This study selected 4 tea plantations with different ages (12-15, 20-22, 30-33 and >50 year old) located in Ya’an, Sichuan Province, China to investigate the distribution patterns of soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP), and to examine the ecological stoichiometric characteristics of C, N and P within soil aggregates. The results showed that the coefficients of variation of SOC, TN and TP were 17.5%, 16.3% and 9.4%, respectively in the 0-20 cm soil layer and were 24.0%, 21.0% and 9.2%, respectively in the 20-40 cm soil layer. The spatial variation of TP was lower than that of SOC and TN but there were significant positive correlations among them. SOC and TN were distributed in the smallsize aggregates and both of them had the greatest values in the >50 yearold tea plantation, however, the distribution of TP was relatively uniform among aggregates and ages. The coefficients of variation of C/N, C/P, and N/P were 9.4%, 14.0% and 14.9%, respectively in the 0-20 cm soil layer and were 7.4%, 24.9% and 21.8%, respectively in the 20-40 cm soil layer. Variation of C/N was lower than that of C/P and N/P. Averaged C/P and N/P values in the smallsize aggregates were higher than in aggregates of other sizes, and the maximum values were in the >50 yearold plantation. C/N, C/P and N/P had good indication for soil organic carbon storage.
全 文 :不同植茶年限土壤团聚体碳氮磷生态
化学计量学特征∗
李 玮 郑子成∗∗ 李廷轩
(四川农业大学资源环境学院, 成都 611130)
摘 要 试验选取了四川雅安 12~15年、20~22年、30~33年和>50年的茶园,研究其土壤团
聚体有机碳、全氮、全磷的含量分布及其生态化学计量学特征,以阐明不同植茶年限土壤团聚
体碳氮磷生态化学计量学特征的指示意义.结果表明: 0 ~ 20 cm 和 20 ~ 40 cm 土层土壤有机
碳、全氮和全磷含量的变异系数分别为 17.5%、16.3%、9.4%和 24.0%、21.0%、9.2%;全磷的空
间变异性低于有机碳和全氮,但三者呈极显著的正相关关系.有机碳与全氮含量集中分布于
小粒径团聚体中,且均在植茶 50年后达到最大值,土壤全磷在各粒径团聚体中分布则较为均
匀,在种植年限上的变化也不大;0~20 cm和 20~40 cm土层土壤 C / N、C / P 和 N / P 的变异系
数分别为 9.4%、14.0%、14.8%和 7.4%、24.9%、21.8%;土壤 C / N 的变异性较低,土壤 C / P 和
N / P 均在小粒径中较高,且在植茶 50年后达到最大值. 土壤 C / N、C / P 和 N / P 对土壤有机碳
储量具有良好的指示作用.
关键词 植茶年限; 土壤团聚体; 碳、氮、磷; 生态化学计量学
文章编号 1001-9332(2015)01-0009-08 中图分类号 S152.4, S153.6 文献标识码 A
Ecological stoichiometry of soil carbon, nitrogen and phosphorus within soil aggregates in
tea plantations with different ages. LI Wei, ZHENG Zi⁃cheng, LI Ting⁃xuan (College of Re⁃
sources and Environment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China) .⁃Chin. J.
Appl. Ecol., 2015, 26(1): 9-16.
Abstract: This study selected 4 tea plantations with different ages (12-15, 20-22, 30-33 and
>50 year⁃old) located in Ya’an, Sichuan Province, China to investigate the distribution patterns of
soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP), and to examine the
ecological stoichiometric characteristics of C, N and P within soil aggregates. The results showed
that the coefficients of variation of SOC, TN and TP were 17.5%, 16.3% and 9.4%, respectively in
the 0-20 cm soil layer and were 24.0%, 21.0% and 9.2%, respectively in the 20-40 cm soil layer.
