茶(Camellia sinensis L.)是一类健康的饮料作物,其品质和安全性受到人们的广泛关注。目前,国内茶园普遍采用纯茶树的单作种植模式,随着年限的增加导致茶园出现土壤退化,生态环境破坏,病虫害严重等问题[1-2]。间套作作为我国传统农业的精髓,具有增产优质[3-5]、促进养分资源利用 [6-8]、增加生物多样性[9-11]、降低病虫草害[12-14]等优势。茶园间作也能取得上述相应的生态效果,例如,芳香植物、大豆、果树等在茶园间作能调控茶园生态环境,改善茶园土壤的营养状况,减少病虫草害的发生,进而促进茶树生长、实现茶园高产优质[15-18]。
土壤是茶树赖以生存和生长的基质,其中的各类营养元素有效性对茶树的生长和茶叶品质具有直接的影响[1]。土壤养分和微生物是土壤生态系统的重要组成部分,微生物的种群和数量直接关系到土壤中有机质的分解和矿质元素的转化,进而影响作物的生长及品质[19-21]。因此,维持良好的土壤环境对于茶园生产、茶叶品质改善都具有重要意义。为此,本研究通过盆栽试验,探讨茶树/大豆间作对茶叶化学成分、茶树土壤营养成分、微生物种群结构的影响,分析茶叶的品质与土壤养分、微生物之间的内在关联,旨在为茶园间作模式的发展和合理利用提供一定理论依据。
1 材料和方法
1.1 试验地点
试验于2016 年10月在广西南亚热带农业科学研究所温室大棚进行,该区属典型的南亚热带季风气候,海拔125 m 左右,年平均温度在22 ℃以上,年降雨量在1 273.6 mm 以上。供试土壤为酸性的红壤土,较适宜茶树的生长,其土壤农化性状为pH值4.99,有机质13.14 g/kg,碱解氮110.5 mg/kg,速效磷12.2 mg/kg,速效钾125.5 mg/kg。
供试作物品种：茶树品种(2年生的乌牛早茶苗)；大豆品种(理想M-7)。
供试肥料分别为尿素(46% N)、普通过磷酸钙(14% P2O5)、硫酸钾(50% K2O)。
1.2 试验设计
盆栽试验设茶树单作、茶树/大豆间作2种种植模式,每个处理4次重复,共8盆,随机排列。单作茶树处理每盆留4株,间作处理茶树、大豆各留2株。采用400 mm×280 mm塑料盆,每盆装土壤15 kg,施肥量按0.5 g/kg 土的纯养分来换算,N∶P2O5∶K2O=1∶1∶1。氮肥分3次施用,40%作基肥,在春茶期、夏茶期结束后分别各追肥30%,P 肥和K 肥作为基肥一次施入。整个生育期按常规茶园管理,不使用农药、杀虫剂和杀菌剂,并定期调换塑料盆的位置。
1.3 土壤样品的采集
于2017年春茶期(4月5日)、夏茶期(6月15日)及秋茶期(8月20日)分别进行 3 次采样,采摘标准的一芽二叶鲜样,蒸汽杀青后,80 ℃烘至全干,然后用粉碎,用于茶叶品质成分的测定。土壤采集：以茶树根系为中心,在离根系5 cm的部位用取样器采集0～20 cm 表层土壤,取5个点的等量土样混合为1个样品,将土样分为两半,一半自然风干、去渣、磨碎过1 mm筛备用用于土壤养分含量分析,另一半过2 mm 筛后于4 ℃冰箱保存用于土壤微生物指标测定。
1.4 测定方法
茶叶主要营养成分测定: 茶多酚采用福林酚法(GB/T 8313-2008)；游离氨基酸采用茚三酮比色法(GB/T 8314-2002)；咖啡碱采用紫外分光光度法(GB/T 8312-2002)；可溶性糖,采用黄酮比色法[22]。
土壤微生物数量的测定采用平板稀释法：其中细菌培养基为牛肉膏蛋白胨琼脂培养基,真菌用马丁孟加拉红琼脂培养基,放线菌用改良高氏一号琼脂培养基[23-24]。
土壤养分测定[25]：有机质,用重铬酸钾容量法；碱解氮,用碱解扩散硼酸吸收法；全氮,采用浓硫酸消解,开氏定氮法；速效磷,用0.5 mol/L NaHCO3浸提,钼锑抗比色法；速效钾,用火焰光度法；pH,用电极电位法(2.5∶1.0水土比)。
1.5 数据分析
采用Microsoft Excel 2016进行数据预处理与作图。用SPSS 20.0软件分析对数据进行主成分分析、配对样本T检验和相关性分析。数据表示为平均值±标准差,显著性水平设定为α=0.05。
