茶园土壤微生物量碳的质量分数及其影响因素的研究

李梦菡，张丽平，李 鑫，颜 鹏，张 兰，韩文炎

（中国农业科学院茶叶研究所，浙江 杭州 310008）

土壤微生物量碳（MBC）是土壤有机质中最活跃的部分，是土壤养分的重要来源，约占土壤有机碳的1%～5%［1］。我国土壤MBC的质量浓度变幅为42.0～2064.0 kg·hm-2，MBC参与土壤有机质的分解，并与土壤碳、氮、磷和硫等养分元素的循环密切相关［2-3］。作为土壤活性有机碳的表征指标之一，MBC虽然占比较小，但由于直接参与了土壤生物化学过程，是重要的土壤有效养分储备库，其在土壤养分转化、有机物代谢及污染物的降解中发挥着非常重要的作用，被认为是整个生态系统养分和能量循环的关键和动力［4-5］。此外，MBC具有极高的灵敏度，可以在土壤有机碳发生变化之前反映出土壤微小的变化，能作为土壤生态系统变化的预警指标［6］。

茶园土壤微生物具有固氮、释钾、解磷和分解有机物质以及增强土壤保湿性等优点，能有效调节茶园小气候，促进茶芽萌发及茶树次生代谢，减少茶树病虫害，因此对茶园土壤微生物的研究非常重要［7］。目前对茶园土壤MBC含量的研究较少，主要集中在对水稻、小麦和蔬菜等大田作物的研究上。现有的研究表明，茶园土壤的MBC含量比其他农业用地如蔬菜、柑橘和稻田等土壤高［8-9］，中龄茶园高于幼龄和老龄茶园［10］，间作三叶草和覆盖茶园较高［11］。但目前对茶园土壤MBC及其影响因素的研究还不够全面和明确。

本文采用熏蒸提取法［12］，对浙江不同类型茶园共148个土壤样本的MBC质量分数（ωmic）进行了测定，分析了土壤pH、有机碳、树龄、茶园管理方式以及成土母质等因素对茶园土壤MBC的影响，以此为茶园土壤改良，提高土壤肥力水平提供理论依据与技术支持。

1 材料与方法

1.1 取样地点与方法

土壤样品主要采自浙江杭州、绍兴、金华和丽水地区有代表性的茶园。所取茶园土壤样品总数148个，包括不同的土壤pH、植茶年限、成土母质、施肥类型、管理方式等。茶园取土时，先除去土表的枯株落叶，取土深度为0～20 cm。样品多点采集混合，样品中的石头、植物根系和易见的动物拣除后，尽快拿回实验室，过2 mm筛，过湿的土样稍加晾干后过筛，但应避免过度干燥，以免影响土壤微生物的活性。将样品分成两部分，一部分存放在4 ℃的冰箱中或直接进行土壤微生物量测定，另一部分风干、研磨、过筛，用于土壤基本理化性质的测定。

不同类型茶园土壤，包括石灰石粉改良、不同管理方式、不同植茶年龄、不同成土母质茶园的取样地点及基本情况见图1、表1。这些茶园在取样时均取3个独立的土样，每个土样由8～10个取样点混合，土样质量较大时用四分法减少至合适的量。

表1 取样点基本情况

1.1.1 不同石灰石粉改良茶园

取自中国农业科学院茶叶研究所严重酸化的改良试验地，该试验地碳酸钙使用量分别为0、1200、2400、4800和7200 kg·hm-2，其中7200 kg·hm-2处理于2002年秋和2003年春分2次施入，其余处理于2002年秋一次性施入。碳酸钙均匀施于茶树行间后深翻。本次测定土壤取于2010年秋季施基肥前。

1.1.2 不同管理方式茶园

本试验茶园管理方式选择了有机、转换和常规茶园，其中转换茶园是指开始按有机生产方式管理，从常规茶园向有机茶园过渡的类型。取样点分别是绍兴御茶村和金华武义采云间公司基地。取样时绍兴点按有机茶园管理方式已达9年，武义点为11年。绍兴点有机茶园有机肥的使用量为9000 kg·hm-2，有些年份每年施2次，武义点年施有机肥6000 kg·hm-2；转换茶园按有机农业管理方式均为2年。常规茶园化肥与有机肥相结合，有机肥使用量一般在4500 kg·hm-2左右，化肥纯氮使用量一般在450 kg·hm-2左右。

