套種紫花苜蓿對茶園土壤及茶葉品質的影響

戶杉杉 ，高水練，郭 彬，潘榮藝，張 帥，王苗苗，向 萍，林金科*

（1.福建農林大學 園藝學院，福建 福州350002；2.福建農林大學 安溪茶學院，福建 福州350002）

化肥在農業生產中扮演著重要角色，21世紀中后期以來，增加化肥投入量成為提高農作物產量的快速、高效舉措之一。茶樹作為一種多年生的木本經濟作物，在中國以及世界各地被廣泛種植，2017年全球茶園面積超過470萬hm2。但是，茶園大量施用化肥不僅破壞了土壤微循環系統，造成了土壤理化性狀的惡化,還降低了肥料利用率，破壞了生態環境，進而影響了茶樹正常生長發育和茶葉品質[1-3]，逐漸引起人們對茶園綠肥改良措施和化肥高效施用技術的關注[4]。紫花苜蓿（學名：Medicago sativa.），豆科、苜蓿屬，多年生草本，高30～100 cm，根粗壯，深入土層，根莖發達，味道清香，產量高且穩定[5]，適應性廣，對土壤要求不嚴，可作茶園綠肥。套種紫花苜蓿，可改善鹽堿地，增加土壤堿解氮及速效磷含量[6]，調節土壤養分。紫花苜蓿根系具有固氮作用，較高的枝干可避免夏日光照灼燒，增加茶園漫射光，提高茶樹凈光合作用[7]。紫花苜蓿等豆科作物枝葉莖稈田間覆蓋還可提高土壤有機質以及氮含量[8]。研究表明，每hm2施用綠肥7500 kg可以減少氮肥 67.5～90 kg[9,10]，翻壓紫云英可降低田間 40%左右施肥量，長期套種并進行豆科綠肥回田可降低小麥田和甜瓜園15%～30%施肥量[11]。套種紫花苜蓿可以改善大田生態[6]，豐富田間生物種群數量，較對照捕食性天敵數增加103.7%，瓢蟲類增加70.9%，有效降低蟲害發生率[12]。套種紫花苜蓿還可以提高土壤酶活性，脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶分別提高29.60%、52.07%和32.77%[8]，可作為土壤改良劑[13-14]。

目前，關于茶園套種紫花苜蓿對土壤改良以及茶園減施化肥方面的研究報道較少。為深入研究套種紫花苜蓿對茶園土壤化學性狀及茶葉品質影響，明確套種紫花苜蓿是否可以減少茶園化肥施用量，本試驗假設套種紫花苜蓿可減少30%施肥量，研究常規施用量、常規施用量 ×70% （T1） 和常規施用量 ×70% + 套種紫花苜蓿 （T2）等不同施肥模式對茶園土壤養分、土壤酶活性、新梢生長、茶葉品質成分的影響，旨在為茶園化肥減施增效提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與設計

試驗于2017年3月～2018年9月,在廣東省英德市英紅鎮廣東省茶葉科學研究所試驗茶園開展。試驗地位于東經113°23'27",北緯24°18'03"，海拔 30 m，年均氣溫 20℃ ,年均日照 1862 h,年均降雨量 2000 mm；試驗茶樹品種為鴻雁12號，樹齡3年；供試土壤基本情況：黃紅壤，全氮含量1.32 g/kg，全磷含量0.08 g/kg，全鉀含量10.64 g/kg，堿解氮含量52.45 mg/kg，有效磷含量42.85 mg/kg，速效鉀含量128.07 mg/kg，有機質含量1.61%。

本試驗設三個重復試驗區，每個試驗區80 m2并設三種施肥處理，各處理隨機排列。施肥處理分別為：CK（對照），常規施肥[NPK（15 ∶15 ∶15）225 kg/hm2]；T1， 常規施肥量×70%[NPK（15 ∶15 ∶15）157.5 kg/hm2]；T2，常規施肥量 ×70%[NPK（15 ∶15 ∶15）157.5 kg/hm2]+ 套種紫花苜蓿（品種為先行者，種植密度4.5～6 kg/hm2）。施肥時間分別為：2017年 7月3日（秋茶用肥），2018年2月1日（春茶用肥），2018年5月25日（夏茶用肥）。

1.2 取樣與測定方法

2017年 8月 26日、2018年 3月 15日、2018年7月5日，分3次采取茶園土壤和茶鮮葉樣品，取樣時間分別簡寫為2017.08、2018.03、2018.07。

