茶樹根際土壤氮素組成及其吸收利用效率分析

趙虎, 王海斌, 陳曉婷, 王裕華, 張華彬,丁力, 孔祥海, 師桂英

(1.甘肅農業大學園藝學院, 蘭州 7300701; 2.龍巖學院生命科學學院, 福建 龍巖 364012; 3.福建農林大學生命科學學院, 福建省農業生態過程與安全監控重點實驗室, 福州 350002)

茶樹是喜酸作物，適宜的土壤pH為4.0～6.5，最適pH 5.0～5.5，當pH低于4.0時，茶樹生長受到限制，茶葉的產量和品質下降[1-2]。王海斌等[3]研究發現，福建省泉州市安溪縣9個鄉鎮茶園中，37.67%的土壤已經酸化，10.03%的土壤不適宜種植茶樹。茶樹樹齡與其根際土壤pH值呈極顯著負相關，即隨著茶樹樹齡的增加，其根際土壤pH值呈現下降趨勢。其次，分析發現，隨著茶樹樹齡的增加，茶樹根際土壤酸度加劇，茶葉產量降低，茶葉品質呈現下降趨勢[3]。

茶樹是葉用喜銨作物，因此在茶園施肥管理中偏施氮肥，而氮肥的大量使用極易導致土壤酸化加劇[4-6]。近年來，眾多學者開展大量酸化對土壤氮素轉化及茶樹生長影響的研究，表明酸化導致土壤鹽基離子流失，土壤中正電荷增加，凈負電荷減少，土壤中植物可直接利用性銨態氮、硝態氮數量下降，土壤酸度加劇，土壤中氮素轉化效率降低[7-9]，而這種轉化與土壤中的氨氧化細菌的數量與活性相關[10]。其次，土壤酸化可改變土壤微生物量和微生物群落結構多樣性，例如，酸化細菌、綠非硫細菌和芽孢菌的相對豐度增加，變形菌、擬桿菌和放線菌的數量下降[11-12]。這些微生物豐度的變化與土壤氮素轉化及氮素流失密切相關，主要原因在于土壤微生物數量與豐度變化導致土壤中氮素轉化相關酶活性發生改變，例如，脲酶、硝化酶、轉化酶、氨化酶等活性[13-16]。然而，上述研究只是探討了土壤中的微生物如何改變土壤中的氮素循環，而對于土壤中氮素存在形式、組分變化及其對茶樹氮素吸收利用能力的影響并未做深入研究。

據此，本研究以植茶0、4、9和30年的鐵觀音茶樹根際土壤為材料，分析不同樹齡茶樹根際土壤可溶性有機氮(soluble organic nitrogen，SON)組成及土壤不同類型氨基酸含量，同時將茶苗重新種植于不同種植年限的土壤中，分析土壤對茶樹氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率和氮素經濟效率的影響，以期為酸化茶園土壤修復提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以鐵觀音原產地福建省泉州市安溪縣龍涓鄉為研究地點，收集已種植0、4、9、30年的鐵觀音茶樹根際土壤，用于茶樹根際土壤的可溶性有機氮組分、氨基酸含量測定及茶樹幼苗種植。根際土壤取樣，參考王海斌等[17]的方法，隨機選擇樹齡為4、9和30年的鐵觀音茶樹各100株，去除土壤表層枯枝落葉，挖出茶樹，收集茶樹根際土壤，樣品量約為15 kg，每個樣品3個重復；0年土壤為同一茶園未種植過鐵觀音茶樹的土壤，取樣時，先去除地表植被和凋落物后，收集15～25 cm深度的土壤，多點隨機收集，樣品量約為15 kg，3個重復。不同樹齡茶樹根際土壤的基本理化指標全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為，0年土壤：2.63 g·kg-1、1.37 g·kg-1、1.72 g·kg-1、27.2 mg·kg-1、79.3 mg·kg-1、305.2 mg·kg-1；4年土壤：2.58 g·kg-1、1.29 g·kg-1、1.64 g·kg-1、29.3 mg·kg-1、87.4 mg·kg-1、312.1 mg·kg-1；9年土壤：2.47 g·kg-1、1.21 g·kg-1、1.71 g·kg-1、28.1 mg·kg-1、88.5 mg·kg-1、320.2 mg·kg-1；30年土壤：2.49 g·kg-1、1.24 g·kg-1、1.69 g·kg-1、28.7 mg·kg-1、89.2 mg·kg-1、324.5 mg·kg-1[18]。

1.2 土壤可溶性有機氮及氨基酸含量測定

土壤可溶性有機氮(SON)含量的測定參照Chen等[19]的方法，采用總可溶性氮含量與可溶性無機氮含量的差減法進行計算。具體提取方法為，取4 g新鮮茶樹根際土壤，加入20 mL蒸餾水，于70 ℃下恒溫振蕩提取18 h，采用Whatman 42濾紙過濾，濾液用于后續指標測定[20]。其中，總可溶性氮采用高溫催化氧化-SHIMADZU TOC-VCPH/CPN分析儀(日本島津)測定，可溶性無機氮-銨態氮和硝態氮采用LACHAT Quickchem離子自動分析儀(HACH(哈希)公司)測定，氨基酸總量及其組成采用日立L-8900全自動氨基酸分析儀(日本日立公司)測定[19]。非氨基酸SON，采用土壤SON與氨基酸SON差減法計算獲得。

