林地转变为茶园对土壤理化性质的影响

陈玉真，王 峰，吴志丹，张文锦，尤志明*，邱陈华

(1.福建省农业科学院茶叶研究所，福建 福安 355015；2.福建茶树及乌龙茶加工科学观测站，福建 福安 355015)

土壤是茶树种植的主要载体，也是连接茶树根际与微生物的媒介因子，良好的茶园土壤环境是实现茶叶可持续发展的基本条件。土壤理化性质是土壤的固有属性，对土壤的通气透水、养分的保持转化、微生物代谢、植物生长及根系定值等方面起着重要的作用[1-4]。土壤物理性状的好坏与植被类型的改变密切相关，不同植被的凋落物和根系分泌物中有机物的质量差异可影响土壤微生物的群落组成[5-7]，从而影响土壤养分周转；同时，林地转变为耕地后，高强度持续栽培管理措施(施肥、翻耕、除草及喷药等)使得土壤理化性质和微生物活性发生明显变化[8-9]。茶园是我国亚热带丘陵山区重要的土地利用类型，且大多由撂荒地或林地开垦而成。福建属于多山丘陵地区，据统计福建省茶园面积已达24.3 hm2(截至2017年底)，毛茶产量和产值均居全国第一位[10]，茶产业一直都是福建省农业和农村经济发展的增长点。在未经扰动的自然林地生态系统中，土壤理化性质的变化主要取决于成土母质、水热条件、地形和微生物活性等因素，养分的输入和输出存在着动态平衡，土壤理化性质常可以保持相对水平。林地开垦为茶园后，地上部分覆盖度、凋落物数量和质量、地表枯落物的现存量及植物根系分布等均发生明显变化，改变了物质的输入和输出及微生物的活性，因而长期的茶叶种植中过程中土壤的理化性状会发生不同程度的变化[11-13]。然而，由于林地转变前后的土壤类型、植被类型及耕作管理模式的不同，导致改制后土壤理化性状的演变趋势产生巨大差异，因而不同地区的演变趋势可能有所不同。在此背景下，本研究以茶园周边未开垦灌木林地土壤为对照，分析丘陵地区林地转变为茶园(新垦3年茶园和植茶30年茶园)对土壤理化性状的影响，以期为山区茶园制定合理栽培措施和茶叶可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样地概况

采样地分别位于福建省周宁县玛坑乡绿立茶业有限公司(119°24′E，26°59′N)和政和县澄源乡福建云根茶业有限公司(119°16′E，27.32′N)茶叶种植基地，均属于典型的中亚热带季风性湿润气候，气候温和，雨量充沛。基地内茶园多由林地开垦而来，等高线种植，属于典型的丘陵山地茶园，基地茶园管理方式基本一致，施肥以撒施复合肥和尿素为主。

1.2 土壤样品采集与处理

为研究林地转变为茶园后土壤理化性质的变化，分别在两个茶叶种植基地内设置了3个样地。周宁茶叶种植基地内包括：林地(优势树种为马尾松和其它灌木类)、新垦3年茶园(茶树品种为梅占)、植茶30年茶园(茶树品种为福云六号)，土壤类型为红壤，成土母质为花岗岩；政和种植基地内包括：林地(优势树种为杉木和其它灌木类)、新垦3年茶园(茶树品种为金观音、金牡丹和春兰)、植茶30年茶园(茶树品种为政和大白)，土壤类型为红壤，成土母质为花岗岩。每个样地中选择3个典型样方，根据土壤剖面性质，分0～20 cm和20～40 cm两个土层以多点取样法进行取样，每个样品取5个点，取样点由茶行中线1个、两边树幅滴水线各2个，混合后为一个土壤样品，采样地点均为阳坡种植面。每种样地取 6 个样品(0～20 cm和20～40 cm各3个)，装入自封袋带回实验室。同时，每个样地用环刀(体积为100 cm3)采集原状土样品，用于测定土壤容重和田间持水量。

1.3 测定方法

土壤理化性状测定采用《土壤农业化学分析方法》[14]进行：采用环刀法测定土壤容重、田间持水量、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度；重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机质含量；采用碱扩散法测定土壤碱解氮；土壤速效磷和速效钾用M3浸提剂浸提后，分别用钼锑抗比色法和火焰光度法；交换性钙采用EDTA络合滴定法；有效铁采用DTPA浸提，浸提液用原子吸收法测定。

1.4 数据处理

文中所有数据采用SPSS 16.0和Excel 2003软件进行整理分析，利用SPSS16.0统计软件进行单因素和多因素方差分析，表格和图制作采用Excel 2003软件。

