土壤氮素矿化是土壤有机态氮转化为无机态氮的过程，是土壤氮素循环主要过程^{[1, 2]}，也是了解土壤供氮能力和拟定合理施氮量的主要依据。矿化作用形成的矿质氮与氨挥发、NO₂排放和硝态氮淋溶密切相关，因此研究土壤氮素矿化具有重要的农学和环境意义。前人研究表明，土壤氮矿化受到多种因素的影响，如土壤温湿度^{[3, 4]}、pH值^{[5, 6]}、质地^[7]、肥力状况^{[8, 9]}、植被类型^{[10, 11]}以及是否有抑制物质或激发物质存在^{[12, 13]}等，但在不同土壤类型条件下各种因素的影响各不相同。由此可见，土壤氮素的矿化过程与土壤性质密切相关，决定其变化的主要因子因土壤种类的不同而异。

茶叶是我国广大丘陵地区重要的经济作物，是部分山区茶农脱贫致富和地区财政收入的支柱性产业之一。据农业部种植业管理司统计，2013年全国种茶面积达257.93万hm²，其中福建省约占1/10^[14]。相比其他土地利用类型，茶园土壤具有明显强酸、脱硅富铝和多酚类物质富集等特点，形成了非常独特的土壤化学环境^{[15, 16]}，其土壤的氮素矿化过程无疑与其他土壤生态系统有明显区别，然而有关这方面的研究鲜见报道。因此，本研究选择福建省典型产茶区(武夷山市)作为研究对象，探讨5种茶园土壤(黄壤、红壤、潮砂土、高山草甸土和紫色土)氮素矿化规律，以期为评价茶园土壤氮素有效性和氮素养分管理提供参考依据。

供试土壤采自福建省武夷山市(117°37′~118°19′E，27°27′~28°04′N)，属于中亚热带季风湿润气候，年均气温17.9℃，年均降雨量1 864 mm，相对湿度70%~85%，是中国乌龙茶和红茶的发源地。为研究土壤类型对茶园土壤氮素矿化作用的影响，选择该区茶园5种常见土壤类型(黄壤、红壤、潮砂土、高山草甸土和紫色土)，试验样地基本情况见表 1。于2012年3月分别在试验地茶园按混合多点取样法取样，采样点位于茶行中线位置，采集表层(0～20 cm)土壤，每个试验地采集6个样点，混合后为1个土样。土样剔除根系后风干过2 mm筛，用于培养试验。

表 1(Tab.1)

表 1 试验地基本概况 Tab.1 Properties of tea plantations under study 黄壤 红壤 潮砂土 高山草甸土 紫色土 树龄/a 8 10 15 10 20 茶树品种 水仙 肉桂、水仙 肉桂 本地菜茶 肉桂 树势 中 中 中 好 好 位置 星村镇曹墩村 武夷镇九曲村 武夷镇天心村 桐木关保护区 武夷山景区 海拔/m 385 243 190 1120 322 经纬度 N 27°37′、E117°51′ N 27°38′、E117°57′ N 27°38′、E117°58′ N 27°47′、E117°42′ N 27°40′、E117°57′

表 1 试验地基本概况 Tab.1 Properties of tea plantations under study

称150 g风干土(烘干基重)置于250 mL三角瓶中，加入去离子水至40%田间持水量(WHC)，用塑料保鲜膜封口，扎若干个小孔，保持好氧状态，28℃恒温预培养1周，激活土壤微生物活性，定期调节土壤水分。预培养结束后，随机选取3瓶，测定土壤中矿质态氮含量，作为0 d的含量。其余三角瓶调节土壤含水量至60%WHC，分别于培养后1、2、3、5、7、14、21、28、35d取样，每个处理每批重复破坏性取样3个，测定其矿质态含量，培养时间为35 d。

土壤基本理化性质参照鲁如坤的《土壤农业化学分析方法》进行^[17]，土壤理化性质见表 2；土壤矿质态氮为土壤NH₄⁺-N和 NO₃^--N含量之和，土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N分别采用靛酚蓝比色法和双波长比色法；根据培养结束后与起始时土壤矿质态氮含量之差计算土壤氮素矿化量。

