不同林齡大廠茶園土壤生態化學計量特征研究

摘" 要：大廠樹具有較高的經濟、社會和生態效益，近年來常被作為老百姓脫貧致富的經濟作物。碳（C）、氮（N）、磷（P）化學計量元素是近年該研究的熱點，了解不同林齡大廠茶樹土壤C、N、P含量及其化學計量比特征的變化，可為大廠茶的經營管理和保護提供基礎數據。該研究以貴州普安5年生、10年生、15年生、20年生大廠茶樹為對象，測定不同林齡大廠茶園土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）含量，分析不同林齡大廠茶園土壤C、N、P含量及其化學計量比特征的變化。研究結果表明，隨著林齡的增加，土壤C、N、P、C∶P、N∶P呈先上升、后下降的變化趨勢，而土壤C∶N變化趨勢不明顯。根據土壤N∶P，普安大廠茶樹主要受N限制。相關分析表明，土壤C、N、P含量之間表現出極顯著的相關關系（P＜0.01），土壤C∶N、C∶P和N∶P與土壤C、N和P之間的相關性并不一致。綜上所述，隨著林齡的增加，土壤養分質量下降。為維護茶樹的可持續發展，應采取增施N肥、有機肥等措施提高茶林土壤質量。

關鍵詞：大廠茶樹；林齡；土壤；碳氮磷；生態化學計量學

中圖分類號：Q948" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）14-0021-05

Abstract： Camellia tachangensis tea plants have high economic， social， and ecological benefits. In recent years， they have been frequently used as an economic crops to help people alleviate poverty and become prosperous. The stoichiometric elements of carbon （C）， nitrogen（N） and phosphorus（P） has been a recent research hotspot. Analyzing the fluctuations in soil carbon（C）， nitrogen（N）， and phosphorus（P） levels， along with their stoichiometric ratios， across varying ages of tea plantations can offer essential insights for the sustainable management and preservation of established tea plantations. This research examines the soil carbon（C）， nitrogen（N）， and phosphorus（P） content in mature tea plantations of varying ages （5， 10， 15， and 20 years old） located in Pu'an， Guizhou Province. It investigates the differences in soil C， N， and P content and their stoichiometric ratios across the different age groups of tea plantations. The results showed that with the increase of tea plantation age， soil C， N， P， C ： P and N： P increased first and then decreased， while the change trend of soil C ： N was not obvious.. According to the soil N：P ratio， Camellia tachangensis tea plants are primarily limited by nitrogen（N）. The results of the correlation analysis suggest a statistically significant relationship（Plt;0.01） between soil carbon（C）， nitrogen（N）， and phosphorus（P） contents， while the associations between soil C∶N， C∶P， and N∶P ratios and soil C， N， and P are found to be inconsistent. Overall， it is observed that as the age of the plantation increases， there is a decline in soil nutrient quality. To ensure the sustainable growth of tea trees， it is recommended to implement strategies such as increasing nitrogen fertilization and utilizing organic fertilizers to enhance the soil quality in tea plantations.

Keywords： Camellia tachangensistea trees; forest age; soil; carbon， nitrogen and phosphorus; ecological chemometrics

生態化學計量學主要是研究碳（C）、氮（N）、磷（P）等營養元素平衡的學科，體現了植物與土壤間養分的平衡與耦合[1]。土壤養分含量及其化學計量關系，特別是碳（Ｃ）、氮（Ｎ）、磷（Ｐ）元素，對植物的生長。起著至關重要的作用，是評價土壤肥力的重要指標[2]。土壤的（C）、氮（N）、磷（P）不僅是土壤養分循環和轉化的核心元素，也是植物生長重要且不可或缺的營養元素[3-4]。因此，碳（C）、氮（N）、磷（P）生態化學計量特征在生物系統物質循環和元素平衡中發揮著重要的指示作用[5]。

大廠茶是特產于滇、黔、桂交界地區德國家優質重點保護茶，也是黔西南州地方特色茶“普安紅”的加工原料[6]，得到了廣泛關注。目前，大廠茶的研究主要集中在大廠茶茶葉中游離氨基酸及揮發性芳香物質分析[6]、大廠茶優勢株系芽葉性狀與生化成分的鑒定與評價[7]、干旱脅迫對大廠茶樹幼苗生理特性及根系生長的影響[8]、大廠茶樹種質資源遺傳多樣性、群體結構和遺傳分化研究[9]等方面。茶樹作為一種多年生植物，由于種植年限及代謝能力的變化，必然會導致土壤養分變化。而土壤養分的變化必然影響茶樹養分含量及比率關系，進而通過“化學計量內穩性”維持和“生長速率”調節，影響普安大廠茶的產量和品質。研究土壤系統中的C、N、P動態平衡及相互關系對于維持茶樹的可持續發展具有重要意義，而針對不同林齡普安大廠茶樹土壤生態化學計量學特征的研究則未見報道。

