有机和常规管理对茶园土壤固碳的影响—以林地为对照

中国生态农业学报(中英文) 2024年1月第 32 卷第 1 期

Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2024, 32(1): 53−60

DOI: 10.12357/cjea.20230429

郑玉婷, 黄鑫慧, 李浩, 王彪, 李攀锋, 崔吉晓, 隋鹏, 高旺盛, 陈源泉. 有机和常规管理对茶园土壤固碳的影响−以林地为对照[J]. 中国生态农业学报 (中英文), 2024, 32(1): 53−60

ZHENG Y T, HUANG X H, LI H, WANG B, LI P F, CUI J X, SUI P, GAO W S, CHEN Y Q. Effects of organic and conventional management on soil carbon sequestration in tea gardens: comparison with forest land[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2024, 32(1): 53−60

有机和常规管理对茶园土壤固碳的影响*

−以林地为对照

郑玉婷1, 黄鑫慧1, 李　浩1, 王　彪1, 李攀锋1, 崔吉晓2, 隋　鹏1, 高旺盛1,

陈源泉1**

(1. 中国农业大学农学院　北京　100193; 2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所　北京　100083)

摘　要: 为探究有机和常规管理方式对茶园土壤有机碳的影响, 选择云南省普洱市思茅区常规管理茶园、有机管理茶园和附近自然林地3种典型土地利用类型, 通过测定0~20 cm和20~40 cm土层的土壤有机碳(SOC)、易氧化有机碳(EOC)、非活性有机碳(NLOC)、颗粒态有机碳(POC)和矿物结合态有机碳(MOC)含量, 计算土壤各组分有机碳的分配比例以及土壤碳库管理指数(CPMI), 研究3种土地利用方式下土壤有机碳各组分含量和质量的变化特征。结果显示: 1)常规管理茶园的SOC含量和储量分别比自然林地低48.67%~51.94%和27.25%~35.71% (P<0.05)，而有机管理茶园的SOC含量和储量比常规管理茶园分别高52.09%~62.86%、15.54%~20.26% (P<0.05)。2)常规管理茶园的EOC、NLOC、POC和MOC含量均低于自然林地(P<0.05), 而有机管理茶园的EOC、NLOC、POC和MOC 含量比常规管理茶园分别高出46.39%~57.89%、54.24%~66.15%、80.87%~121.01%和40.07%~46.28% (P<0.05)。

3)与自然林地相比, 常规管理茶园的POC/SOC、NLOC/SOC较低, 有机管理茶园的POC/SOC、NLOC/SOC则高于

常规管理茶园。4)常规管理茶园具有较高的CPAI和较低的CPMI, 常规管理茶园的CPMI比自然林地低

24.53%~46.12%, 有机管理茶园的CPMI比常规管理茶园高67.88%~100.33%, 其差异均显著(P<0.05)。以上研究结

果表明, 与自然林地相比, 常规管理的茶园土壤有机碳含量和土壤碳库质量下降, 存在一定程度的土地退化, 而有机管理是提高茶园土壤碳库质量的有效措施。

关键词: 茶园; 有机管理; 土壤有机碳; 土壤碳库管理指数; 自然林地

中图分类号: S151.9

Effects of organic and conventional management on soil carbon sequestration in

tea gardens: comparison with forest land*

ZHENG Yuting1, HUANG Xinhui1, LI Hao1, WANG Biao1, LI Panfeng1, CUI Jixiao2, SUI Peng1,

GAO Wangsheng1, CHEN Yuanquan1**

(1. College of Agriculture and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. Institute of Agricultural Environ-

ment and Sustainable Development, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100083, China)

* 云南省重大科技专项(202202AE090029)资助

** 通信作者: 陈源泉, 主要研究方向为绿高效低碳农作制度。E-mail: **************

郑玉婷, 主要研究方向为土壤有机碳和土壤质量研究。E-mail: 152****************

收稿日期: 2023-08-04　接受日期: 2023-09-13

* This study was supported by the Key Science and Technology Project of Yunnan Province (202202AE090029).