2 结果与分析
2.1 茶树/大豆间作体系茶叶营养成分的变化
间作种植对茶叶营养品质的影响如表1所示,在茶叶采摘的春茶期、夏茶期与秋茶期,间作茶叶的氨基酸、可溶性糖含量均分别高于单作茶叶26.73%,24.24%,13.53%和6.42%,10.46%,7.20%,且在春茶期和夏茶期间作效应显著；间作茶叶的咖啡碱的含量亦均高于单作茶叶,但没有显著的差异；而间作茶叶的茶多酚含量均显著低于单作茶叶,分别降低了13.50%,6.86%和11.00%。此外,酚氨比是影响绿茶滋味的主要因子,与单作茶叶相比,间作大豆可以显著降低茶叶的酚氨比,分别降低了31.91%,25.51%和21.86%,并在夏茶期茶叶的酚氨比最大。
2.2 间作对茶树土壤养分、pH变化的影响
间作种植对茶树土壤营养成分及pH的影响如图1所见,与单作茶树处理,间作种植后茶树土壤的营养成分发生显著的变化。在茶叶采摘的3个时期(春茶期、夏茶期、秋茶期),茶树土壤全氮、碱解氮含量均显著高于单作茶树处理,分别增加了19.48%,16.90%,19.40%和34.66%,33.44%,40.71%,且春茶期的土壤全氮、碱解氮含量最高。同时,间作茶树土壤的速效钾、有机质含量也均高于单作茶树处理,土壤速效钾含量分别较单作茶树显著提高了8.98%,11.74%和8.06%,土壤有机质含量亦分别比单作茶树显著增加了14.56%,71.39%和12.99%(除了在秋茶期单、间作处理之间差异不显著外),且在夏茶期土壤中二者的含量最高。此外,间作种植对茶树土壤速效磷含量、pH值的也有一定的间作效应,其中间作提高了春茶期和夏茶期茶树土壤有效磷含量,分别较单作茶树增加了39.16%和10.54%,且在春茶期差异达到显著水平；春茶期和秋茶期间作茶树土壤pH值也高于单作茶树,且在春茶期显著高于单作茶树1.70%,夏茶期pH值有一定下降但差异不明显。综上研究结果说明,合理的间作可以有效提高茶树土壤中营养成分及调节 pH值。
表1 不同种植模式下茶叶营养品质的变化
Tab.1 Population variation of soil microorganism with growing time under different planting patterns
时期Stages处理Treatments茶多酚/(mg/g)Tea polyphenols 氨基酸/(mg/g)Amino acid咖啡碱/(mg/g)Caffeine 可溶性糖/(mg/g)Soluble sugar酚氨比TP/AA ratio春茶MT280.8±0.58a31.8±0.22b40.6±0.08a37.4±0.10b8.87±0.72aSpring teaIT242.9±0.83b40.3±0.15a43.7±0.20a39.8±0.12a6.04±0.38b夏茶MT303.3±0.72a23.1±0.20b37.7±0.13a39.2±0.12b13.21±1.05aSummer teaIT282.5±0.79b28.7±0.13a39.8±0.07a43.3±0.14a9.84±0.22b秋茶MT296.3±0.59a26.6±0.20a39.3±0.08a36.1±0.18a11.16±0.81aAutumn teaIT263.7±0.86b30.2±0.12a40.8±0.13a38.7±0.15a8.72±0.11b
注：MT.单作茶树；IT.间作茶树。不同小写字母表示单作与间作之间的显著差异(P<0.05)。图1、表2，5同。
Note: MT.Monocropping tea; IT.Intercropping tea. Different small letters meant significant difference between monocropping and intercropping pattern at 0.05 levels. The same as Fig.1 and Tab.2,5.
