海拔梯度下山地茶园土壤酸化的养分驱动机制——以江西庐山茶园为例

《Agriculture》：Nutrient-Driven Mechanisms of Soil Acidification in Mountain Tea Plantations Along Elevation Gradients: A Case Study of Lushan Tea Plantations in Jiangxi Province, China

　　

专业术语翻译（摘要部分）： 土壤酸化和养分失衡威胁着山地茶园可持续性，而沿海拔梯度深层土壤剖面中养分驱动的酸化机制仍知之甚少。本研究考察了江西庐山三个不同海拔（107、400和711 m）的茶园，采样深度至100 cm共五个土层。研究目标包括：量化酸度、盐基离子和养分的垂直分异，揭示酸化驱动因子的海拔转换模式，并为肥料管理提供指导。土壤呈强酸性（pH 3.86–5.46），山脚和表层（0–20 cm）酸化最为严重。深层土壤潜在酸积累超过75%（山脚、山腰和山顶的交换性铝/交换性酸度分别为80.61%、77.42%和80.10%），且酸化扩散在山脚最为明显。山顶和表层表现出最强的酸碱抗性。阳离子交换量（CEC）和盐基离子随深度增加而降低；表层土壤盐基饱和度（BS）比深层高47.12%。有机质（SOM）、氮、磷和速效钾（AK）呈表层富集，而全钾（TK）在深层积累。相关性分析表明，pH与交换性酸度（EA）、交换性铝（EAl）、有机质、全氮（TN）和碱解氮（AN）呈显著负相关，与交换性钙、交换性镁和全钾呈显著正相关。结构方程模型（SEM）揭示氮素积累是首要酸化驱动因子，总效应大小排序为全氮（0.549）> 有机质（0.319）> 全钾（0.247）> 碱解氮（0.156）。氮通过增加交换性酸度和消耗以Ca2+为主的盐基离子，经直接和间接途径驱动土壤酸化。有机质对土壤pH发挥双向调控作用，而全钾间接缓解土壤酸化。上述发现强调需将N:K2O比例从2:1调整为约1.5:1；有机肥和土壤改良剂应作为基肥施用，山腰（400 m）是茶叶种植最适宜的海拔。

论文解读文章

一、研究背景与问题

茶园土壤酸化是全球亚热带茶区面临的共性环境问题。中国作为全球最大的茶叶种植国和生产国，茶园面积从2000年的1.1×10⁶公顷迅速扩展至2022年的3.4×10⁶公顷，出口收入达25亿美元。江西庐山作为中国核心特色茶产区，年产茶产值已超过16亿元。然而，山地茶园因地形陡峭、降水径流强烈，盐基离子淋失严重，加之茶树喜铵和富铝的生理特性——根系吸收NH₄⁺时释放H⁺以维持电荷平衡，同时根系分泌低分子量有机酸加速铝的活化——使得山地茶园土壤酸化风险远高于平地茶园。全国约46%的茶园土壤pH低于4.5，且酸化不仅限于表层，已呈现向深层剖面扩散的趋势，影响深度可达200 cm。然而，以往研究多局限于单一海拔或平地茶园的表层土壤，沿海拔梯度深层剖面中酸化的垂直分异及其主导驱动机制的转换规律尚不清楚。因此，亟需系统研究海拔梯度下茶园土壤酸化的养分驱动机制，为山地茶园土壤改良和精准施肥提供理论依据。

二、研究内容与意义

研究人员以江西庐山三个典型海拔梯度（山脚107 m、山腰400 m、山顶711 m）的成熟茶园为研究对象，将采样深度延伸至100 cm（分为0–20、20–40、40–60、60–80、80–100 cm五个土层），系统测定了土壤酸度指标、盐基离子和主要养分因子。研究旨在揭示海拔梯度下土壤酸化的垂直分异规律，识别养分驱动的酸化关键因子，并提出海拔特异性的施肥与酸化改良策略。该研究拓展了茶园酸化仅限于表层损害的传统认知，为理解全球同类山地茶园剖面酸化理论和养分差异调控机制提供了重要参考。

