茶樹-綠豆/大豆間作對(duì)茶園土壤和茶葉品質(zhì)的影響

段玉,邢弘擎,劉國(guó)棟,王婷,劉樂峰,朱旭君,鐘增濤,房婉萍*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)茶葉科學(xué)研究所,江蘇 南京 210095;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210095)

茶樹(Camelliasinensis)是在酸性土壤生長(zhǎng)的常綠多年生經(jīng)濟(jì)作物,由其鮮葉加工成的茶葉是世界上最受歡迎的三大無(wú)酒精飲料之一[1]。茶葉中的茶多酚、咖啡堿、氨基酸、可溶性糖等成分是形成茶葉品質(zhì)的關(guān)鍵,且碳、氮元素及碳氮比是茶葉關(guān)鍵理化成分形成的重要基礎(chǔ)[2-4]。目前,大部分茶園通過(guò)增施肥料促進(jìn)茶樹的生長(zhǎng)發(fā)育,增加茶葉的產(chǎn)量。而過(guò)量施用的肥料在茶樹生長(zhǎng)過(guò)程未被完全吸收利用,導(dǎo)致大量氮素富集在茶園土壤中,進(jìn)而影響氮的循環(huán)代謝并加速茶園土壤的酸化[5-6]。間(套)作作為生態(tài)農(nóng)業(yè)的高效種植模式之一,具有增加作物產(chǎn)量、優(yōu)化作物品質(zhì)、高效利用養(yǎng)分、增加生物多樣性、減少病蟲草害等優(yōu)勢(shì)[7-8]。

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展,強(qiáng)調(diào)利用生態(tài)學(xué)原理和生態(tài)功能構(gòu)建的種植模式重要性[9]。目前,為改善生態(tài)系統(tǒng)功能形成的種植模式主要包括間作、作物輪作、覆蓋種植、減少耕作及農(nóng)林復(fù)合等[10]。間作是在同一塊土地同時(shí)種植2種或2種以上作物,有效增加植物群落的多樣性,運(yùn)用群落的空間結(jié)構(gòu)原理,建立互補(bǔ)和便利的關(guān)系,以充分利用空間和資源的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,也是現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要生產(chǎn)方式[11-12]。研究表明,茶園間作能維持茶園生態(tài)平衡,緩解茶園土壤酸化,改善和保持土壤的肥力,增強(qiáng)土壤酶活性,豐富土壤微生物群落的多樣性,增加土壤的礦物質(zhì)含量和含水量,改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu),化感抑制病原菌等,進(jìn)而增加茶樹養(yǎng)分和礦質(zhì)元素的積累,促進(jìn)茶樹生長(zhǎng)代謝,增加茶樹鮮葉的持嫩性,影響茶葉理化成分的代謝,利于茶葉品質(zhì)的形成,增加茶葉產(chǎn)量[13-14]。在茶園間作模式下,茶樹與間作作物的相互作用,能有效增加茶園生態(tài)的生物多樣性,改善茶園小氣候,充分利用茶園資源,減少茶園蟲害、雜草的發(fā)生,提高茶葉品質(zhì)和產(chǎn)量,進(jìn)而增加茶園的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益[15-17]。茶園主要的間作模式包括果茶間作、林茶間作、茶樹-芳香植物間作、茶樹-食用菌間作、茶樹-牧草間作、茶樹-綠肥間作、茶樹-豆科作物間作[18-19]。豆科作物由于其特有的根瘤固氮能力被廣泛運(yùn)用于生態(tài)農(nóng)業(yè)間作系統(tǒng),不同種類的豆科作物在間作過(guò)程中,對(duì)土壤的養(yǎng)分、微生物組成、酶活性及作物生理特性、作物產(chǎn)量和品質(zhì)等產(chǎn)生不同影響。目前禾本科-豆科作物的間作被廣泛運(yùn)用,而茶樹-豆科作物間作的基礎(chǔ)研究相對(duì)較少。

本文在茶園進(jìn)行間作接種根瘤菌或不接種根瘤菌的綠豆和大豆,研究不同間作模式對(duì)茶園土壤和茶葉品質(zhì)的影響,篩選出適合當(dāng)?shù)夭鑸@間作的豆科作物,探究符合生態(tài)茶園的種植模式,為茶園的生態(tài)栽培管理和茶葉生產(chǎn)提供理論和實(shí)踐依據(jù),為進(jìn)一步探究茶樹-土壤-微生物群落的關(guān)系奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)區(qū)概況

