茶树作为喜氮的叶用经济作物，氮素是其需求量最大的矿质元素，不仅参与其生长发育、生理生化代谢等一系列过程，而且是茶叶中氨基酸和蛋白质的主要组成元素，更是其茶叶产量和品质形成的首要因素[1-2]。研究证实，缺氮胁迫下，茶树的干物质积累发生下降，抑制氨基酸的形成[3-4]；适宜的施氮量能提高茶叶中游离氨基酸、咖啡碱、水浸出物和可溶性糖的含量，增加了茶叶香气物质的种类，降低茶多酚的含量；反之过量施氮则不利于产量、品质的形成[5-9]。与此同时，长期氮素过量施用则会造成茶园土壤酸化和板结，氮素淋失损失严重，病虫害加剧等一系列问题，造成巨大的氮资源浪费和环境污染，间接影响了茶叶的产量和品质[10-12]。
土壤是茶树赖以生存的物质基础，土壤中氮磷钾含量及其他营养成分对茶叶有着重大的作用，不仅能够影响茶树生长发育，还影响着茶叶中氨基酸、茶多酚和咖啡碱等诸多内含物质的形成，决定着其产量与品质。可见，茶园土壤中适宜的养分含量是茶叶优质高产的重要保障之一。茶园间作是当前改善茶园土壤管理的重要措施之一，研究已证实，茶园间作果(林)树、芳香植物、功能植物以及豆科作物等在土壤养分改良、改善生境、抑制病虫害、提高茶叶产量和品质等方面具有显著的间作优势[13-18]。然而，在茶园间作栽培系统中，关于氮素营养如何影响茶园土壤养分状况与茶叶品质成分形成的研究鲜有报道。
目前，我国茶园氮肥用量已大大超过了茶树健康营养和正常产出的需求，氮肥利用率不断下降，严重影响了茶叶的产量与品质[19-20]。可见，在保障茶叶增产提质的前提下，如何最大化发挥茶园间作栽培的生产优势，提高茶树的氮素利用率，减少氮肥投入已成为茶园可持续发展的迫切需求。基于此背景，本试验通过盆栽试验，探讨在茶树/大豆间作系统中，土壤各养分、茶叶品质成分对不同氮素用量的响应，并分析土壤不同养分指标与茶叶品质成分之间的关系，旨在为茶园减肥增效提供一定的科学依据，实现茶园绿色安全发展。
1 材料和方法
1.1 供试地点
位于广西南亚热带农业科学研究所温室大棚，该区属典型的南亚热带季风气候，海拔125 m左右，年平均温度及降雨量在22 ℃和1 273.6 mm以上。土壤为典型的红壤土，碱解氮82.5 mg/kg，速效磷6.22 mg/kg，速效钾125.15 mg/kg，有机质12.36 g/kg，pH值 5.05。
供试品种：茶树(Camellia sinensis L.)为2年生的乌牛早标准扦插苗，大豆(Glycine max(Linn.)Merr.)为当地农民习惯种植品种。
1.2 研究方法
1.2.1 试验设计 盆栽试验为双因素试验，以种植模式为主处理，施氮量为副处理，每个处理设3 次重复，设4个施氮量水平，分别为不施氮肥(N0：0 g/kg)、低氮处理(N1：0.25 g/kg)、常规施氮处理(N2：0.50 g/kg)、高氮处理(N3：1.00 g/kg)，种植方式设：茶树/大豆间作及茶树单作2种种植模式，8个处理，共36盆，随机排放。间作处理每盆2株茶苗间作大豆各2棵；单作每盆只种植2棵乌牛早茶苗，不播种大豆。盆栽采用聚乙烯塑料盆，内径为 35 cm，高度30 cm，装土18.0 kg。整个生长期按照常规茶园管理，不喷施农药、杀虫剂和杀菌剂，并定期调换塑料盆的位置。
