茶园是福建省丘陵山地的主要土地利用类型之一,随着茶叶经济效益的提升,茶叶种植面积不断扩大,已逐渐成为农村经济的支柱产业,但大部分传统茶园开发以清耕种植为主,由于茶园土壤缺乏地表覆盖,导致茶园土壤侵蚀严重,土壤肥力下降,加之茶园中肥料和农药的不合理施用,茶园生态环境日渐恶劣,严重制约茶产业的健康发展[1,2]。
圆叶决明（Chamaecrista rotundifolia）,作为适宜在热带亚热带种植的豆科决明属绿肥牧草兼用型作物,具有耐酸、耐瘠、抗逆性强等特点[3]。福建省农业科学院农业生态研究所从国内外广泛征集引进热带豆科决明属品系,经比较试验、区域试验和生产试验,从中筛选出圆叶决明新品种闽引圆叶决明（C. rotundifolia‘minyin’）,其具有高产、抗旱、前期生长速度快、匍匐生长等特点[4],用于土壤改良与生态恢复的效果尤为突出,能有效降低红壤山地的土壤容重,提高土壤肥力,还可减少径流次数和径流量,防控水土流失,同时在果园中得以较大面积推广利用[5,6,7,8,9]。但由于受“草与茶树争水争肥”观点的影响,在茶园建设方面仍然以清耕模式为主[10],茶园生草栽培及其相关生态效应的深入研究仍较为缺乏,特别该区的水热资源分布不均,季节性干旱严重,给茶叶生产带来了巨大的影响。据统计闽北地区各乡镇出现高温干旱灾害的年份达到80%以上,最高温度能达到38~42 ℃,地面最高温度超过60 ℃,致使闽北茶区,特别是新垦茶园的茶苗死亡,茶叶品质下降,造成巨大损失[11,12,13]。为寻求闽北山区茶园生态栽培模式,特别是针对该区季节性高温干旱问题,本研究开展套种圆叶决明对茶园小气候变化﹑茶树生长等的影响研究,旨在为圆叶决明在茶园的推广和探索生态茶园的建设利用提供科学依据,为同类型（类似区域）开发与保护奠定基础。
1 材料与方法
1.1 研究茶园与区域概况
试验地位于福建省建阳市莒口镇后山村,北纬27°36′39.9′′,东经117°94′54.7′′,海拔150 m,年平均气温18.1 ℃,年平均日照时数2000 h,多年平均降雨量1800 mm,无霜期280 d。试验地土壤pH 5.26,有机质含量13.3 g/kg,全氮含量1.26 g/kg,全钾含量14.53 g/kg,速效磷含量3.33 mg/kg,有效钾含量71.34 mg/kg。该试验茶园为传统武夷岩茶主产地,茶树品种为金观音[Camellia sinensis (L.) O. Kuntze cv. Mingke 1],树龄为18 a。
1.2 供试材料及试验设计
试验设套种圆叶决明和清耕茶园2个处理：（1）套种闽引圆叶决明,于2015年4月初,在茶园中套种闽引圆叶决明,播种量15.0 kg/hm2,待幼苗长出来后除了采用人工拔去少量杂草外均采用免耕方式管理,每年11月底—12月初（盛荚期）用割草机割草一次,修剪物均匀覆盖于茶园行间;（2）清耕茶园,视杂草生长情况,3~4个月人工除草1次。试验地地形、生态环境和管理措施一致。每个处理设置3个20 m×10 m标准地,随机区组排列。
1.3 试验观察与测定方法
1.3.1 茶园温湿度观测 在2017年7月12日至19日（7月15日遇阵雨采集数据不做分析）,在试验区内安设温湿度自动记录仪,自动记录每天8：00、10：00、12：00、14：00、16：00、18：00茶园温湿度（离地100 cm）,分析在夏季高温干旱时期2种栽培模式对茶园温湿度的影响。
1.3.2 土壤理化性状测定 2017年7月12日,在各试验区内采用5点取样法,用土钻采集茶树根系活动土层20~40 cm的土壤分析有机质、全氮、全磷、全钾及速效氮、速效磷和速效钾的含量;采集土壤主要截水区0~20 cm及茶树根系主要吸收区20~40 cm土层土壤分析其含水量[14]。
1.3.3 土壤微生物量测定 2017年7月12日,在各试验区内采用5点取样法,取茶树根系活动土层20~40 cm的土壤,测定微生物量,土壤微生物量测定采用梯度稀释法制备土壤悬液,稀释涂抹平板计数法进行分离,测定细菌、真菌、放线菌数量[15]。
1.3.4 茶树光合特性测定 于2017年7月12日上午9：00时,按5点取样法选定茶树,取新梢第2片成熟真叶,用LI-6400便携式光合测定仪（基因有限公司产）选择净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）4个指标进行测定。测定时光强约为800 µmol/ (m2·s),温度为(31±1)℃,CO2浓度为(400±10) µL/L。每叶测定3次,取平均值。