** Corresponding author, E-mail: **************

Received Aug. 4, 2023; accepted Sep. 13, 2023

Abstract: To explore the effects of organic and conventional management methods on soil organic carbon in tea gardens, we selected three typical land use types in Simao District, Pu’er City, Yunnan Province to carry out the investigation. The three land use types were a conventionally managed tea garden, an organically managed tea garden, and a nearby natural forest land. Based on the land use types, we measured the contents of soil organic carbon (SOC), easily oxidizable organic carbon (EOC), non-liable organic carbon (NLOC), particulate organic carbon (POC), and mineral-associated organic carbon (MOC) in 0−20 cm and 20−40 cm soil layers in three sample plots. We estimated the distribution ratio of the different types of organic carbon in soil and the soil carbon pool manage-ment index (CPMI), and analyzed the changes of the content of SOC component and quality of soil carbon pool from the selected land use types. The results were as follows: 1) the content and storage of SOC in the 0–40 cm soil layer of the conventionally managed tea garden were significantly lower than those in the natural forest land by 48.67%−51.94% and 27.25%−35.71% (P<0.05), respectively. The content and storage of SOC in the 0−40 cm soil layer of the organicall

y managed tea garden were respectively 52.09%−62.86% and 15.54%−20.26% higher than those in the conventionally managed tea garden (P<0.05). 2) In the 0–20 cm and 20–40 cm soil lay-ers, the contents of EOC, NLOC, POC, and MOC in the soils from the tea garden under conventional management were significantly lower than those from the natural forest land (P<0.05). The contents of EOC, NLOC, POC, and MOC in the soils from the organic-ally managed tea garden were significantly higher than those from the conventionally managed tea garden (P<0.05), which were high-er by 46.39%–57.89%, 54.24%–66.15%, 80.87%–121.01%, and 40.07%–46.28%, respectively. 3) The POC/SOC and NLOC/SOC of the tea garden under conventional management were lower than those of natural forest land, while the POC/SOC and NLOC/SOC of organically managed tea garden were higher than those of conventionally managed tea garden. 4) Conventionally managed tea gar-dens had high CPAI and low CPMI. The CPMI of conventionally managed tea garden was 24.53%−46.12% lower than that of the natural forest land (P<0.05), and the CPMI of organically managed tea garden was 67.88%−100.33% higher than that of convention-ally managed tea garden (P<0.05). The aforementioned results showed that when compared with natural forest land, the reclamation of tea plantations with conventional management measures can reduce SOC content and soil carbon pool quality, resulting in a cer-tain degree of land degradation. Given the limitations of conventional management, organic management is an effective measure for improving the quality of the soil carbon pool in tea plantations.

Keywords: Tea garden; Organic management; Soil organic carbon; Soil carbon pool management index; Natural forest land

云南省因其丰富的种质资源和独特的气候优势，是世界公认的茶树原产地和中国重要的茶叶生产基地[1], 云南省普洱市更是被称为“世界茶源”, 该地区茶树(Camellia sinensis)的种植历史极为悠久, 种植面积、产量、产值均位居云南之首[2]。茶叶是普洱市支柱产业, 茶园是该地区主要的土地利用类型, 多由林地或荒地开垦而来。林地开垦植茶后, 植被类型和耕作管理模式的不同使土壤结构、理化性质和微生物活性发生变化[3], 进而引起土壤质量的改变。长期植茶后, 大量化肥投入和不合理的田间管理措施会导致土壤板结、肥力下降, 对土壤健康产生影响[4-6]。有机农业是可持续发展农业的典范, 它在遵循自然规律和生态学原理的基础上, 采取了一系列可持续发展的农业技术, 恢复土壤肥力, 保护自然环境, 保证了农业的可持续发展和生态系统的良性循环[7]。与常规农业相比, 有机农业强调不施用化肥及化学合成农药, 采用有机肥、生物农药和生物防治, 这必然会对土壤生态环境、土壤质量产生深刻影响[8]。

当前, 国内外在林地开垦对土壤有机碳的影响方面已有诸多研究, 其中部分研究的结果表明[9-10], 林地的开垦行为将导致土壤结构变差, 有机碳含量显著降低。但现有研究大多聚焦于林地转化为耕地后土壤有机碳的变化, 对林地转化为茶园的研究相对较少。对于有机和常规种植下土壤有机碳的差异，国内外学者也开展了大量的比较研究: Gattinger等[11]对全球范围内典型农业生产气候区有机与常规农业生产系统的74组数据进行对比分析, 发现有机系统可以增加和固定土壤有机碳; 仝利红等[7]研究发现，与常规种植相比, 有机种植能够显著提高土壤有机碳库容量, 使土壤有机碳含量提高105.53%, 活性有机碳组分含量提高109.30%~230.27%; Melero等[12]和Fließbach等[13]的研究同样表明与常规管理相比，有机种植使土壤有机碳各组分含量及碳储量显著增加。但是总体来看, 以上研究多在农田、温室中开展, 对于茶园中有机管理和常规管理对土壤有机碳的影响关注较少。茶叶既是重要的经济作物, 也属于常绿木本植物, 具有较强的固碳能力和潜力[14]。Pra