The spatial variation of TP was lower than that of SOC and TN but there were significant positive
correlations among them. SOC and TN were distributed in the small⁃size aggregates and both of them
had the greatest values in the >50 year⁃old tea plantation, however, the distribution of TP was rela⁃
tively uniform among aggregates and ages. The coefficients of variation of C / N, C / P, and N / P were
9.4%, 14.0% and 14.9%, respectively in the 0-20 cm soil layer and were 7.4%, 24.9% and
21.8%, respectively in the 20-40 cm soil layer. Variation of C / N was lower than that of C / P and
N / P. Averaged C / P and N / P values in the small⁃size aggregates were higher than in aggregates of
other sizes, and the maximum values were in the >50 year⁃old plantation. C / N, C / P and N / P had
good indication for soil organic carbon storage.
Key words: tea plantation age; soil aggregate; carbon, nitrogen, phosphorus; ecological stoichio⁃
metry.
∗国家自然科学基金项目(41271307)、四川省科技支撑计划项目(2013NZ0044)和四川农业大学学科建设双支计划团队项目(2014)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: zichengzheng@ aliyun.com
2014⁃06⁃09收稿,2014⁃10⁃13接受.
应 用 生 态 学 报 2015年 1月 第 26卷 第 1期
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2015, 26(1): 9-16
生态化学计量学结合了生物学和化学等基本原
理,是研究生态系统能量平衡和多重化学元素平衡
的科学[1],它主要强调碳(C)、氮(N)、磷(P)3 种主
要组成元素的关系.氮和磷是植物生长的限制性养
分[2],碳是构成植物体干物质最主要的元素[3],三
者密切相关.研究土壤 C、N、P 的生态化学计量学特
征,对揭示土壤养分的限制情况以及 C、N、P 循环和
平衡机制具有重要意义.然而,国外对生态化学计量
学的研究相对较多[2,4-5],我国学者对该学科的研究
则相对缺乏,已有研究主要集中于植物 C、N、P 生态
化学计量学的变化特征方面[6-9],对土壤 C、N、P 生
态化学计量学的关注则相对较少,关于土壤团聚体
生态化学计量学特征的研究更是鲜见报道.土壤团
聚体作为土壤结构的基本组成单元,其质量和数量
不仅取决于土壤肥力的高低,而且还与土壤的抗蚀
能力、环境质量和固碳潜力等有直接关系.不同粒径
团聚体对土壤有机碳(SOC)和养分的保持、供应能
力有所不同[10-12],开展土壤团聚体 C、N、P 生态化
学计量学特征的研究,对调控土壤肥力和增加土壤
碳储量具有良好的指示作用,可作为预测有机质分
解速率和养分限制性的重要指标.
自 20世纪 90年代长江上游实施退耕还林工程
以来,四川省雅安市名山区中峰乡根据其地理条件
和自然资源特点,形成了以退耕植茶为主的退耕模
式.已有研究表明不同植茶年限对土壤团聚体有机
碳及养分存在不同程度的影响[13-14],但关于其 C、
N、P 生态化学计量学特征的研究却鲜见报道,是否
可以通过不同植茶年限 C、N、P 及其比例特征在土
壤团聚体中的分布间接反映茶树生长状态及茶园土
壤养分状况仍不清楚.因此,本文选取四川省名山区
中峰乡生态茶园为研究对象,开展不同植茶年限土
壤团聚体 C、N、P 生态化学计量学特征的研究,探讨
C、N、P 在不同植茶年限土壤团聚体间的协同趋势
及响应特征,旨在揭示茶园土壤质量的演化机制,以
期为茶园土壤的综合管理与持续利用提供科学
依据.
1 研究地区与研究方法
1 1 研究区概况
研究区位于四川盆地西缘,隶属于雅安市名山
区中峰乡.该区属亚热带季风性气候区,年均温
15 4 ℃,无霜期 294 d,年降雨量 1500 mm 左右,且
集中在 6—9 月,约占全年降雨量的 72.6%.区域内
地域差异明显,为典型的低山丘陵地貌,土壤类型为
第四纪老冲积物发育而成的黄壤,原始地带性植被
为亚热带常绿阔叶林.自 20 世纪 90 年代长江中上
游生态退耕工程实施以来,退耕植茶已成为该区主
要的退耕模式.其中,老川茶自 20 世纪 50 年代便陆
续开始种植(其余茶树品种均为引进),由此形成了
一定规模不同年限的茶园.茶树种植密度为大行距
(150±15) cm,小行距(35±15) cm,实行双行单株错
株条植,株距(16±4) cm,每公顷种植 300 ~ 400 株.
