梁裕華,曹 瑞,王芝慧,李旭清,王懷賓,馮忠娟,董慧慧,安文麗,武啟騫,楊萬勤

1 浙江農林大學林業(yè)與生物技術學院,杭州 311300 2 臺州學院生命科學學院,臺州 318000

臺風是發(fā)生在北太平洋西部的風力達到12級及以上的熱帶氣旋[1],是影響我國東南沿海地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的最重要干擾因子[2—3]。特別重要的是,在全球氣候變化情景下,臺風干擾的頻次和強度預計將逐漸增加[4],這可能會對臺風影響區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)產(chǎn)生更顯著的影響。理論上,臺風干擾可能通過多個途徑顯著影響土壤有機碳穩(wěn)定性和礦化過程,從而影響土壤碳吸存。臺風伴生的強降雨事件不僅會增加土壤含水量,改變土壤水分有效性[5],而且會造成土壤碳和養(yǎng)分淋溶流失,改變土壤養(yǎng)分有效性[6],從而改變土壤微生物群落結構與功能,影響土壤有機碳穩(wěn)定性和礦化過程。然而,有關臺風干擾對山地茶園土壤有機碳穩(wěn)定性和礦化過程的潛在影響尚未見報道。

土壤微生物熵是土壤微生物生物量碳與土壤有機碳的占比[7],能夠有效反映土壤微生物對有機碳同化與維持微生物呼吸需求之間的平衡關系[8],是指示土壤有機碳穩(wěn)定性和礦化潛力的敏感性指標[9—10]。普遍認為,土壤微生物熵受土壤微生物、氣候條件和土壤性質的綜合影響[8,11—12]。有研究表明,土壤微生物生物量是決定土壤微生物熵變化的關鍵因素[8—9];但也有研究認為,土壤溫、濕度和基質質量是調節(jié)土壤微生物熵的重要因子[8]。可見,有關土壤微生物熵的關鍵驅動因子的研究結果還具有很大的不確定性。臺風是沿海地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的最重要干擾因子,可能會通過伴生的強降雨事件增加土壤含水量和養(yǎng)分含量,刺激微生物生長[13],促使微生物同化更多的碳,導致土壤微生物熵增加;也可能因為強風暴雨使凋落物被帶走,土壤養(yǎng)分輸入量減少[14—15],造成微生物生物量減少和微生物熵降低。因此,深入研究土壤微生物熵對臺風干擾的響應有助于理解臺風干擾對土壤有機碳穩(wěn)定性和礦化過程的影響機制,為土壤有機碳庫管理提供科學依據(jù)。