manik等[15]的研究表明, 印度东北部茶园可以吸收和固存大气中的CO2, 每公顷茶叶产量对应的温室效应减排潜力高达3.47 kg(CO2)·a−1; 孙小祥等[16]在我国的研究同样表明茶园生态系统是大气碳汇, 平均碳吸收量为30.40 kg(C)·hm−2·a−1; 萧自位等[17]对4种茶园组合模式及纯茶园的碳储量进行了分析, 发现茶园所有碳库中土壤碳库的碳储量占比最大(91.8%~ 96.0%); 在Phukan等[18]的研究中, 茶龄为7年和17年时, 土壤固碳量分别为27.54~27.97 kg(C)·hm−2·a−1

54中国生态农业学报(中英文) 2024第32卷

和43.46~48.44 kg(C)·hm−2·a−1。因此, 探索低碳高效的茶园管理模式, 增加茶园土壤碳储量, 必将对减少温室气体排放做出重大贡献。

因此, 本研究通过对云南省普洱市3种典型样地(自然林地、常规管理茶园、有机管理茶园)进行取样, 测定其土壤有机碳储量以及土壤有机碳各组分含量, 研究对比3种土地利用方式对土壤固碳的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于中国云南省普洱市思茅区鱼塘段(22°71′N, 101°06′E), 海拔为1538~1542 m, 属亚热带季风气候, 2022年5月4日—2023年5月4日平均气温为19.5 ℃, 日最高气温为33 ℃, 日最低温度为6.2 ℃, 年降水量约为1499 mm, 降雨时间主要

集中在5—10月。该区域常年无霜, 土壤类型为红壤, 茶树是最主要的经济作物。本研究在野外实地调查的基础上, 选择成土母质相同、地理位置集中、海拔一致、坡向坡度相似的自然林地(NF)、常规管理茶园(CM)、有机管理茶园(OM) 3个采样地点, 其基本概况见表1。

1.2 土样采集

供试土壤于2023年5月采集, 每个样地分别设置3个典型样方, 使用体积为100 cm3的环刀分别采集0~20 cm、20~40 cm两个土层的原状土壤, 以测定土壤容重; 再分别采集两个土层的土壤样品, 去除石块、动植物残体后带回实验室, 经自然风干、研磨、过筛后测定土壤有机碳(SOC)、易氧化有机碳(EOC)和颗粒态有机碳含量(POC)。

1.3 分析方法

风干土壤样品经研磨过0.25 mm筛, 经10%盐酸酸化后, 用TOC分析仪(Multi N/C 3100, Yena, Germany)测定SOC含量[19]。EOC含量采用高锰酸钾氧化法测定[20], 土壤非活性有机碳(NLOC)含量为SOC与EOC之差。POC含量采用六偏磷酸钠分散法测定[21]: 称取过2 mm筛的风干土10 g, 放入50 mL 塑料瓶中, 加入30 mL六偏磷酸钠溶液(5 g∙L−1), 手摇3 min后用恒温振荡器振荡18 h (25 ℃, 90 r∙min−1)，振荡后的土壤悬液过53 μm筛, 并反复用蒸馏水冲洗至滤液无澄清, 将筛上的土壤颗粒残留物收集到铝盒中60 ℃烘干至恒重(48 h左右), 称重并计算其占全土质量的百分比。将铝盒中烘干土壤收集研磨过0.25 mm筛, 取一定重量样品测定其有机碳含量, 乘以其占全土的百分比计算出POC含量(g·kg−1)，土壤矿物结合态有机碳(MOC)含量为SOC与POC 的差值。

1.4 数据计算

土壤有机碳储量计算公式[22]如下:

OC s=

∑k

i=1

(BD i×OC i×D i×0.1)(1)式中: OC s为土壤有机碳储量(t·hm−2), BD i为第i层

表 1 样地基本信息

Table 1 Basic information of the sample plots

样地类型Sample plot type

地理坐标

Geographic

coordinate

海拔

Altitude

(m)

土壤pH

Soil pH

土壤容重

Soil bulk density

(g·cm−3)

基本概况

Basic information

自然林地Natural forest land 22°71′65′′N;

101°06′48′′E

1538.5 4.730.96

思茅松(Pinus kesiyas)和西南桦(Betula alnoides)混交林, 林龄超过30年, 林

下植被种类丰富, 覆盖度在80%左右

It is a mixed forest of Pinus kesiyas and Betula alnoides with rich understory

vegetation species, the forest age is older than 30 years, and the coverage rate

is about 80%

常规管理茶园Conventionally managed tea garden 22°71′65′′N;