表 2(Tab.2)

表 2 试验地茶园土壤理化性质 Tab.2 Physical and chemical properties of tea plantation soils 注：砂砾、粉粒、黏粒的粒径分别为0.02~2.00 mm、0.002~0.02 mm、<0.002 mm。 土壤类型 有机碳/(g·kg-1) 全氮/(g·kg-1) C/N NH+4-N/ (mg·kg-1) NO-3-N/(mg·kg-1) 容重/(g·cm-3) pH 砂砾/% 粉粒/% 黏粒/% 黄壤 23.52 1.71 13.73 31.19 17.04 1.07 4.18 15.97 58.43 25.60 红壤 7.01 0.65 10.74 18.95 0.73 1.20 4.37 14.86 50.26 34.88 潮砂土 13.58 1.10 11.77 7.56 3.61 1.16 5.07 77.13 13.19 9.69 高山草甸土 36.60 3.46 10.58 64.18 11.80 0.92 4.52 35.00 47.65 17.35 紫色土 20.18 1.66 11.73 13.55 8.82 1.27 4.79 62.99 23.50 13.51

表 2 试验地茶园土壤理化性质 Tab.2 Physical and chemical properties of tea plantation soils

土壤氮素矿化量=培养后矿质态氮含量-培养前矿质态氮含量(mg·kg^-1)，记为△N；土壤氮素矿化速率为氮素矿化量与时间的比值(mg·kg^-1·d^-1)，记为N_s；矿化率为某培养日内土壤氮素矿化量占全氮量的百分含量(%)，记为N_r。

土壤氮矿化过程采用一元动力学方程进行模拟^{[18, 19]}

N_t=N_o(1-e^-kt)

式中，N_t 为t时刻土壤氮素累计矿化量(mg·kg^-1)，N_o为潜在的可矿化氮量(mg·kg^-1)，t为培养天数(d)，k为氮素矿化常数，N_o×k表示土壤氮供应综合指标。

采用Microsoft Excel2003进行数据处理和制图，SPSS16.0统计分析软件进行单因素方差和相关性分析。

茶园土壤矿质氮和氮素累积矿化量的时间曲线如图 1所示，二者均随着培养时间的延长而逐渐增加，高山草甸土和黄壤茶园土壤矿质态氮在整个培养期间均显著高于其他土壤类型，红壤茶园则显著低于其他土壤类型。在培养的前7 d，高山草甸土和黄壤茶园土壤氮累积矿化迅速增加，随后增加逐渐变缓；而红壤、潮砂土和紫色土茶园土壤氮累积矿化量没有急剧增加期，一直缓慢增加。结合表 3可以看出，5种茶园土壤氮素累积矿化量(△N)为3.23~62.12 mg·kg^-1(均值为31.28)，矿化速率(N_s)为0.09~1.77 mg·kg^-1·d^-1(均值为0.89)，高山草甸土显著高于其他土壤类型，黄壤次之，潮砂土和紫色土相近，红壤则显著低于其他土壤类型；矿化率(N_r)为2.32%~6.00%(均值为3.73)，黄壤最高，潮砂土次之，红壤和紫色土显著低于其他土壤类型。

图 1 茶园土壤矿质态氮和累积矿化量 Fig. 1 Mineral N and cumulative N mineralization in soil

表 3(Tab.3)

表 3 茶园土壤氮累积矿化量、矿化速率和矿化比例 Tab.3 Cumulative mineralization,rate and ratio of soils 注：同列数据后不同小写字母表示差异达显著水平(P<0.05)，表 4同。 土壤类型 △N/(mg·kg-1) Ns/(mg·kg-1·d-1) Nr/% 黄壤 51.97b 1.48b 6.00a 红壤 3.23c 0.09d 2.32d 潮砂土 22.94c 0.66c 4.40b 高山草甸土 62.12a 1.77a 3.62c 紫色土 16.14c 0.46c 2.33d