本研究以貴州普安大廠樹作為研究對象，以生態化學計量學為手段，采用空間代替時間，選取立地條件相近的4個林齡（5年生、10年生、15年生、20年生），在各林分內設置樣地，采用野外調查和室內分析相結合的方法，測定土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）含量，分析其化學計量學特征隨林齡的變化，為普安大廠茶的可持續發展提供理論基礎。

1" 材料與方法

1.1" 研究區概況

研究區位于貴州省黔西南布依族苗族自治州普安縣，境內河道屬南盤江和北盤江兩大流域。該地屬于典型的中亞熱帶濕潤季風氣候區，冬季溫和，夏季宜人，具有明顯的立體氣候特征。整個縣的平均海拔高達1 400 m，年均氣溫約為14 ℃，無霜期長達大約290 d。年均日照達到1 563 h，年均降水量為1 439 mm。普安縣位于低緯度、陽光較少、海拔較高的地區，空氣和土壤都沒有受到污染，重金屬含量較低，土壤有機質豐富，適合種植優質有機生態茶。該地主要的土壤類型是黃壤。

1.2" 實驗設計

本研究以貴州普安大廠茶林為研究對象，在貴州普安大廠茶林選取連片且立地條件以及土壤類型相對一致的4個年齡段的林分，其年齡段分別為5、10、15、20年，后在每個植茶年齡林分內設置3塊樣方，每塊樣方面積為100 m2。樣方與樣方之間直線距離大于15 m，共有12個樣方，茶樹種植密度為行距為1.5 m，株距為0.3 m。各林齡段茶林每年7月施入茶樹專用復合肥，施用量約40～50 kg/畝（1畝約等于667 m2）；茶樹每年10月修剪一次，人工清除行間雜草。各林齡段茶樹管理模式基本一致。各樣地基本情況見表1。

1.3" 樣品采集

于2023年4—5月進行土壤樣品采集，在每種林齡樣地內分別設置3塊10 m×10 m 的樣方。在每塊樣方，通過直徑為10 cm的取土鉆，采集相應茶樹下0～15 cm深度的土壤，混合成一個土壤樣品，共采集土壤樣品12份。采回的土壤樣品仔細除去其中可見植物殘體及土壤動物，帶回實驗室自然風干，磨碎過100目篩，測定土壤C、N和P含量。

1.4" 測定項目與方法

土壤和植物樣品的C含量采用重鉻酸鉀容量-稀釋熱法（GB 9834—88《土壤有機質測定法》）測定；全N含量H2SO4-H2O2消煮法（GB 7173—87《土壤全氮測定法（半微量開壓法）》）測定；全P含量采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法（GB 9837—88《土壤全磷測定法》）測定。

1.5" 數據處理

數據前期處理、統計分析及繪圖分別在Microsoft Office Excel 2013、統計軟件SPSS18.0和Origin9中完成。土壤C∶N、C∶P和N∶P化學計量比采用質量比表示。采用One-Way ANOVA 分析比較不同林齡土壤C、N、P含量及C∶N、C∶P和N∶P化學計量比。采用Pearson相關分析土壤C、N、P含量及化學計量比之間的關系。數據表示為平均值±標準差。

2" 結果與分析

2.1" 不同林齡普安大廠茶園土壤C、N、P含量

不同林齡普安大廠茶園土壤的C、N、P含量如圖1所示。土壤的C含量介于139.90～494.76 g/kg，平均值為267.35 g/kg；土壤N含量變化范圍為3.03～6.39 g/kg，平均值為4.65 g/kg；土壤P含量變化范圍為3.58～6.13 g/kg，年平均值為4.51 g/kg。不同林齡段普安大廠茶林土壤C、N、P整體變化趨勢均為隨著林齡增加先增加后下降。各林齡段土壤C、N和P含量差異顯著（P＜0.05）。

2.2" 不同林齡普安大廠茶園土壤化學計量比

由圖2可知，不同林齡段普安大廠茶林土壤C∶N、C∶P和N∶P范圍分別為38.97～78.12、37.70～83.77和0.78～1.29。不同林齡段普安大廠茶林土壤C∶P和N∶P變化規律相似，整體上都表現出隨林齡增加先增加后下降的趨勢，C∶N則未表現出明顯的變化規律。各林齡段土壤C∶N、C∶P差異顯著（P＜0.05）；除5年和20年土壤N∶P差異不顯著外（P＞0.05），其余各林齡段土壤N∶P差異顯著（P＜0.05）。

