茶樹根際土壤微生物碳氮磷及其生態化學計量

賈國梅， 岳云飛， 王世彤， LIU Xiao， 向瀚宇， 瞿紅云

(1.三峽大學生物與制藥學院，湖北宜昌 443002； 2.湖北三峽地區生態保護與治理國際聯合研究中心，湖北宜昌 443002； 3.Pall Corporation，NY，USA 11050)

生態化學計量學是研究生態系統功能和動態的一門學科，主要強調碳(C)、氮(N)、磷(P)循環及其組成關系[1]，對C、N、P化學計量比的研究，可以使營養物質的復雜性變得簡單化[2]。土壤微生物是陸地生態系統的重要組成部分，對土壤養分的固持、礦化，以及土壤養分循環具有重要的驅動和調節作用，在土壤肥力和有機質轉化過程中扮演重要的角色[3]。土壤微生物的數量、組成、生理活動的改變會影響它們的功能，進而影響生態系統生物地球化學循環的過程[4]。土壤微生物可通過調整自身的生態化學計量比以及對資源的利用效率來適應周圍環境的改變[5]。微生物對土壤養分的固持和礦化可以通過土壤微生物量生態化學計量特征來反映[6]，因此土壤微生物生物量碳氮磷生態化學計量特征是評價陸地生態系統營養限制的一個有用的工具[7]。

茶樹是湖北宜昌重要的經濟作物，五峰采花毛尖、鄧村綠茶和宜紅茶品質聞名全國，然而目前關于茶園土壤的報道主要集中在閩、浙、皖等地區，且主要研究茶樹土壤養分特性、微生物活性以及微生物群落結構特征[8]，對于茶樹土壤碳氮磷生態化學計量特征的研究相對較少，對茶樹根際土壤微生物生物量碳氮磷及其生態化學計量特征的研究報道則更為少見。因此，本研究以五峰茶園為研究對象，分析同一海拔不同茶齡茶樹根際土壤微生物生物量碳氮磷含量及其生態化學計量特征，揭示茶樹根際土壤微生物生物量碳氮磷生態化學計量比，探明影響茶樹可持續生長的限制性營養元素，以期為茶園的管理、增產和生態可持續發展提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域與樣地概況

研究地點位于湖北省宜昌市五峰縣采花鄉采花臺茶場(110°24′E，30°8′N，海拔800 m)，屬亞熱帶溫濕季風氣候。年平均氣溫為13 ℃，氣候較為溫和，年均降水量1 400 mm以上，年10 ℃以上有效積溫為2 442～3 510 ℃。

1.2 樣品采集與處理

2016年4月份取樣，此時正是采摘春茶的最佳時間，取樣更有代表性。分別選取海拔800 m處3、8、40年茶齡的根際土壤為研究對象，3個年齡的茶樹樣地之間的距離不到 1 m，土壤都為黃棕壤。根際土壤采用掘根抖落法：分別在每個林齡的茶樹區域隨機選擇6株茶樹，相鄰2株茶樹為1個樣地重復，即每個林齡的茶樹根際有3個樣地的重復。然后用取土器在茶樹根際周圍取出長約50 cm (直徑8 cm)的土柱，小心地取出0～20 cm土柱內的細根，輕輕抖落附在根上的3 mm以內的土壤即為根際土壤，采集每2株平均木根際土壤混合為1個樣品，分別充分混勻。迅速撿去枯枝落葉后分為2部分，一部分自然風干用于土壤理化特性的測定，另一部分于 0～4 ℃ 冰箱保存用于土壤微生物碳氮磷的分析。

1.3 測定方法

土壤含水量采用烘干法測定；土壤pH值采用1 ∶1水土浸提后，用酸度計測定；土壤有機碳(OC)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定[9]；全氮(TN)含量采用半微量凱氏法測定[9]；全磷(TP)含量采用硫酸高氯酸-鉬銻抗比色法分析[10]；微生物量碳氮磷采用三氯甲烷熏蒸浸提法測定[11]。

1.4 統計方法

不同年限的茶樹根際土壤指標采用Turkey’s-b單因素方差分析，指標之間的關系采用Pearson’s test和線性回歸方程分析，在SPSS 11.5軟件上進行。

2 結果與分析

2.1 茶樹根際土壤生境因子

隨著茶齡的延長，根際土壤含水量呈現出顯著的先升高，8年達到最大值，隨后又顯著降低的趨勢(表1)。根際土壤pH值變化范圍在3.83～4.81之間，且隨著茶齡的延長呈現顯著降低趨勢，這意味著茶樹的長期生長，導致土壤酸化。

