茶树-绿豆/大豆间作对茶园土壤和茶叶品质的影响

段玉,邢弘擎,刘国栋,王婷,刘乐峰,朱旭君,钟增涛,房婉萍*

(1.南京农业大学茶叶科学研究所,江苏 南京 210095;2.南京农业大学生命科学学院,江苏 南京 210095)

茶树(Camelliasinensis)是在酸性土壤生长的常绿多年生经济作物,由其鲜叶加工成的茶叶是世界上最受欢迎的三大无酒精饮料之一[1]。茶叶中的茶多酚、咖啡碱、氨基酸、可溶性糖等成分是形成茶叶品质的关键,且碳、氮元素及碳氮比是茶叶关键理化成分形成的重要基础[2-4]。目前,大部分茶园通过增施肥料促进茶树的生长发育,增加茶叶的产量。而过量施用的肥料在茶树生长过程未被完全吸收利用,导致大量氮素富集在茶园土壤中,进而影响氮的循环代谢并加速茶园土壤的酸化[5-6]。间(套)作作为生态农业的高效种植模式之一,具有增加作物产量、优化作物品质、高效利用养分、增加生物多样性、减少病虫草害等优势[7-8]。

农业生态系统的可持续性发展,强调利用生态学原理和生态功能构建的种植模式重要性[9]。目前,为改善生态系统功能形成的种植模式主要包括间作、作物轮作、覆盖种植、减少耕作及农林复合等[10]。间作是在同一块土地同时种植2种或2种以上作物,有效增加植物群落的多样性,运用群落的空间结构原理,建立互补和便利的关系,以充分利用空间和资源的农业生产模式,也是现代生态农业的重要生产方式[11-12]。研究表明,茶园间作能维持茶园生态平衡,缓解茶园土壤酸化,改善和保持土壤的肥力,增强土壤酶活性,丰富土壤微生物群落的多样性,增加土壤的矿物质含量和含水量,改善土壤团粒结构,化感抑制病原菌等,进而增加茶树养分和矿质元素的积累,促进茶树生长代谢,增加茶树鲜叶的持嫩性,影响茶叶理化成分的代谢,利于茶叶品质的形成,增加茶叶产量[13-14]。在茶园间作模式下,茶树与间作作物的相互作用,能有效增加茶园生态的生物多样性,改善茶园小气候,充分利用茶园资源,减少茶园虫害、杂草的发生,提高茶叶品质和产量,进而增加茶园的经济效益和生态效益[15-17]。茶园主要的间作模式包括果茶间作、林茶间作、茶树-芳香植物间作、茶树-食用菌间作、茶树-牧草间作、茶树-绿肥间作、茶树-豆科作物间作[18-19]。豆科作物由于其特有的根瘤固氮能力被广泛运用于生态农业间作系统,不同种类的豆科作物在间作过程中,对土壤的养分、微生物组成、酶活性及作物生理特性、作物产量和品质等产生不同影响。目前禾本科-豆科作物的间作被广泛运用,而茶树-豆科作物间作的基础研究相对较少。

本文在茶园进行间作接种根瘤菌或不接种根瘤菌的绿豆和大豆,研究不同间作模式对茶园土壤和茶叶品质的影响,筛选出适合当地茶园间作的豆科作物,探究符合生态茶园的种植模式,为茶园的生态栽培管理和茶叶生产提供理论和实践依据,为进一步探究茶树-土壤-微生物群落的关系奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料和试验区概况

供试茶树品种为多年生黄山群体种;供试绿豆品种‘苏绿4号’和大豆品种‘南农48’均购于江苏省农业科学院;接种的根瘤菌分别为VIG2和USDA110,由南京农业大学生命科学学院钟增涛教授课题组提供。

试验茶园位于江苏省南京市江宁区博茶农业科技有限公司的茶园(31°37′～32°07′ N,118°28′～119°06′E)。所在地区四季分明,年平均气温16 ℃,气候温和,年平均降水量约为1 073 mm,雨水充沛,平均无霜期为224 d,且本试验选用地势较高的茶园,不易积水,利于豆科作物的生长(图1)。