供试肥料分别为尿素(46%N)、普通过磷酸钙(16%P2O5)、硫酸钾(50%K2O)。氮肥分别为基肥(10月底)、春茶催芽肥(2月中旬)、夏茶追肥(5月初)、秋茶追肥(8月初)，依次占全年氮肥用量的30%，30%，20%，20%，P肥和K肥作为基肥一次施入。
于2019年4月中旬(夏茶期)采集茶树一芽二叶新梢，蒸汽杀青后，烘干，制成蒸青样，称质量，待分析品质成分。沿着茶树根0～5 cm范围用土钻采集0～20 cm的表层土壤样品，自然风干后，磨碎过筛备用，用于测定土壤养分含量。
1.2.2 测定方法 茶叶主要品质成分测定：茶多酚-酒石酸铁比色法(GB/T 8313-2008)；游离氨基酸-茚三酮比色法(GB/T 8314-2002)；咖啡碱-醋酸铅沉淀比色法(GB/T 8312-2002)；可溶性糖-蒽酮比色法。
土壤养分测定：碱解氮，1 mol/L NaOH 溶液碱解扩散法；有效磷，0. 5 mol/L NaHCO3溶液浸提-钼锑抗比色法；速效钾，1 mol/L CH3COONH4溶液浸提-火焰光度计法；有机质，重铬酸钾容量法-外加热法[21]。
1.2.3 数据统计分析 采用 Microsoft Excel 2010软件对数据进行处理，用SPSS 20.0做单因素方差分析ANOVA(LSD法，α=0.05)、Two-WayANOVA多重比较分析。采用 SPSS 20.0 对茶树品质成分与土壤养分指标进行Pearson相关性分析及多元线性回归分析。采用Canoco 5.0软件(Microcomputer Power)进行非线性的典范对应分析。
2 结果与分析
2.1 间作系统茶叶产量的变化
由表1可以看出，茶叶的产量受种植模式和氮肥施用量的影响。间作茶叶产量在N1、N2、N3水平下均显著高于单作茶叶50.08%，22.35%，23.98%，而N0处理的间作效应不显著。在茶树/大豆间作模式中，茶叶产量随着氮素用量的增加呈现先增加后降低的趋势，其中N2-间作茶叶产量最高，其次是N1-间作茶叶产量，分别比N2-单作茶叶产量显著提高了22.35%，12.60%，且N1与N2-间作茶叶产量无显著差异。由此说明，茶树间作栽培模式在减氮情况下具有维持茶叶产量的潜力。
表1 茶叶产量
Tab.1 Tea yield g/株
种植模式Planting patternsN0N1N2N3平均MeanMT3.41±0.30e 6.31±0.32c 8.41±0.64b4.88±0.20d5.75bIT3.55±0.40e9.47±0.75a10.29±0.81a6.05±0.22c7.34a
注：MT.单作；IT.间作。不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。表2-3同。
Note：MT. Monocropping；IT. Intercropping tea.Different small letters indicated significant difference among all treatments at 0.05 leve1. The same as Tab.2-3.