101°06′48′′E

1542.3 3.83 1.32

茶龄为20年, 常规管理年限为20年; 每年翻耕、打剪各一次, 施肥两次; 施

用茶园常用复合肥, 用除草剂和杀虫剂治理病虫害

The age of the tea trees is 20 years, and the conventional management period

is 20 years. The ploughing and cutting are once a year, and the fertilization is

twice a year. Compound fertilizer is commonly used, and herbicides and

insecticides are used to control diseases and pests

有机管理茶园

Organically managed tea garden 22°71′47′′N;

101°06′49′′E

1541.7 4.070.99

茶龄为20年, 常规管理年限为14年, 有机管理年限为6年, 每年翻耕、打剪

各一次, 施肥两次; 施用有机肥, 用粘虫板捕虫, 定期进行人工除草, 不施用

任何化学药品和激素类物质; 已获得中国、美国和欧盟有机认证

The age of the tea trees is 20 years. The conventional management period is 14

years, and the organic management period is 6 years. The tillage and cutting

are once a year, and the fertilization is twice a year. Organic fertilizer is

applied, insects are caught using insect sticky, and weeding is done regularly

by hand. There is no chemicals and hormone substances applied. The tea

garden has obtained the organic certification from China, United States of

America and the European Union

第 1 期郑玉婷等: 有机和常规管理对茶园土壤固碳的影响55

土壤容重(g·cm−3), OC i为第i层土壤有机碳含量(g·kg−1), D

为第i层土壤厚度(cm)。

土壤有机碳组分分配比例计算公式[23]如下:

F i=OC i

SOC

×100%(2)式中: F i为土壤有机碳i组分的分配比例(%), OC i为土壤有机碳i组分含量(g·kg−1), SOC为土壤有机碳含量(g·kg−1)。

以林地土壤为参照土壤, 以EOC为活性有机碳，根据下列公式进行土壤碳库管理指数的计算[20]：碳库活度(CPA)=土壤活性有机碳含量/土壤非活性有机碳含量(3)碳库指数(CPI)=土壤有机碳含量/参考土壤有机碳含量(4)碳库活度指数(CPAI)=样品碳库活度/参考土壤碳库活度(5)

碳库管理指数(CPMI)=碳库指数×碳库活度指数×100%(6)

1.5 统计分析

使用SPSS 23.0 软件进行统计分析, 采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比较LSD法分析不同样地土壤有机碳储量、土壤有机碳组分含量、土壤碳库指数之间差异的显著性(P<0.05), 用Excel 2019软件作图。

2 结果与分析

2.1 土壤总有机碳含量和储量

如图1所示, 3个样地的SOC含量和储量在两个土层中的分布状况一致, 均表现为0~20 cm土层高于20~40 cm土层, 在3种土地利用类型中表现为自然林地>有机管理茶园>常规管理茶园。与自然林地相比, 常规管理茶园0~20 cm和20~40 cm土层的SOC含量和储量均显著下降(P<0.05), SOC含量降低48.67%~51.94%, SOC储量降低27.25%~35.71%；而有机管理茶园两个土层的SOC含量和储量分别比

有

机

碳

含

量

(

−

)

SOC

EOC

NLOC

POC

MOC 0

有

机

碳

储

量

(

−

)

样地类型 Sample plot type

图 1 不同样地类型不同深度土壤各组分有机碳含量和储量

Fig. 1 Soil organic carbon contents and storages of each component in different soil layers of different sample plot types NF: 自然林地; CM: 常规管理茶园; OM: 有机管理茶园。SOC: 土壤有机碳; EOC: 土壤易氧化有机碳; NLOC: 土壤非活性有机碳; POC: 土壤颗粒态有机碳; MOC: 土壤矿物结合态有机碳。不同小写字母表示同种有机碳组分在同一土层不同样地间差异显著(P<0.05)。NF: natural forest land; CM: conventionally managed tea garden; OM: organically managed tea garden. SOC: soil organic carbon; EOC: soil easily oxidizable organic carbon; NLOC: soil non-liable organic carbon; POC: soil particulate organic carbon; MOC: soil mineral-associated organic carbon. Different lowercase letters indicate signific-ant differences of the same organic carbon component in the same soil layer among different plots (P<0.05).