基肥为猪圈肥 15000 kg·hm-2和 K2 SO4型复合肥
(N ∶ P2O5 ∶ K2O= 20 ∶ 8 ∶ 8)750 kg·hm
-2,在 10 月
中旬,沿树冠边缘垂直下方开沟,依次加入复合肥、猪
圈肥,最后覆土,并于次年 2月中旬、5月下旬和 7月
上旬进行追肥,分别施用复合肥 1000 kg·hm-2和尿
素 500 kg·hm-2,追肥位置与基肥相同.
1 2 土样采集
供试土壤于 2010年 9月采集,在野外实地调查
的基础上,根据不同植茶年限茶园的地理位置和施
肥情况进行综合考虑,选择成土母质相同、地理位置
相对集中且施肥较为一致的植茶年限分别为 12 ~
15 a(面积约 0.60 hm2)、20~22 a(面积约0.73 hm2)、
30~33 a(面积约 0. 47 hm2)和 50 a 以上(面积约
0.47 hm2)的茶园为采样对象.在各茶园中布设 5个典
型样方(15 m×15 m),每一样方内按“S”形设置 5 个
采样点,具体采样点设在树冠边缘垂直下方,并分 0~
20 cm、20~40 cm两个层次采集原状土样,尽量避免
挤压,以保持原状土壤结构.另外,采集混合土样用于
测定土壤基本理化性质,测定结果见表 1.
1 3 样品处理
将采集的土样在室内沿自然结构轻轻掰成直径
约 1 cm的小土块,除去植物残体、小石块以及蚯蚓
等物体后,用沙维诺夫干筛法[15]分离出>5 mm、2 ~
5 mm、1~2 mm、0.5~1 mm、0.25~0.5 mm、<0.25 mm
表 1 试验土壤基本性质
Table 1 Basic properties of test soils
土层
Soil layer
(cm)
植茶年限
Tea
plantation
age (a)
容重
Bulk
density
(g·cm-3)
总孔隙度
Total
porosity
(%)
有机碳
Organic
carbon
(%)
pH
0~20 12~15 1.23 53.45 1.50 4.43
20~22 1.20 54.90 1.76 4.33
30~33 1.26 52.47 1.90 4.22
>50 1.28 51.87 2.10 4.03
20~40 12~15 1.24 53.21 0.81 4.57
20~22 1.21 54.33 0.89 4.37
30~33 1.27 52.12 1.20 4.29
>50 1.29 51.44 1.37 3.97
01 应 用 生 态 学 报 26卷
表 2 不同植茶年限土壤团聚体分布特征
Table 2 Distribution of different soil aggregates in tea plantations with different ages (%)
土层
Soil layer
(cm)
植茶年限
Tea plantation
age (a)
粒径 Particle size (mm)
>5 5~2 2~1 1~0.5 0.5~0.25 <0.25
0~20 12~15 57.75±2.35aC 21.08±1.47bA 4.92±0.26cdA 7.97±0.48cA 2.89±0.15dA 5.40±0.36cdA
20~22 62.57±2.84aA 20.53±1.63bA 4.28±0.49cdB 6.40±0.65cD 2.26±0.17dC 3.97±0.29cB
30~33 73.42±1.28aAB 14.89±1.02bB 2.83±0.34cdB 3.79±0.19cC 1.54±0.09dC 3.52±0.21cdB
>50 73.30±1.93aBC 15.32±1.31bB 2.43±0.17cdA 3.62±0.25cB 1.51±0.11dB 3.81±0.42cdA
20~40 12~15 67.48±2.19aB 18.28±1.41bA 3.39±0.23cdA 5.01±0.38cA 1.89±0.13dA 3.96±0.32cdA
20~22 69.04±2.29aA 17.04±1.64bB 3.13±0.24cC 4.57±0.28cC 1.88±0.11cB 4.34±0.36cA
30~33 62.55±2.40aAB 19.57±1.40bAB 4.31±0.33cBC 6.29±0.41cBC 2.35±0.13cAB 4.94±0.39cA
>50 64.04±2.21aB 19.48±1.49bAB 3.86±0.28cdAB 5.76±0.44cAB 2.24±0.19dA 4.63±0.32cdA
同行不同小写字母表示不同粒径团聚体差异显著(P<0.05),同列不同大写字母表示不同年限相同粒径团聚体差异显著(P<0.05) Different
small letters in each row and capital letters in each column indicated significant difference among different particle size soil aggregates and among different
tea plantation ages at 0.05 level, respectively. 下同 The same below.