表1 茶樹根際土壤生境因子

注：同列不同小寫字母表示不同林齡間差異顯著(P<0.05)。表2、表3同。

2.2 根際土壤碳氮磷和微生物生物量碳氮磷

根際土壤有機碳、全氮、全磷含量變化范圍分別為22.00～37.46、2.53～3.53、0.70～1.04 g/kg(表2)。根際土壤有機碳和全氮含量的排序為40年>8年>3年，全磷含量的排序是8年>40年>3年，但是單因素方差分析的結果表明，根際土壤有機碳、全氮和全磷含量都是3年的顯著小于40年和8年的樣地，而8年和40年樣地之間并無顯著性差異。這說明根際土壤有機碳、全氮和全磷含量在8年的樣地達到最大值，其后逐漸趨于穩定。這可能是由于茶樹地長期施肥不但提高了茶樹的生產力，還提高了土壤碳氮磷含量，另外茶樹的凋落物歸還土壤，也提高了土壤有機質含量，然而茶樹生長前期(8年及以前)有機質含量提高顯著，而后期并無顯著性的提高。

根際土壤微生物生物量碳氮磷含量的變化范圍分別是208.56～474.09、94.16～222.57、4.48～13.66 mg/kg(表3)。根際土壤微生物生物量碳氮磷含量隨著茶樹林齡的延長而提高，8年達到最大值，其后又呈現顯著的降低趨勢。這說明茶樹根際土壤微生物生物量比土壤有機質對土壤肥力變化的響應更為敏感。線性回歸分析的結果表明，土壤碳氮磷含量互相之間具有顯著的正相關性，土壤微生物量碳氮磷含量互相之間也具有顯著的正相關性(圖1)。相關性分析的結果表明，土壤含水量與微生物生物量碳氮磷含量之間都具有顯著或極顯著的正相關性。土壤pH值與土壤有機碳和全氮含量之間具有極顯著的負相關性(P<0.01)(表4)。

表2 不同林齡茶樹根際土壤碳氮磷含量及其生態化學計量比

表3 不同林齡茶樹根際土壤微生物碳氮磷含量及其生態化學計量比

注：MBC為微生物生物量碳，MBN為微生物生物量氮，MBP為微生物生物量磷。下同。

2.3 根際土壤碳氮磷和微生物生物量碳氮磷濃度

本研究中，3種茶齡土壤C/N的變化范圍是8.70～10.43，C/P的變化范圍是31.81～39.49，N/P的變化范圍是3.35～3.72(表2)。方差分析表明，3種茶齡土壤的C/N、C/P、N/P均無顯著差異，這意味著土壤碳氮磷生態化學計量比具有內穩態的特征。本研究中，土壤微生物碳氮比(MBC/MBN)的變化范圍為3.07～3.63，微生物碳磷比(MBC/MBP)的變化范圍為34.94～48.67，微生物氮磷比(MBN/MBP)的變化范圍為16.05～30.36(表3)。 單因素方差分析的結果表明，3種茶齡土壤MBC/MBN和MBC/MBP之間都無顯著性差異，而MBN/MBP卻是40年顯著大于3年和8年，3年和8年之間無顯著性的差異，這說明茶樹生長到一定林齡后，根際土壤有效磷成為茶樹的限制性元素。線性回歸分析表明，土壤C/P與MBC/MBP、N/P與MBN/MBP之間、C/N與MBC/MBN之間都無顯著的相關性(圖2)。

表4 土壤生境因子與土壤碳氮磷含量及其微生物生物量碳氮磷含量之間的相關性

注：“*”“**”分別表示在0.05、0.01水平上顯著相關。

3 討論

3.1 土壤生境因子對根際土壤微生物生物量的影響

土壤微生物是土壤養分的源和匯，它們可以分解土壤有機物，提供陸地植物生長所需的N和P，因此與植物營養密切相關[12]。土壤微生物生理、組成和活性的改變可能影響它們的功能，進一步影響生態系統地球化學循環的過程[13]。