三、关键技术方法

研究人员在江西庐山（116°0′35″–116°1′34″ E，29°30′10″–29°32′21″ N）西南坡选取三个海拔梯度的茶园样地，茶树品种为“中茶108”（2015年种植）。2024年6月（茶叶生长旺季）在每个样地按对角线法（山脚平地）或蛇形法（山腰和山顶坡地）设置7个采样点，用不锈钢土钻采集五个深度区间的土壤样品，共105个样品。土壤化学指标测定包括：pH（1:2.5水土比电位法）、交换性酸度（EA=EAl+EH，氯化钾中和滴定法）、交换性铝（EAl，氟化钠络合分离）、酸碱缓冲容量（pHBC，酸碱滴定法）、阳离子交换量（CEC，醋酸铵交换法）、交换性盐基离子（原子吸收分光光度法和火焰光度法）、有机质（SOM，重铬酸钾氧化法）、全氮（TN，凯氏定氮法）、碱解氮（AN，碱解扩散法）、全磷（TP，硫酸-高氯酸-钼锑抗比色法）、速效磷（AP，碳酸氢钠提取法）、全钾（TK，氢氧化钠熔融-火焰光度法）和速效钾（AK，醋酸铵提取-火焰光度法）。统计方法包括双因素方差分析（SPSS 23，Duncan多重比较）和偏最小二乘路径建模（PLS-PM，R语言plspm包）。

四、研究结果

4.1 茶园土壤酸化特征

土壤pH范围为3.94–5.01，呈强酸性。海拔和土层深度均对pH有极显著影响。不同海拔pH排序为400 m（4.58）> 711 m（4.56）> 107 m（4.33），山脚酸化程度最高。垂直方向上，pH随深度增加总体呈上升趋势，表层0–20 cm（4.26）显著低于深层80–100 cm（4.65）。交换性酸度、交换性铝和交换性氢均随深度增加而逐渐降低。通过表层与深层（0–20 cm与80–100 cm）的ΔpH和ΔEA差值表征酸化强度，发现山脚最大、山顶次之、山腰最小，呈现107 m > 711 m > 400 m的规律。深层土壤EAl/EA高达77.42%–80.61%，表明深层土壤存在显著的潜在酸积累，酸化持续从表层向深层扩散，其中山脚扩散趋势最明显。各海拔茶园土壤酸碱缓冲曲线均呈典型S形分段变化，表层0–20 cm土壤的缓冲曲线变化明显比深层80–100 cm平缓，表明表层土壤酸碱缓冲性能优于深层。土壤酸碱缓冲容量（pHBC）沿海拔梯度呈107 m < 400 m < 711 m趋势，随海拔升高而增加；垂直方向上，各海拔茶园pHBC均随深度显著降低。

4.2 茶园土壤阳离子交换量与盐基离子

不同海拔和不同土层深度间土壤CEC无显著差异。山脚和山腰表层0–20 cm土壤CEC分别比深层80–100 cm低15.45%和18.00%，而山顶表层比深层高6.30%。山脚和山顶的Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺均随深度增加逐渐降低，山腰的Ca²⁺和Mg²⁺随深度增加而增加，而K⁺和Na⁺逐渐降低。盐基饱和度（BS）在各海拔的表层0–20 cm与深层80–100 cm间差异显著。

4.3 茶园土壤有机质与氮磷钾变化特征

有机质含量为5.41–42.92 g/kg，海拔和深度均对其有极显著影响且交互作用显著。不同海拔SOM排序为711 m（27.67 g/kg）> 107 m（16.24 g/kg）> 400 m（10.80 g/kg）；垂直方向各土层含量随深度增加而降低，0–20 cm（34.94 g/kg）显著高于深层，呈明显表层聚集特征。全氮含量为0.32–7.72 g/kg，不同海拔排序为400 m（1.05 g/kg）> 107 m（0.91 g/kg）> 711 m（0.81 g/kg），垂直方向随深度增加而降低。碱解氮含量为15.62–59.22 mg/kg，海拔排序为107 m > 400 m > 711 m，垂直方向随深度增加而降低。全磷含量为0.18–0.55 g/kg，海拔排序为711 m > 400 m > 107 m，垂直方向先增后减，峰值出现在20–60 cm。速效磷含量为3.41–15.53 mg/kg，海拔排序为711 m > 400 m > 107 m，垂直方向呈波动变化。全钾含量为9.90–19.28 g/kg，海拔排序为400 m > 711 m > 107 m，垂直方向随深度增加而逐渐增加，呈深层富集特征。速效钾含量为43.99–70.17 mg/kg，海拔排序为107 m < 400 m < 711 m，垂直方向随深度增加而持续降低，呈表层富集特征。

