2019, Vol. 51
2. 福建省红壤山地农业生态过程重点实验室，福州 350013;
3. 中国科学院城市环境研究所，福建厦门 306021
茶树喜生于酸性富铝(Al)化的土壤中，是一种富铝作物，广泛种植于中国南方的丘陵红壤区，其适宜生长的土壤pH范围在4.5 ~ 6.0 [1]。近几十年来，由于酸沉降、大量生理酸性化学肥料的施用、根系阴阳离子吸收的不平衡，以及自然成土过程等的影响，土壤酸化加剧。我国重庆市约80%的茶园处于非最佳的茶树生长土壤pH范围[2]，江苏省约有45%的典型茶园土壤pH低于茶树适宜生长pH条件[3]，福建省约有86.9%的茶园耕层土壤pH在4.5以下[4]，并有向深层次发展趋势[5]。土壤酸化，使原固定于晶格中的铝逐渐解离，以可溶性状释放到土壤溶液中，供植物吸收，进而加大了其进入生物系统的速度和总量，给动植物和人类带来危害[6-7]，形成重要的环境问题。
土壤溶液中的铝主要来自土壤固相部分，铝通常以对植物没有毒害的难溶性铝硅酸盐或氧化铝形式存在于土壤固相中。低pH下土壤氧化铝的溶解液增加了土壤溶液中可溶性铝的浓度，特别是土壤pH < 5时，难溶性铝转变成具有生物毒性的交换性铝(主要是Al3+、Al(OH)2+和Al(OH)2+)，并呈指数增加[8-9]；另外，土壤中的有机和无机络合剂也能增加铝的溶解量，特别是土壤中的低分子量有机酸通过与铝形成可溶性络合物使铝的溶解度增加[10]。目前我国南方大部分茶园的土壤呈酸化趋势，土壤中可溶性铝含量增加，对茶树生长、茶叶铝安全及其品质的影响受到关注。有机肥替代化肥是阻控茶园土壤酸化及改良茶园酸化土壤的有效措施，研究表明长期配施有机肥可以有效改良茶园土壤酸度，降低茶园土壤交换性酸(Al3+)含量，提高土壤盐基离子含量及盐基饱和度[11-12]。活性铝是对酸性土壤影响极其重要的一部分，影响铝在土壤中的迁移转化、可利用性和生物毒性[13-15]。化肥有机替代改良土壤酸度，如何改变土壤活性铝的形态与分布，能否降低铝的生物毒性尚不明确。据此，本研究依托化肥有机替代长期定位试验基地，探讨配施有机肥改良茶园酸化土壤后茶园土壤活性铝形态分布特征及其对茶叶铝含量的影响，以期为茶园有机肥管理提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验地位于福建省寿宁县武曲镇国营龙虎山茶场，地理位置119º34′ E，27º14′ N，海拔163 m，属中亚热带季风气候，年均降雨量1 646 mm，年均无霜期285 d，年平均温度19.3℃；土壤系花岗岩风化的红壤，试验前(2008年11月)土壤基础理化性状见表 1。茶树定植于2006年冬季，品种为紫牡丹(Camellia sinensis (L.) O. Kuntze cv. Zimudan)，种植密度为行距1.5 m，株距0.3 m。
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表 1 供试茶园土壤基础理化性状 Table 1 Basic properties of tested soils |
试验采用各处理等氮量投入，2009—2010年(茶树幼龄期)每年施氮150 kg/hm2，2011—2013年(茶树开采期)每年施氮300 kg/hm2。设计有机肥和化肥不同配施比例，共5个处理，分别为：①CK，不施有机肥+ 100%化肥(全量施用化肥)，磷肥(P2O5)每年用量150 kg/hm2，钾肥(K2O)150 kg/hm2；②M1，25%有机肥+ 75%化肥，有机肥替代25%化肥(以氮投入量计，未考虑磷钾平衡，下同)，化肥用量为CK的75%；③M2：50%有机肥+ 50%化肥，有机肥替代50%化肥，化肥用量为CK的50%；④M3，75%有机肥+ 25%化肥，有机肥替代75%化肥，化肥用量为CK的25%；⑤M4，100%有机肥+不施化肥，有机肥完全替代化肥，有机肥施用量与CK氮肥施用量相同。小区面积30 m2，随机区组排列，3次重复。试验开始于2008年11月(即2009年度基肥)。