供試茶樹品種為多年生黃山群體種;供試綠豆品種‘蘇綠4號(hào)’和大豆品種‘南農(nóng)48’均購(gòu)于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院;接種的根瘤菌分別為VIG2和USDA110,由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院鐘增濤教授課題組提供。

試驗(yàn)茶園位于江蘇省南京市江寧區(qū)博茶農(nóng)業(yè)科技有限公司的茶園(31°37′～32°07′ N,118°28′～119°06′E)。所在地區(qū)四季分明,年平均氣溫16 ℃,氣候溫和,年平均降水量約為1 073 mm,雨水充沛,平均無(wú)霜期為224 d,且本試驗(yàn)選用地勢(shì)較高的茶園,不易積水,利于豆科作物的生長(zhǎng)(圖1)。

圖1 試驗(yàn)茶園位置及茶樹-大豆間作Fig.1 The location of tea plantation and the tea plants-soybean intercropping

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以單作茶園為對(duì)照(CK),在茶樹行間種植豆科作物,采用穴播方式,共設(shè)置4個(gè)處理:間作未接根瘤菌綠豆(T1)、間作接種根瘤菌綠豆(T2)、間作未接種根瘤菌大豆(T3)和間作接種根瘤菌大豆(T4)。根據(jù)豆科作物的生長(zhǎng)周期及前期研究結(jié)果,茶園間作的豆科作物生長(zhǎng)至盛花期翻壓效果更佳[20],間作的豆科作物生長(zhǎng)至盛花期為第Ⅰ時(shí)期,將盛花期的豆科作物翻壓還田后1個(gè)月為第Ⅱ時(shí)期。

1.3 樣品的采集與測(cè)定

1.3.1 樣品的采集在處理不同時(shí)期采集 0～20 cm土壤樣品(取樣前清除土壤表層的雜物),清除掉土壤中的枝葉、亂石等雜物,一部分土樣通過(guò)2 mm的篩網(wǎng)過(guò)濾后于4 ℃冰箱保存,用于測(cè)土壤酶活性;一部分放在通風(fēng)處,自然風(fēng)干,研磨過(guò)篩后用于土壤理化性質(zhì)檢測(cè)。采摘茶樹鮮葉,標(biāo)準(zhǔn)為一芽一二葉,將茶樣放入微波爐殺青后,在70 ℃的烘箱中烘干,按照《茶磨碎試樣的制備及其干物質(zhì)含量測(cè)定:GB/T 8303—2002》將茶樣磨碎待測(cè)。

1.3.2 土壤理化指標(biāo)的測(cè)定土壤理化指標(biāo)的測(cè)定參照《土壤農(nóng)化分析》,全氮采用全自動(dòng)凱氏定氮儀(Foss,丹麥)測(cè)定;硝態(tài)氮采用氯化鉀溶液提取-分光光度法測(cè)定;銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定;速效磷采用NaHCO3溶液浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定;速效鉀采用CH3COONH4溶液浸提-原子吸收分光光度法(Perkin Elmer,美國(guó))測(cè)定。pH值利用pH計(jì)(Mettler Toledo,瑞士)測(cè)定。土壤脲酶測(cè)定活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測(cè)定,蔗糖酶活性測(cè)定采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定,酸性磷酸酶活性采用對(duì)硝基酚磷酸法測(cè)定,均利用多功能酶標(biāo)儀進(jìn)行分析(BioTek,美國(guó))。

1.3.3 茶葉理化指標(biāo)的測(cè)定茶葉水浸出物的測(cè)定參照《茶水浸出物的測(cè)定:GB/T 8305—2013》;可溶性糖的測(cè)定采用蒽酮比色法;游離氨基酸的測(cè)定采用茚三酮法,參考《茶游離氨基酸總量的測(cè)定:GB/T 8314—2013》;茶多酚采用福林酚法,參考《茶葉中茶多酚和兒茶素含量的檢測(cè)方法:GB/T 8313—2013》,使用多功能酶標(biāo)儀進(jìn)行測(cè)定;咖啡堿的測(cè)定參考《茶咖啡堿測(cè)定:GB/T 8312—2013》。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS Statistics 22.0和Excel 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)分析;利用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行方差分析和差異顯著性檢驗(yàn),利用Pearson’s相關(guān)系數(shù)分析所測(cè)指標(biāo)之間的相關(guān)性;采用GraphPad Prism 7.0軟件進(jìn)行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶園間作綠豆和大豆對(duì)茶園土壤pH值的影響