2.3" 不同林齡大廠茶園土壤C、N、P含量及化學計量比之間的相關關系

相關分析結果表明（表2），普安大廠茶園土壤C、N和P含量之間具有極顯著的正相關關系（P＜0.01）；土壤C∶N與土壤有機碳含量有極顯著的相關性（P＜0.01），與土壤磷含量顯著正相關（P＜0.05），與土壤氮含量無相關關系（P＞0.05）；土壤C∶P與土壤C、N、P含量均極顯著正相關（P＜0.01）；土壤N∶P與土壤N含量顯著正相關（P＜0.05），與土壤C、P含量無相關關系（P＞0.05）。

3" 討論

植物主要從土壤中獲取養分，土壤作為植被生長的基質起著關鍵作用，它提供植物所需的大部分養分，同時植物通過葉片進行光合作用來固定碳，并以枯落物的形式將養分還給土壤[10]。隨著林齡的增加，普安大廠茶林土壤C、N和P均表現出先增加、后降低的趨勢。有研究表明，隨著林齡的增加，油茶人工林土壤C、N、P含量呈現出增加的趨勢[11]，這和本研究的結果并不完全一致。一方面，茶樹一般會定期進行修剪，本研究中各不同林齡段茶樹在每月10月份修剪一次，修建后的枝條歸還到土壤中，從而導致茶林土壤C、N和P增加；另一方面，和油茶人工林相比，茶樹對養分的需求較大，茶樹的生長消耗土壤中大量的營養物質。在初期階段，養分歸還的速度大于普安大廠茶林對養分的吸收速度，導致土壤養分增加。然而，隨著茶樹的生長，其對養分的需求不斷增加，土壤養分消耗的速度大于養分歸還的速度，導致土壤C、N、P含量呈現出隨林齡變化先增加、后減少的趨勢。當土壤C、N和P缺乏時，容易對土壤微生物群落結構、代謝過程等方面產生影響，而微生物在土壤物質循環過程中扮演著關鍵的角色，因此，可適時補充有機肥，促進土壤質量的改善[12]。

土壤C∶N、C∶P、N∶P是反映土壤有機質組成及土壤養分有效性的關鍵性指標[13]，土壤C∶N可表征土壤有機質的礦化速率，其比值越低，礦化速率越快[14]；土壤C∶P表示磷有效性的高低，C∶P比值越小，磷的有效性越高[15-16]；土壤N∶P可用作標準N素飽和與限制的重要診斷指標[14]；土壤C∶P表示磷有效性的高低，C∶P比值越小，磷的有效性越高[15-16]。本研究中，土壤C∶N隨林齡增加，沒有明顯的變化趨勢。有研究表明，土壤C∶N降低時，微生物將超過自身需要的氮素釋放到土壤中，而土壤C∶N升高時，微生物需要從土壤中攝入氮素滿足自身需要[14]；土壤C∶P表示磷有效性的高低，C∶P比值越小，磷的有效性越高[17]。從5年到10年，土壤C∶N下降，微生物將超過自身需要的氮素釋放到土壤中，土壤有機質礦化速率加快；從10年到15年，土壤C∶N上升，微生物從土壤中攝入氮素滿足自身需要，土壤有機質礦化速率減慢。土壤C∶P和N∶P則受林齡影響顯著，其變化趨勢均為先升高后降低。土壤P以各種形態存在，在土壤中可互相遷移轉化，但只有轉化成有效P才可被植物直接吸收利用[18]。當枯落物養分歸還的速率大于植物吸收養分的速率時，土壤中的磷增加，但這部分磷并不能直接被植物吸收，因此，從5年到15年，土壤C∶P升高，磷有效性降低；而當枯落物養分歸還的速率小于植物吸收養分的速率時，土壤中的磷減少，為了滿足植物生長的需求，相對較少的磷需要被轉化為有效磷，也就是磷的有效性可能增加。本研究中N∶P平均值為1.02，明顯低于全國土壤N∶P平均水平（5.20）[19]，表明該區土壤N不足，這和前文茶樹生長受到氮限制研究一致，建議合理施用N肥以改善養分供給。不同林齡階段土壤N∶P先增加、后降低，與白榮[20]的研究結果一致。

相關分析表明，土壤C、N、P含量之間表現出極顯著的相關關系，與原雅楠等的研究結果一致[21]，表明土壤C、N、P含量之間具有很強的依存性。土壤C∶N、C∶P、N∶P是反映土壤有機質組成及土壤養分有效性的關鍵性指標，具有不同的指示意義。本研究中，土壤C∶N、C∶P和N∶P與土壤C、N和P之間的相關性并不一致，也進一步表明了其在指示土壤養分平衡方面具有不同的意義。

4" 結論

本研究表明，隨著植茶年齡的增加，土壤C、N、P、C∶P、N：P呈先上升后下降的變化趨勢，而土壤C∶N變化趨勢不明顯。根據土壤N∶P，普安大廠茶樹主要受N限制。相關分析表明，土壤C、N、P含量之間表現出極顯著的相關關系，土壤C∶N、C∶P和N∶P與土壤C、N和P之間的相關性并不一致。綜上所述，隨著林齡的增加，土壤養分質量下降。為了維護茶樹的可持續發展，應采取增施氮肥、有機肥等措施來提高茶林土壤質量。

參考文獻：

[1] 賀金生，韓興國.生態化學計量學：探索從個體到生態系統的統一化理論[J].植物生態學報，2010，34（1）：2-6.