的团聚体.不同植茶年限土壤团聚体组成见表 2.
1 4 测定项目与方法
土壤 pH、容重、有机碳、全氮(TN)、全磷(TN)
含量均采用常规方法测定[16] .各粒径团聚体质量百
分含量 =各粒径团聚体质量 /土壤样品总质量 ×
100%,土壤 C / N、C / P、N / P 均为质量比[17] .
1 5 数据处理
试验数据采用 DPS 7.05软件进行处理,方差分
析采用最小显著极差法(LSD),图表制作采用 Ori⁃
gin 8.0和 Excel 2010 软件进行.表中数据均以平均
值±标准误的形式表达.
2 结果与分析
2 1 土壤团聚体 C、N、P 含量变化及其相关性
2 1 1土壤团聚体有机碳含量分布 如图 1 所示,
0~20 cm和 20~40 cm土层有机碳含量的变化范围
分别为 13.18~22.85和 7.28~17 19 g·kg-1,变异系
数分别为 17.5%和 24.0%.
0~20 cm土层,土壤团聚体有机碳含量随粒径
减小呈升高的趋势,0.5~0.25 mm 和<0.25 mm 粒径
有机碳含量显著高于其他粒径团聚体.20 ~ 40 cm土
层,土壤团聚体有机碳含量随粒径减小呈先升高、后
降低、最后升高的趋势.0 ~ 20 cm 土层,植茶>50 a的
土壤团聚体有机碳含量与植茶 12 ~ 15 a 和20~22 a
存在显著差异,各粒径团聚体有机碳含量增幅分别
介于 34. 2% ~ 50. 7%和 12. 0% ~ 41. 7%之间. 20 ~
40 cm土层各粒径团聚体有机碳含量变化趋势与 0~
20 cm土层相似,植茶>50 a 团聚体有机碳含量显著
高于植茶 12 ~ 15 a 和 20 ~ 22 a,较两者分别增加了
17 7%~126.7%和 40.7%~65.3%.
2 1 2 土壤团聚体全氮含量分布 0 ~ 20 cm 和
20~40 cm 土层土壤全氮含量的变化范围分别为
0.55~0.98和 0.33 ~ 0.70 g·kg-1,变异系数分别为
16 3%和 21.0%.与有机碳分布相似,相同植茶年限
下,土壤团聚体全氮含量随粒径的减少而升高,
<0.25 mm粒径全氮含量显著高于>5 mm粒径,前者
为后者的 1.13~1.49 倍.而随着植茶年限的延长,各
粒径团聚体全氮含量总体呈增加的趋势,植茶>50 a
全氮含量显著高于植茶 12 ~ 15 a 和 20 ~ 22 a,两土
层分别增加了 1.31、1.06和 1.56、1.45倍(图 1).
2 1 3土壤团聚体全磷含量分布 如图 1 所示,0 ~
20 cm和 20~40 cm 土层土壤全磷含量的变化范围
分别为 0.49~0.74 和 0.31 ~ 0.48 g·kg-1,变异系数
分别为 9.4%和 9.2%.0 ~ 20 cm 和 20 ~ 40 cm 土层,
不同植茶年限土壤全磷含量在各粒径团聚体中变化
较为均匀.0~20 cm和 20~40 cm土层全磷含量随植
茶年限的延长呈先增加后降低的趋势,总体在植茶
30~33 a最高.