茶是深受大眾喜愛的飲品,具有降脂、降血糖、降血壓、防癌和防治心血管疾病等功效[16—18]。茶葉作為我國主要的經(jīng)濟產(chǎn)物之一,茶葉產(chǎn)量和種植面積均為世界第一[19]。然而,受長期集約化-純茶園經(jīng)營的影響,山地茶園土壤普遍存在有機碳含量較低、土壤板結和養(yǎng)分虧缺等土壤生態(tài)問題[19—21]。同時,我國東南沿海山地既是龍井茶、鐵觀音和紅茶等品牌的茶葉產(chǎn)區(qū)[19],又是臺風干擾頻繁的區(qū)域[22—23]。例如,浙江省是我國東南沿海地區(qū)受臺風干擾次數(shù)較嚴重的省份之一[24],平均每年有5個臺風登陸或影響浙江省,且臺風強度和頻次有明顯增加的趨勢[25—27]。理論上,臺風干擾帶來的強風和強降雨對土壤溫濕度、土壤可溶性有機質、養(yǎng)分有效性等的影響可能在不同程度上影響土壤微生物群落結構和活性,最終影響土壤微生物熵。然而,有關臺風干擾如何影響茶園土壤有機碳穩(wěn)定性和礦化潛勢迄今缺乏相應的研究報道。另一方面,為了修復退化茶園土壤、防治病蟲害、提高土壤肥力和茶葉產(chǎn)量與品質,茶園經(jīng)營者常常采用林茶間作、茶豆間作、茶園養(yǎng)雞、施用微生物肥料等模式[28—31]。然而,這些茶園經(jīng)營管理模式對土壤有機碳穩(wěn)定性和礦化潛勢的影響以及這些模式的土壤有機碳穩(wěn)定性和礦化潛勢對臺風干擾的響應,也仍缺乏較為深入的研究。因此,為理解不同經(jīng)營模式茶園的土壤微生物熵對臺風干擾的響應是否存在差異,本文以浙江天臺山龍井茶茶園為研究對象,研究了2021年7月28日臺風“煙花”對不同經(jīng)營模式的茶園土壤微生物熵的影響,以期為浙江東南沿海山地茶園土壤碳庫管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省臺州市天臺縣天臺山(121°10′—121°15′E, 29°08′—29°11′N, 海拔587—899 m),屬于亞熱帶季風氣候,四季分明、降水豐富,年均氣溫17.0 ℃,年均日照總時數(shù)1756.3 h,年平均降水超過120 d,年降水量1185—2029 mm,多年平均降水量1632 mm[23, 32]。蒼山頂生態(tài)茶園位于天臺蒼山半山腰至山頂,該茶園于20世紀60、70年代在荒山荒坡上種植而成,面積約173 hm2,茶園生產(chǎn)的茶葉主要用于“浙江龍井茶”加工,現(xiàn)由天臺青云茶業(yè)有限公司經(jīng)營。為了改良和修復退化土壤、防治病蟲害、提高茶葉產(chǎn)量和品質,天臺青云茶業(yè)有限公司自2019年與臺州學院土壤生態(tài)與修復研究團隊合作,開展茶園土壤生態(tài)改良與提質增效技術研發(fā)與示范研究,進行了林茶間作、茶園養(yǎng)雞、微生物肥料應用等試驗示范。林茶間作、茶園養(yǎng)雞、微生物肥料應用和化肥應用等模式的土壤理化性質如表1所示。

表1 不同經(jīng)營模式茶園土壤理化性質Table 1 Soil physio-chemical properties of tea plantations under different management modes

1.2 實驗設置與樣品采集

2020年夏季在浙江省臺州市天臺縣蒼山頂生態(tài)茶園內,選擇傳統(tǒng)化肥經(jīng)營的純茶園(M0)、林茶間作(M1)、茶園養(yǎng)雞(M2)和施用微生物肥料的純茶園(M3)四種不同經(jīng)營模式的茶園為研究對象。在不同經(jīng)營模式的茶園內選擇長寬均為50 m,面積為2500 m2的地塊為研究樣地。傳統(tǒng)茶園施肥情況為每年1月份施加一次尿素,每100 m2茶園施加約4 kg尿素。M0是在傳統(tǒng)純茶園內選定樣地,其坡度為22°;M1的茶園中喬木行距間隔25 m,同一行喬木間距5 m,喬木的種植年限約為30年,M1坡度為18°,喬木郁閉度為15%;M2是2020年7月在傳統(tǒng)純茶園內使用高2 m的圍欄合圍長寬為50 m的研究樣地,并一次性投放300只生長40天的大黃雞,M2的坡度為8°;M3也是在傳統(tǒng)純茶園內選定樣地,于2021年3月和4月噴灑以芽孢桿菌為主的微生物培養(yǎng)液,每100 m2茶園每次噴灑450 g微生物肥料,時隔半個月噴灑一次,共4次,M3的坡度為11°。最后,在四種經(jīng)營模式茶園內,分別選擇3個相互間隔至少10 m,長寬均為10 m,面積為100 m2的地塊作為重復樣方。

2021年7月,根據(jù)臺風預警信息,于臺風來臨前一天(7月27日,T1)、臺風過境后一天(7月29日,T2)和臺風過境后7天(8月4日,T3)三個時期進行土壤樣品采集。在不同經(jīng)營模式茶園每個重復樣方內隨機選擇5個點使用土鉆按表層(0—10 cm)和亞表層(10—30 cm)土壤層次分別采集土壤樣品,混合裝入密封袋,迅速帶回實驗室。在實驗室內,去除土壤中動植物殘體和石礫后,過2 mm分樣篩,一半樣品用密封袋保存于4 ℃冰箱用于微生物生物量碳和可溶性有機碳含量測定;另一半放置于牛皮紙上,在室溫下自然風干后密封保存,用于土壤有機碳含量、土壤氮含量和土壤磷含量測定。

