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Vertical distribution characteristics of N2O emission in tea garden and its adjacent woodland.

茶园及相邻林地土壤N2O排放的垂直分布特征


对茶园及相邻林地土壤N2O排放的垂直分布特征进行研究.结果表明: 在0~100 cm土层,茶园和林地土壤全氮(TN)、N2O排放速率及积累量均随着土层增加而减少,且茶园均值大于林地.土壤pH、TN、水溶性有机氮(WSON)、微生物生物量氮(MBN)、NO3--N及NH4+-N含量随着土层增加总体呈下降趋势,茶园各土层TN、WSON、MBN、NO3--N及NH4+-N含量显著大于林地,而不同土层pH值均小于林地.茶园和林地土壤N2O排放速率与TN、MBN及NH4+-N含量呈显著正相关,而与pH相关性不显著.茶园土壤N2O排放速率与NO3--N含量的相关性显著,与WSON的相关性不显著,而在林地土壤中呈相反趋势.0~100 cm土层内茶园 WSON/SON和N2ON/MBN平均值大于林地,而MBN/SON平均值小于林地.这表明茶园土壤氮库有较高的代谢效率,N2O排放速率较高,不利于土壤氮库的储量积累,也不利于维持土壤质量和持续利用的潜力.

In this study, we determined the vertical distribution of N2O emission rates in tea soils and its adjacent woodland soils. The results showed that total nitrogen contents, N2O fluxes and cumulative emissions in the tea garden and woodland decreased with the increasing depth of the soil layer, and their average values were greater in tea garden than in woodland. Generally, pH, soil water soluble organic nitrogen (WSON), soil microbial biomass nitrogen (MBN),  NO3--N and NH4+-N contents had a downward trend with the increasing depth of soil layer. The WSON, MBN, NO3--N and NH4+-N contents from each soil layer were greater in tea garden than in woodland, but the pH value in tea garden was lower than that in woodland. The N2O emission rate was significantly positively related with TN, MBN and NH4+-N contents, but not with pH value. The N2O emission rate was significantly correlated with WSON content in woodland, but not in tea garden. The N2O emission rate was significantly correlated with NO3--N concentration in tea garden, but not in woodland. WSON/TN and N2ON/SMBN were averagely greater than in tea garden in woodland, and SMBN/TN was opposite. These results indicated that tea soil was not conducive to accumulate nitrogen pool, maintain soil quality and its sustainable use compared to woodland.


全 文 :茶园及相邻林地土壤 N2O排放的垂直分布特征

范利超  韩文炎∗∗  李  鑫  李治鑫
(中国农业科学院茶叶研究所, 杭州 310008)
摘  要  对茶园及相邻林地土壤 N2O排放的垂直分布特征进行研究.结果表明: 在 0~100 cm
土层,茶园和林地土壤全氮(TN)、N2O排放速率及积累量均随着土层增加而减少,且茶园均值
大于林地.土壤 pH、TN、水溶性有机氮(WSON)、微生物生物量氮(MBN)、NO3
-⁃N及 NH4
+⁃N含
量随着土层增加总体呈下降趋势,茶园各土层 TN、WSON、MBN、NO3
-⁃N及 NH4
+⁃N含量显著大
于林地,而不同土层 pH值均小于林地.茶园和林地土壤 N2O 排放速率与 TN、MBN 及 NH4
+ ⁃N
含量呈显著正相关,而与 pH相关性不显著.茶园土壤 N2O排放速率与 NO3
- ⁃N含量的相关性
显著,与 WSON的相关性不显著,而在林地土壤中呈相反趋势.0 ~ 100 cm 土层内茶园 WSON /
SON和 N2O⁃N / MBN平均值大于林地,而 MBN / SON平均值小于林地.这表明茶园土壤氮库有
较高的代谢效率,N2O排放速率较高,不利于土壤氮库的储量积累,也不利于维持土壤质量和
持续利用的潜力.
关键词  全氮; 水溶性有机氮; 微生物生物量氮; 铵态氮; 硝态氮; N2O
文章编号  1001-9332(2015)09-2632-07  中图分类号  Q493.8; S571.1  文献标识码  A
Vertical distribution characteristics of N2O emission in tea garden and its adjacent woodland.