1.3.5 茶叶品质及产量测定 于2017年7月12日至29日夏茶生产季节,每隔3 d,用1 m×1 m固定方框,从上至下采摘完方框内所有的一芽二叶为主的鲜叶称重,统计茶叶产量。同时采摘一芽二叶鲜叶200 g,按（蒸青-摊晾-烘干）的方法制成茶叶样品,测定茶叶品质。样品中茶多酚含量的测定采用酒石酸铁比色法,氨基酸采用茚三酮比色法、咖啡碱采用紫外分光光度法、水浸出物的测定采用全量法[16]。
1.4 数据处理
采用Excel 2007软件进行数据处理和绘图,用SPSS18.0数据处理系统软件对不同处理各项指标进行单因素方差分析,并以Duncan法进行差异显著性检验,显著性定为P<0.05,结果以平均值±标准误表示。
2 结果与分析
2.1 茶园空气湿度
由表1可知,实施茶园套种圆叶决明的处理区,其空气湿度日均值显著高于清耕茶园;就空气湿度最低值相比,实施茶园套种圆叶决明的处理区比清耕茶园显著提高了9.98%（P<0.05）,而空气湿度最高值相比较,也同样是套种圆叶决明处理区显著高于清耕茶园（P<0.05）。试验结果表明,套种圆叶决明能明显增加茶园空气湿度。
表1 茶园空气湿度Tab. 1 The air humidity of tea gardens |
| 茶园类型 Tea plantation type | 日均值 Daily average/% | 最高值 The highest/% | 最低值 The lowest/% |
|---|---|---|---|
| 套种闽引圆叶决明 | 73.24±0.58a | 87.39±0.21a | 61.32±0.06a |
| 清耕茶园 | 69.34±0.21b | 83.21±0.06b | 54.76±0.16b |
Note: Values are mean±standard deviation (n=3). Different lowercase letters in the same column indicate significant differences in treatment between different cultivating modes at the 0.05 level. | |
注：数值为平均值±标准差（n=3）,同列不同小写字母表示不同栽培模式之间差异显著（P<0.05）。 |
2.2 茶园空气温度
在12：00和14：00套种圆叶决明茶园空气温度显著低于清耕茶园（P<0.05）,在8：00、10：00、18：00茶园的气温差异不显著（P<0.05）,其中14：00时清耕茶园空气温度高于套种圆叶决明茶园3.0 ℃,同时清耕茶园空气温度日变化幅度高于套种圆叶决明茶园3.1 ℃。套种圆叶决明茶园较清耕茶园模式具有一定的温度调节能力（图1）。
2.3 茶园土壤理化性状
2.3.1 土壤养分含量 由表2可知,与清耕茶园相比,套种圆叶决明茶园显著提高茶园土壤全氮、全磷、速效磷、速效氮及有机质含量（P<0.05）,其中速效氮含量比清耕茶园增加84.78 mg/kg,而全钾、速效钾含量的影响差异不显著（P>0.05）。
表2 茶园土壤基本化学性状Tab. 2 Soil basic chemical properties of tea gardens |
| 茶园类型 Tea plantation type | 速效氮 Avaivable nitrogen/(mg·kg-1) | 速效磷 Avaivable phosphours /(mg·kg-1) | 速效钾Avaivable potassium /(mg·kg-1) | 全氮 Total nitrogen /(g·kg-1) | 全磷 Total phosphours /(g·kg-1) | 全钾 Total potassium /(g·kg-1) | 有机质 Organic Matter /(g·kg-1) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 套种闽引圆叶决明 | 198.32±11.42a | 5.43±0.43a | 96.49±2.33a | 3.55±0.03a | 0.67±0.01a | 15.28±2.33a | 12.67±0.26a |
| 清耕茶园 | 113.54±5.96b | 3.83±1.39b | 94.96±0.77a | 1.05±0.02b | 0.23±0.03b | 15.27±0.06a | 8.36±0.39b |
Note: Values are mean±standard deviation (n=3). Different lowercase letters in the same column indicate significant differences in treatment between different cultivating modes at the 0.05 level. | |