2 1 4土壤团聚体 C、N、P 的相关性 对 C、N、P 3
种元素的相关性进行分析可知,不同植茶年限各粒
径团聚体 C、N、P 间存在极显著的正相关关系(P<
0.01).其中,C和 N之间呈现良好的线性拟合关系,
从斜率看,几乎同步变化;C 和 P 及 N 和 P 之间的
线性拟合程度相对较弱,且从斜率上看,P 的变化滞
后于 C和 N(图 2),这可能与 C 和 N是有机质的结
构性成分有关.
2 2 土壤团聚体 C、N、P 生态化学计量学特征
2 2 1 C / N 如表 3所示,0~20 cm 和 20 ~ 40 cm 土
层不同植茶年限土壤团聚体 C / N 的变化范围分别
为 17.98~ 30.81 和 19.20 ~ 25.17,变异系数分别为
9 4%和 7.4%.不同植茶年限土壤 C / N 在各粒径中
的变化无显著差异,比值总体上介于22 ~ 25之间,
111期 李 玮等: 不同植茶年限土壤团聚体碳氮磷生态化学计量学特征
图 1 不同植茶年限土壤团聚体有机碳、全氮和全磷含量的分布
Fig.1 Distribution of organic carbon, total nitrogen and total phosphorus contents in soil aggregates of tea plantations with different
ages.
不同小写字母表示不同粒径团聚体差异显著(P<0.05),不同大写字母表示不同年限相同粒径团聚体差异显著(P<0.05) Different small and
capital letters indicated significant difference among different particle size soil aggregates and among different tea plantation ages at 0.05 level, respective⁃
ly. 下同 The same below.
表 3 不同植茶年限土壤团聚体碳氮比的分布特征
Table 3 Distribution of C / N ratios in soil aggregates of tea plantations with different ages
土层
Soil layer
(cm)
植茶年限
Tea plantation
age (a)
粒径 Particle size (mm)
>5 5~2 2~1 1~0.5 0.5~0.25 <0.25
0~20 12~15 24.53±0.41aA 19.32±0.25cD 22.85±0.37bA 23.14±0.25bA 25.48±0.49aA 17.98±0.41dB
20~22 24.29±0.51bcA 30.81±0.68aA 24.10±0.06bcA 24.31±0.77bcA 23.52±0.52cB 25.50±0.29bA
30~33 24.14±0.16aA 22.10±0.39bC 23.84±0.50aA 23.74±0.42aA 23.77±0.37aB 24.05±0.17aA
>50 24.47±0.48aA 24.53±0.55aB 24.14±0.83aA 23.86±0.65aA 24.54±0.60aAB 23.63±1.04aA
20~40 12~15 21.65±0.63aA 20.04±0.63bcB 22.05±0.60aB 21.92±0.25aA 20.86±0.45abB 19.20±0.31cC
20~22 24.19±1.25aA 20.12±0.42bB 22.98±0.78aAB 24.03±0.49aA 25.17±0.25aA 23.08±0.76aAB
30~33 23.84±0.26abA 23.13±0.75bcA 24.66±0.18aA 24.00±0.13abA 24.52±0.26aA 22.59±0.21cB
>50 22.01±1.30abA 24.64±0.32aA 23.78±0.98abAB 21.15±1.86bA 24.75±0.24aA 24.36±0.41aA
较为稳定;就不同植茶年限而言,0 ~ 20 cm 和 20 ~
40 cm土层 C / N平均值分别在 20 ~ 22 a 和 30 ~ 33 a
达最大值,增幅分别为其余年限的 1 14、1 08、1 05
倍和 1. 14、 1. 02、 1. 01 倍,但仅在 5 ~ 2 mm 和
<0.25 mm粒径下差异显著.