图1 试验茶园位置及茶树-大豆间作Fig.1 The location of tea plantation and the tea plants-soybean intercropping

1.2 试验设计

以单作茶园为对照(CK),在茶树行间种植豆科作物,采用穴播方式,共设置4个处理:间作未接根瘤菌绿豆(T1)、间作接种根瘤菌绿豆(T2)、间作未接种根瘤菌大豆(T3)和间作接种根瘤菌大豆(T4)。根据豆科作物的生长周期及前期研究结果,茶园间作的豆科作物生长至盛花期翻压效果更佳[20],间作的豆科作物生长至盛花期为第Ⅰ时期,将盛花期的豆科作物翻压还田后1个月为第Ⅱ时期。

1.3 样品的采集与测定

1.3.1 样品的采集在处理不同时期采集 0～20 cm土壤样品(取样前清除土壤表层的杂物),清除掉土壤中的枝叶、乱石等杂物,一部分土样通过2 mm的筛网过滤后于4 ℃冰箱保存,用于测土壤酶活性;一部分放在通风处,自然风干,研磨过筛后用于土壤理化性质检测。采摘茶树鲜叶,标准为一芽一二叶,将茶样放入微波炉杀青后,在70 ℃的烘箱中烘干,按照《茶磨碎试样的制备及其干物质含量测定:GB/T 8303—2002》将茶样磨碎待测。

1.3.2 土壤理化指标的测定土壤理化指标的测定参照《土壤农化分析》,全氮采用全自动凯氏定氮仪(Foss,丹麦)测定;硝态氮采用氯化钾溶液提取-分光光度法测定;铵态氮采用靛酚蓝比色法测定;速效磷采用NaHCO3溶液浸提-钼锑抗比色法测定;速效钾采用CH3COONH4溶液浸提-原子吸收分光光度法(Perkin Elmer,美国)测定。pH值利用pH计(Mettler Toledo,瑞士)测定。土壤脲酶测定活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定,蔗糖酶活性测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定,酸性磷酸酶活性采用对硝基酚磷酸法测定,均利用多功能酶标仪进行分析(BioTek,美国)。

1.3.3 茶叶理化指标的测定茶叶水浸出物的测定参照《茶水浸出物的测定:GB/T 8305—2013》;可溶性糖的测定采用蒽酮比色法;游离氨基酸的测定采用茚三酮法,参考《茶游离氨基酸总量的测定:GB/T 8314—2013》;茶多酚采用福林酚法,参考《茶叶中茶多酚和儿茶素含量的检测方法:GB/T 8313—2013》,使用多功能酶标仪进行测定;咖啡碱的测定参考《茶咖啡碱测定:GB/T 8312—2013》。

1.4 数据处理

采用SPSS Statistics 22.0和Excel 2010软件对数据进行整理和统计分析;利用Duncan’s新复极差法进行方差分析和差异显著性检验,利用Pearson’s相关系数分析所测指标之间的相关性;采用GraphPad Prism 7.0软件进行图表制作。

2 结果与分析

2.1 茶园间作绿豆和大豆对茶园土壤pH值的影响

如图2所示:间作同一种豆科作物,pH值在未接种根瘤菌处理的茶园显著高于接种根瘤菌的茶园。第Ⅰ时期,茶园间作大豆的处理土壤pH值均显著高于间作绿豆的处理,而在第Ⅱ时期,间作接种根瘤菌绿豆的茶园(T1)土壤pH值为5.16,比单作茶园(CK)增加10.49%,且显著高于其他处理。此外,茶园间作绿豆的处理在翻压后,土壤的pH值增加,而间作大豆的处理在翻压后,土壤的pH值降低。

