信阳市车云山茶园土壤碳氮含量及其化学计量特征

吴昊，崔凤琪，李丹丹

(信阳师范学院 生命科学学院，河南 信阳 464000)

土壤作为植物生长的基质，为植物正常生命活动提供了必需的水、肥、气、热等条件[1]。碳素(C)和氮素(N)是土壤肥力的重要组成部分，其中，有机碳是通过微生物作用所形成的腐殖质、动植物及微生物残体的总和，而氮主要来自于有机质的分解。氮素包括有机态氮和无机态氮，有机态氮含量较多，无机态氮主要为铵态氮和硝态氮。土壤化学计量特征是决定农产品优良品质及其产量的主要因素，生态化学计量学通过分析多重元素(主要是C、N等)质量平衡对生态交互作用的影响来探讨生态系统的结构与功能[2]。土壤C∶N是表征C、N元素动态平衡的指标，其往往被用来检测土壤质量，能够调控土壤微生物对有机物的分解作用以及碳的生产与吸收[3]。

茶(Camellia sinensis)是广泛分布于我国热带及亚热带的一种重要经济作物，土壤理化性质、养分状况以及其化学计量比均会影响茶树长势[4]。茶树为喜酸植物，能够同时吸收土壤中的铵态氮和硝态氮，且具有喜铵特性[5]。已有不少学者围绕茶园土壤营养元素及其化学计量做了大量研究，如李玮[6]等分析了四川雅安不同年份茶园土壤的生态化学计量特征，刘超良[7]等发现信阳4个茶园土壤的酸碱度、有机质及全N含量均适合茶树的生长。但目前关于信阳市车云山茶园土壤的营养元素及其化学计量的研究尚未见报道。本文分析了车云山茶园土壤的总C、总N、铵态氮含量及其C∶N化学计量特征，以期为提高该区茶叶的产量和品质以及实现茶园土壤可持续利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

信阳市地处河南省南部，介于东经113°45′-115°55′、北纬 30°23′-32°27′，位于“秦岭-淮河”南北方自然分界线以南，属于亚热带季风气候与暖温带气候过渡带。车云山坐落于信阳市浉河区董家河镇西北部桐柏山脉之上，内有茶园千余亩。该区年平均气温15.5℃，平均海拔647 m，年均降水量11509 mm，空气湿润，有利于生产优质茶叶[8]。

1.2 土壤采集与测定

于2018年6月份到信阳市车云山茶园进行野外考察，在茶树长势基本一致的地点设置土壤采集样地。共选取19块面积为3 m × 3 m的样地，在每个样地中沿着其任意一条对角线设置样带，在样带的两端及中间分别设置1个土壤采样点。取样前先拨开土壤表层的枯枝落叶及砾石，然后用铁铲采集0～30 cm土层的土壤。将采集的土样置入土壤袋，并注明采样日期和样地编号等信息。

将采集的土壤尽快带回实验室，平摊在吸水纸上自然晾干。随后将风干的土壤以四分法取出放在粉碎机中充分研磨，分别过20目及100目土壤筛以待测定。利用重铬酸钾外加热法测定土壤总有机态碳、凯氏定氮法测定土壤全氮，将土壤以2 mol/L KCl溶液浸提后利用连续流动分析仪测定土壤铵态氮，采用元素质量比计算土壤的C∶N。

1.3 数据分析

利用Microsoft Excel 2003软件进行数据整理与作图；利用SPSS16.0软件提供的线性、多项式、对数等11种拟合函数方程对土壤C∶N与总C、总N以及铵态氮含量进行回归分析，从中选择回归显著且拟合系数最高的回归模型进行讨论。

2 结果与分析

2.1 土壤养分含量及化学计量特征

由图1可知，在车云山茶园不同样地土壤中，10号样地的总C含量最高，达56.200 g/kg，11号样地的总C含量最低，为 20.400 g/kg。各样地土壤总C含量的平均值为31.790 g/kg。对于土壤总N含量而言，10号样地的土壤总N含量最高，达1.970 g/kg，18号样地的土壤总N含量最低，为1.180 g/kg，各样地土壤总N含量的平均值为1.660 g/kg。相对于总C含量，研究区各样地的土壤总N含量之间的差距较小。对于土壤铵态氮含量而言，17号样地的土壤铵态氮含量最高，达0.250 g/kg，11号样地的土壤铵态氮含量最低，为0.013 g/kg，其平均值为0.113 g/kg。各样地之间的铵态氮含量差距非常大，前12个样地铵态氮含量相对较低，而后7个样地的铵态氮含量相对较高。对于车云山茶园土壤C∶N化学计量比而言，10号样地的土壤C∶N达到28.434，为所有样地C∶N的最高值，表明此样地C含量较高而N含量相对较低，茶树生长可能受到N元素含量的限制；11号样地土壤的C∶N最低，为11.767，该样地土壤中的N素含量相对充足。各样地土壤的C∶N平均值为18.889。