1.3 土壤樣品測定

土壤含水量采用烘干法測定;土壤容重采用環(huán)刀法測定;土壤pH值采用土∶水(1∶2.5)的方法測定[33];土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法,稱取0.01 g土樣,加入5 mL 0.8 mol/L的重鉻酸鉀溶液和5 mL硫酸溶液,230 ℃消煮15 min,用0.2 mol/L的硫酸亞鐵溶液滴定剩余重鉻酸鉀量,最后通過公式計算得出土壤有機碳含量[34];土壤可溶性有機碳含量采用硫酸鉀-重鉻酸鉀外加熱法測定,稱取5 g土樣,加入25 mL 0.5 mol/L的硫酸鉀溶液浸提30 min后過濾,取5 mL浸提液加入5 mL 0.018 mol/L的重鉻酸鉀-濃硫酸溶液,混勻后于179 ℃消煮10 min后,用0.2 mol/L硫酸亞鐵溶液滴定[35];土壤全氮含量參考譚波等[34]方法,稱取0.2 g土樣,加入一顆定氮片和10 mL濃硫酸過夜后于180 ℃消煮30 min,再經(jīng)350 ℃消煮1 h后,冷卻定容于100 mL容量瓶中,取濾液于連續(xù)流動分析儀(Bran+Luebbe AA3,德國)測定;土壤全磷含量采用連續(xù)流動分析法測定,稱取0.2 g土樣,加入5 mL濃硫酸和1 mL高氯酸混勻,180 ℃消煮30 min后,再于350 ℃消煮至澄清,冷卻后定容于100 mL容量瓶中,取濾液于連續(xù)流動分析儀(Bran+Luebbe AA3, 德國)測定。

土壤微生物生物量碳采用改進的氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法測定[33]。首先,分別稱取兩份5 g新鮮土壤樣品置于真空干燥器中,一份使用氯仿熏蒸24 h,另一份不經(jīng)氯仿熏蒸;完成熏蒸的樣品加入25 mL 0.5 mol/L的硫酸鉀溶液浸提過濾;然后取5 mL濾液于消煮管中,加入5 mL 0.018 mol/L重鉻酸鉀-濃硫酸溶液混勻后179 ℃消煮10 min,然后用0.2 mol/L硫酸亞鐵溶液滴定消煮液中剩余重鉻酸鉀含量,土壤微生物生物量碳為熏蒸土樣與未熏蒸土樣的差值。最后,通過土壤微生物量碳占有機碳的百分比來計算土壤微生物熵[9]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

通過SPSS 26.0軟件,采用單因素方差分析對臺風前后不同經(jīng)營模式茶園土壤有機碳含量、微生物熵、微生物生物量碳和可溶性有機碳含量進行差異顯著性檢驗;采用多因素方差分析檢驗經(jīng)營模式、臺風時期、土層及其交互作用對微生物熵、微生物生物量碳和可溶性有機碳含量的影響;采用Pearson相關分析,分析臺風前后土壤微生物熵、微生物生物量碳和可溶性有機碳含量與土壤理化性質之間的相關性。所有圖片基于R語言(4.0.4)中ggplot2包和Adobe Illustrator 2021軟件完成。

2 結果與分析

2.1 臺風對不同經(jīng)營模式茶園土壤有機碳含量的影響

不同經(jīng)營模式茶園的土壤有機碳含量的表現(xiàn)為M2>M1>M0>M3(圖1)。同時M0、M1和M3的表層土壤有機碳含量大于亞表層土壤有機碳含量,而M2亞表層土壤有機碳含量大于表層土壤有機碳含量。M2的表層土壤有機碳含量在臺風干擾下表現(xiàn)為先上升后下降,M3的亞表層土壤有機碳含量在臺風干擾下呈上升趨勢。不同經(jīng)營模式茶園土壤有機碳含量受臺風的影響程度因經(jīng)營模式而異。其中,在不同臺風時期M2的表層土壤有機碳含量差異顯著(P<0.05),其他經(jīng)營模式茶園無顯著差異;在不同臺風時期僅M3的亞表層土壤有機碳含量差異顯著(P<0.05),其他經(jīng)營模式茶園無顯著差異。M2在臺風過境后一天的表層土壤有機碳顯著最高,而M3在臺風過境后7天的亞表層土壤有機碳顯著最高。M2土壤有機碳含量對臺風響應最敏感,M3次之,M0和M1沒有響應。