注：数值为平均值±标准差（n=3）,同列不同小写字母表示不同栽培模式之间差异显著（P<0.05）。 |
2.3.2 土壤含水量 由表3可知,在土壤表层（0~20 cm）,套种圆叶决明茶园土壤含水量比清耕茶园显著提高了24.58%（P<0.05）;而在20~40 cm土层则呈现相反的趋势,套种圆叶决明茶园土壤含水量显著低于清耕茶园（P<0.05）。
表3 茶园土壤含水量Tab. 3 The soil moisture of tea gardens |
| 茶园类型 Tea plantation type | 土壤含水量Soil water content/% | |
|---|---|---|
| 0~20 cm | 20~40 cm | |
| 套种闽引圆叶决明 | 19.86±0.44a | 18.34±0.28b |
| 清耕茶园 | 15.34±0.25b | 19.47±0.37a |
Note: Values are mean±standard deviation (n=3). Different lowercase letters in the same column indicate significant differences in treatment between different cultivating modes at the 0.05 level. | |
注：数值为平均值±标准差（n=3）,同列不同小写字母表示不同栽培模式之间差异显著（P<0.05）。 |
2.4 茶园土壤微生物
与清耕茶园相比,套种圆叶决明可显著提高茶园土壤细菌和放线菌数量（P<0.05）,减少真菌数量。由表4可知,土壤细菌数量比清耕茶园显著提高了53%（P<0.05）,放线菌数量则显著提高158%（P<0.05）,而真菌数量则显著降低81%（P<0.05）。
表4 茶园土壤微生物量Tab. 4 The amount of microbes of tea gardens |
| 茶园类型 Tea plantation type | 细菌 Bacteria/(×105 cfu·g-1) | 真菌 Fungi/(×103 cfu·g-1) | 放线菌 Actinomycetes/(×104 cfu·g-1) |
|---|---|---|---|
| 套种闽引圆叶决明 | 23.76±3.11a | 37.67±11.34b | 113.32±14.65a |
| 清耕茶园 | 15.46±3.76b | 68.31±8.76a | 43.89±4.91b |
Note: Values are mean±standard deviation (n=3). Different lowercase letters in the same column indicate significant differences in treatment between different cultivating modes at the 0.05 level. | |
注：数值为平均值±标准差（n=3）,同列不同小写字母表示不同栽培模式之间差异显著（P<0.05）。 |
2.5 栽培模式对茶树光合特性的影响
由表5可知,套种圆叶决明茶园茶树的净光合速率略高于清耕茶园,但差异不显著（P>0.05）,套种圆叶决明茶树气孔导度显著高于传统清耕茶园模式（P<0.05）,蒸腾速率方面套种圆叶决明茶树显著低于清耕茶园（P<0.05）,表明套种圆叶决明能提高茶树光合利用率。
表5 茶树净光合速率及相关光合参数Tab. 5 Net photosynthesis rate and correlative photosynthetic parameters of tea tree |
| 茶园类型 Tea plantation type | 净光合速率 Net photosynthesis rate/(µmol·m-2·s-1) | 气孔导度 Stomatal conductance /(mol·m-2·s-1) | 胞间CO2浓度 Intercellular CO2 concentration /(µmol·m-2·s-1) | 蒸腾速率 Transpiration rate /(mmol·m-2·s-1) |
|---|---|---|---|---|
| 套种闽引圆叶决明 | 10.67±2.55a | 201.25±43.04a | 237.35±37.32a | 4.03±0.95b |