2.2 茶树/大豆间作系统氮素对茶叶品质成分的影响
从表2中可以看出，间作显著提高了茶叶中咖啡碱及可溶性糖的含量，而对茶叶中的茶多酚及氨基酸含量无显著影响。如图1所示，在N1、N2水平下，间作茶叶氨基酸含量显著高于单作茶叶27.34%，26.73%，N0、N3水平间作效应不显著；而在N0、N1、N2、N3水平下，间作对茶叶咖啡碱、可溶性糖及茶多酚含量均没有显著影响。
在茶树/大豆间作栽培中，氮肥施用对茶叶品质成分具有显著的影响。随着施氮量的增加，茶叶氨基酸、咖啡碱及可溶性糖含量呈先增加后降低的趋势，其中氨基酸在N2水平含量最高且比N0水平显著增高了32.84%，咖啡碱与可溶性糖在N1水平含量最高且比N0水平分别显著增高了23.41%，15.23%；而茶多酚表现出先降后升的趋势，在N1水平含量最低且比N0显著降低了11.57%。此外，N1-间作茶叶可溶性糖含量最高，比N2-单作茶叶略高9.63%，但没有显著差异；N1-间作茶叶氨基酸和咖啡碱含量均略低于N2-间作茶叶，没有显著差异，而氨基酸含量显著高于N2-单作茶叶15.72%，咖啡碱含量亦高于N2-单作茶叶7.39%但影响不显著；N1-间作茶叶茶多酚含量最低，比N2-单作茶叶显著降低了16.33%。可见，在树/大豆间作系统中，减少氮肥施入并不影响茶叶品质成分物质含量的减少。
不同小写字母表示所有处理间的差异显著性(P<0.05)。
Different small letters indicated significant difference among all treatments at 0.05 leve1.
图1 茶树/大豆间作系统氮素对茶叶品质成分的影响
Fig.1 Effects of nitrogen on tea quality components in tea and soybean intercropping system
表2 方差分析
Tab.2 The variance analysis
氮水平N rates种植模式Planting patterns茶多酚Tea polyphenols氨基酸Amino acid咖啡碱Caffeine可溶性糖Soluble sugarN027.66a2.71c3.46b3.48bN124.46b3.29b4.27a4.01aN225.24b3.60a4.22a3.86aN327.67a2.62c3.68b3.56bMT26.76a2.84a3.76b3.63bIT25.76a3.27a4.05a3.83a显著性Significance氮水平N rates(N)********种植模式Planting pattern(PP)ns******氮水平(N)×种植模式(PP)ns**nsns
注：*.P<0.05；**.P <0.01；ns.不显著
Note：*.P<0.05；**.P <0.01；ns.No significant.
2.3 茶树/大豆间作系统氮素对土壤养分的影响
间作对茶树土壤养分具有极显著的促进效应如表3所示，在N1、N2水平下，间作茶树土壤全氮含量分别显著高于单作茶树13.25%，27.85%，而N0与N3水平下间作没有显著优势；N0～N3水平下间作对茶树土壤碱解氮含量均有显著的影响，分别比单作增加20.26%，38.28%，34.67%，16.87%；土壤有效磷与有机质含量在N0～N2处理下均具有显著的间作优势，分别较于单作增加16.38%，17.30%，10.57%和11.71%，42.25%，14.55%；N1～N3水平的间作茶树土壤速效钾含量亦显著高于单作处理52.00%，8.98%，28.87%，而在N0处理无显著的间作效应。可见，茶树/大豆间作种植可以有效提高土壤养分的含量，改善了土壤的肥力状况。
表3 茶树/大豆间作系统氮素对土壤养分的影响
Tab.3 Effects of nitrogen on soil nutrients in tea and soybean intercropping system
在茶树/大豆间作系统中，氮肥用量对茶树土壤养分指标的影响趋势是先增加后减弱。其中，土壤全氮与碱解氮在N2水平含量最高，分别比N0水平显著增加25.95%，48.81%；土壤有效磷、速效钾和有机质在N1水平含量最高，亦分别比N0水平显著提高47.25%，33.41%，40.55%。此外，N1-间作茶树土壤有效磷、速效钾和有机质的含量最高，分别较N2-单作茶树在显著提高48.40%，39.99%，82.42%；而N1-间作茶树土壤全氮和碱解氮含量略低于N2-间作茶树但没有显著差异，亦较N2-单作茶树分别显著增加18.99%，12.57%。可见，在茶树/大豆间作系统中，减施氮肥有利于改善土壤肥力状况。
2.4 茶树/大豆间作系统茶叶品质成分与土壤养分指标的相关性分析
茶叶品质成分与土壤养分指标的一元线性分析结果见表4。茶叶氨基酸、咖啡碱及可溶性糖分别与土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾以及有机质呈显著或极显著的正相关关系，而茶多酚含量与土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾以及有机质均呈极显著的负相关关系，说明土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾以及有机质是影响茶叶品质成分(茶叶中的氨基酸、咖啡碱、可溶性糖及茶多酚)的重要因子。
表4 茶叶各品质成分与土壤养分指标的相关性
Tab.4 Correlation between quality components of tea and soil nutrient index
因子Factors全氮Total N碱解氮Available N有效磷Available P速效钾Available K有机质Organic matter茶多酚 Tea polyphenols-0.627**-0.607**-0.710**-0.697**-0.620**氨基酸 Amino acid0.723**0.879**0.815**0.739**0.586**咖啡碱 Caffeine0.738**0.701**0.775**0.706**0.499*可溶性糖 Soluble sugar0.634**0.658**0.782**0.751**0.588**
注：*和 **表示在5%和1%水平上差异显著。
Note：*and**mean the differences are significant at level of 5% and 1%，respectively.