1.1.3 不同种植年限茶园

本试验不同种植年龄茶园分别取自杭州中国农业科学院茶叶研究所生产茶园和丽水景宁惠明茶业公司。杭州点种植年龄分别为0（森林土）、10、50、90年茶园，景宁点为0（生荒地）、6、24、46年生茶园。除森林土和生荒地外，其它不同种植年龄的茶园管理方式基本相同。

1.1.4 不同成土母质茶园

本试验选择的成土母质为第四纪红土、石灰岩、第三纪红砂岩、安山斑岩和花岗岩，分别取自兰溪赤山湖农庄、杭州翁家山、龙游大鼓山茶场、杭州中国农业科学院茶叶研究所和嵊州金庭镇。所取茶园的树龄均为35年左右，茶园管理方式基本相同。

1.2 样品测定

主要测定土壤MBC的质量分数ωmic，以及其他土壤基本理化性质，包括粘粒、pH、有机碳、全氮、有效磷、交换性钾和交换性镁的质量分数等。

1.2.1 土壤微生物量碳的测定

采用熏蒸提取法［12］。准确称取30.00 g（按干土计算）土样6份，其中3份至烧杯中作熏蒸处理，3份于塑料瓶中不作熏蒸处理，直接浸提。熏蒸处理的土样放入可抽真空的干燥器内，底部放有几张湿的滤纸，一小烧杯除去乙醇的氯仿（约30 mL，内放碎滤纸片或防爆玻璃珠若干，看氯仿是否沸腾）和一小烧杯钠石灰吸收熏蒸期间释放的CO2。抽真空后，让氯仿沸腾约2～3 min后关闭真空阀。把真空干燥器放入25 ℃黑暗恒温室内保持24 h。然后拿出干燥器底部的湿纸，擦净，抽真空3～5次，每次3～5 min，彻底除去土样中的氯仿。将熏蒸处理的土样转入塑料瓶内，加0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提，土液比为1∶4，振荡30 min，过滤。滤液测定土壤可溶性有机碳的浓度。如不能及时测定，则放入-18℃冰箱中保存。

滤液中的可溶性有机碳用TOC-500有机碳自动分析仪测定。土壤MBC的质量分数用公式BC=EC/KC计算，式中BC为微生物量碳，EC是熏蒸与未熏蒸土样提取可溶性有机碳浓度的差值，KC为转换系数，本文采用0.45［13］。

1.2.2 土壤其他理化性质的测定

土壤pH用蒸馏水提取，土液比为1∶1，玻璃电极法测定。土壤有机碳和全氮采用Elmentar VarioMax CN自动分析仪测定。土壤有效磷用Bray 1（0.03 mol·L-1NH4F-0.025 mol·L-1HCl）提 取，土液比为1∶10，振荡提取0.5 h；交换性钾和交换性镁用1 mol·L-1pH 7.0的乙酸铵浸提，土液比为1∶10，振荡提取0.5 h［14］。溶液中的磷、钾和镁的质量分数用ICP-AES测定。土壤粘粒的质量分数采用比重计法测定。

所有测定均重复3次。

1.3 数据处理

所有数据均以土壤干重计，数据整理采用Excel 2016，单因素方差分析（ANOVA）采用数理统计软件SPSS 13.0运算，处理间平均数的比较采用最小显著差数法（LSD），显著性差异设定为P＜0.05。图表中的数据用平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 供试土壤的基本理化性质

对148个供试茶园土壤基本理化性状的测定表明，茶园土壤pH在3.09～6.36之间，平均为4.02；土壤有机碳的质量分数在0.32%～4.30%之间，平均为1.86%；土壤全氮的质量分数在0.04%～0.45%之间，平均为0.16%；土壤有效磷在0.4～670.8 mg·kg-1之间，变幅较大，变异系数高达151.0%；交换性钾在27.3～378.2 mg·kg-1之间，平均为104.2 mg·kg-1；交换性镁在9.5～189.8 mg·kg-1之间，平均为42.1 mg·kg-1；土壤粘粒的质量分数在20.0%～56.6%之间，平均为39.2%（表2）。结果表明，供试茶园土壤基本处于偏酸性环境，多数低于茶园最适pH 4.5～5.5；不同土壤间各理化性状差异较大，除有效磷外，交换性镁的变异系数也高达86.7%。但多数供试土壤的有机碳、全氮、有效磷、交换性钾达到了高产茶园土壤营养指标［15］，交换性镁的平均值也接近于该指标。因此，供试茶园土壤肥力水平总体较高。

