安溪縣山地茶園土壤化學計量特征在不同空間的變化

劉岑薇，張 燕，辛思潔，陳錦輝，楊 慶，王義祥

(1.福建省農業科學院 農業生態研究所，福建 福州 350003；2.福建省環境監測中心站，福建 福州 350003； 3.福建農林大學，福建 福州 350002)

福建是我國茶葉生產的主要省份，全省共有茶園面積17.33萬hm2，占全國茶園總面積的10.5%，居全國第2位[1]。近年來福建省各地區開墾坡地種茶力度不斷加大，當地農民多進行高坡度開墾，將茶園開到頂、“四面光”的現象屢見不鮮，全省茶園(特別是新開墾茶園)水土流失比較嚴重。安溪縣是福建水土流失最嚴重的區域之一，據統計，截至2012年底安溪縣水土流失面積有690.3 km2[2]。這不僅導致生態環境破壞，而且直接影響和制約茶產業的可持續發展。目前對于茶園水土流失的研究多集中在山地茶園水土流失特征、成因和防治措施上，且多利用傳統觀測手段，例如徑流小區觀測法[3]等，較少從侵蝕泥沙的源頭研究，對水土保持措施在不同條件下的影響與效果缺少定量、準確、快速的描述和評價。碳(C)、氮(N)、磷(P)是地球上所有生命化學組成的基礎，目前生態化學計量學的研究更多是在探究C、N、P元素的比例關系[4]，這在生物地球化學循環的研究中具有重要意義[5]。由于N、P元素在化學循環中的特殊性，因此在陸地生態系統中通常是限制性元素[6]，而不同土地利用類型及人為作用(例如施肥和耕地)對土壤N或P的環境影響強烈，使得土壤中的C、N、P總量變化很大，造成土壤C∶N∶P的空間變異性較大[7]。利用生態化學計量學方法，能更好地在元素水平上統一不同研究區域的生物學研究[8]。

本研究結合生態化學計量學方法，研究不同海拔梯度下已治理與未治理茶園土壤的N、P化學計量特征，探討不同治理條件下茶園土壤N、P在空間上的變化，以期為進一步研究小流域泥沙來源提供快捷便利的方法，為快速評價水土保持措施效益提供新的思路及理論依據。

1 研究區概況

研究區位于福建省安溪縣西北部的感德鎮槐植村(北緯25°18′，東經117°51′)，該地屬于亞熱帶季風性氣候，年均氣溫18.5 ℃，年均降水量1 600 mm，降水季節分配不均，每年的3—6月份為梅雨季節，7—9月份受臺風影響大暴雨次數增多。年均日照時數1 907.6 h，無霜期350～365 d，氣候溫和濕潤，大多數地區海拔500～600 m，適宜茶樹生長。

2 研究材料與方法

2.1 樣品采集

野外試驗地選在感德鎮雙岐溪支毛溝，采樣點選在支毛溝南北兩側的茶山上，茶山山頂海拔平均為600 m，山腳海拔平均為300 m。支毛溝南側的茶園未采取良好的水土保持措施，僅修了水平梯田，田面寬<1 m，梯臺清耕，記為未治理茶園(A)；支毛溝北側的茶園采取了良好的水土保持措施，修了反坡梯田，田面寬<1 m，梯面邊緣種植黃花菜、豆科植物，梯壁種草，修山地水利設施等，記為已治理茶園(B)。根據該區域地形情況，各選取3座坡度、海拔大體相似的茶山，分別處于支毛溝上、中、下游的位置，依次標記為未治理A1、A2、A3和已治理B1、B2、B3。根據地形、坡長等因素，從山頂到山腳垂直方向每隔100 m取1次表層土樣(0～5 cm)，用環刀法采集3個樣品混合制備成1個樣品待分析，具體的采樣點信息見表1。

表1 采樣點信息

2.2 研究方法

將土壤樣品自然風干，所有樣品過2 mm篩，分析前再將樣品過0.25 mm篩，分析全氮(TN)、全磷(TP)含量。TN含量測定采用半微量凱氏定氮法[9]，TP含量測定采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法[9]。每個指標重復測定3次，結果取平均值。利用Minitab 17統計分析軟件對測定數據進行處理。