2.2 臺風干擾對不同經(jīng)營模式茶園土壤微生物熵的影響

茶園土壤微生物熵隨著經(jīng)營模式、土層和臺風干擾及其相互作用而顯著變化(圖2)。不同經(jīng)營模式茶園的土壤微生物熵的表現(xiàn)為M3>M1>M0>M2。而且除M2外,M0、M1和M3表層土壤的微生物熵均大于亞表層土壤的微生物熵。M3的亞表層土壤微生物熵經(jīng)歷臺風后呈下降趨勢,而M1的亞表層土壤和M2兩個土層的土壤經(jīng)歷臺風干擾表現(xiàn)出一致的升高趨勢。不同經(jīng)營模式茶園土壤微生物熵對受臺風影響程度不同。其中,在不同臺風時期M2的表層土壤微生物熵差異顯著(P<0.05),其他經(jīng)營模式茶園無顯著差異;在不同臺風時期M1、M2、M3的亞表層土壤微生物熵均差異極顯著(P<0.01),M0無顯著差異。M1的亞表層土壤中臺風過境后7天的微生物熵顯著最高;M2的表層土壤中臺風過境后7天的土壤微生物熵顯著高于臺風來臨前一天,而其亞表層土壤中臺風過境后7天的土壤微生物熵顯著最高;M3在臺風來臨前一天的亞表層土壤中微生物熵顯著最高。M2微生物熵對臺風干擾響應更敏感,其次是M1和M3,M0最弱。

2.3 臺風干擾對不同經(jīng)營模式茶園土壤微生物生物量碳含量的影響

不同經(jīng)營模式茶園的土壤微生物生物量碳的表現(xiàn)為M3>M1> M0> M2(圖3)。同時M0和M1的表層土壤微生物生物量碳大于亞表層土壤微生物生物量碳,而M2和M3亞表層土壤微生物生物量碳大于表層土壤微生物生物量碳。M2的表層和亞表層土壤微生物生物量碳在臺風干擾下呈上升趨勢,M3的亞表層土壤微生物生物量碳在臺風干擾下是先下降后上升。不同經(jīng)營模式茶園土壤微生物生物量碳受臺風的影響程度因經(jīng)營模式而異。其中,在不同臺風時期M2的表層土壤微生物生物量碳差異顯著(P<0.05),其他經(jīng)營模式茶園無顯著差異;在不同臺風時期M3的亞表層土壤微生物生物量碳差異極顯著(P<0.01),M2差異顯著(P<0.05),其他經(jīng)營模式茶園無顯著差異。M2在臺風來臨前一天的表層微生物生物量碳顯著最低,而M2在臺風過境后一天的亞表層土壤微生物生物量碳顯著最低。M2微生物生物量碳對臺風響應最敏感,M3次之,M0和M1沒有響應。

圖3 2021年臺風“煙花”對浙江天臺山不同經(jīng)營模式茶園土壤微生物生物量碳的影響Fig.3 Effects of Typhoon "Fireworks" on soil microbial biomass carbon in tea plantations with different management modes in Tiantai Mountain, Zhejiang Province in 2021