如圖2所示:間作同一種豆科作物,pH值在未接種根瘤菌處理的茶園顯著高于接種根瘤菌的茶園。第Ⅰ時(shí)期,茶園間作大豆的處理土壤pH值均顯著高于間作綠豆的處理,而在第Ⅱ時(shí)期,間作接種根瘤菌綠豆的茶園(T1)土壤pH值為5.16,比單作茶園(CK)增加10.49%,且顯著高于其他處理。此外,茶園間作綠豆的處理在翻壓后,土壤的pH值增加,而間作大豆的處理在翻壓后,土壤的pH值降低。

圖2 間作大豆和綠豆對(duì)茶園土壤pH值的影響Fig.2 Effects of intercropping soybean and mung bean on soil pH value in tea plantation 1)CK:單作茶樹 Monoculture tea plants;T1:間作未接根瘤菌綠豆 Mung bean intercropped without rhizobia;T2:間作接種根瘤菌綠豆 Mung bean intercropped with rhizobium;T3:間作未接種根瘤菌大豆 Soybean intercropped without rhizobia;T4:間作接種根瘤菌大豆 Soybean intercropped with rhizobium;Ⅰ. 間作的豆科作物生長(zhǎng)至盛花期 Profuse flowering period of intercropping leguminous crops;Ⅱ. 盛花期的豆科作物翻壓還田后1個(gè)月 Profuse flowering leguminous crops was turned over and returned to the soil for one month;2)不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level. 下同。The same as follows.

2.2 茶園間作綠豆和大豆對(duì)茶園土壤酶活性的影響

由表1可知:第Ⅰ時(shí)期,土壤脲酶活性在間作接種根瘤菌大豆的茶園(T4)最高,且間作接種根瘤菌豆科作物的茶園均顯著高于未接種根瘤菌豆科作物的茶園;土壤磷酸酶活性在間作未接種根瘤菌豆科作物的茶園均顯著高于接種根瘤菌豆科作物的茶園,且在T1處理最高。土壤蔗糖酶活性均高于單作茶園,而T4處理與CK之間無(wú)顯著差異。第Ⅱ時(shí)期,土壤脲酶活性T2和T4處理分別為2.29和2.08 mg·g-1·d-1,顯著高于T1、T3和CK。間作茶園的土壤蔗糖酶活性顯著高于單作茶園,且T2處理最高,為9.87 mg·g-1·d-1。而土壤磷酸酶活性在間作未接種根瘤菌豆科作物的茶園顯著高于接種根瘤菌豆科作物的茶園。

表1 間作大豆和綠豆對(duì)茶園土壤酶活性的影響Table 1 Effects of intercropping soybean and mung bean on soil enzyme activities in tea plantation

2.3 茶園間作綠豆和大豆對(duì)茶園土壤理化指標(biāo)的影響

由圖3可知:在第Ⅰ時(shí)期,土壤的全氮、速效氮和速效鉀含量在T2處理均顯著高于T1、T4和CK處理,其中,土壤速效氮含量在T2和T4處理分別比CK增加136.63%和97.87%,且間作綠豆的茶園顯著高于間作大豆的茶園;土壤有機(jī)質(zhì)含量由高到低的處理依次為T1、 T2 、 T3 、T4、 CK,同一種豆科作物,在未接種根瘤菌處理的茶園顯著高于接種根瘤菌的茶園;土壤速效磷含量在T4處理的茶園顯著高于T2處理,T1和T3處理均顯著低于CK。在第Ⅱ時(shí)期,土壤的全氮、速效鉀和土壤速效磷含量與間作的豆科作物在盛花期變化趨勢(shì)一致;土壤速效氮和土壤有機(jī)質(zhì)含量在T4處理最高,顯著高于其他處理,且接種根瘤菌豆科作物的茶園顯著高于未接種根瘤菌豆科作物的茶園。

圖3 間作大豆和綠豆對(duì)茶園土壤養(yǎng)分的影響Fig.3 Effects of intercropping soybean and mung bean on soil nutrients in tea plantation

圖4 間作大豆和綠豆對(duì)茶樹鮮葉理化指標(biāo)的影響Fig.4 Effects of intercropping soybean and mung bean on the physicochemical indexes of tea leaves