图1 不同种植模式下茶树土壤养分随时间的变化
Fig.1 The variation of tea soil nutrients with growing time under different planting patterns
2.3 间作对茶树根际微生物种群结构的影响
由表2可以看出,在茶叶3个采摘期(春茶期、夏茶期、秋茶期),间作茶树土壤细菌数量始终显著高于茶树单作处理,分别比单作茶树高了29.72%,37.55%和43.96%,且在夏茶期时数量最多。茶树土壤放线菌数量最大值出现在春茶期,春茶期、夏茶期及秋茶期的间作茶树土壤放线菌数量分别比单作茶树处理增加了45.91%,41.78%和39.07%,且春茶期和秋茶期差异显著。此外,与单作茶树处理相比,茶树大豆间作分别显著提高春茶期和夏茶期茶树土壤真菌数量 48.04%和34.67%,而显著降低了秋茶期土壤真菌数量。
表2 不同种植模式下茶树土壤微生物量的变化
Tab.2 Population variation of soil microorganism under different planting patterns
时期Stages处理Treatments细菌/(×106cfu/g)Bacterial 放线菌/(×105cfu/g)Actinomycetes真菌/(×104cfu/g)Fungi春茶MT39.13±2.16b19.95±2.32b13.01±1.96bSpring teaIT50.76±2.54a29.11±2.11a19.26±1.65a夏茶MT43.73±2.69b13.26±2.80a19.70±1.26bSummer teaIT60.15±2.75a18.80±1.32a26.53±2.38a秋茶MT23.86±2.53b19.12±1.91b13.06±1.06aAutumn teaIT34.35±2.48a26.59±2.66a11.66±1.52b
2.4 茶树/大豆间作体系土壤各指标主成分分析
利用SPSS 20.0对不同种植体系下的茶树土壤的综合肥力进行评价,将上述测定的土壤营养元素与细菌、放线菌、真菌共9个指标进行主成分分析。由表3-4可以看出, PC1、PC2与PC3的方差贡献率分别为55.15%,21.41%和14.64%,故前3个主成分的累积方差贡献率达到91.20%,基本包含了主要的茶树土壤肥力信息。其中,主成分1 为F1=0.353x1+0.390x2+0.385x3+0.380x4+0.091x5+0.323x6+0.424x7+0.121x8+0.351x9,对其影响较大的变量有细菌、碱解氮、有效磷和速效钾；主成分2为F2=0.335x1+0.306x2-0.008x3-0.220x4+0.338x5-0.268x6-0.161x7+0.664x8-0.306x9,主要的代表变量有放线菌、有机质与全氮；主成分3为F3=-0.152x1-0.110x2-0.220x3+0.293x4+0.718x5-0.434x6+0.143x7-0.151x8+0.290x9,有机质、pH、速效钾及真菌对其影响较大。计算各样本得分并进行排序,用来评价不同处理茶树的土壤肥力状况(表5), 结果表明,间作茶树土壤的综合得分F高于单作茶树土壤,茶树与豆科植物间作可以有效提高土壤肥力水平。
表3 总方差解释表
Tab.3 Table of total variance
成分Principal components初始特征值 Initial eigenvalues合计Total方差百分数/%Variance percentage累积百分数/%Cumulative percentage14.96455.1555.1521.92721.4171.5631.31814.6491.20
表4 特征向量
Tab.4 Eigenvector
变量Variances土壤参数Soil parameters成分 Principal components123X1全氮0.3530.335-0.152X2碱解氮0.3900.306-0.110X3有效磷0.385-0.008-0.220X4速效钾0.380-0.2200.293X5有机质0.0910.3380.718X6pH0.323-0.268-0.434X7细菌0.424-0.1610.143X8放线菌0.1210.664-0.151X9真菌0.351-0.3060.290
表5 土壤肥力评价
Tab.5 Evaluation of tea soil fertility
种植模式Planting patternsF1F2F3综合得分FComprehensive scores综合排名Comprehensive rankings单作茶树 Monotercropping tea-1.402-0.823 7-0.414 2-1.0102间作茶树 Intercropping tea1.4020.823 70.414 21.0101
2.5 间作系统土壤性状与茶叶营养品质的相关分析