进一步对茶叶茶多酚(YTPP)、氨基酸(YAA)、咖啡碱(YCF)及可溶性糖(YSS)与全氮(X1)、碱解氮(X2)、有效磷(X3)、速效钾(X4)及有机质(X5)进行多元线性逐步回归分析，并剔除其中不显著的变量。分析结果显示，Xi 与 Yi 的相关系数皆极显著相关，相关系数(R2)分别为0.505，0.842，0.676，0.612。茶叶茶多酚、氨基酸、咖啡碱及可溶性糖与土壤养分指标之间的最优回归方程分别为：YTPP=31.178-0.349X3；YAA=0.657+0.059X2+0.064X5；YCF=1.906+0.056X3+1.472X1；YSS=2.931+0.057X3。可见，有效磷对茶多酚、咖啡碱及可溶性糖的影响最大，碱解氮、有机质对氨基酸的影响最大，全氮对咖啡碱的影响最大，且均达到显著水平。
通过线性相关分析，发现茶叶茶多酚、氨基酸、咖啡碱及可溶性糖与土壤养分各参数之间存在一定的相关性，故使用Canoco 5.0软件(Microcomputer Power)进行非线性的典范对应分析来揭示茶叶茶多酚、氨基酸、咖啡碱及可溶性糖与土壤养分各参数之间的关系。如图2中所示，第一排序轴(Axis1)解释了样本中59.08%的变异，第二排序轴(Axis2)解释了样本中0.93%的变异，2个排序轴合并解释了样本60.01%的总变异。图2中第一排序轴主要由氨基酸、咖啡碱、可溶性糖与全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质(正相关)，以及茶多酚(负相关)组成；低氮(N1)处理主要分布在第一排序轴的正方向，N0和N3处理主要分布在第一排序轴的负方向，N2处理则在第一排序轴的正、负方向均有分布。蒙特卡罗排列检验结果表示，有效磷(贡献率86.2%)与对茶叶品质成分的变异有显著影响(P=0.002)。另外，全氮、碱解氮、速效钾及有机质虽未达到显著水平但也对茶叶品质成分产生了较大影响。
TN.全氮；AN.碱解氮；AP.有效磷；AK.速效钾；OC.有机质。
TN.Total N；AN.Available N；AP.Available P；
AK.Available K；OC.Organic matter.