[2] 王霖嬌，汪攀，盛茂銀.西南喀斯特典型石漠化生態系統土壤養分生態化學計量特征及其影響因素[J].生態學報，2018，38（18）：6580-6593.

[3] BAI X J， WANG B R， AN S S， et al. Response of forest species to C∶N∶P in the plant-litter-soil system and stoichiometric homeostasis of plant tissues during afforestation on the Loess Plateau， China[J]. Catena，2019（183）：104186.

[4] 陸炎松，黃旭光，楊思霞，等.廣西扁桃適生區土壤碳氮磷生態化學計量特征[J].西部林業科學，2021，50（2）：35-39.

[5] 馬鑫雨，方斌，常艷春，等.閱海濕地植物葉片和土壤C、N、P季節動態及其累積[J].水土保持學報，2015，29（3）：136-143.

[6] 劉葦，鄧朝義，陳興，等.大廠茶茶葉中游離氨基酸及揮發性芳香物質分析[J]．浙江林業科技，2021，41（3）：1-14.

[7] 李彩云，宋勤飛，牛素貞，等.大廠茶優勢株系芽葉性狀與生化成分的鑒定與評價[J]．熱帶作物學報，2022，43（12）：2564-2575.

[8] 牛素貞，宋勤飛，樊衛國，等.干旱脅迫對喀斯特地區野生茶樹幼苗生理特性及根系生長的影響[J]．生態學報，2017，37（21）：7333-7341.

[9] 安紅衛，宋勤飛，牛素貞.貴州茶樹種質資源遺傳多樣性、群體結構和遺傳分化研究[J].浙江農業學報，2021，33（7）：1234-1243.

[10] 劉煜.氮磷添加對杉木林枝葉養分含量與回收效率的影響[D].江西：南昌大學，2014.

[11] 鄧成華，吳龍龍，張雨婷，等.不同林齡油茶人工林土壤-葉片碳氮磷生態化學計量特征[J]．生態學報，2019，39（24）：9152-9161.

[12] 程昊天，孔濤，呂剛，等.不同林齡樟子松人工林土壤-針葉-微生物生態化學計量及穩態性特征[J]．生態學雜志，2022，41（5）：887-894.

[13] 閆恩榮，王希華，郭明，等.浙江天童常綠闊葉林、常綠針葉林與落葉闊葉林的C∶N∶P化學計量特征[J].植物生態學報，2010，34（1）：48-57.

[14] MAJDA H， OHRVIK J. Interactive effects of soil warming and fertilization on root production， mortality in Norway spruce stand in Northern Sweden[J]. Global Change Biology， 2004，10（2）：182-188.

[15] 王紹強，于貴瑞.生態系統碳氮磷元素的生態化學計量學特征[J].生態學報，2008，28（8）：3937-3947.

[16] 曹娟，閆文德，項文化，等.湖南會同3個林齡杉木人工林土壤碳、氮、磷化學計量特征[J]．林業科學，2015，51（7）：1-8.

[17] BENGTSSON G， BENGTSON P， MANSSON K F. Gross nitrogen mineralization-， immobilization-， and nitrification rates as a function of soil C/N ration and microbial activity[J]. Soil Biology and Biochemistry， 2003，35（1）：143-154.

[18] HEDLEY M J， STEWART J W B， CHAUHAN B S. Changes in inorganic and organic soil phosphorus fractions induced by cultivation practices and by laboratory incubations[J]. Journal of the Soil Science Society of America， 1982（46）：970-976.

[19] TIAN H Q， CHEN G S， ZHANG C， et al. Pattern and variation of C：N：P ratios in China's soils： A synthesis of observational data[J]. Biogeochemistry， 2010（98）：139-151.

[20] 白榮.滇中高原典型植被演替進程中的生態化學計量比特征研究[D].昆明：昆明理工大學，2014.

[21] 原雅楠，李正才，王斌，等.不同林齡非樹林地土壤碳氮磷化學計量特征[J].浙江農林大學學報，2021，38（5）：1050-1057.

基金項目：國家自然科學基金（42071142）；貴州師范學院2021年度校級科學研究基金博士項目（2021BS023）；貴州師范學院校級大學生創新訓練項目（2023142234200）

*通信作者：呂文強（1982-），男，博士，副教授。研究方向為環境地球化學。