土樣采集：采用五點取樣法，每個小區按“S”選取五點，用取土器直接采取30 cm土層，將五點土樣進行混合、拌勻，撿剔雜物，一部分裝入土樣管并放置-22℃冰箱冷凍保存，用于部分酶活性檢測。另一部分則放置陰涼處風干，用于常規養分測定。

土樣檢測：土壤養分測定方法參照鮑士旦《土壤農化分析》第三版[15]；土壤脲酶測定參照苯酚鈉—次氯酸鈉比色法[16]；土壤磷酸酶活性測定參照磷酸苯二鈉比色法[17]；土壤蔗糖酶活性測定參照3,5- 二硝基水楊酸比色法[18]；土壤過氧化氫酶活性測定參照高錳酸鉀滴定法[19]。

茶樣采集：使用測產框（33cm×33cm）采摘每季第一輪一芽二葉茶鮮葉，每個小區采取10框，測定發芽密度、一芽二葉百芽重和第一輪鮮葉產量，并及時進行烘干殺青（120℃殺青10 min，80℃烘至足干），用于茶鮮葉品質測定。

茶葉品質測定方法：茶多酚測定參照 GB/T 8313-2008 （福林酚比色法）；咖啡堿測定參照GB/T 8312-2013；水浸出物測定參照 GB/T 8305-2013；茶葉游離氨基酸測定參照 GB/T 8314-2013。

1.3 數據處理

采用 Excel 2016、SPSS 21 和 Cannoco 4.5 統計軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 套種紫花苜蓿對土壤養分的影響

不同處理的茶園土壤養分含量結果表明（表1），減少茶園化肥施用量在短時間內會減少土壤中各養分含量（2017.08），特別是T1處理，與CK相比，全磷、有效磷、全鉀、速效鉀含量分別降低了26.93%、64.37%、50.22%和33.59%，差異均達極顯著水平。隨著紫花苜蓿生長時間的延長，T2處理土壤各養分含量呈現遞增趨勢，且增長速度大于T1處理。至紫花苜蓿生長11個月（2018.07），除全鉀含量外，土壤中全量養分含量均高于CK處理；其中，土壤全氮和全磷含量分別增加了16.99%和30.43%，均達顯著水平。土壤有機質含量較CK和T1處理分別增加39.79%和13.62%。紫花苜蓿為豆科植物，具有固氮作用，能提高土壤氮含量，相對于氮元素而言，鉀元素被吸收或流失后，沒有額外的外源補充，故T1和T2處理土壤中全鉀含量低于CK處理。

對比不同處理水平下土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量數據可得出，T2處理顯著高于其他處理，在2018.07時，較CK處理分別增加了34.86%、73.83%和38.81%，可見，隨著時間推移，CK處理有效磷呈現下降趨勢，速效鉀呈現先增加后穩定趨勢，T1處理兩者均呈現先增加后穩定趨勢，并且速效鉀含量高于CK處理。這與熊興梅[20]和C Giacometti[21]“當土壤中肥料施用量超過一定值，則會影響土壤中微生物和蛋白酶活性，進而降低土壤中養分活化率，降低肥料利用率”結論一致。

表1 三種施肥處理對茶園土壤養分的影響Table 1 Effects of three fertilization treatments on soil nutrients in tea garden

2.2 套種紫花苜蓿對土壤酶活性的影響

土壤質量不僅僅取決于土壤的理化性狀，土壤酶活性對土壤有機質、養分含量也密切相關，特別是脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶等直接影響土壤中氮、磷、碳的循環[22]。套種紫花苜蓿對茶園土壤酶活性的影響結果顯示（表2），套種紫花苜蓿可提高茶園土壤酶活性，特別是脲酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶較CK處理分別提高106.74%、25.49%和40.00%（P＜0.01）。蔗糖酶表現為前期（2017.08）CK處理高于其他處理，但隨著套種苜蓿時間延長，T2處理逐漸高于CK處理，在2018.07時較CK處理增加41.82%（P＜0.01）。通過減施化肥（T1）也可以較小幅度提高土壤中酶活性，其中脲酶和過氧化氫酶較CK處理分別提高52.25%和14.29%（P＜0.05），蔗糖酶和酸性磷酸酶較CK處理略有下降。這表明土壤蔗糖酶和酸性磷酸酶易受肥料施用影響，過氧化氫酶對肥料響應不敏感。

表2 三種施肥處理對茶園土壤酶活性的影響Table 2 Effect of three fertilization treatments on soil enzyme activity in tea garden