3 結果與分析

3.1 不同高程下已治理與未治理茶園土壤的TN、TP含量

不同高程下土壤TN含量見圖1。未治理茶園土壤TN含量在600、500、400、300 m高程處分別為1.51、1.44、1.24、1.15 g/kg，已治理茶園土壤TN含量在600、500、400、300 m高程處分別為2.35、1.88、1.39、1.24 g/kg，均呈現出隨著高程降低而減少的趨勢，且已治理茶園均高于未治理茶園。分析結果表明，未治理茶園土壤TN含量在不同高程間無顯著差異(p>0.05)，已治理茶園土壤TN含量除在400與300 m之間無顯著差異外，其余高程之間差異顯著(p<0.05)。在600 m高程處已治理茶園土壤TN含量比未治理茶園高57%，在最低高程(300 m)處已治理茶園土壤TN含量僅比未治理茶園高7.8%。這可能是因為在茶山低處，人類活動較為頻繁，對茶山地表植被的破壞和土壤擾動都高于山頂處，生產活動后疏松土壤受到臺風、暴雨等影響，造成嚴重的水土流失和養分流失。

圖1 不同高程下茶園土壤TN含量

圖2為不同高程下茶園土壤TP含量。未治理茶園土壤TP含量在600、500、400、300 m高程處分別為0.62、0.41、0.38、0.35 g/kg，呈現出隨高程降低而減少的趨勢，且600 m高程處顯著高于300 m高程處(p<0.05)。已治理茶園土壤TP含量的變化趨勢則與未治理茶園相反，隨著高程降低呈增加趨勢，且600 m高程處顯著低于300 m高程處(p<0.05)。在600 m高程處，已治理茶園土壤TP含量比未治理茶園低37.1%，而在茶園高程最低處(300 m)，已治理茶園土壤TP含量比未治理茶園高1.4倍。

圖2 不同高程下茶園土壤TP含量

3.2 不同水平位置未治理與已治理茶園土壤的N、P含量

由圖3可知，從支毛溝的上游到下游，未治理茶園土壤TN含量呈增加趨勢，而已治理茶園總體呈降低趨勢。這可能是由于未治理茶園沒有布設合理的水土保持措施，導致水土流失嚴重，土壤中的N隨土壤與地表徑流而發生流失。從未治理茶園土壤TN含量變化趨勢來看，A2(中游)與A1(上游)、A3(下游)茶園土壤的TN含量差異不顯著(p>0.05)，但A1顯著低于A3茶園土壤的TN含量(p<0.05)。從已治理茶園土壤TN含量變化趨勢可知，B1(上游)顯著高于B2(中游)、B3(下游)茶園土壤的TN含量(p<0.05)，但B2、B3間差異不顯著(p>0.05)。從總體來看，未治理茶園土壤的TN平均含量低于已治理茶園，這可能是由于已治理茶園采取了梯壁種草等水土保持措施，增加了植被覆蓋，能夠有效攔蓄地表徑流，減少土壤養分流失，而且地表枯枝落葉分解的氮素能夠進入土壤，使得已治理茶園的土壤TN高于未治理茶園。

圖3 不同水平位置未治理與已治理茶園土壤的TN含量

由圖4可見，在不同水平位置，未治理茶園A1、A2、A3土壤中TP含量無顯著差異(p>0.05)；已治理茶園B1與B3土壤中TP含量有顯著差異(p<0.05)，中游的B2與B1、B3無顯著差異。P元素是沉積型循環，在空間上可能表現出無固定趨勢。從總體來看，已治理茶園(B)土壤中TP平均含量為0.63 g/kg，比未治理茶園(A)土壤中TP平均含量0.44 g/kg高43.2%，說明反坡梯田的治理方式對土壤P的積累有促進作用，且梯壁種草對土壤有固持作用。未治理茶園因無序開墾且多處在陡峭山坡，受地形限制茶樹種植分散，不利于蓄水截流，極易受到臺風、暴雨的影響，導致土壤肥力大量流失，使得土壤中P含量降低。

圖4 不同水平位置未治理與已治理茶園土壤的TP含量

3.3 不同高程下土壤的N∶P化學計量特征

從圖5看，未治理茶園土壤N∶P隨高程降低變化規律不明顯，且相互間差異不顯著(p>0.05)；已治理茶園土壤N∶P隨著高程降低而減小， 各高程間差異顯著(p<0.05)。在600和500 m高程處，已治理茶園土壤N∶P大于未治理茶園，而在400和300 m處，已治理茶園土壤N∶P小于未治理茶園。統計分析表明，不同高程對治理茶園土壤N∶P有顯著的影響。