FAN Li⁃chao, HAN Wen⁃yan, LI Xin, LI Zhi⁃xin (Tea Research Institute, Chinese Academy of Ag⁃
ricultural Science, Hangzhou 310008, China) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(9): 2632-2638.
Abstract: In this study, we determined the vertical distribution of N2O emission rates in tea soils
and its adjacent woodland soils. The results showed that total nitrogen contents, N2O fluxes and cu⁃
mulative emissions in the tea garden and woodland decreased with the increasing depth of the soil
layer, and their average values were greater in tea garden than in woodland. Generally, pH, soil
water soluble organic nitrogen (WSON), soil microbial biomass nitrogen (MBN), NO3
- ⁃N and
NH4
+ ⁃N contents had a downward trend with the increasing depth of soil layer. The WSON, MBN,
NO3
- ⁃N and NH4
+ ⁃N contents from each soil layer were greater in tea garden than in woodland, but
the pH value in tea garden was lower than that in woodland. The N2O emission rate was significantly
positively related with TN, MBN and NH4
+ ⁃N contents, but not with pH value. The N2O emission
rate was significantly correlated with WSON content in woodland, but not in tea garden. The N2O
emission rate was significantly correlated with NO3
- ⁃N concentration in tea garden, but not in wood⁃
land. WSON / TN and N2O⁃N / SMBN were averagely greater than in tea garden in woodland, and
SMBN / TN was opposite. These results indicated that tea soil was not conducive to accumulate nitro⁃
gen pool, maintain soil quality and its sustainable use compared to woodland.
Key words: total nitrogen; water soluble organic nitrogen; soil microbial biomass nitrogen; NH4
+⁃N;
NO3
-⁃N; N2O.
∗国家自然科学基金面上项目(41171218)、中国农业科学院创新团
队和浙江省茶产业重点创新团队项目(2011R50024)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: hanwy@ tricaas.com
2014⁃11⁃11收稿,2015⁃05⁃04接受.
    氧化亚氮(N2O)可以参与各种光化学反应破坏
臭氧层,其增温势能大约是 CO2 的 296 倍、CH4的 4
倍,是地球上重要的温室气体之一.土壤是众多 N2O
排放源的主要来源之一,占大气 N2O 总排放量的
65%[1] .土壤氮库不仅在维持土壤氮素肥力方面有
重要意义,而且直接决定着土壤的供氮能力[2] .铵态
氮(NH4
+ ⁃N)和硝态氮(NO3
- ⁃N)被认为是土壤 N2O
排放的最直接影响因子,是土壤硝化作用和反硝化
作用的底物.同时,土壤水溶性有机氮(soil water so⁃
应 用 生 态 学 报  2015年 9月  第 26卷  第 9期                                                           
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2015, 26(9): 2632-2638
luble organic nitrogen,WSON)和微生物生物量氮
(microbial biomass nitrogen,MBN)是土壤氮库的重
要活性成分及植物养分的重要来源,也对土壤 N2O
的排放产生重要影响.WSON 可以提高土壤生物活
性,改善土壤肥力,同时可以随水流失,造成土壤氮
素的淋失和环境污染[3-4] .MBN 是土壤氮库有生命
活性的成分,对土壤条件变化非常敏感,是土壤质量
的重要指标[5-6] .
茶树主要分布在亚热带丘陵地区,是我国重要
的经济产物.近年来,茶农对茶叶品质和产量的过度
追求,大量施用氮肥,使茶园土壤氮素逐年积累[7-9] .