2.3 套種紫花苜蓿對茶樹生長的影響

套種紫花苜蓿可顯著增加茶葉一芽二葉百芽重（圖1），較CK處理，可顯著增加9.21%～11.13%（P＜0.05）。單純減施化肥（T1）會顯著降低第一輪茶葉產量以及發芽密度，較CK處理分別降低23.33%～27.37%（P＜0.01）和13.46%～17.97%（P＜0.01）。T2處理第一輪茶葉產量和發芽密度較CK處理不顯著。可見，單純減少30%的化肥施用量會降低茶葉產量，但是通過套種紫花苜蓿可解決因減施化肥所造成的茶葉產量以及發芽密度下降等問題。

圖1 三種施肥處理對茶樹生長的影響Fig.1 Effect of three fertilization treatments on the growth of tea plant

2.4 套種紫花苜蓿對茶葉品質的影響

與常規施肥處理（CK）相比，T1和T2處理下茶葉品質間均具有顯著性差異（圖2）。其中，茶葉中水浸出物含量三季均表現為T2＞CK＞T1，在2018.07時，T2處理較CK處理增加3.29%，T1較CK處理降低9.86%。說明減施化肥在一定程度上會降低茶葉水浸出物含量，套種苜蓿可以增加水浸出物含量。隨著施肥量的改變，茶多酚含量表現為T2＜CK＜T1，可見，套種紫花苜蓿可有效降低茶多酚含量，且隨著套種時間延長，降低顯著性增強，2018.07時，T2較CK、T1處理分別降低5.08%和19.68%。原因可能為套種紫花苜蓿會增加茶園光合呼吸量，增加空氣濕度，并且紫花苜蓿對茶葉有一定遮蔭效果，因此相對于CK和T1處理，茶多酚含量會相對較低。

茶葉咖啡堿含量表現為T2＞CK＞T1，三季均呈極顯著性差異。隨著套種時間的延長，咖啡堿含量逐漸增加，2018.07時，T2處理較CK處理增加5.26%，且較2017.08， T2處理增加3.90%。茶葉中游離氨基酸含量表現為T2＞T1＞CK，除2017.08外，其他兩季不同處理間均具顯著性差異，T2處理較CK處理分別增加 12.00% （2018.03） 和 7.40 %（2018.07）。原因可能為前期土壤養分含量已經完全滿足茶樹生長，短時間減施化肥對其影響較小，但隨著減施化肥時間延長，差異逐漸凸顯，可見套種紫花苜蓿可增加茶葉游離氨基酸含量。

圖2 套種紫花苜蓿對茶葉品質的影響Fig.2 Effect of interplanting alfalfa on tea quality

2.5 土壤養分、土壤酶活性與茶葉品質間的RDA分析

為了進一步揭示套種紫花苜蓿后茶園土壤養分、酶活性以及茶葉品質之間的互相影響關系，采用冗余分析（RDA）方法對這些實驗數據進行相關性分析。數據表明（圖3A），第一數據軸和第二數據軸對土壤養分含量與茶葉品質成分含量間關系的解釋力分別為93.10%和0.90%。CK與T1和T2處理顯著區別，且與茶多酚含量密切相關；T1和T2則較為聚集，其中T2處理與土壤中速效鉀和全磷，茶葉中游離氨基酸含量關系較為密切；T1處理與土壤全鉀、堿解氮含量關系較為密切。說明減施化肥以及減施加套種紫花苜蓿對茶園土壤養分供給量影響均較為明顯，除茶多酚外，兩種處理與茶葉品質間關系較為明顯。

由圖3A中茶葉品質與土壤養分關系可得：水浸出物、咖啡堿以及游離氨基酸均與土壤中養分呈正相關關系，其中土壤全氮和堿解氮與茶葉水浸出物、有效磷與咖啡堿、全磷和速效鉀與游離氨基酸間影響最為顯著。而茶多酚與土壤養分間夾角均為鈍角，呈負相關關系。可見，土壤養分特別是有效態養分含量的豐缺對茶葉品質成分含量的影響最為突出。

土壤養分與酶活性的RDA排序圖顯示（圖3B），第一數據軸和第二數據軸對土壤養分與酶活性間關系的解釋力分別為86.60%和7.80%。圖中土壤養分和酶活性傾向于T2處理，與CK和T1處理關系不顯著，說明土壤酶活性和土壤養分受紫花苜蓿生長影響較為突出，套種紫花苜蓿可以改善茶園土壤，增加土壤肥力。從圖中可直觀看出，酸性磷酸酶和蔗糖酶與有效磷和全磷、過氧化氫酶與速效鉀、脲酶和有機質間均存在極顯著正相關關系（P＜0.01），說明土壤酶活性的提高可以改善茶園土壤養分含量。