表 3 茶园土壤氮累积矿化量、矿化速率和矿化比例 Tab.3 Cumulative mineralization,rate and ratio of soils

由表 4可以看出，一级动力学方程可以很好地拟合茶园土壤矿化氮累积量曲线(R²=0.65~0.98)。供试的5种茶园土壤潜在可矿化氮库(N₀)为4.15~52.46 mg·kg^-1(均值为33.22)，大小顺序为高山草甸土>黄壤>潮砂土>紫色土>红壤；土壤氮矿化常数k值为0.019~0.343 mg·kg^-1·d^-1(均值为0.15)；土壤氮供应综合指标(N_o×k)为0.32~16.82 mg·kg^-1·d^-1(均值为6.49)。统计分析结果表明，高山草甸土和黄壤茶园土壤的N₀、k和N_o×k值较大，均显著高于其他土壤类型，紫色土和潮砂土之间差异不显著，而红壤则显著低于其他土壤类型。

表 4(Tab.4)

表 4 茶园土壤氮素的一级动力学参数 Tab.4 Parameters of first-order exponential model simulating N mineralization of tea plantation soils 土壤类型 N0/(mg·kg-1) K No×k/(mg·kg-1·d-1) R2 黄壤 49.03a 0.343a 16.82a 0.98 红壤 4.15c 0.078b 0.32c 0.65 潮砂土 31.07b 0.033c 1.03b 0.90 高山草甸土 52.46a 0.262a 13.74a 0.94 紫色土 29.39b 0.019c 0.56c 0.89

表 4 茶园土壤氮素的一级动力学参数 Tab.4 Parameters of first-order exponential model simulating N mineralization of tea plantation soils

从表 5可以看出，土壤△N和N₀与土壤有机碳、全氮、铵态氮和硝态氮之间存在显著或极显著正相关，与土壤容重呈极显著负相关，与土壤pH值、C/N、砂砾、粉粒和黏粒之间差异不显著；N_r与土壤C/N和NO₃^--N之间呈显著正相关，与其他指标差异不显著；土壤k和N₀×k与土壤有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮、容重、砂砾和粉粒之间存在显著或极显著相关性，与其他理化性质差异不显著。以上可知，土壤氮矿化过程主要受土壤有机碳、全氮及有效氮和土壤容重的影响，受土壤pH和质地影响较小。

表 5(Tab.5)

表 5 茶园土壤氮素矿化与土壤理化性质之间的关系 Tab.5 Correlation between cumulative N mineralization and physical and chemical properties of soils 注：**表示极显著相关；*表示显著相关。 相关性 有机碳 全氮 C/N 铵态氮 硝态氮 容重 pH 砂砾/% 粉粒/% 黏粒/% △N 0.90** 0.84** 0.24 0.82** 0.82* -0.90** -0.33 -0.22 0.42 -0.20 Nr 0.28 0.15 0.65* 0.16 0.67* -0.46 -0.27 -0.15 0.27 -0.09 N0 0.89** 0.88** 0.42 0.64* 0.86* -0.73** -0.12 0.04 0.18 -0.45 k 0.64* 0.56* 0.33 0.72** 0.82** -0.78** -0.35 -0.65* 0.79** 0.30 N0×k 0.75* 0.66* 0.37 0.75** 0.88** -0.82** -0.44 -0.52* 0.68** 0.13

表 5 茶园土壤氮素矿化与土壤理化性质之间的关系 Tab.5 Correlation between cumulative N mineralization and physical and chemical properties of soils