有研究表明,茶园土壤有较高的硝化和反硝化作用,
是土壤 N2O排放的重要源[10
-11] .近年对茶园 N2O排
放的研究较多,如 Han 等[12]研究表明,高产茶园
N2O⁃N年排放量分别是中产和低产茶园的 2.6 和
7􀆰 2倍.薛冬等[7]研究表明,8、50 和 90 年茶园土壤
的净硝化量分别是荒地的 7.4、11.3 和 9.9 倍.Huang
等[11]和林衣东等[13]研究表明,施用氮肥可以显著
增加茶园 N2O的排放速率.目前,对茶园氮素和 N2O
排放的垂直分布特征鲜见报道.因此,本文以林地为
对照,研究茶园土壤全氮、水溶性有机氮、微生物生
物量氮、铵态氮、硝态氮和 N2O 排放的垂直分布特
征,为茶园合理施肥及减少温室气体排放提供科学
参考.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
本试验土样采于杭州中国农业科学院茶叶研究
所(30°14′ N,120°09′ E)的试验区高产茶园和相邻
林地.试验区处于亚热带季风气候区,全年气候温和
湿润,年平均气温 17.0 ℃,最低气温出现在 1 月,为
1.7 ℃,最高气温出现在 7 月,为 33.0 ℃ .年降雨量
为 1533 mm,降雨主要集中在 3—7 月,这也是茶树
生长的主要季节.试验茶园由林地改植而成,茶树品
种为‘龙井 43’,树龄为 40年左右,西湖龙井茶叶产
量为 280 kg·hm-2·a-1,施 N(主要为尿素)量为
900 kg N hm-2·a-1,有机肥(厩肥或饼肥)施用量为
2250 kg·hm-2·a-1,茶园每年秋季进行一次轻修
剪,间隔 3~4 年重修剪一次,修剪枝叶保留在茶园
里.林地不施肥,主要为木荷(Schima superba)、樟树
( Cinnamonum camphora ) 和 苦 槠 树 ( Castanopsis
sclerophylla)的混交林.供试土壤的成土母质为安山
斑岩,土壤为红壤.
1􀆰 2  样品采集与处理
土壤样品采集于 2014年 6月中旬,采用土钻按
“S”型分层采集茶园和林地土壤,每层为 7 ~ 8 点混
合样,重复 3 次.分 0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、
60~80和 80~100 cm 6层取样.采集的土样迅速带回
实验室,过 2 mm 筛后装入密封袋,储存于 4 ℃冰
箱,用于室内培养和水溶性氮、微生物生物量氮、硝
态氮及铵态氮含量的测定.土壤微生物生物量氮测
定前在温度 25 ℃、相对湿度 85%的恒温恒湿培养
箱中预培养一周.部分样品自然风干测定土壤 pH,
另一部分研磨后过 0.154 mm筛,用于土壤全氮含量
测定.挖取 3个土壤剖面,测定土壤容重.
1􀆰 3  N2O的排放试验及测量方法
将茶园和林地的新鲜过筛土壤含水量调节为田
间持水量的 60%.取土样 10 g(以干质量计)于 100
mL三角瓶中,用橡皮塞将三角瓶密封,每个样地每
层土样共有 12个培养瓶放入 25 ℃恒温培养箱中培
养.另有 3个无土样培养瓶测定空气中 N2O 浓度.在
培养期间,分别在第 1、3、7、14天随机取出不同样地
各土层中的 3个三角瓶,用 15 mL 负压储血真空管
抽取气体样,用于测定 N2O的排放速率.真空管内的
N2O浓度用气相色谱仪测定(GC⁃14A,日本岛津),
检测器为 63Ni 电子捕获器(ECD),色谱填充柱为
80 / 100目 Porapak Q,载气为甲烷⁃Ar混合气[13] .
1􀆰 4  分析方法
土壤全氮和有机碳采用 VarioMax CN 自动分析
仪(Elementar公司,德国)测定.土壤 pH值使用玻璃
电极法(DRION 3 STAR pH 计,Thermo 公司,美国)
测定(土液比 1 ∶ 1).土壤含水量采用过筛后土样烘
干法[(105±2) ℃,24 h]测定.土壤田间持水量采用
容量法测定[14],土壤容重采用环刀法测定,土壤微
生物生物量氮采用氯仿熏蒸⁃K2SO4提取法测定[15],
土壤水溶性总氮含量采用 TOC 分析仪(multi N / C
2100, Analytikjena公司,德国)测定(浸提剂去离子
水,土液比 1 ∶ 5,振荡 30 min),硝态氮和铵态氮含
量用流动注射分析仪(Flow Access 12.0, 荷兰 Ska⁃
kar公司)测定(浸提剂 0.02 mol·L-1 CaCl2 溶液,土
液比 1 ∶ 1,振荡 45 min) [16] .土壤水溶性有机氮含量
为土壤水溶性总氮与铵态氮和硝态氮之和的差值.
