茶园土壤NO3N含量与净硝化速率的研究韩文炎

茶叶科学2011，31（6）：513~520JournalofTeaScience收稿日期：2011-08-18修订日期：2011-09-09基金项目：国家自然科学基金（40771113）、科技部支撑计划项目（2011BAD01B02）、国家973项目课题（2011CB100502）作者简介：韩文炎（1963—）男，浙江嵊州人，在读博士研究生，主要从事茶园土壤和肥料研究。*通讯作者：[e-mail]茶园土壤NO3--N含量与净硝化速率的研究韩文炎1,2，徐建明1*1.浙江大学土水资源与环境研究所，浙江杭州310058；2.中国农业科学院茶叶研究所，浙江杭州310008摘要：调查采集了我国130个茶园的土壤，用0.5mol/L的K2SO4提取法和实验室恒温培养法分别测定了土壤NO3--N含量和净硝化速率。结果表明，茶园土壤NO3--N含量在0~286.8mg/kg之间，平均为41.7mg/kg，40.8%的土样低于20mg/kg；土壤NO3--N浓度的高低主要取决于施氮量，与土壤净硝化速率相关性不显著，与pH呈二次方程关系：Y=738.0-289.9X+28.8X2（r2=0.2033，P0.001）。土壤净硝化速率在-6.08～6.54mg/kg·d之间，平均为1.62mg/kg·d，变异系数高达119%；其中，10%的土壤净硝化速率低于零，表明这些土壤处于氮固定化状态中；土壤净硝化速率与施氮量呈显著正相关，与pH呈反函数方程关系：Y=10.14-33.96/X（r2=0.253，P0.001）。文章对茶园土壤中NO3-积累、硝化作用与pH的关系等进行了讨论。关键词：茶；土壤；pH；NO3-浓度；净硝化速率中图分类号：S571.1；S143.1+3文献标识码：A文章编号：1000-369X（2011）06-513-08NO3--NConcentrationandNetNitrificationRateinTeaSoilsHANWen-yan1,2,XUJian-ming1*1.InstituteofSoilandWaterResourcesandEnvironmentalScience,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China;2.TeaResearchInstitute,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Hangzhou310008,ChinaAbstract:AninvestigationofNO3--Nconcentrationandnetnitrificationratein130teasoilsampleswasconducted.Thenetnitrificationratewasmeasuredbylaboratoryincubationmethod.TheresultsshowedthattheNO3--Nconcentrationrangedfrom0to286.8mg/kgwithameanof41.7mg/kg.Amongallthesamples,40.8%ofthesoilswerelessthan20mg/kginNO3--Nconcentration.SoilNO3--NconcentrationhadasignificantrelationshipwithNapplicationrate,butnoobviousrelationwithsoilnetnitrificationrate.AquadraticequationY=738.0-289.9X+28.8X2（r2=0.2033,P0.001）wasestablishedbetweenNO3--Nconcentration(Y)andpH(X).Soilnetnitrificationraterangedfrom-6.08to6.54withameanof1.62mg/kg·d,andcoefficientofvariation(CV)wasashighas119%.10%ofthesoilsampleswerebelow0innetnitrificationrate,indicatingnetimmobilizationofnitratehappenedinthesesoils.NetnitrificationratewaspositivelyandsignificantlyrelatedwithNapplicationrate.AndaninversefunctionY=10.14-33.96/X（r2=0.253,P0.001）wasfoundbetweennetnitrificationrate(Y)andsoilpH(X).WhynitrateaccumulatedinteasoilsandrelationshipbetweennitrificationandpHwasdiscussed.Keywords:tea,soil,pH,nitrateconcentration,netnitrificationrate我国现有茶园195万hm2[1]，约占我国耕地总面积的1.5%。茶业在产业结构调整、发展高效农业和增加农民收入方面起着举足轻重的作用。茶树是典型的喜酸作物，它能在514茶叶科学31卷pH3.0~6.8的土壤中生长，但最适宜pH为4.5~5.5。目前，我国有一半以上的茶园土壤pH低于4.5[2]。自然土壤植茶后，由于茶园本身的生物物质循环和施肥管理等因素，土壤理化性质会发生显著变化，其中最明显的变化是pH显著降低，有些茶园甚至可降到3.0以下。茶树作为叶用饮料作物，施氮能显著改善茶叶产量和品质。因此，茶农常常在茶园中使用大量的氮肥。据调查，目前我国茶园氮肥（以纯N计）使用量为0~2600kg/hm2，主要产茶区平均553kg/hm2，且有不断提高的趋势[3]；日本茶园的施氮量在20世纪90年代曾高达1000kg/hm2以上[4]。