2 结果与分析

2.1 林地转变为茶园对土壤水分和三相比的影响

从表1可以看出，不同样地和土层间土壤水分和三相比存在明显差异。在0～20 cm土层，两个地点土壤田间持水量和土壤液相均表现为林地>植茶30年茶园>新垦3年茶园；与林地相比，植茶后土壤田间持水量和土壤液相分别下降了9.75%～48.74%和7.57%～39.76%，其中周宁点茶园土壤田间持水量和土壤液相均显著降低(P<0.05)，而政和点林地和植茶30年茶园之间差异不显著(P>0.05)。各样地土壤气相比例为26.11%～34.84%，不同样地之间土壤气相变化趋势略有不同，周宁点林地和茶园土壤之间差异不显著；而政和点以新垦3年土壤气相比例最高，显著高于林地和植茶30年茶园。土壤固相的比例均表现为新垦3年茶园>植茶30年茶园>林地，周宁点林地土壤固相显著低于植茶土壤(P<0.05)。在20～40 cm土层内，各样地土壤水分和三相比的变化趋势与0～20 cm土层基本一致。三因素方差分析结果表明，样点、土层深度和样地类型对田间持水量、土壤液相和土壤固相的影响均达到显著或极显著水平，且样地类型对土壤水分和三相比的影响要大于样点和土层深度；样地类型分别与土层深度和样点的双因子交互作用、及三因子交互作用均不显著。

表1 各样地土壤水分、三相比特征

注：表中小写字母表示同一土层不同样地之间差异显著性，p<0.05。

表2 样地、土层深度和样地类型(3因子)对土壤水分和三相比影响的方差分析

注：**表示P<0.01，*表示P<0.05，下同。

2.2 林地转变为茶园对土壤容重和孔隙度的影响

土壤容重是衡量土壤物理环境的重要指标之一，直接影响土壤孔隙度与孔隙大小的分配、作物根系穿透阻力及水肥供应等因素，同时也影响着土壤微生物的活性[15]。由表3可知，不同地点土壤容重和孔隙度存在差异，政和点各样地土壤容重均高于周宁点。在0～20 cm土层，两个样点均以新垦3年茶园土壤容重最大，林地土壤容重最小；两个样点土壤总孔隙度分别为54.87%～65.41%(周宁点)和53.76%～59.90%(政和点)，均以林地土壤总孔隙度最大，植茶30年土壤次之，新垦3年茶园土壤最低；各样点间土壤毛管孔隙度均表现为林地>植茶30年茶园>新垦3年茶园；政和点土壤非毛管孔隙度均以新垦3年茶园土壤最大，林地和植茶30年茶园土壤之间差异不显著。总体来说，土壤容重、土壤总孔隙度和毛管孔隙度均是20～40 cm土层高于0～20 cm土层，非毛管孔隙度则变化不明显。

三因素方差分析表明，样点、土层深度和样地类型对土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度影响均达到显著或极显著水平(样点对土壤容重的影响除外)，且样地类型的F值要大于样点和土层深度(土壤容重除外)；样点和样地类型的交互作用对土壤总孔隙度和非毛管孔隙度影响显著；样点、土层深度和样地类型三者的交互作用对土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度影响显著。

表3 各样地土壤容重和孔隙度特征

表4 样地、土层深度和处理(3因子)对土壤容重和孔隙度影响的方差分析

2.3 林地转变为茶园对土壤养分的影响

土壤养分是提供的植物生长发育所必须的营养元素，其含量受土壤母质、气候条件、植被类型、耕作措施和时间等因素的影响，具有高度的空间变异性[16-17]。由表3不同地点土壤养分特征可知，在0～20 cm土层，除了交换性钙和有效铁外，周宁点土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾均高于政和点；林地转变为茶园后，土壤有机质和速效钾含量显著降低(P<0.05)，随着植茶年限增加，土壤有机质和速效钾含量明显提高；与林地土壤相比，两个样地的新垦3年茶园土壤碱解氮和有效铁含量均显著降低(P<0.05)，随着植茶年限增加，植茶30年茶园土壤碱解氮和有效铁含量分别显著增加了40.52%～53.84%和22.97%～228.06%；与林地土壤相比，茶园土壤有效磷含量均显著增加，且随着植茶年限增长而增加；林地转变为茶园土壤后，土壤pH均明显降低，且随着植茶年限增加土壤酸化加剧；各样地间土壤交换性钙含量变化不明显。总体而言，土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾和有效铁含量均是0～20 cm土层大于20～40 cm土层。