1􀆰 5  数据处理
采用 IBM SPSS 19.0软件单因素方差分析(one⁃
way ANOVA)对 N2O 排放量、水溶性有机氮和微生
33629期                        范利超等: 茶园及相邻林地土壤 N2O排放的垂直分布特征           
物生物量氮等进行方差分析,相同样地不同土层间
比较用最小显著差数法(LSD),不同样地相同土层
间比较采用独立样本 t检验(α = 0.05).土壤 N2O 排
放速率均值为培养期间 N2O 积累量与培养天数的
商值.用 SigmaPlot 12. 0 软件进行相关性分析及作
图.图表中数据为平均值±标准差.
2  结果与分析
2􀆰 1  土壤全氮及氮储量分配比例
由表 1 可知,茶园和林地土壤全氮含量均随土
层的增加而减少,且茶园各土层全氮含量均显著大
于林地.在 0~100 cm 土层内,茶园全氮含量均值为
1.16 g·kg-1,是林地的 2 倍.与全氮分布规律相似,
茶园和林地全氮储量分配比例随土层的增加而减
少,但是二者分配比例大小不同.例如,在 0 ~ 10 cm
土层,茶园全氮储量分配比例为 42.5%,显著大于林
地(38.0%),而在 10 ~ 20 cm 土层,茶园为 21􀆰 3%,
显著小于林地(24.5%).茶园土壤 C / N 比值显著小
于林地,且各土层比例大小基本相同.
2􀆰 2  土壤铵态氮、硝态氮、水溶性有机氮、微生物生
物量氮及 pH值的垂直分布
由表 2 可知,茶园不同土层硝态氮和铵态氮含
量均显著大于林地,在 0~100 cm 土层,茶园铵态氮
和硝态氮含量平均值分别为林地的 3.2 和 1.7 倍.茶
园各土层 WSON显著大于林地,茶园 WSON最大值
在 10~20 cm 土层,而林地在 0 ~ 10 cm 土层.在 0 ~
100 cm土层,茶园土壤水溶性有机氮含量平均值为
100.22 mg·kg-1,显著大于林地含量,是林地的 3.1
倍.在 0~100 cm土层,茶园微生物生物量氮均值为
19.64 mg·kg-1,显著大于林地,是林地的 1.7 倍.林
地 pH值随着土层的增加而增加;而茶园 0 ~ 10 cm
土层 pH大于 10 ~ 60 cm 土层,小于 60 ~ 100 cm 土
层.在 0~100 cm土层内,茶园 pH均值为 3.41,小于
林地 3.63.
2􀆰 3  土壤 N2O的排放
由图 1可知,茶园和林地 N2O 的排放速率随着
土层增加及培养时间延长而减少.茶园不同土层间
N2O排放速率变幅大于林地,林地不同土层间 N2O
排放速率在前期基本相同,但随着培养时间的延长
变幅逐渐增加.N2O积累量随着土层的增加而减少,
而且茶园各土层 N2O 的积累量均大于林地.在培养
期间(14 d) ,0 ~ 100 cm土层内茶园N2O总积累量
表 1  茶园和林地不同土层土壤全氮、全氮储量分配比例及 C / N
Table 1  Soil total N and its distribution proportion and C / N ratio among different soil layers in tea garden and woodland
土层
Soil layer
(cm)
全氮
Total N (g·kg-1)
Ⅰ Ⅱ
全氮储量分配比例
Total N distribution proportion (%)
Ⅰ Ⅱ
C / N
Ⅰ Ⅱ
0~10 4.94±0.56Aa 2.20±0.41Ba 42.5±2.9 Aa 37.9± 2.0Ba 8.2±2.5 Ba 11.1±1.9Aab
10~20 2.48±0.42Ab 1.42±0.35Bb 21.3±3.9 Ab 24.5±1.2Bb 8.7±2.3Ba 10.2±2.7Acd
20~40 1.26±0.26Ac 0.82±0.54Bc 10.8±1.2Ac 14.2±1.3Bc 8.1±1.8Ba 10.7±2.6Ab
40~60 1.17±0.25Ac 0.56±0.12Bcd 10.1±1.2Ac 9.7±0.7Ad 8.7±2.1Ba 10.5±1.9Abc
60~80 1.09±0.12Ac 0.40±0.23Bd 9.4±1.0Ac 6.9±1.0Be 6.5±2.8Bb 11.4±2.7Aa
80~100 0.69±0.10Ad 0.39±0.24Bd 5.9±0.8Ad 6.8±0.6Ae 8.5±1.3Ba 9.8±2.1Ad
0~100 1.16 0.58 100 100 8.1 10.6
Ⅰ: 茶园 Tea garden; Ⅱ: 林地 Woodland. 不同大写字母表示同一土层不同样地间差异显著,不同小写字母表示同一样地不同土层间差异显著
(P<0.05) Different capital letters meant significant difference between tea garden and woodland at the same soil layer, and different small letters meant
significant difference among different soil layers at the same plot at 0.05 level. 下同 The same below.