| 清耕茶园 | 10.18±0.97a | 189.20±33.33b | 221.57±36.21a | 4.66±1.23a |
Note: Values are mean±standard deviation (n=3). Different lowercase letters in the same column indicate significant differences in treatment between different cultivating modes at the 0.05 level. | |
注：数值为平均值±标准差（n=3）,同列不同小写字母表示不同栽培模式之间差异显著（P<0.05）。 |
2.6 栽培模式对茶叶产量及品质的影响
由表6可知,套种圆叶决明茶园茶叶氨基酸﹑茶水浸出物含量显著高于清耕茶园（P<0.05）,而咖啡碱﹑茶多酚含量显著低于清耕茶园（P<0.05）,对酚氨比的测定显示,套种圆叶决明茶园茶叶酚氨比显著小于清耕茶园;同时套种圆叶决明茶园夏茶产量较清耕茶园显著提高了17%（P<0.05）,套种圆叶决明可增加茶园夏茶产量。
表6 茶叶产量品质Tab. 6 Tea quality and yield |
| 茶园类型 Tea plantation type | 氨基酸 Amino acid content/% | 咖啡碱 Caffeine content/% | 茶多酚 Tea polyhedral content/% | 茶水浸出物 Water extraction content/% | 水分 Moisture/% | 酚氨比 Phenlo ammonia tatio | 产量 Yield/ (g∙m-2) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 套种闽引圆叶决明 | 2.37±0.14a | 4.43±0.11b | 24.02±1.42b | 41.16±4.21ab | 7.81±0.07a | 10.13±2.33b | 233.7±13.2a |
| 清耕茶园 | 1.84±0.05b | 4.97±0.75a | 27.84±1.77a | 38.26±0.84b | 7.63±0.11a | 15.13±2.68a | 199.2±9.5b |
Note: Values are mean±standard deviation (n=3). Different lowercase letters in the same column indicate significant differences in treatment between different cultivating modes at the 0.05 level. | |
注：数值为平均值±标准差（n=3）,同列不同小写字母表示不同栽培模式之间差异显著（P<0.05）。 |
3 讨论
构建山地生态茶园体系势在必行。福建省茶园面积占全国茶园总面积的8.6%,居全国第5位;茶叶总产量居全国第1位;然而大部分山地茶园建设仍以传统生产方式为主。但随着茶园种植面积的不断扩大,粗放生产,茶园土壤缺乏地表覆盖,导致茶园土壤水土流失、土壤肥力下降。合理的间套作作物,可丰富茶园生物多样性,改善与优化生茶园微域生境,使茶园环境向有利于茶树生长的方向转化[1]。
套种适宜牧草可以调节茶园生态环境。我国南方季节性干旱具有发生时间长、强度大的特征,其发生时太阳辐射强烈、温度高、湿度低、土壤水分蒸发强,不利于喜荫,好湿的茶树生长,是影响茶园产量和品质的突出问题之一[13]。本研究结果表明,在夏季高温季节,人工套种圆叶决明能显著降低茶园温度日变化幅度,提高茶园空气湿度,以及显著提高茶园土壤含水量（P<0.05）（0~20 cm土层）,具有一定的温湿度调节及保水能力。圆叶决明是热带豆科植物,喜高温,在湘南、粤北、福建等地,圆叶决明4月份开始生长,夏季生长最旺,7~9月生长最快,在夏季高温干旱来临前就能形成有效覆盖,由于其对茶园土壤的通过遮盖及覆盖,降低了光线的直射,增温趋势减缓,同时套种的圆叶决明对空气及土壤水分还起到一定程度的截留作用,减少了地表土壤水分的蒸发及增加土壤水分的入渗,从而阻止了茶园内部水分的流失,更好的调节了茶园温湿度条件,能改善高温干旱对茶树的胁迫作用,有利于茶树氨基酸、碳水化合等物质的积累,改善茶叶的品质[17]。刘涛等[9]的研究结果也表明显示,果园套种圆叶决明牧草的植草区与清耕区相比,在高温季节不同土层可降低土壤地温1~5 ℃,土壤含水量分别提高3.79%~5.98%。这也与朱庆松等[18]对不同覆盖模式下茶园温湿度变化的研究结果一致。但也有研究结果表明间套作作物的时,对土壤保水和争水的情况有时交替出现,这可以能与茶园生草作物生长过程中对土壤水分的利用以及生草作物类型和管理方式有关,这方面还需要进一步的深入研究[19]。