图2 间作大豆和绿豆对茶园土壤pH值的影响Fig.2 Effects of intercropping soybean and mung bean on soil pH value in tea plantation 1)CK:单作茶树 Monoculture tea plants;T1:间作未接根瘤菌绿豆 Mung bean intercropped without rhizobia;T2:间作接种根瘤菌绿豆 Mung bean intercropped with rhizobium;T3:间作未接种根瘤菌大豆 Soybean intercropped without rhizobia;T4:间作接种根瘤菌大豆 Soybean intercropped with rhizobium;Ⅰ. 间作的豆科作物生长至盛花期 Profuse flowering period of intercropping leguminous crops;Ⅱ. 盛花期的豆科作物翻压还田后1个月 Profuse flowering leguminous crops was turned over and returned to the soil for one month;2)不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level. 下同。The same as follows.

2.2 茶园间作绿豆和大豆对茶园土壤酶活性的影响

由表1可知:第Ⅰ时期,土壤脲酶活性在间作接种根瘤菌大豆的茶园(T4)最高,且间作接种根瘤菌豆科作物的茶园均显著高于未接种根瘤菌豆科作物的茶园;土壤磷酸酶活性在间作未接种根瘤菌豆科作物的茶园均显著高于接种根瘤菌豆科作物的茶园,且在T1处理最高。土壤蔗糖酶活性均高于单作茶园,而T4处理与CK之间无显著差异。第Ⅱ时期,土壤脲酶活性T2和T4处理分别为2.29和2.08 mg·g-1·d-1,显著高于T1、T3和CK。间作茶园的土壤蔗糖酶活性显著高于单作茶园,且T2处理最高,为9.87 mg·g-1·d-1。而土壤磷酸酶活性在间作未接种根瘤菌豆科作物的茶园显著高于接种根瘤菌豆科作物的茶园。

表1 间作大豆和绿豆对茶园土壤酶活性的影响Table 1 Effects of intercropping soybean and mung bean on soil enzyme activities in tea plantation

2.3 茶园间作绿豆和大豆对茶园土壤理化指标的影响

由图3可知:在第Ⅰ时期,土壤的全氮、速效氮和速效钾含量在T2处理均显著高于T1、T4和CK处理,其中,土壤速效氮含量在T2和T4处理分别比CK增加136.63%和97.87%,且间作绿豆的茶园显著高于间作大豆的茶园;土壤有机质含量由高到低的处理依次为T1、 T2 、 T3 、T4、 CK,同一种豆科作物,在未接种根瘤菌处理的茶园显著高于接种根瘤菌的茶园;土壤速效磷含量在T4处理的茶园显著高于T2处理,T1和T3处理均显著低于CK。在第Ⅱ时期,土壤的全氮、速效钾和土壤速效磷含量与间作的豆科作物在盛花期变化趋势一致;土壤速效氮和土壤有机质含量在T4处理最高,显著高于其他处理,且接种根瘤菌豆科作物的茶园显著高于未接种根瘤菌豆科作物的茶园。

图3 间作大豆和绿豆对茶园土壤养分的影响Fig.3 Effects of intercropping soybean and mung bean on soil nutrients in tea plantation

图4 间作大豆和绿豆对茶树鲜叶理化指标的影响Fig.4 Effects of intercropping soybean and mung bean on the physicochemical indexes of tea leaves

2.4 茶园间作大豆和绿豆对茶叶理化指标的影响

由图4可见:在第Ⅰ时期,T3处理的茶树鲜叶水浸出物含量最高。在第Ⅱ时期,茶树鲜叶水浸出物含量在T2处理和T4处理中较高,且显著高于其他处理。茶树鲜叶的茶多酚含量第Ⅰ时期,T4和T1处理较高,而在第Ⅱ时期,T4处理显著降低。在茶园间作豆科作物均能增加茶树鲜叶的氨基酸含量,T2处理最高,其次为T4处理,且T2和T4处理在第Ⅰ时期分别比CK增加102.67%和54.37%;在第Ⅱ时期分别比CK提高72.29%和41.80%。在茶园间作豆科作物的处理茶树鲜叶茶多酚/氨基酸比值均低于对照,且T2处理的茶多酚/氨基酸比值最低。茶树与豆科作物间作显著减少咖啡碱含量,且在第Ⅰ时期,咖啡碱含量在T1和T3处理显著低于T2和T4处理。在茶园间作豆科作物能显著增加茶树鲜叶中可溶性糖含量,且在间作同一种豆科作物的处理下,在第Ⅰ时期T2和T4处理显著高于T1和T3处理,间作绿豆的处理可溶性糖含量均高于间作大豆的处理;第Ⅱ时期,在T2处理最高,且在间作绿豆的茶园含量更高,其中T2和T4处理在第Ⅰ时期分别比CK增加180.79%和160.23%,在第Ⅱ时期分别比CK 45.37%和3.17%。