有机肥料种类为养猪场微生物发酵床垫料，肥料有机质含量(干基，下同)688 g/kg，全氮13.3 g/kg，全磷(P2O5)12.1 g/kg，全钾(K2O)10.1 g/kg；化肥种类为尿素、硫酸钾和过磷酸钙。各处理中，有机肥和磷肥均在每年11月下旬作为基肥一次性施用，化学氮肥和钾肥分基肥(占年化肥施用总量的40%，11月下旬)、催芽肥(30%，3月上旬)、秋茶追肥(30%，8月中下旬)的比例结合茶树生长与营养特征在距离茶行20 cm处开宽约10 cm深5 ~ 10 cm浅沟施用。茶园其他管理措施一致。
1.3 取样与测定土壤取样时间为2013年11月(全年茶季结束后，基肥施用前)，采用土壤重金属分析采样器(不锈钢采样管内置PVC衬片)分0 ~ 20、20 ~ 40 cm 2个土层采集土壤样品。每个土壤样品由6个样点组成，6个样点在小区内随机分布，每个样点取4个钻，分布于茶树株间、茶行间距离茶树基部20、40、60 cm处，同小区同土层土壤样品混匀、风干、过筛用于测定分析。于2013年10月(秋茶采摘季)采摘当季茶叶样品，按照乌龙茶采摘标准(小至中开面的对夹二、三叶和一芽三、四叶嫩梢)在试验小区内随机采摘茶叶样品约250 g，采摘鲜叶于120 ℃一次性烘干、粉碎[16]。
土壤pH按m土:V水= 1:2.5搅拌均匀，电位法测定[17]；土壤有机质(SOM)采用重铬酸钾氧化-容量外加热法测定[14]。土壤各形态活性铝的浸提方法参照庞叔薇等[18]方法并加以改进，采用KCl(1 mol/L，pH 5.5)、NH4Ac(1 mol/L，pH 4.8)、HCl(1 mol/L)、NaOH (0.5 mol/L)4种化学浸提剂提取土壤中不同形态的活性铝。具体为：称取风干土(过60目筛)4份各2.50 g放入50 ml离心管中，分别加入25 ml 4种浸提剂，在恒温(25℃)摇床上震荡30 min，然后以5 000 r/min离心10 min，用中速定量滤纸滤出上清液，再用0.45 µm微孔滤膜过滤。采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES，PerKin Elmer Optima 8300)测定土壤滤液中铝含量[19]，用差减法[20]计算土壤中各形态铝含量(表 2)。茶叶样品中铝含量采用HNO3-HClO4(v:v=87:13)微波消解法消解[19]，同样采用电感耦合等离子体发射光谱仪测定[19]。
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表 2 不同浸提液对土壤活性铝的浸出[18, 20] Table 2 Active aluminum forms extracted from soil by four chemical reagents |
所有数据处理均采用Excel 2010和DPS 6.85进行方差分析和相关性分析，以LSD多重比较法进行差异显著性检验，差异显著水平为P < 0.05；图表中的数据均采用平均值±标准差(M±SD)表示，绘图采用Microsoft Excel 2010软件。
2 结果与分析 2.1 配施有机肥对土壤pH和有机质含量的影响连续5 a配施有机肥各处理土壤pH和有机质(SOM)含量变化趋势如图 1所示，0 ~ 20 cm土层土壤pH范围为4.00 ~ 5.05，配施有机肥处理比单施化肥处理(CK)提高0.27 ~ 1.05个单位；20 ~ 40 cm土层pH范围为3.96 ~ 4.46，配施有机肥处理比CK提高0.16 ~ 0.50个单位。0 ~ 20 cm土层土壤有机质含量为29.04 ~ 37.96 g/kg，配施有机肥处理比CK提高8.64% ~ 30.71%；20 ~ 40 cm土层有机质含量范围为20.58 ~ 23.64 g/kg，配施有机肥处理比CK提高0.94% ~ 14.84%。配施有机肥处理对土壤pH和有机质的提升幅度均随着有机肥配施比例的增加而增大。
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(CK为100%化肥；M1为25%有机肥+75%化肥；M2为50%有机肥+50%化肥；M3为75%有机肥+25%化肥；M4为100%有机肥，下同；图中不同小写字母表示同一土层不同处理间差异在P < 0.05水平显著；下同) 图 1 配施有机肥对茶园土壤pH及有机质含量的影响 Fig. 1 Effects of application of chemical fertilizer with organic manure on soil pH and organic matter in tea garden soils |