合理套种牧草可以培育红壤地力。本研究结果表明：与清耕茶园相比,茶园套种圆叶决明显著提高茶园土壤有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷含量（P<0.05）,其中速效氮含量比清耕茶园增加57.78 mg/kg。这与董春华等[20]对茶园套种绿肥后土壤理化影响的研究结果基本一致,吴洵等[21]通过在幼龄茶园套种另一种豆科作物白三叶草,也发现套种白三叶草能提高茶园土壤有机质及氮﹑磷等养分含量。一方面由于圆叶决明的根瘤菌的生物固氮能力,提高了土壤氮素的净输入,使土壤氮素含量大幅增加;另一方面套种圆叶决明产生的有机物料,更好的促进了土壤微生物的活动,增加生物降解量,有利于土壤养分的释放及积累,进一步改善土壤养分状况[22,23];同时,圆叶决明对茶园的覆盖,更好的降低了阳光的对土壤的直接照射,降低了土壤有机物的矿化速率,同时间套种作物其根系的穿插作用,更能增进土壤团粒结构的形成,使土壤透气、透水、疏松性得以增加,进而改善土壤物理性状[24];合理的茶园间套作可有效提高茶园土壤肥力状况。本研究发现,茶园套种圆叶决明相比清耕茶园可显著提高茶园土壤细菌和放线菌数量（P<0.05）,土壤细菌数量分别比传统清耕茶园显著提高了53%（P<0.05）,放线菌数量则显著提高158%（P<0.05）。土壤微生物量是土壤中具有生命活力的重要有机物质,土壤微生物量的明显提高,有利于土壤有机质分解、腐殖质形成、土壤养分转化,进而推进土壤肥力的不断改善。高美英等的研究也表明套种牧草可明显提高高果园土壤中主要微生物类群的数量,尤其是对细菌和固氮菌的影响更大[25,26,27]。茶园套种圆叶决明后其凋落物腐烂为土壤微生物提供了丰富的营养物质能为土壤微生物提供丰富的营养物质,以及套种后土壤通气性、水势梯度和热传导性也随之改变,有利于适宜微生物生存和繁殖的条件形成[8]。
合理套种牧草有利促进山地茶树生长。茶树在长期的系统发育过程中形成了喜漫射光的特性[28]。本研究结果发现,茶园套种圆叶决明茶树的净光合速率﹑气孔导度均高于传统清耕茶园。宋储君等[29]通过对间种白三叶草对茶树光合作用及茶叶品质的影响研究也发现,间种白三叶能提高茶树叶片的净光合速率,促进茶树的生长。套种的圆叶决明由于其对于阳光的散射、散射、辐射作用形成的漫射光,提高了茶树光利用率,同时套种的圆叶决明后土壤养分含量增加、持水能力加强、茶园温湿度得到更好调节也有利于茶树的光能利用[30,31]。已有研究结果表明,合理的茶园间套作能为茶树提供优越的生长环境,提高茶叶产量及品质[32]。舒庆龄等[33]研究发现,间作茶园茶叶的咖啡碱含量显著高于纯茶园,而茶多酚、儿茶素含量及酚氨比均显著低于纯茶园。赵康等[34]的研究发现,茶园套种板栗可有效提高茶叶百芽质量、芽长、茶叶含水量;氨基酸含量分别提高了58.14%和36.04%,咖啡碱含量分别提高31.18%和29.83%。吴志丹等[24]的研究也发现,在红黄壤区丘陵茶园套种3种牧草（百喜草、白三叶和平托花生）可比对照增加茶叶产量6.48%~ 20.26%。本研究存在同样的变化趋势,茶园套种圆叶决明夏茶的氨基酸﹑茶水浸出物含量显著高于传统清耕茶园（P<0.05）;同时夏茶产量较传统清耕茶园也显著提高了17%（P<0.05）。茶园套种圆叶决明能改变茶园光、温、湿、土壤等条件,有利于调节茶树的生长代谢有利于茶树的生长代谢及氨基酸﹑碳水浸出物等物质的积累,从而增加夏茶产量及改善茶叶品质。
深入进行山地生态茶园基础研究。相对于单一茶树栽培模式,茶园套种圆叶决明有利于改善茶园土壤理化状况及微域环境,更有利于茶树的生长及叶产量品质的提高,是一种切实可行的生态茶园建设措施。本研究仅对单一季节及单一套种圆叶决明下茶园温湿度、土壤理化性状﹑茶树生长等方面进行初步对比研究,尚未开展不同管理措施及草种组合的下的茶园长期动态变化数据,今后还需开展多样化、标准化的长期定位监测研究,为提升茶园栽培模式建设提供数据支持和理论基础。
4 结论
茶园传统的清耕管理方式普遍面临劳力投入多,土壤退化,季节性干旱严重、生态环境恶化等生态问题。结合目前茶园管理模式,行间套种豆科饲草圆叶决明,可在夏季高温干旱来临前就形成有效覆盖,降低茶园温度日变化幅度、提高茶园空气湿度及土壤含水量（0~20 cm土层）,起到改善茶园生态环境、改良茶园红壤地力、促进茶叶生长的作用,可作为生态茶园建设的优良间作草种。