表2 供试茶园土壤的基本理化性质

2.2 土壤微生物量碳及微生物熵

所测茶园土壤MBC的ωmic在38.1～680.2 mg·kg-1之间，平均为246.0 mg·kg-1；土壤微生物熵，即土壤MBC与有机碳的比值（Cmic/Corg），在0.38%～4.28%之间，平均为1.37%。ωmic集中于200～400 mg·kg-1之间，占样品总数的73.0%，100～200 mg·kg-1之间土样占34.5%，低于100 mg·kg-1和高于400 mg·kg-1的样品占比较少（表3）。有研究表明，长期种植单一作物的土壤Cmic/Corg平均为2.30%［16］。测定结果表明，仅有9.5%的茶园土壤Cmic/Corg高于2.30%，低于1.37%的土壤占59.4%。Cmic/Corg作为碳动态和土壤质量的有效指标［17］，反映了茶园土壤有机碳转化为MBC的效率较低。

表3 茶园土壤微生物量碳的分布状况

2.3 茶园土壤微生物量碳的影响因素

2.3.1 土壤微生物量碳与多种影响因子的相关性分析

对所测茶园土壤样品的MBC与土壤pH、有机碳含量、全氮量以及粘粒含量进行了多元线性回归分析，由于管理方式、种植年龄与成土母质数据及样本量的特殊性，故未纳入此分析。结果表明，模型认为有机碳对MBC的影响最大；F=13.268，P=0.000（P＜0.05），因此MBC与pH、TN、粘粒、有机碳具有线性关系，且多元线性回归方程为Y=36.618+13.246X1-548.059X2-1.226X3+160.727X4（X1为pH、X2为TN、X3为粘粒、X4为有机碳），且P1=0.587、P2=0.079、P3=0.395、P4=0.000，故 有机碳具有显著性意义，而TN、pH和粘粒含量未达显著性意义。

2.3.2 土壤pH对土壤微生物量碳的影响

对所测茶园土壤的MBC与pH的相关性分析表明，在一定范围内，两者存在正相关。具体表现为，对严重酸化的茶园土壤使用石灰石粉进行改良后，ωmic可明显提高。图2表明，随着石灰石粉使用量的增加，土壤pH提高，ωmic也随之增加，且以碳酸钙使用量2400 kg·hm-2的处理最高，达（581.0±20.6）mg·kg-1；当碳酸钙使用量增加到4800和7200 kg·hm-2，pH虽进一步升高，但ωmic反而有所降低，说明pH对茶园土壤ωmic的影响较为复杂。

2.3.3 土壤有机碳对土壤微生物量碳的影响

对所测茶园土壤MBC与有机碳的相关分析表明，两者存在极显著的正相关，相关方程为Y=109.79X+42.193（R2=0.303，P＜0.001）（图3）。可见，有机质能为土壤微生物提供营养物质，促进微生物数量的增加，从而提高茶园土壤的ωmic。

2.3.4 管理方式对土壤微生物量碳的影响

茶园管理方式不同，对土壤MBC的ωmic也有明显的影响。本文选择了有机、转换和常规茶园，比较了土壤ωmic的差异。结果表明，无论是绍兴市取样点还是金华市武义点，均表现为有机茶园的ωmic显著高于转换茶园，转换茶园又明显高于常规茶园（表4）。例如，绍兴御茶村有机茶园的ωmic高达605.6 mg·kg-1，分别是转换和常规茶园的1.73和2.12倍。本文还结合了管理方式对土壤有机碳的ωorg的影响进行分析（表4），结果发现其在有机茶园中明显高于转换茶园与常规茶园，与ωmic的变化一致。因此推测，有机茶园由于不施化学肥料和农药，加强有机肥的使用，从而提高了土壤的ωorg，有利于土壤微生物活性的增加。

表4 茶园管理方式对土壤微生物量碳及有机碳的影响

2.3.5 种植年限对土壤微生物量碳的影响

本试验对丽水市景宁点种植年龄为0（生荒土）、6、24、46年生茶园及杭州点0（森林土）、10、50、90年茶园土壤的ωmic进行了分析。结果表明，景宁点除6年生茶园比生荒土略低外，ωmic均随茶园种植年龄增加而明显提高，且46年生茶园显著高于其他年龄茶园。杭州点也有同样的趋势，ωmic随植茶年龄增加而提高，50年生的茶园土壤最高，90年生的最低，但不同树龄间无显著性差异（表5）。