土壤中的铝主要以层状铝硅酸盐矿物和氧化物等形态存在于土壤固相部分，分为活性铝和惰性铝两部分，其中活性铝是对酸性土壤影响极其重要的一部分，影响铝在土壤中的迁移转化、可利用性和生物毒性[13-15]。连续5 a配施有机肥处理茶园土壤0 ~ 20 cm土层土壤活性铝含量(ΣAl)为2 572.83 ~ 3 660.17 mg/kg，20 ~ 40 cm土层为3 436.50 ~ 3 850.50 mg/kg，均随着有机肥配施比例的增加而下降，其中0 ~ 20 cm土层下降3.02% ~ 29.71%，20 ~ 40 cm土层下降1.74% ~ 10.75%，当有机肥配施比例达到50%及以上时，与CK差异显著(表 3)。这和张宏伟等[21]研究结论一致，其采用腐植酸共聚物改良酸性赤红壤，表明随着土壤pH的提高，活性铝总量下降。
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表 3 配施有机肥对茶园土壤不同形态铝含量的影响 Table 3 Effects of application of chemical fertilizer with organic manure on contents of different forms of active aluminum in tea garden soils |
Ex-Al是指土壤黏粒表面以静电引力吸附又能被中性盐(如KCl或BaCl2)提取的铝，尽管土壤Ex-Al占活性铝比例较低，但其是酸性土壤区限制作物生长的最重要的因素之一[22]，具有直接的生物毒性，其含量高低直接决定了土壤中可供植物吸收的量[23]。Ex-Al也是土壤中各种铝转化的重要环节，所以引起人们的特别关注。配施有机肥处理茶园Ex-Al含量随着有机肥配施比例的增加呈下降趋势，其中0 ~ 20 cm土层下降21.05% ~ 91.31%，20 ~ 40 cm土层下降3.94% ~ 41.35%，在有机肥配施比例达到50%及以上时，与CK差异显著(表 3)。0 ~ 20 cm土层，各处理土壤Ex-Al占ΣAl的比例为0.86% ~ 6.71%，随着有机肥施用比例的增加呈现下降，当有机肥配施比例达到50%及以上时，与CK差异显著；20 ~ 40 cm土层占4.75% ~ 7.23%，具有和上层土壤一样的变化趋势，当有机肥配施比例达到75%及以上时，与CK差异显著(表 4)。同时，0 ~ 20 cm土层土壤Ex-Al含量及其占ΣAl比例均低于20 ~ 40 cm土层。
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表 4 配施有机肥对茶园土壤活性铝形态分布的影响 Table 4 Effects of application of chemical fertilizer with organic manure on percentages of different forms of active aluminum in tea garden soils |
在本研究中，土壤Hy-Al含量及占ΣAl比例随着有机肥配施比例呈现增加趋势，其中0 ~ 20 cm土层土壤Hy-Al含量为41.88 ~ 98.22 mg/kg，占ΣAl的比例为1.15% ~ 3.81%，全量施用有机肥处理(M4)表现为显著提高，并与CK差异达到显著水平；20 ~ 40 cm土层土壤Hy-Al含量为15.38 ~ 83.48 mg/kg，占比为0.40% ~ 2.43%，当有机肥配施比例达到75%及以上时，与CK差异显著(表 3和表 4)。0 ~ 20 cm土层土壤Hy-Al含量及占ΣAl含量的比例均高于20 ~ 40 cm土层。根据铝溶解理论，土壤中铝的形态受pH控制，当pH < 4.5时，主要以Al3+形态存在；当pH 4.6 ~ 5.9时，主要以Hy-Al形态存在[24]。在本研究中，配施有机肥处理显著提高了土壤pH(图 1)，促进了Ex-Al向Hy-Al形态转化。