2.4 臺風對不同經(jīng)營模式茶園土壤可溶性有機碳含量的影響

不同經(jīng)營模式茶園的土壤可溶性有機碳含量的表現(xiàn)為M2>M3>M0>M1(圖4)。同時M0和M1的表層土壤可溶性有機碳含量大于亞表層土壤可溶性有機碳含量,而M2和M3的亞表層土壤可溶性有機碳含量大于表層土壤可溶性有機碳含量。M0的亞表層土壤可溶性有機碳含量在臺風干擾下呈下降趨勢,但M1的亞表層土壤可溶性有機碳含量在臺風干擾下卻呈上升趨勢。在臺風來臨前M2的表層和亞表層土壤可溶性有機碳含量最高,M3的表層土壤可溶性有機碳含量最低,M1的亞表層土壤可溶性有機碳含量最低。不同經(jīng)營模式茶園土壤可溶性有機碳含量受臺風的影響程度也因經(jīng)營模式而異。其中,在不同臺風時期M0的表層土壤可溶性有機碳含量差異極顯著(P<0.01),M3模式差異顯著(P<0.05),其他經(jīng)營模式茶園無顯著差異;不同臺風時期M0和M1的亞表層土壤可溶性有機碳含量差異顯著(P<0.05),其他經(jīng)營模式茶園無顯著差異。M0在臺風過境后一天的表層土壤可溶性有機碳含量顯著最低,而其亞表層土壤中臺風過境后7天的土壤可溶性有機碳含量顯著低于臺風來臨前一天的土壤可溶性有機碳含量。M1在臺風來臨前一天的亞表層土壤可溶性有機碳含量顯著低于臺風過境后7天后土壤可溶性有機碳含量。M3在臺風過境后一天的表層土壤可溶性有機碳含量顯著高于臺風過境后7天的土壤可溶性有機碳含量。M0的可溶性有機碳含量對臺風干擾響應更敏感,M1和M3次之,M2最弱。

圖4 2021年臺風“煙花”對浙江天臺山不同經(jīng)營模式茶園土壤可溶性有機碳含量的影響Fig.4 Effects of Typhoon "Fireworks" on soil dissolved organic carbon concentration in tea plantations with different management modes in Tiantai Mountain, Zhejiang Province in 2021

2.5 茶園土壤微生物熵的關鍵驅動因子

經(jīng)營模式、臺風時期、土層及其相互作用均顯著影響了茶園土壤微生物熵(表2)。而對茶園土壤微生物生物量碳,經(jīng)營模式、臺風時期和土層有顯著影響。經(jīng)營模式,經(jīng)營模式與臺風的交互作用以及經(jīng)營模式、臺風時期和土層的交互作用顯著影響可溶性有機碳含量。土壤微生物熵與土壤微生物生物量碳為顯著正相關,而與土壤可溶性有機碳含量、溫度、有機質、土壤磷含量顯著負相關(表3)。同時,茶園土壤微生物生物量碳與土壤含水量、有機質、土壤氮含量為顯著正相關。土壤可溶性有機碳含量與土壤溫度、含水量、有機質表現(xiàn)為正相關性。

表2 臺風干擾對不同經(jīng)營模式茶園土壤微生物熵、微生物生物量碳和可溶性有機碳的影響Table 2 Effects of typhoon disturbance on soil microbial quotient, microbial biomass carbon and dissolved organic carbon of tea plantations under different management modes

表3 茶園土壤理化性質與微生物熵、微生物生物量碳、可溶性有機碳的相關性分析Table 3 Correlation analysis of soil physicochemical properties with soil microbial quotient, microbial biomass carbon and dissolved organic carbon in tea plantations