表 2  茶园和林地不同土层土壤水溶性有机氮、微生物生物量氮及土壤 pH值的分布
Table 2  Distribution of WSON, MBN and pH value among different soil layers in tea garden and woodland
土层
Soil layer
(cm)
硝态氮
NO3-⁃N (mg·kg-1)
Ⅰ Ⅱ
铵态氮
NH4+⁃N (mg·kg-1)
Ⅰ Ⅱ
水溶性有机氮
WSON (mg·kg-1)
Ⅰ Ⅱ
微生物生物量氮
MBN (mg·kg-1)
Ⅰ Ⅱ
pH
Ⅰ Ⅱ
0~10 25.91±3.91Aa 5.34±0.52Ba 1.08±0.41Aa 0.59±0.39Ba 98.25±8.74Aa 63.29±6.93Ba 39.53±7.46Aa 16.33±7.29Ba 3.40±0.06Aa 3.42±0.01Aa
10~20 17.45±2.83Ab 4.62±0.36Bb 0.68±0.40Ab 0.40±0.26Ab 141.01±10.44Ab 33.67±9.02Bb 21.51±5.19Ab 13.24±9.67Bb 3.28±0.03Ab 3.47±0.01Bab
20~40 13.71±0.92Ac 4.76±0.49Bb 0.58±0.23Ac 0.40±0.19Bb 113.88±6.53Ac 39.96±3.26Bc 25.81±3.14Ac 12.19±4.68Bb 3.37±0.02Aa 3.53±0.02Bbc
40~60 9.81±0.67Ad 3.12±0.33Bc 0.60±0.19Ac 0.29±0.12Bc 105.98±7.31Aa 32.10±5.31Bb 16.53±1.56Ad 12.58±8.67Bb 3.34±0.02Aab 3.61±0.02Bc
60~80 6.35±1.30Ae 3.33±0.45Bc 0.42±0.14Ad 0.28±0.09Bc 83.35±5.63Ab 15.97±2.30Bd 7.65±2.91Ae 8.58±4.64Ac 3.50±0.04Ac 3.79±0.01Bd
80~100 4.76±0.66Af 2.29±0.36Bd 0.42±0.09Ad 0.23±0.11Bc 58.85±3.98Ac 9.49±1.34Be 6.66±6.87Ae 7.43±6.01Ac 3.56±0.01Ac 3.98±0.01Be
0~100 13.00 3.91 0.63 0.37 100.22 32.41 19.64 11.72 3.41 3.63
WSON: Water soluble organic nitrogen; MBN: Microbial biomass nitrogen. 下同 The same below.
4362                                     应  用  生  态  学  报                                      26卷
图 1  茶园和林地不同土层 N2O的排放速率及积累量
Fig.1  N2O emission rate and accumulation at different soil layers at tea garden and woodland.
A: 茶园 Tea garden; B: 林地Woodland. 不同小写字母表示不同土层间差异显著(P<0.05) Different small letters meant significant difference among
different soil layers at 0.05 level.