2.2.3 Col-AlCol-Al是介于沉淀铝和可溶铝之间的特殊形态，是活性铝中所占比重较大的一种形态。在本研究中，各处理0 ~ 20 cm土层土壤Col-Al含量在1 303.48 ~ 1 373.72 mg/kg，20 ~ 40 cm土层含量994.75 ~ 1 057.82 mg/kg，配施有机肥处理对茶园土壤Col-Al含量影响不显著(表 3)。0 ~ 20 cm土层土壤Col-Al占ΣAl的比例为37.51% ~ 50.87%，20 ~ 40 cm土层占27.48% ~ 29.13%；由于配施有机肥处理，茶园土壤ΣAl含量降低，土壤Col-Al占ΣAl的比例随着有机肥配施比例的增加呈现增加的趋势(表 4)。
2.2.4 HA-AlEx-Al和Hy-Al都能与土壤中有机配体配合形成有机络合态铝，由此形成的HA-Al是土壤中铝形态转化中尤为重要的一种形态[25]。在本研究中，0 ~ 20 cm土层土壤HA-Al含量1 144.42 ~ 1 999.75 mg/kg，20 ~ 40 cm土层含量为2 195.08 ~ 2 499.08 mg/kg，均随着有机肥配施比例的增加呈下降趋势，其中0 ~ 20 cm土层土壤HA-Al含量下降0.38% ~ 42.77%，当有机肥配施比例达到50%及以上时，与CK差异显著；20 ~ 40 cm土层下降1.68% ~ 12.16 %，当有机肥配施比例达到75%及以上时，与CK差异显著(表 3)。
HA-Al是茶园土壤中活性铝的主要形态之一。在本研究中，0 ~ 20 cm土层土壤HA-Al占ΣAl的比例为44.45% ~ 54.63%，20 ~ 40 cm土层占63.86% ~ 65.37%，这和谢忠雷等[26]、秦樊鑫等[27]研究结果一致。HA-Al占ΣAl的比例随着有机肥配施比例的增加呈现降低的趋势，0 ~ 20 cm土层下降幅度大于20 ~ 40 cm土层(表 4)。
2.3 配施有机肥对茶叶铝含量的影响茶树是一种典型的富铝作物，有研究认为pH对土壤铝的溶出具有显著的影响，并决定茶树对铝的吸收累积[28]。本研究通过连续5 a定位配施有机肥，将茶园酸化土壤调节至不同pH梯度考察土壤酸度改良对茶叶铝累积的影响。从图 2可以看出，各处理茶叶铝含量变化范围为820.04 ~ 940.27 mg/kg，连续5 a配施有机肥对茶叶铝含量的影响不显著。
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图 2 配施有机肥对茶叶铝含量的影响 Fig. 2 Effects of application of chemical fertilizer with organic manure on Al concentrations in tea leaves under different treatments |
铝是一种植物非必需营养元素，土壤溶液中的某些铝形态会对大多数植物产生直接或间接的生理障碍作用。Ex-Al含量小但它却是土壤中活性铝的主要组成部分并控制着土壤溶液中铝的浓度，在酸性土壤中(pH < 5.5)，从土壤中释放的Al3+，会溶解到土壤溶液中，对植物产生强烈的毒害作用。Hy-Al是活性铝中含量较少但生物毒性较强的一种形态。Col-Al溶解度低，不会对作物产生直接毒害，但在低pH强酸性土壤条件下，Col-Al会向Hy-Al方向溶解，形成具有生物毒性的活性铝形态[24]。土壤水溶液中Ex-Al、Hy-Al及Col-Al所含羟基数不同，其随pH的变化关系为：
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pH低的土壤中铝硅酸盐矿物的风化程度较高，在酸性环境中可形成易溶化合物，使Ex-Al的含量增加；但随着pH上升，土壤中铝易形成易于聚合的羟基铝Al(OH)2+、
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表 5 土壤中各形态活性铝与土壤pH、有机质的相关性 Table 5 Correlation coefficients between contents of active aluminum forms with soil pH and organic matter |