3 討論

3.1 不同經(jīng)營模式茶園對土壤有機碳穩(wěn)定性的影響

影響土壤有機碳穩(wěn)定性的因素有有機碳自身的分子結構性質、土壤生物和非生物因子都會影響土壤有機碳的穩(wěn)定性[36—37],例如土壤可溶性有機碳、土壤微生物、植被類型、土壤水分和溫度等。本項研究結果表明,土壤有機碳穩(wěn)定性會因經(jīng)營模式的不同而改變。有研究表明,在不同植被類型中微生物生物量碳在土壤有機碳中的百分比不同[11]。此外,土壤微生物熵還會因土地利用方式的不同而存在差異[12,38],因為土壤中凋落物形成以及微生物群落結構不同[39—41],導致土壤中有機碳的積累與微生物生物量碳同化存在差異[42],所以微生物熵隨之發(fā)生變化[43]。在本研究中,M2在臺風來臨前的微生物熵和土壤微生物生物量碳在四個經(jīng)營模式茶園中最低,可能是因為M2中的雞糞含有的較多腐殖質在酸性土壤中不易溶解[44],使微生物能吸收的碳減少,而土壤有機碳積累[45],導致微生物熵偏低。還有研究證明,土壤可溶性有機碳含量與土壤微生物熵具有密不可分的關系,因為土壤可溶性有機碳含量對土壤有機碳的形成、土壤有機碳穩(wěn)定性以及微生物群落結構有顯著影響[46—48]。本研究中臺風來臨前M2的土壤可溶性有機碳含量最高,但其土壤微生物熵最低,可能是土壤為維持碳庫穩(wěn)定而處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。另外,有研究表明環(huán)境因子也會對微生物熵的產(chǎn)生影響,例如土壤溫度,其可能是通過升高溫度使微生物更多地同化土壤中碳,使微生物生物量碳增加[46],從而提高了微生物熵。

3.2 不同經(jīng)營模式茶園土壤對臺風干擾的響應

在本研究中,M1、M2和M3的亞表層土壤微生物熵響應臺風干擾的程度顯著大于表層土壤,可能的原因是臺風的強降雨通過淋濾作用,將土壤上一部分的凋落物碎片和養(yǎng)分帶到了亞表層土壤中而被截留,通過微生物的分解與同化而使微生物熵對臺風做出響應。本研究結果表明,M2土壤微生物熵對臺風干擾更敏感。在不同的臺風時期茶園土壤微生物生物量碳都有上升的趨勢,可能原因是臺風帶來的降雨以及臺風過境后天氣轉暖,增加了土壤中水的可利用性和提高了土壤溫度,使微生物活性增加。其中,臺風干擾下M2的微生物熵和微生物生物量碳呈上升趨勢,可能原因是臺風帶來的強降雨降低了土壤的酸度促使土壤中有機碳更多的溶解而增加了微生物分解代謝所需的有機碳[44],微生物可利用碳的增加和溫度的作用使微生物生長,土壤微生物生物量碳提高,故而提高了土壤微生物熵。有研究表明,微生物活動容易受氣候變化的影響[49],而且溫度對土壤有機質和微生物的活性與生物量有顯著影響[10],從而導致土壤微生物熵變化。然而與M1和M2不同的是,在臺風干擾下M3的亞表層土壤微生物熵呈下降趨勢。M3噴灑的微生物肥料以芽孢桿菌為主,芽孢桿菌是一種對外界有害因子抵抗力強的細菌,它不僅耐旱耐高溫,而且還耐酸堿性[50]。因此,芽孢桿菌在偏酸性的茶園土壤中可能更適宜生存,噴灑了微生物肥料后土壤中的微生物群落優(yōu)勢物種可能發(fā)生了轉變,所以M3在不同臺風時期中的土壤微生物熵變化趨勢與其他經(jīng)營模式茶園不同。還可能是因為臺風強降雨把一部分微生物沖走,導致土壤微生物生物量碳降低,表層土壤的可溶性有機碳被截留在亞表層土壤增加了有機碳含量,從而使M3的土壤微生物熵降低。因此,證明臺風干擾會對不同經(jīng)營模式茶園土壤微生物熵影響程度不同,其對茶園土壤有機碳穩(wěn)定性造成一定的影響。

4 結論與展望

以往研究多關注不同經(jīng)營模式茶園對茶葉質量與產(chǎn)量,土壤的有機碳和養(yǎng)分的影響,但往往忽略臺風對茶園土壤造成的變化,和土壤微生物熵對臺風的響應。本文研究表明,為不同經(jīng)營模式茶園土壤碳對臺風的響應提供基礎。同時,臺風期間不同經(jīng)營模式茶園土壤微生物熵中茶園養(yǎng)雞和林茶間作的亞表層土壤趨勢一致,說明這兩種經(jīng)營模式茶園應對臺風的響應的效果有相似之處。不過,本研究對于茶園土壤微生物熵對臺風影響的長期響應還缺乏持續(xù)關注。因此,想要深入了解臺風對不同經(jīng)營模式茶園土壤微生物熵的長期影響,還需要進一步研究。