三因素方差分析结果表明，土壤碱解氮、速效磷和有效铁均受样点、土层深度和样地类型及其交互作用的影响；土壤有机质受土层深度和样地类型的极显著影响，且三者的交互作用影响土壤有机质；土壤交换性钙受土层深度和样地类型的显著影响；速效钾受样点、土层深度和样地类型及其交互作用的影响不显著；土壤pH仅受到样地类型的显著影响；总体而言，样地类型对土壤养分的影响要大于土层深度和样点。

3 结论与讨论

福建素有“八山一水一分田”之称，山地丘陵资源约占全省总面积的80%，大面积的丘陵山地被开垦为茶园，顺坡种植、超坡度开垦、清耕作业和栽培管理等措施大幅改变了自然土壤的理化性质，尤其是覆盖程度低的新垦茶园和陡坡茶园(坡度>25o)。本研究表明，与相邻的林地土壤相比，

表5 各样地土壤养分状况

表6 样地、土层深度和处理(3因子)对土壤养分的方差分析

植茶后土壤水分和物理性状均明显下降，尤其是新垦3年茶园，随着植茶年限的增加，茶园土壤物理状况得到改善，田间持水量明显增加，这与林绍霞等[18]、何燕等[19]研究结果基本一致。林地土壤物理性状比茶园要好，究其原因可能是由于林地生态系统中的植物根系庞大，根系在土壤中的穿插和扎深，有效促进了土壤团粒结构的形成，同时丰富的根系结构意味着大量分泌物的生成，而这些分泌物也对土壤团聚体的形成有一定促进作用[20-21]，从而其土壤物理性状较好；同时，林地因其具有良好的植被群落结构和凋落物层，具有较好的保水功能，因而其田间持水量较高。再者，林地开垦为茶园后，建园初期均需使用机械进行挖沟和梯壁建设，整地措施使得土壤结构受到严重破坏，表现为土壤孔隙度和田间持水量下降(表1和表3)；茶园日常耕作过程中踩踏易造成土壤板结，导致茶园土壤容重显著增加，土壤紧实粘重，导致土壤总孔隙度和毛管孔隙度明显降低；同时，茶园建园初期园面覆盖度低，极易遭受暴雨直接冲刷，导致土体表面开裂和有机质流失严重，进一步破坏了土壤物理性状。随着植茶年限的增加，受施肥、耕作及茶树根系分泌物的影响[22]，植茶30年茶园土壤容重下降，土壤总孔隙度和田间持水量均有所增加(表1和表3)，土壤物理性状逐渐恢复；成龄茶园封行后，大量的凋落物(修剪枝条和老叶)归还于土壤中分解转化，可及时补充土壤有机质的消耗，使得土壤团粒结构得到恢复，土壤物理性状得到改善。

林地转变为茶园后，由于改植前后的植被类型和耕作管理模式(施肥、除草及农药等)的不同导致改制后土壤肥力质量的演变趋势产生巨大差异。本研究中，林地转变为茶园后，土壤有机质和速效钾含量显著降低(P<0.05)，其原因在于茶园土壤翻耕加速了有机质分解和速效钾的淋失，尤其是新垦茶园；同时，随着植茶年限增加，土壤有机质和速效钾含量明显增加，这与茶园土壤施肥措施和有机物(凋落物和修剪枝条)还园有关。与林地土壤相比，两个样地的新垦3年茶园土壤碱解氮和有效铁含量均显著降低(P<0.05)，相反植茶30年的成龄茶园土壤0～20 cm碱解氮和有效铁含量分别显著增加了40.52%～53.84%和22.97%～228.06%，这与茶园速效氮肥的大量施用有关。林地土壤植茶后，由于茶树根系分泌有机酸和聚铝特性，使得茶园土壤不断酸化，pH值明显降低，这与以往的研究结果基本一致[23-24]。低pH环境条件下促进不溶性铁向可溶性铁转换，从而提高土壤有效铁含量。另外，茶园土壤有效磷含量均显著高于林地土壤，且随着植茶年限增长而增加，这与茶农施用磷肥有关，也符合当前茶园土壤磷素盈余的现状[25]。

样点、土层深度及样地类型的三因素方差分析表明，样地类型对土壤理化性质均有显著影响(土壤气相除外)，样地类型的F值明显大于样点和土层深度，这说明林地转变为茶园对土壤理化性质的影响要远大于样点和土层深度。土壤碱解氮、速效磷和有效铁均受样点、土层深度和样地类型及其交互作用的影响，说明三者主要茶园土壤耕作措施的影响。总体而言，林地转变为茶园后，土壤酸化加剧，大多数土壤理化性质均有一定程度的下降，随着植茶年限增加，土壤理化性质得到逐步恢复，化肥的大量施用导致土壤碱解氮和速效磷大量盈余。