1.3 不同樹齡茶樹根際土壤種植茶樹幼苗后的氮素效率測定

將不同樹齡茶樹根際土壤風干并研磨、過40目篩；將研磨后的土壤裝入盆中，每盆8 kg，選擇1年生修剪后長勢相對一致的鐵觀音茶苗，分別移栽到盆中，每盆5株，常規種植茶樹60 d，種植過程中不做施肥處理，每個處理種植3盆，即3個重復。種植前，測定移栽茶樹全株的生物量、葉片生物量、氮素含量和土壤全氮含量。種植結束后，輕挖茶樹，將茶樹的根系清洗干凈，剪取新梢部分(綠色莖以上的部分)和葉片，將剪取的材料與剩余部分用于生物量測定，其總和即為茶樹全株生物量，測定后用于茶樹全株氮素含量測定。其中，茶樹全株生物量測定，將茶樹全株置于230 ℃殺青15 min，然后置于80 ℃烘至恒重；植株和土壤氮素測定采用凱氏定氮法[21]進行測定。

不同樹齡茶樹根際土壤重新種植茶樹幼苗后的氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率和氮素經濟效率的算法如下[22]。

氮素效率=(種植前后全株茶樹生物量增加值/土壤全氮含量)×100%

氮素吸收效率=(種植前后全株茶樹氮素增加量/土壤全氮含量)×100%

氮素生理利用率=(種植前后全株茶樹生物量增加值/種植前后全株茶樹氮素增加量)×100%

氮素經濟效率=(種植前后全株茶樹新梢和葉片生物量增加值/土壤全氮含量)×100%

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010進行數據統計分析，采用DPS 7.05與SPSS 19.0進行方差分析、顯著性分析及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同樹齡茶樹根際土壤SON組成差異

不同樹齡茶樹根際土壤總SON含量和組成結果見圖1，可見不同樹齡茶樹根際土壤總SON含量不存在顯著差異，而不同SON組分含量差異顯著，表現為，隨著茶樹樹齡的增加，茶樹根際土壤氨基酸SON呈現下降趨勢(土壤氨基酸SON含量從46.83%下降至22.71%)，不同處理間差異顯著；而非氨基酸SON呈上升趨勢(含量從53.17%上升至77.29%)，不同處理間差異顯著。可見，隨著茶樹樹齡的增加，茶樹根際土壤SON組成發生顯著變化。

注：不同小寫字母表示不同年限土壤相應指標間差異在P<0.05水平具有統計學意義。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at P<0.05 level among soils of different cropping years.圖1 不同樹齡茶樹根際土壤可溶性有機氮的含量和組成Fig.1 Contents and components of SON in rhizospheric soil of tea tree with different ages.

2.2 不同樹齡茶樹根際土壤氨基酸含量分析

不同樹齡茶樹根際土壤共檢測到14種氨基酸，不同氨基酸含量結果(表1)表明，隨著茶樹樹齡的增加，茶樹根際土壤中的纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸5種疏水氨基酸含量呈現顯著上升趨勢；而蘇氨酸、賴氨酸、絲氨酸、谷氨酸、甘氨酸、半胱氨酸、組氨酸、精氨酸8種親水氨基酸含量則呈現顯著下降趨勢。不同樹齡茶樹根際土壤的疏水氨基酸總量，隨著茶樹樹齡的增加，從3.843 mg·kg-1上升至5.751 mg·kg-1，親水氨基酸總量則從3.722 mg·kg-1下降至2.214 mg·kg-1；氨基酸總量雖然隨著茶樹樹齡的增加呈現上升趨勢，但不同樹齡之間差異不顯著。可見，隨著茶樹樹齡的增加，茶樹根際土壤不同親水性氨基酸含量發生顯著變化，表現為疏水氨基酸含量呈現上升趨勢，而親水氨基酸含量呈現下降趨勢。

表1 不同樹齡茶樹根際土壤氨基酸含量Table 1 Amino acids content in rhizospheric soil of tea trees with different ages.