2.5 茶园间作不同豆科作物的土壤理化指标与茶叶理化成分的主成分分析

如图5-A和5-B所示:在第Ⅰ时期,间作处理的土壤养分与单作茶园具有显著区别,第1主成分PC1累计方差百分比为91.31%,间作绿豆的茶园与间作大豆的茶园具有显著区别;在PC2分析中,间作接种根瘤菌豆科作物的茶园与不接种根瘤菌的豆科作物存在差异。在第Ⅱ时期,PC1累计方差百分比为 98.57%,茶园土壤养分在T3处理与其他3个处理存在显著差异;在PC2分析中,T3与T4的差异显著高于T1与T2的差异。如图5-C和5-D所示:在第Ⅰ时期,PC1累计方差百分比为60.48%,茶树鲜叶理化指标在所有间作豆科作物的处理与单作茶园分布不同,T2和T3处理与其他处理之间具有区别。在第Ⅱ时期,PC1累计方差百分比为81.17%,在不同处理中茶树鲜叶理化成分存在差异;在PC2分析中,在接种根瘤菌或不接种根瘤菌的处理中,间作绿豆的处理与间作大豆的处理具有明显区别。因此,通过PCA分析能够直接反映在茶园间作不同豆科作物对茶园土壤养分和茶树鲜叶理化成分产生一定的影响。

图5 间作不同豆科作物的茶园土壤养分和茶叶理化指标的主成分分析Fig.5 Principal component analysis(PCA)of soil nutrient and physicochemical indexes for tea plant leaves of intercropping soybean and mung bean A. 第Ⅰ时期土壤养分主成分分析PCA of soil nutrient in period Ⅰ;B. 第Ⅱ时期土壤养分主成分分析PCA of soil nutrient in period Ⅱ;C. 第Ⅰ时期茶叶理化指标主成分分析 PCA of physicochemical indexes for tea plant leaves in period Ⅰ;D. 第Ⅱ时期茶叶理化指标主成分分析 PCA of physicochemical indexes for tea plant leaves in period Ⅱ.

2.6 茶园间作不同豆科作物的土壤理化指标与茶叶理化指标的关联性分析

不同间作处理的茶园土壤酶活性与土壤养分关联性分析如图6所示。土壤脲酶活性与土壤的所有理化指标均呈正相关关系,其中与速效氮含量呈极显著正相关;除土壤速效磷外,土壤蔗糖酶活性与土壤其他理化成分均呈正相关关系,且与土壤全氮含量显著正相关;土壤磷酸酶活性与土壤的理化指标具有一定的关联性,但均无显著相关性。

图6 茶园间作接种根瘤菌豆科作物的土壤酶活性与土壤理化指标的相关性Fig.6 The correlation between soil enzyme activity and soil physicochemical indexes of intercropped inoculate rhizobia leguminous crops A1-A6:土壤脲酶活性与土壤理化指标的相关性 The correlation between soil urease activity and soil physicochemical indexes;B1-B6:土壤蔗糖酶与土壤理化指标的相关性 The correlation between soil sucrose activity and soil physicochemical indexes;C1-C6:土壤磷酸酶与土壤理化指标的相关性 The correlation between soil phosphatase activity and soil physicochemical indexes.TN:Total nitrogen;AN:Available nitrogen;AP:Available phosphorus;AK:Available potassium;SOM:Soil organic matter. The same as follows.