2.4 茶園間作大豆和綠豆對(duì)茶葉理化指標(biāo)的影響

由圖4可見:在第Ⅰ時(shí)期,T3處理的茶樹鮮葉水浸出物含量最高。在第Ⅱ時(shí)期,茶樹鮮葉水浸出物含量在T2處理和T4處理中較高,且顯著高于其他處理。茶樹鮮葉的茶多酚含量第Ⅰ時(shí)期,T4和T1處理較高,而在第Ⅱ時(shí)期,T4處理顯著降低。在茶園間作豆科作物均能增加茶樹鮮葉的氨基酸含量,T2處理最高,其次為T4處理,且T2和T4處理在第Ⅰ時(shí)期分別比CK增加102.67%和54.37%;在第Ⅱ時(shí)期分別比CK提高72.29%和41.80%。在茶園間作豆科作物的處理茶樹鮮葉茶多酚/氨基酸比值均低于對(duì)照,且T2處理的茶多酚/氨基酸比值最低。茶樹與豆科作物間作顯著減少咖啡堿含量,且在第Ⅰ時(shí)期,咖啡堿含量在T1和T3處理顯著低于T2和T4處理。在茶園間作豆科作物能顯著增加茶樹鮮葉中可溶性糖含量,且在間作同一種豆科作物的處理下,在第Ⅰ時(shí)期T2和T4處理顯著高于T1和T3處理,間作綠豆的處理可溶性糖含量均高于間作大豆的處理;第Ⅱ時(shí)期,在T2處理最高,且在間作綠豆的茶園含量更高,其中T2和T4處理在第Ⅰ時(shí)期分別比CK增加180.79%和160.23%,在第Ⅱ時(shí)期分別比CK 45.37%和3.17%。

2.5 茶園間作不同豆科作物的土壤理化指標(biāo)與茶葉理化成分的主成分分析

如圖5-A和5-B所示:在第Ⅰ時(shí)期,間作處理的土壤養(yǎng)分與單作茶園具有顯著區(qū)別,第1主成分PC1累計(jì)方差百分比為91.31%,間作綠豆的茶園與間作大豆的茶園具有顯著區(qū)別;在PC2分析中,間作接種根瘤菌豆科作物的茶園與不接種根瘤菌的豆科作物存在差異。在第Ⅱ時(shí)期,PC1累計(jì)方差百分比為 98.57%,茶園土壤養(yǎng)分在T3處理與其他3個(gè)處理存在顯著差異;在PC2分析中,T3與T4的差異顯著高于T1與T2的差異。如圖5-C和5-D所示:在第Ⅰ時(shí)期,PC1累計(jì)方差百分比為60.48%,茶樹鮮葉理化指標(biāo)在所有間作豆科作物的處理與單作茶園分布不同,T2和T3處理與其他處理之間具有區(qū)別。在第Ⅱ時(shí)期,PC1累計(jì)方差百分比為81.17%,在不同處理中茶樹鮮葉理化成分存在差異;在PC2分析中,在接種根瘤菌或不接種根瘤菌的處理中,間作綠豆的處理與間作大豆的處理具有明顯區(qū)別。因此,通過(guò)PCA分析能夠直接反映在茶園間作不同豆科作物對(duì)茶園土壤養(yǎng)分和茶樹鮮葉理化成分產(chǎn)生一定的影響。

圖5 間作不同豆科作物的茶園土壤養(yǎng)分和茶葉理化指標(biāo)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時(shí)期土壤養(yǎng)分主成分分析PCA of soil nutrient in period Ⅰ;B. 第Ⅱ時(shí)期土壤養(yǎng)分主成分分析PCA of soil nutrient in period Ⅱ;C. 第Ⅰ時(shí)期茶葉理化指標(biāo)主成分分析 PCA of physicochemical indexes for tea plant leaves in period Ⅰ;D. 第Ⅱ時(shí)期茶葉理化指標(biāo)主成分分析 PCA of physicochemical indexes for tea plant leaves in period Ⅱ.

2.6 茶園間作不同豆科作物的土壤理化指標(biāo)與茶葉理化指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性分析

不同間作處理的茶園土壤酶活性與土壤養(yǎng)分關(guān)聯(lián)性分析如圖6所示。土壤脲酶活性與土壤的所有理化指標(biāo)均呈正相關(guān)關(guān)系,其中與速效氮含量呈極顯著正相關(guān);除土壤速效磷外,土壤蔗糖酶活性與土壤其他理化成分均呈正相關(guān)關(guān)系,且與土壤全氮含量顯著正相關(guān);土壤磷酸酶活性與土壤的理化指標(biāo)具有一定的關(guān)聯(lián)性,但均無(wú)顯著相關(guān)性。

圖6 茶園間作接種根瘤菌豆科作物的土壤酶活性與土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性Fig.6 The correlation between soil enzyme activity and soil physicochemical indexes of intercropped inoculate rhizobia leguminous crops A1-A6:土壤脲酶活性與土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性 The correlation between soil urease activity and soil physicochemical indexes;B1-B6:土壤蔗糖酶與土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性 The correlation between soil sucrose activity and soil physicochemical indexes;C1-C6:土壤磷酸酶與土壤理化指標(biāo)的相關(guān)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.