茶树土壤营养成分、微生物与茶叶营养品质之间的相关性见表6,茶叶中的茶多酚、酚氨比与茶树土壤营养成分、细菌以及放线菌之间呈负相关关系,其中茶多酚含量与土壤全氮、碱解氮、有效磷含量以及放线菌数量之间存在显著或极显著的负相关关系,酚氨比亦与土壤全氮、碱解氮含量以及放线菌数量之间存在极显著的负相关性。茶叶中的氨基酸、咖啡碱与可溶性糖含量与茶树土壤营养成分、细菌以及放线菌(或真菌)之间呈正相关性,其中氨基酸含量与土壤全氮、碱解氮、速效磷含量以及放线菌数量之间存在显著或极显著的正相关关系,咖啡碱含量与土壤全氮、碱解氮含量以及放线菌数量之间存在着极显著的正相关性,可溶性糖含量与土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量亦与细菌、真菌数量之间存在显著或极显著的正相关性。这些发现说明,茶叶营养品质与土壤营养成分、微生物之间存在密切的关系,其中土壤全氮、碱解氮、有效磷以及放线菌的变化所起的作用较大。
表6 土壤特性与茶叶营养品质的相关性
Tab.6 Correlations between soil nutrients and tea quality
因子Factors茶多酚Tea polyphenols氨基酸Amino acid咖啡碱Caffeine可溶性糖Soluble sugar酚氨比TP/AA ratio全氮Total N-0.796∗∗0.822∗∗0.722∗∗0.492∗-0.801∗∗碱解氮Alkaline N-0.751∗∗0.760∗∗0.669∗∗0.596∗∗-0.758∗∗有效磷Available P-0.508∗0.584∗0.4290.478∗-0.466速效钾Available K-0.1280.0420.0470.838∗∗-0.035有机质Organic matter-0.3170.1040.2000.377-0.282pH-0.2150.3870.2470.335-0.258细菌Bacteria-0.3000.2730.1680.822∗∗-0.251放线菌Actinomycetes-0.835∗∗0.761∗∗0.774∗∗-0.038-0.805∗∗真菌Fungi0.048-0.003-0.1390.745∗∗0.074
注：**.在 0. 01 水平上显著相关；*.在 0. 05 水平上显著相关。
Note: ** and * meant significant difference at 0.01 and 0.05 levels, respectively.
3 讨论与结论
茶园合理间作作物在一定程度上改善茶叶的品质。茶多酚是茶汤苦味的主要呈味物质,间作大豆降低了茶叶中茶多酚的含量,在一定程度上可以降低茶汤的苦涩味；氨基酸、可溶性糖及咖啡碱作为茶叶的鲜爽味的主要物质,间作提高了茶叶中的氨基酸、可溶性糖及咖啡碱的含量,有效改善了茶汤的滋味和香气,这与张正雄[26]、尧渝等[2]在茶-芳香植物间作茶园、杉树间作茶园、梨树间作茶园和桂花间作茶园中发现的茶叶氨基酸、咖啡碱和可溶性糖含量高于单作茶园,而茶多酚含量低于单作茶园的结果相类似。主要原因可能是因为茶园间作方式会改变光、温、湿等条件,影响了茶树的代谢活动,使得氨基酸、可溶性糖、咖啡碱等积累,茶多酚合成途径受阻等。
茶园间作适合的作物可以改善土壤的质量和肥力。茶树与食用菌间作栽培显著影响土壤微生物中细菌、放线菌及真菌数量的变化[27]。茶-枇杷与茶-杨梅间作模式可有效提高茶园土壤中的全氮、全磷、有效氮、速效钾、碱解氮含量,有效改善了茶园土壤性质[16]。在本试验中,在茶树大豆间作体系中,茶树土壤细菌、放线菌及真菌数量增加,土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量也得到了提高趋势,说明茶树间作豆科作物对改善土壤有效养分状况、提高土壤肥力。茶树土壤营养成分及微生物各参赛指标的主成分分析结果发现,土壤微生物、碱解氮、有效磷、全氮、速效钾及pH等参数对土壤肥力的贡献较大；同时土壤肥力综合评价结果也显示,间作茶树土壤的质量高于单作茶树土壤。此外,茶叶营养品质与土壤营养成分、微生物的相关性分析发现,茶叶品质的各营养成分与土壤养分、微生物各指标之间均存在一定程度正或负的相关关系,其中土壤全氮、碱解氮、速效磷以及放线菌与茶叶的营养品质的关系最为密切。
本试验中,与单作茶树相比,茶树/大豆间作有效改善茶汤的滋味和香气,降低茶叶的苦涩味,提高茶叶的营养品质；间作茶树土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾与有机质含量以及细菌、真菌、放线菌数量也高于单作茶树。此外,间作茶树土壤的综合质量也高于单作土壤,且土壤全氮、碱解氮、有效磷以及放线菌的变化与茶叶的营养品质之间密切相关。因此,在茶园中合理间作作物有利于维持良好的茶园土壤环境,改善茶叶营养品质。
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