安徽茶區(qū)林地改為茶園抑制了凈硝化速率，這很好地解釋了林地改為茶園抑制土壤N2O排放。但是，對于浙江和福建茶區(qū)，土壤凈硝化速率基本為零，因此無法通過凈硝化速率分析林地改為茶園強烈地刺激了N2O排放的原因。好氧條件下，凈硝化是初級硝化和硝態(tài)氮同化過程綜合作用的結(jié)果[39]。浙江和福建茶區(qū)林地和茶園土壤有可能出現(xiàn)閉合的硝態(tài)氮循環(huán)，即初級硝化速率與硝態(tài)氮同化速率相等，因而凈硝化速率為零。前人的研究發(fā)現(xiàn)土壤中NH4+和NO– 3濃度很低，并不表明土壤中沒有發(fā)生礦化和硝化過程，可能只是因為礦化和硝化產(chǎn)生的NH4+和NO– 3已經(jīng)被微生物同化所抵消[40-41]。可見，浙江和福建茶區(qū)林地改為茶園可能已經(jīng)提高了土壤初級硝化速率進(jìn)而促進(jìn)N2O排放，只是同步提高了初級硝態(tài)氮同化速率，最終表現(xiàn)出來林地改為茶園對凈硝化沒有影響但促進(jìn)N2O排放。因此，將來的研究需要利用15N同位素稀釋法結(jié)合管道漏氣模型測定土壤的初級硝化速率，并準(zhǔn)確區(qū)分茶園土壤的N2O來源[42]。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，林地改為茶園后，土壤pH降低。林地改為茶園對土壤的硝化作用和N2O排放規(guī)律的影響因地區(qū)差異而有所不同。安徽林地改為茶園顯著抑制了凈硝化速率和土壤N2O累積排放量；浙江和福建林地改為茶園大量刺激了N2O排放，但對凈硝化速率無明顯影響?？梢?，林地改為茶園后土壤凈硝化速率降低或者缺失，將降低土壤硝態(tài)氮累積，進(jìn)而可能減少硝態(tài)氮淋溶和徑流損失的風(fēng)險。因此本研究預(yù)測即使在熱帶亞熱帶地區(qū)多雨的條件下，茶園土壤硝態(tài)氮損失依然可能較少。

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Effects of Woodland Transforming into Tea Garden on Soil Net Nitrification Rate and N2O Emission

CUI Jingya1, YAN Mingjuan2, WU Xiaorong3, WANG Shenqiang4, NI Kang5, CAI Zucong6,7,8,9, ZHANG Jinbo6,7,8,9*, CHENG Yi4*

(1 School of Environment, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China; 2 Institute of Soil and Fertilizer, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou 350013, China; 3 College of Geography and Environment, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji, Shaanxi 721013, China; 4 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 5 Tea Research Institute, Chinese Academy of Agriculture Sciences, Hangzhou 310008, China; 6 School of Geographic Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China; 7 Key Laboratory of Virtual Geographic Environment (Nanjing Normal University), Ministry of Education, Nanjing 210023, China; 8 State Key Laboratory Cultivation Base of Geographical Environment Evolution (Jiangsu Province), Nanjing 210023, China; 9 Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China)

An incubation experiment at 25oC and 60% water holding capacity was conducted to investigate soil net nitrification rate and N2O emission in typical tea gardens and adjacent woodlands in Anhui, Zhejiang and Fujian provinces. The results indicated that woodland transforming into tea garden significantly decreased soil net nitrification rates in Anhui Province, whereas soil net nitrification rates in tea gardens and adjacent woodlands in Zhejiang and Fujian provinces were very low (N , <0.2 mg/(kg·d)), and were insignificantly different between tea gardens and woodlands. In Anhui Province, soil cumulative N2O emissions over the 28-day incubation in tea gardens with 10 years more of plantation ages were significantly lower than adjacent woodlands, while there was no difference in soil cumulative N2O emission between tea garden with 10 years of plantation and adjacent woodland. In Zhejiang and Fujian provinces, soil cumulative N2O emissions over the 28-d incubation in tea gardens were higher than adjacent woodlands. Soil cumulative N2O emission had significant positive correlation with pH value in Anhui Province, which indicates that woodland transformed into tea garden decreases soil pH, and thus decreases soil net nitrification rate and N2O emission in Anhui Province.

Planting ages; Tea garden; Woodland; Soil net nitrification rate; Soil cumulative N2O emission

10.13758/j.cnki.tr.2017.04.015

S153

A

國家自然科學(xué)基金項目(41671231，41571294)、國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFD0800103，2017YFD0200106)和土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室開放課題(Y412201421)資助。

(zhangjinbo@njnu.edu.cn; ycheng@issas.ac.cn)

崔靜雅(1992—)，女，江蘇南通人，碩士研究生，主要研究方向為土壤氮素循環(huán)及其環(huán)境效應(yīng)。E-mail: cuijingya04@163.com