56中国生态农业学报(中英文) 2024第32卷

常规管理茶园高出52.09%~62.86%和15.54%~20.26% (P<0.05)。

2.2 土壤不同组分有机碳分布特征

土壤各组分有机碳的含量和储量如图1所示, 基本呈现自然林地>有机管理茶园>常规管理茶园。在0~20 cm土层, 常规管理茶园的EOC、NLOC、POC 和MOC含量分别比自然林地低41.25%、51.00%、66.59%和33.86%, NLOC和POC储量分别比自然林地低30.55%和52.64%, 且差异显著(P<0.05)。有机管理茶园的EOC、NLOC、POC、MOC含量和NLOC 储量均显著高于常规管理茶园, 分别高46.39%、54.24%、80.87%、40.07%和17.17% (P<0.05)。在20~40 cm土层, 常规管理茶园的EOC、NLOC、POC、MOC含量和储量均显著低于自然林地(P<0.05), 含量降低幅度为30.52%~70.58%, 储量降低幅度为7.06%~60.65%。有机管理茶园的EOC、NLOC、POC、MOC含量和EOC、NLOC、POC储量分别比常规管理茶园高57.89%、66.15%、121.01%、46.28%和16.59%、22.69%、63.20% (P<0.05)。

2.3 土壤不同组分有机碳分配比例

由图2可知, 3个样地的EOC/SOC、MOC/SOC 在两个土层中的分布状况表现为0~20 cm土层低于20~40 cm土层, NLOC/SOC和POC/SOC表现为0~20 cm土层高于20~40 cm土层。在0~20 cm土层中, 自然林地、常规管理茶园、有机管理茶园的EOC/SOC、NLOC/SOC差异不显著; 在20~40 cm土层中, 自然林地的EOC/SOC显著低于常规管理茶园(30.83%)和有机管理茶园(28.67%) (P<0.05), 自然林地的NLOC/ SOC分别比常规管理茶园和有机管理茶园高20.44%和18.06%, 且达显著差异水平(P<0.05)。POC/ SOC、MOC/SOC在两个土层中的分布状况一致, POC/SOC表现为自然林地>有机管理茶园>常规管理茶园, MOC/SOC表现为常规管理茶园>有机管理茶园>自然林地。

100

NF CM OM

土

壤

碳

组

分

配

比

样地类型 Sample plot type

NF CM OM

EOC/SOC

NLOC/SOC

POC/SOC

MOC/SOC P

高权健

(

)

图 2 不同样地类型不同深度土壤各组分有机碳分配比例

Fig. 2 Proportion of different soil carbon fractions in different soil layers from different sample plot types NF: 自然林地; CM: 常规管理茶园; OM: 有机管理茶园。SOC: 土壤有机碳; EOC: 土壤易氧化有机碳; NLOC: 土壤非活性有机碳; POC: 土壤颗粒态有机碳; MOC: 土壤矿物结合态有机碳。不同小写字母表示同种有机碳组分分配比例在同一土层不同样地间差异显著(P<0.05)。NF: natural forest land; CM: conventionally managed tea garden; OM: organically managed tea garden. SOC: soil organic carbon; EOC: soil easily oxidizable organic car-bon; NLOC: soil non-liable organic carbon; POC: soil particulate organic carbon; MOC: soil mineral-associated organic carbon. Different lowercase letters in-dicate significant differences of proportion of same soil carbon fraction in the same soil layer among different plots (P<0.05).

2.4 土壤碳库管理指数

如表2所示, 3个样地的CPA和CPAI在两个土

层中均表现为常规管理茶园>有机管理茶园>自然林

地。在0~20 cm土层, 各样地间没有显著差异, 但在

20~40 cm土层中, 自然林地的CPA、CPAI显著低于

其他两个茶园, 说明自然林地的土壤碳库活度显著

低于茶园。

在0~20 cm土层中, 常规管理茶园的CPI和CPMI

分别比自然林地低49.00%和46.12% (P<0.05), 有机

管理茶园的CPI和CPMI分别比常规管理茶园高

72.55%和100.33% (P<0.05)。在20~40 cm土层, 常

规管理茶园的CPI和CPMI分别比自然林地低53.00%

和24.53% (P<0.05), 有机管理茶园的CPI和CPMI分

别比常规管理茶园高63.83%和67.88% (P<0.05)。说

明自然林地和有机管理茶园的土壤碳库质量明显高

于常规管理茶园。

3 讨论

3.1 不同土地利用方式土壤固碳能力的变化

土壤有机碳库是陆地表面最大的有机碳库, 土

壤有机碳的固定及其人为管理对调节全球气候变化

和农田生产力具有极为重要的意义[24]。土壤有机碳第 1 期郑玉婷等: 有机和常规管理对茶园土壤固碳的影响57

有机和常规管理对茶园土壤固碳的影响—以林地为对照

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