为 13.52 mg·kg-1,显著大于林地 5.62 mg·kg-1 .
2􀆰 4  土壤 N2O排放速率影响因素
茶园和林地土壤 N2O排放速率与土壤全氮、微
生物生物量氮、NH4
+ ⁃N 含量均具有显著相关性,而
与 pH的相关性均不显著.茶园土壤 N2O 排放速率
与土壤水溶性有机氮含量的相关性不显著,而林地
N2O排放速率与土壤水溶性有机氮含量的相关性显
著,茶园土壤 N2O排放速率与 NO3 ⁃N含量的相关性
显著,而林地土壤 N2O排放速率与硝态氮含量的相
关性不显著(表 3).
2􀆰 5  不同土层各氮素形态之间的比值
由表 4 可知,茶园和林地 WSON / TN、MBN / TN
和 N2O⁃N / MBN在不同土层间没有明显的规律.在
0~100 cm土层内,茶园 WSON / TN 及 N2O⁃N / MBN
平均值分别为林地的 1.5和 1.4倍,而茶园 MBN / TN
平均值小于林地,为林地的 84.0%.
表 3  土壤 N2O排放速率与土壤全氮、水溶性有机氮、微生物生物量氮、硝态氮及铵态氮的相关系数
Table 3  Correlation coefficients between N2O emission rate with TN, WSON, MBN, NO3
- ⁃N and NH4
+ ⁃N
全氮
Total N
水溶性有机氮
WSON
微生物生物量氮
MBN
硝态氮
NO3 - ⁃N
铵态氮
NH4 + ⁃N
N2O排放速率 Ⅰ 0.951∗∗ 0.554 0.898∗ 0.981∗∗ 0.952∗∗
N2O emission rate Ⅱ 0.955∗∗ 0.904∗ 0.842∗ 0.769 0.951∗∗
∗P<0.05; ∗∗P<0.01.
表 4  不同土层各氮素形态的比例
Table 4  Ratio among different nitrogen forms at different soil layers (%)
土层
Soil layer
(cm)
水溶性有机氮 /全氮
WSON / TN
Ⅰ Ⅱ
微生物生物量氮 /全氮
MBN / TN
Ⅰ Ⅱ
氧化亚氮态氮 /微生物生物量氮
N2O⁃N / MBN
Ⅰ Ⅱ
0~10 1.99±0.51Ae 2.88±0.32Ad 0.80±0.03Ade 0.74±0.02Ae 0.56±0.02Ab 0.58±0.03Aa
10~20 5.70±0.32Ad 2.37±0.27Be 0.87±0.03Acd 0.93±0.05Ad 0.75±0.03Aa 0.34±0.03Bb
20~40 9.02±0.63Aa 4.87±0.44Bb 2.04±0.16Aa 1.49±0.08Bc 0.32±0.04Ad 0.31±0.04Ab
40~60 9.03±0.95Aa 5.70±0.49Ba 1.41±0.09Ab 2.23±0.24Ba 0.46±0.01Ac 0.25±0.02Bc
60~80 7.64±0.60Ab 4.01±0.31Bc 0.70±0.01Ae 2.16±0.10Ba 0.46±0.03Ac 0.30±0.01Bbc
80~100 8.17±0.98Ac 2.42±0.27Be 0.96±0.02Ac 1.90±0.05Bb 0.48±0.04Ac 0.34±0.00Bb
0~100 5.17 3.36 1.01 1.22 0.52 0.37
53629期                        范利超等: 茶园及相邻林地土壤 N2O排放的垂直分布特征           
3  讨    论
本研究表明,茶园和林地土壤全氮含量均随着
土层的增加呈下降趋势,这与很多研究结果相
同[6,17] .这是由于土壤全氮主要来源于植物残体和
有机肥的分解与合成的有机质,而植物残体在土体
中的分布随土层增加逐渐减少,且植物残体和有机
肥多在土壤表层富集,所以 0~10 cm土层全氮含量
显著大于下层土壤含量.土壤各土层全氮储量分配
比例表明,在 0 ~ 10 cm 土层中,茶园和林地全氮储
量分别为 42.5%和 37.9%,均显著大于其他土层.在
0~100 cm土层内,茶园土壤全氮含量均值显著大于
林地,主要原因是茶园每年不仅有大量的修剪枝叶
以及施用大量的有机肥(主要为商品有机肥和菜
饼),而且施用大量的化学肥料(主要为尿素).有研
究表明,有机肥料和化学肥料配施可以更好地促进
土壤有机氮的积累[18] .茶园和林地全氮储量分配比
例在相同土层中的分配比例不同,表明土地利用方
式的转变影响土壤全氮储量的同时还改变了氮素在
土壤剖面内的分布.