4.4 茶园土壤化学性质分析

线性回归分析表明，土壤pH与EA和EAl呈极显著负相关，与EH无显著相关，说明土壤pH主要受EA含量制约，EAl是EA的主要组分，酸化过程与EAl含量密切相关。pH与BS和EAS均符合对数模型。相关性分析显示，pH与Ca²⁺极显著相关、与Mg²⁺显著相关，与K⁺和Na⁺无显著相关，表明盐基离子中Ca²⁺和Mg²⁺的流失是土壤盐基饱和度下降和酸化加剧的主要原因。热图分析显示，pH与SOM显著负相关，与TN和AN极显著负相关，与TK显著正相关。结构方程模型（GoF=0.587）显示，SOM、TK和盐基离子对pH有直接正效应，而土壤氮素（TN、AN）和酸化因子（EA、EAl）呈直接负效应。总效应排序为TN（0.549）> SOM（0.319）> TK（0.247）> AN（0.156），TN总效应约为SOM的1.7倍、TK的2.2倍、AN的3.5倍，表明氮素过度积累是庐山茶园土壤酸化的主导养分驱动因子。

五、讨论总结

研究人员在讨论部分指出，庐山茶园土壤酸化呈现山脚最强、山顶次之、山腰相对最弱的海拔分异格局，这与前人“随海拔升高酸化程度降低”的结论不同，主要与成土环境、土壤理化性质和人为干扰强度差异有关。山脚低海拔、地形平缓，水热条件优越，有机质矿化和硝化作用强烈，红壤风化淋溶强烈，盐基离子近枯竭，酸碱缓冲能力最弱；山腰为黄红壤过渡类型，含2:1型黏土矿物，对H⁺和Al³⁺吸附固定能力强，水热条件适中，风化速率稳定，可持续释放盐基离子缓冲酸化；山顶黄壤受人为干扰小，但高湿环境加剧盐基淋失，低温抑制有机质矿化和矿物风化，盐基饱和度低。垂直方向上，酸化表层富集并向深层扩散，深层EAl/EA超过75%表明缓冲体系已从“交换性H⁺主导”转变为“交换性Al³⁺主导”，进入“不可逆阶段”，铝离子水解持续释放质子形成酸化正反馈。表层土壤因有机质丰富而缓冲能力强于深层，但深层土壤缓冲物质匮乏，一旦酸性物质突破迁移阈值渗入深层，将难以中和。养分方面，有机质表层富集是氮磷钾养分表层积累的核心原因，而全钾因表层长期酸化和有机酸络合风化释放K⁺并向下迁移，呈深层富集特征。氮素通过增加交换性酸度（间接路径系数?0.209）和消耗Ca²⁺（间接路径系数?0.047）驱动酸化；有机质具有双向调控作用，高C/N比有机物料可抑制硝化减缓酸化，低C/N比物料则可能促进硝化加剧酸化；全钾通过降低EA含量间接缓解酸化（间接路径系数0.109）。

六、研究结论

（1）庐山茶园土壤总体呈强酸性（pH 3.86–5.46），其中山脚和表层（0–20 cm）pH最低，酸化最严重。山脚、山腰和山顶茶园深层土壤EAl/EA分别为80.61%、77.42%和80.10%，存在严重的潜在酸积累，山脚酸化扩散趋势最明显。山顶和表层表现出最强的酸碱扰动抗性。

（2）CEC和盐基离子（Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺）总体随深度增加逐渐降低，表层盐基饱和度比深层高47.12%。茶园土壤SOM、TN、AN、TP、AP和AK呈表层富集特征，而TK呈相反的深层富集特征。

（3）茶园土壤pH与EA、EAl、SOM、TN和AN极显著负相关，与Ca²⁺、Mg²⁺和TK显著正相关。结构方程模型中，SOM、TN、AN和TK对pH的直接效应路径系数分别为0.150、?0.262、?0.096和0.014；间接效应中，SOM、TN和TK通过影响EA作用于pH（路径系数分别为?0.117、?0.209和0.109），AN通过影响Ca²⁺作用于pH（路径系数?0.047）。养分对土壤pH的总效应排序为TN（0.549）> SOM（0.319）> TK（0.247）> AN（0.156），TN总效应约为SOM的1.7倍、TK的2.2倍、AN的3.5倍。总体而言，氮素积累是茶园土壤酸化的首要驱动因子。基于上述发现，研究人员建议将氮肥施用量从常规的300 kg ha^?1降至150–200 kg ha^?1，同时将K₂O施用量提高至150–200 kg ha^?1，将N:K₂O比例从2:1调整为约1.5:1；有机肥作为基肥在秋季一次性施用150–200 kg ha^?1，并尽可能与土壤改良剂混合施用；从土壤质量角度，山腰（400 m）酸碱状况和养分有效性更为均衡，可能是茶叶种植最适宜的海拔。