如图7所示:土壤全氮含量与土壤速效钾和有机质含量呈极显著正相关,且与土壤速效氮含量呈显著正相关;土壤速效氮含量与土壤速效磷、土壤速效钾含量和茶叶氨基酸含量均呈极显著正相关,且与土壤有机质含量和茶叶可溶性糖含量具有显著正相关的关系,而与茶多酚/氨基酸比值呈显著负相关;茶园土壤速效磷含量与土壤pH值和茶多酚含量呈显著负相关,且与茶多酚/氨基酸比值呈极显著负相关,与茶叶的氨基酸、可溶性糖和水浸出物含量呈显著正相关;土壤速效钾含量与土壤有机质含量呈极显著正相关,而与茶叶中的可溶性糖含量呈显著负相关;土壤pH值与茶叶茶多酚含量和茶多酚/氨基酸比值呈极显著正相关;茶叶的茶多酚含量与氨基酸和水浸出物含量呈显著负相关,而与茶多酚/氨基酸比值呈极显著正相关;茶叶氨基酸含量与可溶性糖及水浸出物含量呈极显著正相关。

图7 茶园间作豆科作物的土壤理化指标与茶叶理化指标的相关性Fig.7 The correlation between physicochemical indexes of soil and tea leaves in tea plantation of intercropped leguminous crops TP:茶多酚 Tea polyphenol;AA:氨基酸 Amino acids;Caf:咖啡碱 Caffeine;SS:可溶性糖 Soluble sugar;WE:水浸出物 Water extraction;P/A:茶多酚/氨基酸比值Ratio of tea polyphenols to amino acids.

3 讨论

本试验表明,茶树与不同豆科作物间作,茶园土壤的全氮、速效氮、速效钾和有机质含量均高于单作茶园,且在间作接种根瘤菌豆科作物的茶园中相对更高,尤其速效氮的含量,这与前人的研究一致[24-26],主要由于豆科作物与固氮微生物形成根瘤共生体进行自身固氮,进而提高体内的氮素含量。此外,豆科作物的根系生长可能通过促进茶园土壤的矿化,释放有效态磷、钾,提高土壤速效磷和速效钾含量[27-28]。茶树与豆科作物的间作显著增加了土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性,其与土壤养分和pH值密切相关,这与前人研究一致[29-30]。此外,本研究中茶树与不同豆科作物间作,尤其与接种根瘤菌绿豆的间作,茶树鲜叶的氨基酸和可溶性糖含量显著增加,均显著高于单作茶树;茶树鲜叶的咖啡碱含量和茶多酚/氨基酸比值均显著降低,与茶树-板栗间作和茶树-芳香植物间作的次级代谢产物变化趋势一致[19,24]。这可能是因为在间作过程影响茶园土壤氮素的合成运输,进而影响茶叶中氨基酸等含氮化合物的合成,因为氮是茶树鲜叶的氨基酸、蛋白质及咖啡碱等滋味物质的重要组成物质[31]。豆科作物间作过程中,茶树鲜叶理化成分与土壤养分密切相关,尤其茶树鲜叶中氨基酸和可溶性糖含量与土壤的速效氮和速效磷含量具有显著正相关性,这与前人相关研究结果一致[32-33]。

综上所述,在茶园间作豆科作物,同时将间作的豆科作物在盛花期翻压还田均能有效缓解茶园土壤的酸化,改善茶园土壤的养分,显著影响茶树次级代谢产物的形成,有利于茶叶鲜爽的滋味和香气的形成,尤其是间作接种根瘤菌的豆科作物。此外,茶树与不同豆科作物间作,对茶园土壤理化指标具有不同的影响,结合茶树鲜叶的氨基酸、可溶性糖和茶多酚含量分析,发现在当地茶园间作接种根瘤菌的绿豆,茶园土壤的改良效果更好,更有利于绿茶品质的提高。