植茶年限对茶园土壤有机碳组成和N2O排放的影响及其机理研究

The soil of tea plantation areas not only has carbon sequestration potential, but also is an important source of N2O emission. Due to the specific management strategies and biomass return, the fractions of soil organic carbon and its carbon and nitrogen content will change as tea stand age increases, therefore it will affect the soil N2O emission subsequently. In this study, we will carry out field measurement combined with incubation experiment in the tea gardens of south Henan province, employing closed chamber and combined wet sieving and density separation method to reveal the effects of stand age on N2O emissions and fractions of soil organic carbon (SOC). The underlying mechanism of effect on N2O emission through SOC fraction change was determined by soil incubation experiment in the laboratory. The results will provide the scientific basis for making reasonable management strategies of soil sequestration enhancement as well we N2O mitigation in the tea plantation areas of south Henan province.

茶园土壤既有碳汇潜力，也是重要的N2O排放源。由于茶园特殊的管理及植株残体回田，随着植茶年限的增加，土壤有机碳库的组成及其碳氮含量会发生改变，进而影响土壤N2O的产生。本项目以豫南地区茶园土壤为研究对象，植茶年龄为切入点，应用静态箱原位观测与组合分组法明确植茶年龄下土壤N2O排放与有机碳组成的特征；采用室内培养法探明有机碳组成的改变对N2O排放的影响机制。研究结果将为合理制定豫南地区茶园土壤的固碳增汇和温室气体N2O减排措施提供科学依据。

茶园土壤是温室气体的热点排放源早有报导，但是一直未得到重视。本研究通过荟萃分析全球81个研究，估算出全球茶园土壤的N‎2‎O排放量平均为17.1 kg N ha−1‎（或 8008 kg CO‎2-eq ha−1‎），大大高于粮食作物农田土壤排放（662-3757 kg CO‎2-eq ha−1‎‎）。全球茶园平均EF‎d‎氮肥施用量等于2.31%（95%置信区间为1.91%-2.71%），比政府间气候变化专门委员会默认值1%高出两倍。我们的发现强调茶叶种植土壤是全球氮素的热点。这些系统可能是农业部门减缓气候变化的主要目标。通过采集豫南地区幼龄、25年、50年、100年茶园土壤与临近森林土壤对比发现，不同茶龄茶园的土壤含碳量均超过2.50%，且高于森林土壤碳含量25%-30%不等，但是茶园土壤碳含量随植茶年限的增加呈下降趋势。对于不同碳组分而言，不同植茶年限的茶园土壤，粘粒粉粒碳组分（S+C，中间态碳组分）所占比重均是最大组成成分，所占比例介于63.34%~88.82%之间。随着植茶年限的增加，S+C比例逐渐降低的趋势，而S+A组分的比例由逐渐增加的趋势。通过采集土壤温室气体排放发现所有植茶土壤周年N2O的累计排放量均低于森林土壤排放，但是前三个月少于25年的茶园土壤的N2O的累计排放量要高于森林土壤，而植茶超过50年的茶园土壤N2O累计排放量呈持续低于森林土壤排放。最后通过暗箱矿化实验，乙炔抑制实验对植茶年限引起的温室气体排放差异的原因进行探究，结果发现森林改种茶园后，明显改变了土壤有机碳的组成结构。经过一年的矿化分解，中间态碳占比随植茶年限的增大而增多，这种中间态碳组分可能会通过固持或者与无机氮结合转变有机态氮而改变微生物群落结构，进而引起反硝化途径的改变（例如利用有机氮进行异氧硝化），从而减少N2O排放。综上研究结果，为满足市场需求与应对气候变化要求。茶园的生产管理急需气候智慧型管理措施，尤其是对50年以内的茶园，可以通过周期性施用生物炭或者石灰来增加土壤pH值，即提高氮素使用效率，已减少茶叶生产的气候足迹，实现茶园管理的碳中和技术。