图1 信阳市车云山茶园土壤的C、N含量及其化学计量比

2.2 化学计量特征与土壤元素的耦合关系

回归分析表明(图2)，研究区土壤的总C与总N之间具有极显著的线性回归拟合关系(拟合系数R2=0.480，P=0.001)，拟合方程为Y=0.017X+1.112，即总C与总N之间存在显著的正向关系，随着总C含量增加，土壤总N明显上升；C∶N与总C含量之间具有显著的线性回归拟合关系(拟合系数R2=0.766，P<0.01)，拟合方程为Y=2.101X-7.970，即C∶N与总C之间存在显著的正向关系，随着总C含量的增加，土壤C∶N明显上升；C∶N与土壤铵态氮含量之间存在显著的S型曲线回归拟合关系(拟合系数R2=0.236，P=0.035)，拟合方程为Y=e-0.744-29.710/X，即C∶N与铵态氮之间存在显著的正向关系，随着铵态氮的增加，土壤C∶N显著上升。土壤总C与铵态氮(P=0.762)、总N与铵态氮(P=0.743)以及土壤C∶N与总N含量(P=0.274)之间均不存在显著的回归拟合关系。

图2 信阳市车云山茶园土壤的C、N含量与其化学计量比的回归分析

3 结论与讨论

试验结果表明：信阳市车云山茶园土壤的总C平均含量为31.790 g/kg，总N平均含量为1.660 g/kg，铵态氮平均含量为0.113 g/kg，土壤C∶N化学计量比的平均值为18.889。土壤总C与总N含量、土壤C∶N与总C含量之间均具有显著的正向线性拟合关系，土壤C∶N与铵态氮含量之间具有显著的正向S型拟合关系。

N素是茶树生长必需的元素，由于茶树具有喜铵特性，土壤中的铵态氮能够直接被茶树吸收利用[9]。因此，在茶园土壤中施加适量铵态氮肥，能够有效增加茶树的叶绿素含量，并能提高茶叶中某些氨基酸及生物碱含量[10]。但过量的N肥可能导致土壤中NH4+硝化产生H+，进而引起土壤酸化严重[11]。本研究中车云山茶园土壤的总N含量(平均值1.660 g/kg)与云南省勐海县茶园(总N平均值 1.99 g/kg)[12]和贵州省开阳县茶园(总N平均值1.240 g/kg)[13]等健康的茶园生态系统N素含量相当，表明该茶园当前的N素水平可以满足茶树正常生长代谢的需要。

土壤C∶N是衡量有土壤有机质分解速率及N素矿化能力的重要指标。正常情况下，土壤C∶N值越大，表明微生物活动受到N素的限制，有机质分解速率就越小，二者之间成反比关系[14]。当土壤C∶N<25时，有机质容易分解而发生矿化作用，产生无机态N，较易被植物吸收利用；当C∶N>25时，有机质会发生积累，其分解受到N限制[15]。本研究中，车云山茶园土壤C∶N介于11.767～28.434，其平均值(18.889)低于25，但高于中国土壤的C∶N平均值(11.9)[16]，表明该区茶园土壤大部分有机质的分解作用较积累快，土壤肥力良好。但极少数样地土壤C∶N>25，因此仍需注意适当施加N肥，以避免由于N不足而导致茶叶减产。

本研究发现，车云山茶园土壤的C和N具有密切正向耦合关系，可能是由于土壤微生物在利用N元素时需要首先将土壤有机质的C骨架破坏掉，从而使得土壤营养物质在分解时同步释放出C和N[2]。土壤C∶N与总C及铵态氮的耦合关系十分显著，而总N的关系不显著，这表明本研究区土壤的营养平衡状况主要受土壤N素(尤其是速效N)的制约，在今后的茶树栽培中应更加注重N肥的合理施用及茶园土壤酸碱度的调控，以维持茶园生态系统的可持续发展。茶树生长于极具复杂空间异质性的土壤中，气候、海拔及生物活动等都可能影响到土壤的质量，关于其他环境因子对车云山茶园土壤养分状况的影响尚待进一步深入研究。