圖3 土壤養分、土壤酶活性以及茶葉品質間的RDA二位排序圖Fig. 3 RDA two-order map between soil nutrient, soil enzyme activity and tea quality

對茶葉品質與土壤酶活性的分析表明，第一數據軸和第二數據軸對茶葉品質與酶活性間關系的解釋力分別為88.90%和0.20%，茶葉品質與土壤酶活性相關性軸1和軸2特征值分別為0.96和0.61。圖3C所示，T2處理與土壤酶活性呈正相關關系，與茶多酚呈負相關關系。其中咖啡堿與蔗糖酶和酸性磷酸酶、游離氨基酸與過氧化氫酶之間均呈極顯著正相關關系（P＜0.01），茶多酚與CK處理呈正相關關系，說明套種紫花苜蓿可提高酶活性與茶葉品質間的正向響應關系，酶活性的提高對提高茶葉品質成分含量有促進作用。

3 小結與討論

3.1 套種紫花苜蓿可以增加土壤有效態養分含量

試驗結果表明，隨著套種紫花苜蓿時間不斷延長，土壤中堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質含量相對其他處理明顯增加，分別為66.48%、141.82%、97.75%和65.84%。這與馮建文等[23]和Dennis等[24]研究結果一致。單純減施化肥在一定程度上也會增加土壤中有效態養分含量，其中以速效鉀和有機質最為明顯，較CK處理分別增加12.27%和23.04%，說明長時間大量施用化肥會破壞土壤養分正常循環，降低土壤養分有效性[25-26]，抑制作物生長。土壤有效態養分含量的增加，很大程度上取決于土壤微生物的驅動[27]。減施化肥有效降低了土壤中化肥殘留量，套種的紫花苜蓿通過根系代謝，調節土壤pH[28-29]，改善土壤微環境，進而豐富了土壤微生物種群數，促進養分循環。

3.2 套種紫花苜蓿可以提高土壤酶活性

土壤酶作為土壤中物質轉化與養分循環的催化劑，直接影響土壤肥力的高低，其活性是土壤肥力高低的一個有效指標[30]。土壤酶活性易受不同農藝處理、田間管理等措施影響[31]。本試驗結果表明適當減施化肥、套種紫花苜蓿均可以增加土壤酶活性。套種紫花苜蓿相對于CK處理，脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶均顯著提高106.74%、25.49%、40.00%和41.82%。T2處理不同季節土壤酶活性數據發現，第一次（2017.08）和第三次（2018.07）取樣，土壤中酶活性均顯著高于第二次（2018.03）采樣。原因可能是第一次和第三次采樣處于暑秋季，溫度高，茶樹、紫花苜蓿生長旺盛，根系代謝增強，土壤中微生物活動增加。此外，行間覆蓋紫花苜蓿，增加了土壤中有機質含量，有機物質的加速分解，為酶促反應提供了充足的底物，對土壤酶活性激活效應增強[32]，從而提高酶活性。而化肥過多施入，造成土壤理化性狀發生改變，影響有機物質代謝循環[33]，故CK處理土壤酶活性呈下降趨勢。

3.3 套種紫花苜蓿可以促進茶樹生長和改善茶葉品質

減少化肥施用量并套種紫花苜蓿對茶梢芽葉密度和第一輪茶葉產量無顯著性影響, 但可增加一芽二葉百芽重,改善茶葉品質。T2處理下茶鮮葉中水浸出物、咖啡堿、游離氨基酸和一芽二葉百芽重較CK處理分別增加3.29%、5.26%、12.00%和9.21%，茶多酚下降5.08%。這與韓文炎等[34-35]人研究結果相一致，土壤有效氮的增加會降低茶葉中多酚含量。RDA分析發現，套種紫花苜蓿茶園土壤養分、土壤酶活性、茶葉品質三者間的相關性增強，除茶多酚外，土壤養分與茶葉品質以及土壤酶活性與茶葉品質間關系均表現為正相關關系，說明土壤養分含量和酶活性的提高，有利于茶樹生長和茶葉品質的提高。此外，套種紫花苜蓿茶園相對于純茶園種植模式，增加茶園空氣濕度，降低茶園溫度，進而減少茶多酚含量[36]。

綜上可知，在減少化肥用量30%的基礎上套種紫花苜蓿（4.5～6 kg/hm2），增加了茶園土壤中有效態養分含量，提高了土壤酶活性，改善了茶葉品質，增強了“土壤養分、酶活性、茶葉品質”三者之間的正相關關系，達到了茶園化肥減施增效的目的。