在本研究中，经过35 d的好气培养，5种茶园土壤△N为3.23~62.12 mg·kg^-1(均值为31.28)， N_s为0.09~1.77 mg·kg^-1·d^-1(均值为0.89)，N_r为2.32%~6.00%(均值为3.73)，与薛东等^[20]、赵维等^[21]对亚热带地区茶园土壤的研究结果基本一致，但低于李竹娟^[22]对蒙顶山茶园土壤的研究，这可能与培养温度、时间和土壤理化性状不同有关。不同类型茶园土壤氮矿化规律明显不同，高山草甸土和黄壤茶园土壤△N、N₀、k和N₀×k均显著高于其他土壤类型，潮砂土和紫色土氮矿化参数接近，红壤茶园最低，这说明在植被类型和耕作措施基本一致的情况下，土壤氮素矿化过程含量要取决于成土母质和气候条件的差异。分析5种茶园土壤特性和气候条件可知，高山草甸土茶园分布于海拔1 100~1 500 m高山地区，由湿生草灌植被开垦形成，土壤草甸化作用明显，冷湿气候条件下土壤养分大量积累，参与矿化作用的微生物数量和活性较高，其供氮潜力明显高于其他类型茶园土壤。红壤茶园土壤养分贫瘠，氮矿化作用底物浓度低，同时红壤黏粒含量较高，可能通过控制好氧微生物活动和有机质物理保护来减少氮素矿化^[23]。潮砂土茶园主要分布于河流两岸的冲刷地，成土母质为河流冲积物，土壤中砂粒含量较高，大团聚体少，土壤稳定性差，其有机质越易被微生物降解，可矿化有机氮库越大^[24]。同时，茶园耕作措施也会一定程度影响土壤氮矿化。据调查，高山草甸土茶园位于自然保护区内，茶园周围都分布有大量植被，具备丰富的凋落物输入量，施肥管理以有机肥为主，使得茶园土壤有机碳氮、无机氮等理化性质较高，有利于微生物繁殖和生长，从而促进了有机氮的矿化^[25]。

不同土壤类型由于理化性质不同，导致水分、热量、孔隙和微生物状况的差异，影响土壤肥力积累状况，从而影响氮矿化过程^{[26, 27]}。本研究结果表明，土壤△N、N₀、k和N₀×k均与土壤有机碳、全氮和无机氮(NH₄⁺-N和NO₃^--N)呈显著或极显著正相关，说明土壤有机碳氮含量越丰富，矿化作用底物就越多,越有利于矿化作用的进行，这与贺发云^[28]、王士超等^[29]的研究结果一致。土壤容重与土壤氮矿化参数之间(N_r除外)呈极显著负相关，说明土壤通透性越好，参与有机氮矿化的微生物活性越高，有机氮矿化量越大。本研究中茶园土壤pH为4.18~5.07，土壤酸化严重，所以其对有机氮矿化的影响不明显。诸多研究表明，土壤质地是影响微生物数量和代谢活动的重要因子，土壤中可矿化氮主要贮存于粒级小的微团聚体中，团聚体越小，稳定性越弱，越有利于矿化^[30]。本研究中，砂砾、粉粒和黏粒与土壤△N、N₀和N_r之间均无明显相关性，但k和N₀×k与砂砾和粉粒存在显著或极显著相关性，说明土壤氮素矿化进程是由土壤理化性质共同决定的，茶园耕作措施(施肥量、施肥方式和除草)和植茶年限的不同则可能掩盖土壤某些特性的差异。由此可见，影响土壤氮素矿化的主要因子是土壤有机碳氮含量和土壤容重，其含量越高的土壤氮矿化量越高，土壤供氮能力越强，同时适当中耕以保持土壤良好的通透性，在茶园耕作的施肥决策中充分根据土壤的有机碳和全氮含量制定施肥策略，使养分供应与茶树营养需求规律相吻合，改善茶叶品质。

土壤可矿化氮与化学氮相比，有更高的利用效率和更长久的持续供应时间，在生产实践中应充分利用这一部分氮素。就本研究结果而言，不同类型茶园土壤氮矿化量差异较大，红壤茶园可矿化氮含量较低，应适量增加化学氮肥的供应以满足茶树生长和品质的需求；黄壤和高山草甸土茶园可矿化氮含量高，其种植茶树的化学氮肥投入量应低于在红壤上种植茶树的氮肥投入量，或者施用部分缓释氮肥以减少氮素损失；潮砂土和紫色土茶园施氮量介于两者之间。由于不同土壤的氮素供应能力与强度不同，在满足茶树生长及茶叶高产优质的前提下，不同土壤氮肥基肥与追肥比例与追肥的施用时间仍需进一步研究。