圖5 不同高程下茶園土壤的N∶P

3.4 不同水平位置茶園土壤的N∶P化學計量特征

從圖6可知，在不同水平位置，未治理茶園的土壤N∶P與已治理茶園均有顯著差異(p<0.05)。位于支毛溝上游的茶園土壤中，未治理茶園A1的土壤N∶P為2.4，顯著低于已治理茶園B1的3.3(p<0.05)；位于支毛溝中、下游的茶園土壤中，未治理茶園A2、A3的土壤N∶P分別為3.3、3.5，顯著高于已治理茶園B2、B3的1.9、1.8(p<0.05)。已治理茶園土壤的N∶P從上游到下游隨水流方向呈顯著減少趨勢，而未治理茶園土壤的N∶P則相反，呈顯著增加趨勢。

圖6 不同水平位置茶園土壤N∶P化學計量特征

4 討 論

隨海拔梯度的變化，植物的多樣性呈現出梯度變化，土壤作為植物生長的基質，其養分特征也具有空間和時間上的差異[10]。李林源[11]對福建三明仙人谷不同海拔梯度下土壤C、N、P含量特征的研究結果表明，隨海拔增加土壤C、N含量呈減少趨勢，在海拔600 m處最小，土壤P含量無顯著梯度變化。而楊淑貞等[12]對浙江天目山不同海拔梯度下樹林土壤理化性質進行的研究結果表明，土壤TN、TP含量隨海拔變化沒有固定的變化趨勢，但隨著土壤深度增加TN含量呈降低趨勢，TP含量表層土壤高于底層。各地研究結果不同，可能與生態系統的多樣性、復雜性及環境空間性有關。

本研究中未治理茶園土壤TN、TP含量大致呈現出隨海拔降低而減少的趨勢，在300 m高程處最低，這可能是由于低海拔地區人類活動更為頻繁，且沒有采取適宜的水土保持措施，不利于養分的積累。已治理茶園土壤TN含量隨海拔降低呈現減少趨勢，TP含量則與之相反。已治理茶園修反坡梯田，梯面種植黃花菜、豆科植物等，有較多植物覆蓋，土壤氮素可來源于生物固氮和隨降水進入土壤中的氮[13]，且在600 m高程處人為活動較少，故土壤TN含量隨海拔降低而減少；已治理茶園土壤TP含量的變化可能與不同海拔降水量和溫度的差異有關。

土壤養分含量會受不同海拔梯度下的地形、氣候及生物因素相互作用的影響[14]。有研究表明，土壤總氮含量與植被覆蓋度呈正相關關系[15]。未治理茶園僅修水平梯田，梯臺清耕，缺少植被覆蓋，加上南方茶園土壤大多為粗晶粒花崗巖風化發育而成的酸性紅壤，結構松散，保水能力差，同時小流域地貌多山地丘陵，茶園多為陡坡開墾，流域內大強度的集中降水沖刷能力較強，因此造成該地區較嚴重的水土流失。N、P含量及N∶P可以作為評價土壤養分狀況的指標之一。根據KOERSELMAN et al.[16]的研究，土壤中N∶P小于14，表示該生態系統受到N的限制。土壤N含量來源于凋落物歸還、大氣沉降及固氮植物，因此已治理茶園與未治理茶園N∶P值產生差異的原因可能在于地表植被的差異。在不同水平位置，不同茶園之間土壤養分差異較大，茶樹自身物質循環和根系代謝會引起茶園酸化，導致土壤N∶P對空間差異的響應較大。由于茶園治理條件不同，未治理茶園水土流失嚴重，表土不斷受到沖蝕，大量黏粒和養分隨表土的流失而損失，因此造成了已治理茶園與未治理茶園土壤養分的差異和化學計量比的差異。

5 結 論

我國地形條件復雜，山地茶園水土流失比例較大，雖然各地都對不同水土保持措施的減水減沙效益開展了大量研究工作，但是由于不同研究采用的觀測小區不同，使得最終結果難以進行比較。本研究運用生態化學計量學，可以更好地在元素水平上統一不同生態系統、不同生長群落和不同研究區域的研究結果。研究結果表明，福建省山地不同海拔梯度的茶園土壤N∶P差異顯著，且已治理與未治理茶園土壤的N、P含量有顯著差異；在同一海拔梯度內，不同地理位置的山地茶園土壤的化學計量比也有顯著差異。通過全面評價不同海拔梯度與不同水平位置下茶園土壤的養分狀況，為布設更加適應該區域茶園開發的水土保持措施提供了科學依據。

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