对于某一特定土壤类型,土壤 C / N基本为一个
常数[19] .在本研究中,茶园 C / N 在 8.1 附近波动,显
著小于林地(10.6),而茶园全氮、水溶性有机氮和微
生物生物量氮含量平均值均显著大于林地.表明茶
园每年施用大量的化学肥料使茶园 C / N减少,在有
机质丰富的条件下,为土壤微生物提供了大量可以
快速利用的氮源,且茶园施肥翻耕等措施改善了土
壤物理结构,促进了微生物的生长,使微生物量显著
增加,进而加速了有机质的分解及有机氮矿化,从而
形成较多的小分子有机氮化合物,使水溶性有机氮
增加[4] .在茶园中,0~10 cm土层水溶性有机氮含量
小于相邻土层,可能是由于水溶性有机氮的地表径
流和地下渗漏特性造成的[20] .同时,茶园土壤表层
高铝高多酚的修剪枝叶相对难于矿化,而且茶园施
肥方式为沟施(深度为 10 ~ 20 cm)也会有一定的影
响.另外,本研究在 0~100 cm土层内,茶园 pH 平均
值小于林地,而微生物生物量氮平均值显著大于林
地的结果与 Han等[15]的研究结果相似.Han等[15]研
究表明,由于茶园大量施用化学肥料及茶树有聚铝
的生长特性,大量的高铝高多酚的修剪枝叶和立枯
物回归土壤,使茶园土壤 pH 显著降低,但是低 pH
的土壤环境没有使土壤微生物量减少,反而有大量
的微生物种群适应了茶园土壤酸性环境.传统理论
认为,土壤硝化速率与 pH 呈显著正相关,酸性的森
林土壤中 NO3
- ⁃N含量很低[21] .而茶园土壤尽管 pH
很低,却积累了大量的 NO3
- ⁃N.这主要是由于:1)茶
园土壤施肥量较高,特别是施氮量平均为 533
kg N·hm-2·a-1,个别甚至高达 2600 kg N·hm-2·
a-1[9];2)茶树是典型的喜铵厌硝植物,当土壤中同
时存在 NH4
+和 NO3
-时,会优先吸收 NH4
+,即茶树
对 NH4
+的吸收和代谢较快[10];3)茶园土壤中存在
大量的硝化古菌,且硝化古菌的数量与硝化势呈显
著正相关,使茶园土壤仍有较强的硝化作用,从而导
致 NO3
- ⁃N积累[22] .
Tokuda等[23]研究表明,茶园为 N2O 的重要排
放源,排放量为 25.22 kg N·hm-2·a-1;Han 等[12]
研究表明,茶园土壤 N2O⁃N 的年排放量为 4. 28 ~
11􀆰 78 kg·hm-2 ·a-1,是林地的 1. 57 ~ 11. 33 倍;
Shin⁃ichi等[24]研究表明,茶园土壤 N2O⁃N的释放速
率高达 3.8 mg·kg-1·d-1,显著高于针叶林(0􀆰 07
mg·kg-1·d-1).本研究中,0~100 cm土层内茶园土
壤 N2O的积累量显著高于林地,是林地的 2.4 倍.这
主要是由于相比林地和其他作物,高品质和高产量
的茶叶需要茶树获得更多的氮肥来维持[25],而高产
茶园氮肥的使用量常常是过量的[26],过量的氮肥能
显著增加 N2O 的排放速率[27] .在本研究中,茶园和
林地 N2O的排放速率随着培养时间的延长而减少.