表5 植茶年限对土壤微生物量碳的影响

2.3.6 成土母质对土壤微生物量碳的影响

试验研究了常见成土母质对茶园土壤MBC的ωmic的影响，结果表明花岗岩发育的ωmic最高，其次是安山斑岩，红砂岩第三，石灰岩第四，第四纪红土最低（表6）。其中花岗岩、安山斑岩和红砂岩等母质发育的砂质土壤显著高于石灰岩和第四纪红土发育的粘质土壤。由于偏砂性土壤的粘粒含量远低于粘质土壤，因此试验对所测茶园土壤粘粒与ωmic相关性进行了分析。结果表明，粘粒含量与ωmic的关系呈负相关，直线方程为Y = -1.605 X+318.06（R2=0.0076），尽管相关性不显著，但依然能推测较高的粘粒含量应不利于茶园土壤MBC的提高。

表6 成土母质对茶园土壤微生物量碳的影响

2.3.7 其他土壤基本理化性质对微生物量碳的影响

对茶园土壤全氮量、有效磷、交换性钾和交换性镁的质量分数与ωmic的相关性进行了分析，结果表明全氮量与ωmic之间存在极显著正相关，直线 相 关 方 程 为Y=816.51X+119.23（R2=0.1454，P＜0.001），如果用幂函数拟合，则相关性更高，相关 方 程 为Y =774.52X0.6621（R2=0.2022，P＜0.001）（图4），表明当全氮量过高时，ωmic呈下降趋势。有效磷、交换性钾和交换性镁与MBC的相关性不明显，均未达显著水平。

3 讨论

茶园是一个比较特殊的生态系统，土壤呈酸性，pH可低至3.0以下，如本文测定的土壤中最低pH为3.09；茶树每1～4年进行一次重修剪，修剪的枝叶留在茶园内，茶树修剪物富含茶多酚和铝，从而在表土层累积［18］；为了提高茶叶产量和品质，茶园有机肥和化肥的施用量均较高，导致茶园土壤理化和生物性状与一般农田土壤相比，具有十分明显的区别。土壤微生物量不仅是土壤微生物数量的指标，更是土壤其它理化性质是否有利于土壤微生物活性的反映，即具有较高微生物量的土壤中微生物的多样性和活性也较高。

本文的研究结果表明，茶园土壤MBC的ωmic在38.1～680.2 mg·kg-1之间，平均246.0 mg·kg-1，在一般农田土壤100～600 mg·kg-1的范围内，比浙江8个茶园土壤的测定结果96.1～273.2 mg·kg-1［10］和贵州6个茶园土壤的测定结果44.6～407.1 mg·kg-1［19］略高，也比处于同一地区的其它作物土壤测定结果略高。Yao等［9］测定了8个红壤，发现茶园ωmic达400.2 mg·kg-1，仅次于森林土壤（465.6 mg·kg-1），高于 桔 园（108.4～264.4 mg·kg-1）、水稻（301.8 mg·kg-1）和菜园（152.2 mg·kg-1）土壤。Nioh 等［8］对日本茶园土壤的测定也表明，其ωmic仅低于森林土壤，比种植蔬菜、马铃薯和小麦的土壤高。退化的板栗土壤改种茶树后，ωmic明显提高［20］。可见，尽管茶园土壤pH较低，且有较高含量的铝和多酚类等影响土壤微生物活性的成分，但微生物生物量并不低，且略高于其它多数土壤。

对茶园土壤MBC影响因素的研究表明，茶园土壤MBC的ωmic与土壤基本理化性质和管理方式密切相关。相关研究表明［18］ωmic与土壤pH和ωorg呈正相关，本文得出了一致的结果（图1和图2），但在本文中ωmic与土壤pH的相关性相对较差，148个调查样品的相关性分析未达到显著性水平，不同石灰石粉使用量的土壤中，ωmic并非随pH升高呈直线增加，这可能与多数微生物已逐渐适应了茶园土壤特殊的酸性环境和高酚类含量有关。随着茶树种植年龄的提高，尽管土壤pH降低，交换性Al3+和可溶性酚类化合物含量明显提高，但土壤MBC含量却随之提高［21］。然而，这种适应也有一定的限度，如本文用石灰石粉改良土壤后，发现pH过低或过高均会降低ωmic，这可能是因为pH的变化影响了土壤对微生物所需营养物质的供给状态及菌体细胞膜蛋白的稳定性；Xue等［22］的研究也表明在酸性茶园土壤中，随着碳酸钙用量的增加，细菌类磷脂脂肪酸含量增加，但真菌和放线菌类PLFA含量在碳酸钙用量从0 g·kg-1到3.2 g·kg-1表现为增加，而从3.2 g·kg-1到6.4 g·kg-1呈下降趋势。本文对不同种植年限茶园的分析结果也表明在树龄50年左右时ωmic最高，种植年限更高的茶园，虽然土壤有机质含量较高，但由于pH较低以及酚类物质的进一步增加，会导致ωmic降低。Xue等［23］的研究也表明，50年生的茶园土壤的ωmic显著高于荒地、8年生和90年生的茶园土壤。本研究前期也表明，茶园土壤微生物的活性以及细菌的数量总体上随pH的提高而增强，但pH过高时反而有所降低［24-25］。