2 2 2 C / P 0~ 20 cm 和 20 ~ 40 cm 土层不同植茶
年限土壤团聚体 C / P 的变化范围分别为 20. 44 ~
3 5 83和17.96 ~ 37.41,变异系数分别为14 0%和
21 应 用 生 态 学 报 26卷
表 4 不同植茶年限土壤团聚体碳磷比的分布特征
Table 4 Distribution of C / P ratios in soil aggregates of tea plantations with different ages
土层
Soil layer
(cm)
植茶年限
Tea plantation
age (a)
粒径 Particle size (mm)
>5 5~2 2~1 1~0.5 0.5~0.25 <0.25
0~20 12~15 23.10±0.15cdB 28.27±0.53aA 22.35±0.51dB 25.91±0.76bC 29.31±0.19aB 24.10±0.77cD
20~22 23.33±0.63cB 29.59±1.10bA 24.22±0.17cB 28.73±0.97bB 28.47±1.57bC 33.83±0.87aB
30~33 20.44±0.36dC 26.46±0.89cA 29.01±0.19abA 28.19±0.12bB 30.15±0.24aB 28.62±0.21bC
>50 25.11±0.32cA 29.91±1.70bA 30.61±1.24bA 31.16±0.20bA 34.83±0.12aA 35.83±0.18aA
20~40 12~15 20.90±0.42bcBC 20.85±1.07bcB 30.87±1.08aB 21.61±1.40bB 18.37±0.49cdC 17.96±0.71dD
20~22 19.17±0.26bC 20.63±0.77bB 20.09±0.83bC 19.97±0.70bB 20.79±0.15bC 23.30±0.61aC
30~33 24.23±0.27dA 26.44±1.68cdA 34.58±0.41aA 29.78±0.59bA 28.42±0.36bcB 26.83±0.84cB
>50 23.32±1.90cAB 29.55±0.21bA 37.41±1.06aA 30.73±0.42bA 38.17±1.43aA 37.79±1.30aA
表 5 不同植茶年限土壤团聚体氮磷比的分布特征
Table 5 Distribution of N / P ratios in soil aggregates of tea plantations with different ages
土层
Soil layer
(cm)
植茶年限
Tea plantation
age (a)
粒径 Particle size (mm)
>5 5~2 2~1 1~0.5 0.5~0.25 <0.25
0~20 12~15 0.94±0.01dB 1.46±0.01aA 0.98±0.01dC 1.12±0.05cB 1.15±0.03cC 1.34±0.01bB
20~22 0.96±0.04cAB 0.96±0.04cC 1.01±0.01cC 1.18±0.01bB 1.21±0.04bBC 1.33±0.05aBC
30~33 0.85±0.01cC 1.20±0.02bB 1.22±0.02abB 1.19±0.02bB 1.27±0.03aB 1.19±0.00bC
>50 1.03±0.01dA 1.22±0.04cB 1.27±0.01cA 1.31±0.03bcA 1.42±0.03abA 1.52±0.07aA
20~40 12~15 0.97±0.01bcdB 1.04±0.03bBC 1.40±0.01aB 0.99±0.06bcC 0.88±0.00dC 0.93±0.02cdC
20~22 0.80±0.04bC 1.03±0.05aC 0.87±0.01bC 0.83±0.01bC 0.83±0.00bC 1.01±0.03aC
30~33 1.02±0.01dAB 1.14±0.04cAB 1.40±0.02aB 1.24±0.03bB 1.16±0.00cB 1.19±0.03bcB
>50 1.06±0.02bA 1.20±0.01bA 1.58±0.02aA 1.47±0.11aA 1.54±0.04aA 1.55±0.03aA
图 2 不同植茶年限土壤团聚体碳、氮、磷的相关性
Fig.2 Correlations of soil carbon, nitrogen and phosphorus in
soil aggregates of tea plantations with different ages.
24 9%.不同植茶年限土壤团聚体 C / P 的变化较大,
从粒径上看,总体表现为小粒径团聚体 ( 0 5 ~
0.25 mm和<0.25 mm)C / P 显著高于较大粒径团聚
体;从植茶年限上看,土壤 C / P 表现为随植茶年限
的延长而增加,植茶>50 a 土壤 C / P 显著高于 12 ~
15 a和20~22 a,在 0~20 cm和 20~40 cm土层分别
增加了 22.5%、11.5%和 50.9%、58.9%(表 4).