图2 茶叶品质成分与土壤养分参数的典范对应分析
Fig.2 Canonical correlation analysis for quality
components of tea and soil nutrient index
3 讨论与结论
茶叶中的茶多酚、氨基酸、咖啡碱及可溶性糖等共同作用于其色、香、味的形成，其中茶叶滋味、香气主要来自于氨基酸，茶多酚与茶叶苦涩味密切相关，咖啡碱利于茶汤滋味的形成。本试验表明，茶叶品质同时受施氮水平和种植模式的影响。茶树/大豆间作种植可显著提高茶叶氨基酸、咖啡碱含量，而降低了茶多酚含量。此外，本试验亦发现，与大豆间作种植后，在所有氮水平上茶叶中平均可溶性糖含量高于单作处理。这些研究发现与尧渝等[22]、巩雪峰等[23]在茶园间作条件下，发现的间作茶叶游离氨基酸、咖啡碱、水溶性碳水化合物含量高于单作茶园，而降低茶多酚含量的结果一致。可见，间作能明显提高茶叶中与色、香、味形成有关的游离氨基酸、咖啡碱与可溶性糖含量，降低苦涩物质茶多酚的含量，这可能是由于间作改善了光、温和湿等条件，使得茶树氮代谢加强，氨基酸、咖啡碱等含氮化合物大量积累，从而抑制一部分糖类物质向多酚类化合物的转化，直接影响了茶叶的产量和品质[24]。但，这些品质成分的变化是否最终会影响茶叶的饮用品质还需要进一步探讨。
土壤中各类营养元素是茶树赖以生长的物质基础，茶园良好的土壤肥力是保障茶叶产量和品质的重要因素之一。研究亦证实了，土壤中的氮和有机质含量的适量增加有助于茶叶中氨基酸、咖啡碱等营养成分的增加，降低茶多酚含量[25-27]；土壤中适宜的有效磷含量对茶叶香气和滋味的提升均有着十分显著的作用，并有助于茶叶产量的增加[28-29]；适宜浓度的钾则可以有效改善茶叶茶多酚、游离氨基酸和水浸出物的含量，并增强茶树的抗逆性[30-31]。可见，土壤养分的变化显著影响着茶叶品质物质成分。在本试验中发现，间作茶树土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾及有机质含量均显著高于单作茶树，显著改善了土壤的生态环境。这与刘腾飞等[32]在茶/果间作模式中发现的间作种植可以有效改善茶园表层土壤中的全氮、碱解氮、速效钾及有机质含量的研究结果相符。
在线性分析中发现，土壤养分与茶叶品质成分之间具有显著或极显著的相关性。土壤全氮、碱解氮、速效磷、速效钾以及有机质的含量与茶叶氨基酸、咖啡碱和可溶性糖呈显著或极显著的正相关关系，而与茶多酚呈现极显著的负相关关系。非线性的典范对应分析亦表明，土壤全氮、碱解氮、速效磷、速效钾以及有机质与茶叶氨基酸、咖啡碱和可溶性糖之间存在正相关性，而与茶多酚之间存在的负相关性；且以有效磷对茶叶品质成分的影响最大，贡献率达到86.2%。可见，间作茶树土壤中各养分的显著提高是影响茶叶品质成分形成的原因之一。
本研究还发现，茶树/大豆间作条件下，减氮1/2(N1)与常规施氮(N2)水平相比，间作可以维持茶叶产量及品质不下降，还能显著提高速效磷、速效钾及有机质含量，维持全氮和碱解氮含量稳定。可见，茶树/大豆间作种植在减氮的情况下具有提高茶叶产量及品质，改善土壤肥力与生态的潜力，这为深入探究茶园间作生态系统氮肥减施、提高氮肥利用效率提供了有力的证据。但具体茶园间作系统中，氮肥减施量及其最佳氮肥用量推荐，还需结合当地茶园实际生产情况进一步研究证实。
茶树/大豆间作的栽培方式具有提质增产的优势，以及改善茶树根系土壤各养分的潜力。茶树/大豆间作栽培体系具有减氮并能维持茶叶产量及品质的潜力，这与其根系土壤各养分含量得到改善具有密切的相关性。此外，本研究只是系统分析了茶-大豆间作系统中的氮素用量-茶树根系养分-茶叶产量与品质，仍需要从地上部的茶树氮素吸收代谢方面进行更深入的研究。
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