本研究中，茶樹根際土壤微生物量碳氮磷含量都表現出先增加后降低的趨勢。這可能是由于根際土壤碳源的逐年增加為微生物生長提供了足夠的養分，土壤微生物大量繁殖，微生物生物量增大，8年后又下降可能是因為土壤酸化嚴重，抑制了微生物的生長[14]，結果導致根際土壤微生物生物量下降。但是本研究中，土壤pH值與土壤有機碳和全氮含量之間具有顯著的負相關性，而與土壤微生物碳氮磷含量之間并無顯著的相關性，這說明茶樹根際土壤pH值可能是通過影響微生物群落的資源進而對微生物固持營養物質產生影響。本研究的結果與其他研究是相似的[7，15]。干旱脅迫也影響微生物的生理機能，低的含水量使微生物脫水，可能最終導致其死亡。由于干旱脅迫，30%的碳源可以被限制在細胞質中，這會降低微生物的活動和數量的增長[16]。Nielsen等觀察到，高的水分含量增加了養分的可利用性以及微生物的增長量，進而增加了微生物對N和P的固持[17]。本研究中，8年的茶樹根際土壤含水量顯著高于其他樣地，其微生物生物量碳氮磷含量也顯著高于其他樣地，這進一步說明適宜的含水量對土壤微生物固持營養物質具有明顯的促進作用。

3.2 根際茶樹土壤生態系統限制性營養

與全球土壤C ∶N ∶P計量比186 ∶13 ∶1[7]、 287 ∶17 ∶1[15]和中國表層土壤碳氮磷計量比(134 ∶9 ∶1)[18]相比，本研究茶樹根際土壤C ∶N ∶P計量比較低(81 ∶8 ∶1～102 ∶8 ∶1)，但是與中國南亞熱帶地區土壤碳氮磷比(80 ∶7.9 ∶1)近似[19]。與全球土壤微生物量 C ∶N ∶P 計量比(60 ∶7 ∶1)[7]和42 ∶6 ∶1[15]以及與中國南亞熱帶地區微生物量C ∶N ∶P計量比(70.2 ∶6 ∶1)相比，本研究茶樹根際土壤微生物量C ∶N ∶P計量比(90 ∶36 ∶1～126.36 ∶1)較高，但是略高于Tischer等的微生物量碳氮磷計量比(11 ∶1 ∶1～93 ∶10 ∶1)[20]。這可能是由于不同的土地利用類型，其生態過程和土地管理措施都不同，結果產生了不同的土壤微生物生物量和群落結構[7，21]，進而影響了土壤微生物量碳氮磷計量比。

本研究中，雖然茶樹根際土壤碳氮磷含量、微生物量碳氮磷含量隨著茶樹年限的延長發生相應的變化，但是茶樹根際土壤碳氮磷比、微生物量碳氮比和碳磷比隨著茶齡的延長并無顯著性的變化，驗證了土壤碳氮磷比、微生物量碳氮比和碳磷比相對穩定的結果[7]。另外，土壤碳氮比與微生物量碳氮比之間也無顯著性的相關性，且土壤碳磷比和微生物量碳磷比之間、土壤氮磷比和微生物量氮磷比之間都無顯著的相關性，這說明茶樹根際資源和分解者的碳氮磷計量比之間具有內穩態的特性[1]。這與Li等的研究結果[19]不同，他們的研究結果表明，雖然土壤資源氮磷比與微生物量氮磷比之間無顯著的相關性，但是資源碳磷比與微生物量碳磷之間具有顯著的正相關性，因而其研究結果表明，土壤微生物量不是內穩態的系統[19]。Cleveland 等認為土壤MBN/MBP可作為生態系統限制性指標[7]，但是Xu等認為MBN/MBP可能不適合成為生態系統營養限制的指標。他們認為土壤微生物的生長通常受碳的限制，而不是受氮或者磷的限制[15]。本研究中，根際土壤MBN/MBP是40年的茶樹根際顯著大于其他樣地，這與Cleveland等的研究結果[7]相似，所以根際土壤微生物氮磷比適合作為茶園根際微生態系統限制性營養的指標。

4 結論

隨著茶齡的延長，茶樹根際土壤有機碳全氮含量逐漸增大，全磷含量先增大后略減小，而根際土壤微生物生物量碳氮磷含量在一定范圍內逐漸提高，8年達到最大值，隨后又呈現降低的趨勢。這說明土壤微生物量比土壤有機質更能敏感指示土壤質量的變化。土壤碳氮磷含量和土壤MBC/MBN，MBC/MBP隨著林齡的延長都無顯著性的變化，這說明同一海拔不同林齡茶樹根際土壤生態化學計量具有內穩態的調控特征，而土壤微生物量氮磷比可作為茶樹根際土壤限制性元素的指示指標。