此外，土壤质地对微生物量碳也有明显的影响，花岗岩、安山斑岩和红砂岩发育的土壤中ωmic显著高于第四纪红土和石灰岩发育的土壤。Deng等［26］对花岗岩、红砂岩和第四纪红土的研究也发现，土壤微生物量碳以花岗岩最高，红砂岩次之，第四纪红土最低。这与偏砂性的土壤比粘土更有利于茶树根系生长，茶叶香气更好是一致的。曹顺爱等［27］在对我国茶园土壤母质的对比研究中也发现，花岗岩和板页岩母质上的茶园有利于生产高品质的茶叶，而第四纪红土和石灰岩母质上的茶园少有名茶出现。不过，已有相关研究发现成土母质与土壤有机碳、pH也存在显著相关性［28］，且受二者的影响较为复杂。例如，以砂页岩发育的偏砂性土壤，质地适中，pH偏酸性，土壤有机质含量较高；而以石灰岩发育的土壤质地粘重，pH为中性或微碱性，有机质含量低于砂页岩发育的土壤。因此，成土母质与微生物量碳之间是否存在着必然联系还有待于进一步研究。

为了提高茶叶产量和品质，茶园施肥量较高。最近的研究表明，我国茶园养分投入总量（N、P2O5和K2O之和）为796 kg·hm-2，其中有机养分投入量平均占总养分投入量的15%［29］，与20年前相比，养分投入总量703.2 kg·hm-2［30］有进一步提高。本文结果表明，有机茶园土壤的ωmic显著高于转换茶园，转换茶园又高于常规茶园，这与有机茶园大量使用有机肥，不使用化学肥料和农药有关。这与众多的研究结果一致，即施有机肥对提高土壤MBC具有明显的促进作用［11，17，31］。如黄瑶等［32］的研究表明施有机肥、间作三叶草和覆盖稻草与施化肥的对照相比，ωmic提高了34%～81%，其中以间作三叶草配合施有机肥的效果最好。但化肥则具有两面性，适量施用化肥，化肥与有机肥配合施用，或少量化肥与绿肥间作相结合对提高MBC有促进作用，但过量施化肥，特别是过量施氮肥则有不利影响。如施有机肥、“化肥+间作豆科绿肥”和“有机肥+化肥+间作豆科绿肥”处理条件下的ωmic分别比不施肥增加了1.49、1.26和1.87倍，但仅施化肥的处理却下降了0.46倍［33］。本文对土壤其他理化性质与MBC相关性分析也表明，ωmic受到土壤全氮量的显著影响，随着土壤全氮量的提高，ωmic显著增加，但当全氮量过高时则呈下降趋势。这可能也与茶园施肥有关，氮肥过量的土壤中硝态氮含量较高，其不易被土壤吸附固定，极易淋洗损失，不仅降低氮素利用率，还会降低土壤pH，从而引起微生物活性的降低；而施用较多有机肥的茶园土壤中，不仅具有较高的矿化基质，而且微生物活性也较强［34］。如Nioh等［8］也发现茶园过量施氮会降低土壤的ωmic，当施氮量从400 kg·hm-2提高到1200 kg·hm-2时，ωmic降低了83%。

4 结论

本试验结果及上述分析表明，茶园土壤MBC的质量分数在38.1～680.2 mg·kg-1之间，平均为246.0 mg·kg-1；土壤微生物熵在0.38%～4.28%之间，平均为1.37%。MBC含量主要受到土壤有机碳、pH、茶园管理方式、植茶年限、成土母质以及全氮量的影响。影响最大的因素是有机碳，其次为pH、植茶年龄、成土母质及土壤全氮量。因此，要提高茶园土壤微生物的数量和活性，保持茶园活力，应该采取加强茶园有机肥的使用，增加覆盖和间作，推广有机茶园管理模式，合理施肥，适当提高土壤pH，改植换种老茶园等措施。