这与林衣东等[13]对茶园、林地和菜地土壤 N2O 排
放的研究结果相似.这可能是由于随着培养时间的
延长,土壤活性物质或培养瓶中氧气逐渐消耗,限制
了微生物活性及微生物量,使土壤硝化作用和反硝
化作用减弱,N2O的排放速率降低.在培养期间,N2O
的排放速率随着土层的增加而减少,这与土壤全氮
和微生物生物量氮在土层中的分布特征有密切的关
系,土壤全氮是土壤氮素矿化的源和库,其含量决定
土壤的供氮能力,且微生物生物量氮是土壤氮库中
有生命活性的部分,是土壤氮素矿化的驱动力.本研
究得出,茶园和林地 N2O的排放速率与土壤全氮及
微生物生物量氮有显著的相关性,很好地证明了这
一点(表 3).李永夫等[28]研究表明,毛竹林土壤在
施肥 1个月和 6个月后, N2O的排放量与土壤水溶
性氮均有显著的相关性.本研究中,林地土壤 N2O的
排放速率与土壤水溶性有机氮相关性显著,而茶园
不显著.出现这种差异的主要原因是,水溶性有机氮
虽可以被微生物直接利用但不直接调控 N2O 的排
放,且水溶性有机氮在土壤中的分布较易受植被类
型、管理措施、土壤结构和降雨等因素的影响,而
6362                                     应  用  生  态  学  报                                      26卷
N2O产生的途径为硝化作用(NH4
+的氧化)和反硝
化作用(NO3
-的还原) [29] .一般来说,在有氧条件下,
硝化微生物活性较高,土壤以硝化作用为主;在缺氧
或无氧条件下,反硝化细菌活性增强,土壤以反硝化
作用为主[30] .本研究中,茶园和林地 N2O 的排放速
率与 NH4
+ ⁃N含量呈显著正相关,茶园土壤 N2O 排
放速率与硝态氮(NO3
- ⁃N)的相关性显著,林地土壤
N2O排放速率与硝态氮(NO3
- ⁃N)呈正相关,但相关
性不显著(表 3),表明茶园和林地 N2O 的排放途径
包含土壤硝化作用和反硝化作用.考虑实际田间土
壤剖面结构特征,N2O排放的机制可能表现为:在土
壤表层通气条件较好时,土壤 N2O 的排放主要以土
壤硝化作用为主;随着土壤深度的增加,氧气供应不
足,土壤反硝化作用增强.而且茶园土壤的反硝化能
力显著大于林地.
WSON / TN可以反映土壤有机氮库的稳定性,
除 0~10 cm土层茶园 WSON / TN 小于林地外,而其
他土层均显著大于林地,表明茶园土壤氮库稳定性
较差,更容易受降雨和人为干扰等影响而损失.土壤
微生物生物量氮是植被可利用的重要氮源,丰富的
微生物生物量氮可以促进植被的生长,加强植被与
土壤之间的氮交换,即 MBN / TN 高有利于土壤氮库
的积累.0~100 cm 土层内茶园 MBN / TN 小于林地,
虽然茶园土壤氮库储量比林地丰富,但是林地的土
壤氮库更稳定,更利于氮素的积累.N2O⁃N / MBN 可
以表示土壤氮库的代谢效率,意味着微生物硝化和
反硝化作用消耗的氮与建造微生物细胞的氮分配比
例大小.在 0~100 cm土层内茶园 N2O⁃N / MBN 显著
地大于林地,表明茶园土壤氮素有较高的代谢效率,
而茶园土壤硝化和反硝化作用相对较强,不利于土
壤氮库储量积累,也不利于维持土壤的质量和持续
利用的潜力.相反,林地土壤硝化和反硝化作用较
低,有利于土壤氮库的积累.在茶园生产管理过程
中,科学合理的施氮水平及平衡供应土壤养分对提
高氮素利用率、减少土壤氮素损失及由此产生的环
境污染有重要意义.
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作者简介  范利超,男,1988年生,硕士研究生. 主要从事土
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责任编辑  孙  菊
8362                                     应  用  生  态  学  报                                      26卷