如圖7所示:土壤全氮含量與土壤速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān),且與土壤速效氮含量呈顯著正相關(guān);土壤速效氮含量與土壤速效磷、土壤速效鉀含量和茶葉氨基酸含量均呈極顯著正相關(guān),且與土壤有機(jī)質(zhì)含量和茶葉可溶性糖含量具有顯著正相關(guān)的關(guān)系,而與茶多酚/氨基酸比值呈顯著負(fù)相關(guān);茶園土壤速效磷含量與土壤pH值和茶多酚含量呈顯著負(fù)相關(guān),且與茶多酚/氨基酸比值呈極顯著負(fù)相關(guān),與茶葉的氨基酸、可溶性糖和水浸出物含量呈顯著正相關(guān);土壤速效鉀含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān),而與茶葉中的可溶性糖含量呈顯著負(fù)相關(guān);土壤pH值與茶葉茶多酚含量和茶多酚/氨基酸比值呈極顯著正相關(guān);茶葉的茶多酚含量與氨基酸和水浸出物含量呈顯著負(fù)相關(guān),而與茶多酚/氨基酸比值呈極顯著正相關(guān);茶葉氨基酸含量與可溶性糖及水浸出物含量呈極顯著正相關(guān)。

圖7 茶園間作豆科作物的土壤理化指標(biāo)與茶葉理化指標(biāo)的相關(guān)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:咖啡堿 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 討論

本試驗(yàn)表明,茶樹與不同豆科作物間作,茶園土壤的全氮、速效氮、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量均高于單作茶園,且在間作接種根瘤菌豆科作物的茶園中相對(duì)更高,尤其速效氮的含量,這與前人的研究一致[24-26],主要由于豆科作物與固氮微生物形成根瘤共生體進(jìn)行自身固氮,進(jìn)而提高體內(nèi)的氮素含量。此外,豆科作物的根系生長(zhǎng)可能通過(guò)促進(jìn)茶園土壤的礦化,釋放有效態(tài)磷、鉀,提高土壤速效磷和速效鉀含量[27-28]。茶樹與豆科作物的間作顯著增加了土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性,其與土壤養(yǎng)分和pH值密切相關(guān),這與前人研究一致[29-30]。此外,本研究中茶樹與不同豆科作物間作,尤其與接種根瘤菌綠豆的間作,茶樹鮮葉的氨基酸和可溶性糖含量顯著增加,均顯著高于單作茶樹;茶樹鮮葉的咖啡堿含量和茶多酚/氨基酸比值均顯著降低,與茶樹-板栗間作和茶樹-芳香植物間作的次級(jí)代謝產(chǎn)物變化趨勢(shì)一致[19,24]。這可能是因?yàn)樵陂g作過(guò)程影響茶園土壤氮素的合成運(yùn)輸,進(jìn)而影響茶葉中氨基酸等含氮化合物的合成,因?yàn)榈遣铇漉r葉的氨基酸、蛋白質(zhì)及咖啡堿等滋味物質(zhì)的重要組成物質(zhì)[31]。豆科作物間作過(guò)程中,茶樹鮮葉理化成分與土壤養(yǎng)分密切相關(guān),尤其茶樹鮮葉中氨基酸和可溶性糖含量與土壤的速效氮和速效磷含量具有顯著正相關(guān)性,這與前人相關(guān)研究結(jié)果一致[32-33]。

綜上所述,在茶園間作豆科作物,同時(shí)將間作的豆科作物在盛花期翻壓還田均能有效緩解茶園土壤的酸化,改善茶園土壤的養(yǎng)分,顯著影響茶樹次級(jí)代謝產(chǎn)物的形成,有利于茶葉鮮爽的滋味和香氣的形成,尤其是間作接種根瘤菌的豆科作物。此外,茶樹與不同豆科作物間作,對(duì)茶園土壤理化指標(biāo)具有不同的影響,結(jié)合茶樹鮮葉的氨基酸、可溶性糖和茶多酚含量分析,發(fā)現(xiàn)在當(dāng)?shù)夭鑸@間作接種根瘤菌的綠豆,茶園土壤的改良效果更好,更有利于綠茶品質(zhì)的提高。