2 2 3 N / P 如表 5所示,0~ 20 cm 和 20 ~ 40 cm 土
层不同植茶年限土壤团聚体 N / P 的变化范围分别
为 0.85~1.52和 0.80~1.55,变异系数分别为 14 8%
和 21.8%.从粒径上看,0 ~ 20 cm 和 20 ~ 40 cm 土层
不同 植 茶 年 限 N / P 总 体 表 现 为 微 团 聚 体
(<0.25 mm)高于大团聚体( >0.25 mm);从植茶年
限上看,土壤 N / P 表现为随植茶年限的延长而增
加,植茶>50 a土壤 N / P 显著高于其余年限,在 0 ~
20 cm和 20~ 40 cm 土层分别较 12 ~ 15 a、20 ~ 22 a
和30~33 a增加了 11.0%、16.8%、12.4%和 35.3%、
56.5%、17.5%.
3 讨 论
3 1 不同植茶年限土壤团聚体 C、N、P 含量变化
土壤碳素含量取决于进入土壤的有机质数量及
其腐殖化系数的大小,土壤各粒径团聚体有机碳含
量是土壤有机质平衡和矿化速率的微观表征,对土
311期 李 玮等: 不同植茶年限土壤团聚体碳氮磷生态化学计量学特征
壤肥力和土壤碳汇具有双重意义[15] .本研究结果表
明,不同植茶年限土壤各粒径团聚体有机碳含量主
要集中于<0.25 mm粒径,这是较小团聚体有机无机
胶体紧密结合的结果[18] .团聚体粒径越小,比表面
积越大,吸附的有机物质则越多,这也使<0.25 mm粒
径团聚体有机碳含量对土壤团聚化过程起至关重要
的作用.随着植茶年限的延长,0~20 cm和 20~40 cm
土层团聚体有机碳含量均呈逐渐增加的趋势,植茶
>50 a有机碳含量显著高于 12~15 a和 20~22 a,这与
姚槐应[19]的研究结果一致,说明研究区植茶使土壤
有机碳逐渐积累,并在植茶 50 a 后显著提高了土壤
肥力.此外,0~20 cm土层各粒径团聚体有机碳含量
均高于 20 ~ 40 cm 土层,这是由于茶园定期的修剪
以及枝叶的凋落主要集中于土壤表层,在一定程度
上促进了 0~20 cm土层的生物活性[20] .
土壤全氮含量与有机碳紧密相关,两者分布情
况较为一致. <0.25 mm 粒径团聚体全氮含量较高,
这不仅受到土壤有机碳含量的影响,也与小粒径团
聚体对 NH4
+的吸附能力较高有关[21] .随着植茶年
限的延长,全氮含量显著升高,这主要取决于土壤有
机碳的逐年积累.0 ~ 20 cm 土层各粒径团聚体全氮
含量较高,这是由于地表形成的枯枝落叶层为表层
土壤全氮提供了重要来源[22] .
土壤磷素是一种沉积性的矿物,在土壤中的迁
移率很低,因此也导致全磷的变化较为稳定[22] .本
研究结果表明,0 ~ 20 cm 和 20 ~ 40 cm 土层各粒径
团聚体全磷含量分布较为均匀,这与郑子成等[21]和
刘晓利等[23]的研究结果一致.根据实地调查,随着
植茶年限的延长,0~ 20 cm 土层接纳凋落物量呈先
增加后减少的趋势,而丰富的凋落物有利于磷的积
累[21],这也是造成土壤全磷含量随着植茶年限的延
长先上升后下降,且主要集中于 0 ~ 20 cm 土层的
原因.
土壤全氮的分布情况与有机碳具有一致性,且
两者相关性达极显著水平(图 2),这是由于土壤全
氮主要来源于植物残体分解与合成所形成的有机
质[24] .而土壤全磷的空间变异性却小于有机碳和全
氮,但亦与两者存在极显著的相关关系(P<0.01).
3 2 不同植茶年限土壤团聚体 C、N、P 生态化学计
量学特征
土壤 C / N、C / P、N / P 是有机质或其他成分中碳
素与氮素、磷素总质量的比值,是土壤有机质组成和
质量的重要指标之一[1] .一般来讲,土壤 C / N 与有
机质分解速率呈反比.本研究结果表明,各植茶年限
不同粒径团聚体土壤 C / N无显著差异,表明各粒径
土壤团聚体有机碳分解速率相近,但也可能是由于
碳、氮元素之间具有紧密联系且对环境变化的响应
几乎同步.同时,C、N 作为结构性成分,其积累与消
耗过程存在相对固定的比值[25] .Tian等[26]在研究全
国土壤 C / N时发现,虽然碳和氮含量具有较大的空
间变异性,但 C / N相对稳定,这与本研究结果一致.