但是pH不是土壤中铝溶解度的唯一影响因子。在本研究中，土壤有机质(SOM)含量与土壤Ex-Al含量呈显著的负相关关系，与Hy-Al含量呈显著的正相关关系(表 5)，说明土壤有机质对Ex-Al、Hy-Al形态的转化具有显著影响。通常认为，羟基铝Al(OH)2+ Al(OH)2+是位于膨胀性层状矿物的层间或以胶膜形式存在与矿物的外表面和边缘，可与有机酸起复合作用[30-31]。在本试验中，外源添加有机肥的分解形成有机酸被土壤吸附后，可与表面晶格中的Al3+形成络合体，进而促进Hy-Al含量的增加。王娅娅等[32]在研究不同退耕年限对湿地土壤活性铝含量的影响中，也观测到土壤Hy-Al含量随土壤有机质含量增加呈现增加的趋势。林云琴等[33]采用造纸污泥堆肥对农用酸化土壤改良的试验也表明，随着堆肥施用量的增加，土壤pH及有机质含量升高，但总单核铝含量也呈现增加的趋势，并指出其可能存在铝毒效应。
茶树是一种典型的富铝植物，茶叶中铝含量224 ~ 2 633 mg/kg [34]。铝为人体非必需营养元素，过量的铝可能对人体造成伤害，因此，茶叶铝的吸收累积机制及降铝技术成为当前的研究热点。影响茶叶铝吸收累积的土壤因素尚不明确[7]。对土壤性质、茶树铝含量及其他矿质元素有影响的土壤铝主要是铝中的“活性部分”[35]，土壤pH对土壤矿物中植物可吸收元素的释放有强烈的影响[36]，对土壤活性铝形态含量及分布具有显著影响。土壤活性铝是个复杂的多相体系，在多数研究中，均未找到茶叶铝含量与土壤中某种或某些铝含量的可信的相关关系[35]，仅Dong等[28]及谢忠雷等[37]的研究结果显示茶叶中铝与土壤pH存在显著的负相关关系，并推测茶树主要吸收Al3+。水培试验表明，Al3+对植物根系的铝毒作用会随着溶液质子浓度的增加而减少[38]；可以推测，土壤pH降低，土壤溶液中质子含量增加，降低了茶树根系表面质子交换能力，因此降低茶树根系铝的吸收能力[38]。但土壤pH降低时，土壤溶液Al3+含量增加，但由于溶液质子含量的增多，降低了根系对Al3+的吸收，两种相反的效果相抵消，造成pH及土壤溶液Al3+含量与茶叶铝含量相关关系不显著。在本研究中，茶叶铝含量仅与0 ~ 20 cm土层Col-Al含量呈显著负相关关系，与土壤pH、有机质、Ex-Al、Hy-Al、HA-Al及ΣAl含量相关关系均未达显著水平(表 6)，Silva等[7]在肯尼亚茶园的调查及土壤改良试验也得到相似的结果，说明采用配施有机肥改良酸化土壤无法降低茶树对铝的累积作用。
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表 6 茶叶铝含量与土壤因素的相关系数 Table 6 Correlation coefficients between Al concentration in tea leaves and pH value, contents of SOM and active aluminum forms of soils |
1) 连续5 a配施有机肥处理茶园0 ~ 20 cm土层土壤pH提高0.27 ~ 1.05个单位，有机质含量提高8.64% ~ 30.71%；20 ~ 40 cm土层土壤pH提高0.16 ~ 0.50个单位，有机质含量提高0.94% ~ 14.84%，提高幅度均随着有机肥施用比例的增加而增大。
2) 连续5 a配施有机肥处理茶园土壤活性铝总量(ΣAl)随着有机肥料配施比例的增加呈下降趋势。土壤Ex-Al、HA-Al含量及其占ΣAl的比例随着有机肥料配施比例的增加呈下降趋势，而Hy-Al含量及其占ΣAl的比例则呈现上升趋势；Col-Al含量随有机肥配施比例的变化不显著，而其占ΣAl的比例则随有机肥施用比例的升高而升高。0 ~ 20 cm土层土壤ΣAl含量变化幅度大于20 ~ 40 cm土层。
3) 相关分析表明，土壤Ex-Al含量与pH和有机质含量呈显著的负相关关系；Hy-Al含量与pH和有机质含量均呈显著的正相关关系。配施有机肥条件下，土壤pH和有机质的提升，促进Ex-Al向Hy-Al转化。
4) 在本试验条件下各处理茶叶铝含量为820.04 ~ 940.27 mg/kg，配施有机肥对茶叶铝含量的影响不显著；配施有机肥条件下，土壤pH和有机质含量升高，促进Ex-Al向Hy-Al转化，而对茶叶铝含量的影响不显著，通过配施有机肥改良土壤酸度来降低茶叶铝含量的可行性需要进一步探讨。
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