大量使用氮肥不仅造成氮肥利用率降低，而且导致严重的环境污染。据报道，茶园氮素的利用率在30%左右，施氮量高的茶园甚至不足10%[3]。未被茶树利用的氮素，除小部分仍保留在土壤中外，大部分通过硝化和反硝化作用，以NO3-和N2O形式排放到环境中。根据韩国和日本的调查，施氮量900kg/hm2和500kg/hm2的茶园，当年通过NO3-淋溶的氮素分别高达457kg/hm2和155kg/hm2[5-6]，导致茶园附近泉水的NO3--N含量高达50mg/L以上[7-8]。20世纪初，人们普遍认为pH≤5的土壤基本上不发生硝化作用[9]，但是，随后的研究表明，硝化作用甚至可以在pH2.9等极酸性土壤中发生[10]。茶树又是典型的喜铵厌硝植物，土壤硝化作用不利于茶树对氮素的吸收利用。但目前对茶园土壤硝化作用的研究不多。因此，研究茶园土壤硝化作用，了解茶园土壤NO3--N含量及其成因，不仅有利于从理论上深入探讨pH对土壤硝化作用的影响，而且对于茶园合理施肥，提高氮肥利用率，促进茶叶生产的持续健康发展具有一定的指导意义。1材料与方法1.1取样地点与方法土壤调查样品主要采自浙江杭州、绍兴、金华和丽水地区，部分样品取自福建、江苏、江西和安徽等省有代表性的茶园。所取茶园包括不同土壤理化性状（如不同pH、有机质含量和成土母质等）、不同管理水平（如不同施肥种类、施肥量和茶叶产量等）、不同管理方式（如无公害、有机和荒芜茶园）等。取土深度为0~20cm，部分茶园分两层：0~20cm和20~40cm。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剔后，以尽可能短的时间拿回实验室，过2mm筛，过湿的土壤稍加晾干后过筛，但不得过度干燥，以免影响土壤微生物的活性。将样品分成两部分，多数存放在4℃的冰箱中供NO3-含量和净硝化速率测定，少量风干供土壤基本理化性状测定。不同施氮量对土壤NO3-浓度和净硝化速率的影响：土样取自中国农业科学院茶叶研究所不同氮肥施用量试验地，该试验地2005年开始设置不同氮肥用量处理，年施氮量分别为0、119、284、474、569、711kg/hm2，分1次基肥3次追肥，于每年2月底、5月中旬、8月初和10月中旬分别施氮肥总量的30%、20%、20%和30%。本次分析的样品取于2008年第3次追肥前的7月底。不同管理方式对土壤NO3-浓度和净硝化速率的影响：土壤样品分别采自绍兴御茶村和兰溪茶场的有机、无公害常规及附近的荒芜茶园。绍兴和兰溪点有机茶园按有机农业方式管理分别已达8年和5年。无公害常规茶园以有机肥为基肥，施用量4500kg/hm2左右；以尿素为追肥，施用量为450~600kg/hm2（以纯氮计）。有机茶园每年于2月和8月施有机肥2次，年施用量为6000～9000kg/hm2。荒芜茶园不施肥。绍兴御茶村土壤为红泥土，成土母质为凝灰岩；兰溪茶场为黄筋泥，成土母质为第4纪红土。1.2样品测定土壤NO3-和NH4+浓度的测定：将刚从田间取回或冷藏于冰箱的新鲜土壤直接浸提测定。土壤用0.5mol/L的K2SO4溶液提取，土液比为1∶5，振荡提取0.5h，浸提液过滤后6期韩文炎，等：茶园土壤NO3--N含量与净硝化速率的研究515保存于－18℃冰箱直至分析。称量时根据含水量称干土约10.00g，加浸提液时不进行含水量校正。所以，不同含水量土壤的土液比略有差异，但大致相同。溶液中NH4+-N和NO3--N含量用比色法，使用连续流动注射分析仪（SKALARSAN++system）测定。土壤净硝化速率测定：将刚从田间取回或冷藏于冰箱的新鲜土样的含水量调节到田间持水量的40%。在30℃恒温烘箱中培养0、7、14、21、35d后分别测定土壤NO3--N浓度，通过单位时间内NO3--N浓度的变化计算土壤净硝化速率。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ElmentarVarioMaxCN分析仪测定。土壤有效磷用Bray1（0.03mol/LNH4F-0.025mol/LHCl），交换性钾用1mol/LpH7.0的乙酸铵浸提，土液比均为1∶10，振荡提取0.5h。溶液中的磷和钾含量用ICP-AES测定。所有测定均重复3次或以上。1.3数据处理所有数据均以干重计，方差分析采用数理统计软件SPSS13运算，处理间平均数的比较用最小显著差数法（LSD）。图表中的数据用平均值±标准误表示。2结果与分析2.1茶园土壤基本理化性状对供试茶园土壤进行基本理化性状测定。测定结果表明，土壤pH在3.09~6.36之间，平均为4.08；土壤有机碳为2.04～58.13g/kg，平均为21.30g/kg；土壤全氮为0.25～6.98g/kg，平均为1.80g/kg；土壤有效磷在未检出与1205.5mg/kg之间，平均为202.2mg/kg；交换性钾在27.3～393.2mg/kg之间，平均为137.8mg/kg；土壤粘粒含量在20.0%～56.6%之间，平均为41.2%（表1）。这些结果表明，不同土壤间虽然肥力水平差异很大，如有效磷的变异系数高达136.4%。对照高产茶园的土壤肥力指标[2]，无论是土壤全氮、有机质、交换性钾和有效磷含量的平均值均达到了高产茶园的土壤肥力指标，表明这些土壤的总体肥力水平较高。2.2茶园土壤NO3--N积累和净硝化速率所测土壤的NO3--N含量在0~286.8mg/kg之间，平均为41.7mg/kg。最新研究表明，土壤NO3--N含量在20mg/kg左右被认为是土壤缺氮临界值（未发表资料）。测定的130个土壤中，有53个土样（占样品总数的40.8%）低于20mg/kg，其中16.2%的土样低于5mg/kg，属严重缺氮状态，可见尽管土壤肥力水平总体较高，但仍有部分土壤氮含量严重不足。硝态氮含量在20～50mg/kg这一适宜区域的土壤较多，约占样品总数的1/3。硝态氮含量在50～100mg/kg、100～200mg/kg和200mg/kg以上的土壤分别占样品总数的14