此外,0~20 cm和 20 ~ 40 cm 土层 C / N 均值分别在
20~22 a 和 30 ~ 33 a 达到最大值,分别为 25 42 和
23.79.因此,为了满足微生物分解植物残体对土壤
氮素的需要,建议研究区优化茶园土壤的施肥,在植
茶 20~30 a增施氮肥.
土壤 C / P 和 N / P 的空间变异性较 C / N 大,这
主要由于 C、P 与 N、P 的空间分布不尽一致,这与王
维奇等[27]的研究结果相似.此外,C / P 是衡量磷有
效性的指标之一,C / P 较低,则磷有效性较高[1] .本
研究中,小粒径团聚体土壤 C / P 显著高于大粒径,
表明较小粒径团聚体中 P 的有效性较低.土壤 C / P
在植茶>50 a显著高于 12~15 a和 20~22 a,表明随
着植茶年限的延长,磷有效性逐渐降低,建议>50 a
的茶园可通过施用适量的有机物料来减少土壤对磷
的固定,从而提高磷的有效性.
土壤中的 N、P 是植物生长所必需的矿质营养
元素和生态系统中最常见的限制性元素[28],土壤
N / P 可以作为养分限制类型的有效预测指标[1] .从
各粒径上看,0 ~ 20 cm 和 20 ~ 40 cm 土层不同植茶
年限土壤 N / P 总体在微团聚体中较大,表明微团聚
体中养分限制类型以 P 为主;从植茶年限上看,0 ~
20 cm和 20~40 cm土层各粒径团聚体土壤 N / P 随
植茶年限的延长而增大,且均在植茶>50 a 达到显
著水平,表明 P 限制性增强.
此外,土壤 C、N、P 元素的输入量和需求量之间
的平衡及其有效性决定了生态系统碳循环和碳固定
效率[1,29] .因此,本研究结合前期在该区计算得到的
碳储量数据[30],将其与土壤 C / N、C / P 和 N / P 进行
比较.结果显示,土壤 C / N、C / P 和 N / P 随团聚体粒
径的减小和植茶年限的延长而增大,<0.25 mm粒径
团聚体和植茶>50 a 的有机碳储量较高.可见,土壤
C / N、C / P 和 N / P 对土壤碳储量具有良好的指示作
用,这与众多研究结果较一致[27,31-32],因此在研究
区也可用 C / N、C / P 和 N / P 间接表征茶园土壤的固
碳效应.
4 结 论
不同植茶年限土壤较小粒径团聚体有机碳含量
41 应 用 生 态 学 报 26卷
高于较大粒径,<0.25 mm粒径团聚体有机碳含量最
高,土壤各粒径团聚体有机碳的平均含量随着植茶
年限的延长而增加,且 0~20 cm土层团聚体有机碳
含量均高于 20 ~ 40 cm 土层;全氮含量分布情况与
有机碳较为一致;土壤全磷含量在各粒径团聚体中
分布较为均匀,且在植茶 30~33 a 含量最高.说明长
期植茶有利于土壤有机碳、全氮和全磷的积累,但不
同粒径团聚体对碳、氮、磷的保持能力存在差异.此
外,不同植茶年限各粒径团聚体有机碳、全氮、全磷
含量间呈极显著相关.
0~20 cm和 20~40 cm土层土壤 C / N随植茶年
限的延长在各粒径团聚体中的变化相对较小,C / P
和 N / P 的变异性则相对较大.土壤 C / P 和 N / P 均在
小粒径中较高,且在植茶>50 a 达到最大值,说明研
究区植茶>50 a 后应配施有机肥和磷肥,避免茶园
土壤持续利用受到磷的限制.
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作者简介 李 玮,女,1990 年生,硕士研究生.主要从事土
壤生态研究. E⁃mail: livove.lw@ 139.com
责任编辑 张凤丽
61 应 用 生 态 学 报 26卷