2.3 不同樹齡茶樹根際土壤對茶樹氮素吸收利用效率的影響

不同樹齡茶樹根際土壤種植茶樹幼苗后，對茶樹幼苗的氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素效率和氮素經濟效益的影響結果(圖2)表明，隨著茶樹根際土壤年限的增加(0～30年)，茶樹幼苗的氮素吸收效率由3.25%下降至1.32%，氮素生理利用率由95.23%下降至62.15%，氮素效率由235.16%下降至89.45%，氮素經濟效益則由90.59%下降至53.42%。可見，隨著茶樹根際土壤年限的增加，茶樹幼苗對土壤的氮素吸收能力顯著下降，吸收后的氮素在利用和轉化能力上呈下降趨勢，最終導致茶樹幼苗的氮素經濟效益降低。

2.4 茶樹根際土壤年限與SON組分、氨基酸含量及茶樹氮素效率指標的相關性

對土壤年限、可溶性氮組分、氨基酸含量及氮素效率進行相關性分析，結果(表2)表明，土壤年限與土壤非氨基酸SON、疏水氨基酸、總氨基酸含量均呈顯著或極顯著正相關，而與土壤氨基酸SON、親水氨基酸含量、氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素經濟效率均呈顯著或極顯著負相關。氨基酸SON含量與非氨基酸SON、疏水氨基酸和總氨基酸含量呈極顯著負相關，與親水氨基酸含量、氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素經濟效率呈極顯著正相關，而非氨基酸SON含量則相反。進一步分析發現，本研究條件下，隨著土壤年限的增加，茶樹根際土壤的氨基酸含量與氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素經濟效率呈顯著或極顯著負相關。氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素經濟效率之間則呈極顯著正相關。

注：不同小寫字母表示不同樹齡茶樹間差異在 P<0.05水平具有統計學意義。Note: Lowercase letters indicate significant difference between different age tea trees at P<0.05 level.圖2 不同樹齡茶樹根際土壤對茶樹氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素效率和氮素經濟效益的影響Fig.2 Effects of different age tea tree rhizospheric soil on nitrogen absorption efficiency, physiological nitrogen utilization rate, nitrogen efficiency and nitrogen economic benefits of tea trees

表2 土壤年限、可溶性氮組分、氨基酸含量及氮素效率之間的相關性分析Table 2 Correlation analysis among soil age, SON, amino acid content and nitrogen use efficiency

可見，隨著茶樹樹齡的增加，茶樹根際土壤氮素組分和不同類型氨基酸含量均受到顯著影響，茶樹根系氮素吸收能力下降，進而導致茶樹的氮素利用率降低，最終影響其經濟效益。

3 討論

土壤是茶樹種植與生長的主要載體，土壤中養分含量的高低及其形態影響著茶樹的生長與品質。氮素是植物生長所需的主要養分元素之一，氮素在土壤中的存在方式眾多，可溶性有機氮(SON)是氮素存在的形式之一[23]。SON可大致分為2大類別，氨基酸SON以低分子量游離氨基酸和蛋白質為主，易分解；非氨基酸SON以大分子量的含氮腐殖質為主，難分解[24-26]。據報道，SON組分與土壤生態系統功能，氮素循環等密切相關，其不同組分含量高低象征著土壤氮素循環的能力[26-27]。本研究結果表明，隨著茶樹樹齡的增加(0～30年)，不同樹齡茶樹根際土壤總SON含量不存在顯著差異，而在不同SON組分含量上差異顯著，茶樹根際土壤氨基酸SON比例呈現下降趨勢，而非氨基酸SON比例則呈上升趨勢。其次，茶樹根際土壤氨基酸含量結果表明，隨著茶樹樹齡的增加，茶樹根際土壤疏水氨基酸含量呈現上升趨勢，而親水氨基酸含量呈現下降趨勢。可見，隨著茶樹樹齡的增加，茶樹根際土壤中易分解的氨基酸SON和親水氨基酸含量降低，難分解的非氨基酸SON和疏水氨基酸含量則升高，土壤中可被茶樹吸收與利用的氮素含量下降，可能導致茶樹對氮素的吸收與利用效率降低。

不同樹齡茶樹根際土壤重新種植茶樹后，土壤對茶樹氮素吸收與利用效率的影響結果表明，隨著土壤年限的增加，茶樹的氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素效率均呈現下降趨勢；同時，茶樹自身的經濟效益也呈現下降趨勢。相關性分析結果表明，土壤年限與土壤非氨基酸SON、疏水氨基酸、總氨基酸含量呈顯著或極顯著正相關，而與土壤氨基酸SON、親水氨基酸含量、氮素效率、氮素吸收效率、氮素生理利用率、氮素經濟效率等呈顯著或極顯著負相關。可見，隨著茶樹樹齡的增加，茶樹根際土壤的SON組分發生顯著變化，土壤中易分解的親水性氨基酸含量降低，難分解的疏水性氨基酸含量升高，根際土壤的氮素循環受阻，茶樹氮素吸收能力下降，氮素生理利用率與氮素效率降低，最終導致茶樹氮素經濟效率降低，產量和品質下降。

綜上所述，茶樹樹齡的增加可改變土壤的氮素組分，影響土壤氮素循環，導致茶樹氮素吸收與利用能力下降。然而，隨著茶樹樹齡增加，土壤中的微生物是如何改變土壤中的氮素形態并進而影響茶樹對氮素的吸收與利用，還需進一步研究。