栗-茶间作茶园土壤化学性质和细菌丰富度分析

2022-04-12杨自云

经济林研究 2022年1期

李孟，刘琅，刀梅，杨自云，吴田

（西南林业大学 a.国家林业和草原局西南风景园林工程技术研究中心；b.园林园艺学院，云南昆明 650224）

茶Camellia sinensis（L.）O.Kuntze 为山茶科山茶属，是世界上最流行的饮料之一，有独特的味道、香气和保健作用[1]，作为一种重要的经济作物，分布在热带和亚热带国家，茶叶中的黄酮类及生物碱等次生代谢产物对人体健康具有重要的药理作用[2]。茶树原产于我国西南深山密林中，经过长期的适应、进化，形成了能耐受荫蔽、喜温喜湿、喜漫射光和喜酸性土壤的生态习性[3]。板栗Castaneda mollissima属壳斗科栗属，是一种具有较高经济价值的干果树种，原产于中国，在东亚广泛种植[4]。林农复合经营系统极大地提高了土地利用率、经济和生态效益，是一种高效的生产模式，同时对改善土壤营养状况可起到重要作用[5]。在我国茶叶生产中，茶园间作树木是一种沿用已久的栽培方式，不同物种的根系分泌物相互影响，促使根系微生物多样性发生变化，通过种群间的相互协调，茶树可以获得适合其生长的环境因子[6]。与纯作茶园相比，栗-茶混作更利于改善光、温、水、大气状况，改良土壤结构，增加土壤养分含量，减少杂草和病虫害，提高茶叶品质，是科学有效的生态栽培手段[7]。

土壤在陆地生态系统中的作用至关重要，能为植物提供赖以生存的水、基质和营养[8]。细菌广泛分布于土壤中，在土壤养分循环中发挥着重要作用，同时对维持陆地生态系统的多种功能具有重要意义[9]。土壤化学性质的改变可能会使得土壤微生物结构和丰富度发生变化[10]。间作是一种涉及两个或两个以上作物品种或基因型的耕作方式[11]，间作提高资源利用效率的优势已在世界范围内得到证实[12]。间作可以有效解决一些重要的现代农业问题，在提高作物质量和产量、改善环境质量等方面发挥着重要作用[13]。在茶园中种植合适的作物有利于改善土壤的质量，增加经济收益，而不适宜的林木间作会导致茶叶品质降低，如核桃对茶存在的化感抑制作用致使茶树不能健康地生长[14]。在相关研究中，通常以土壤理化性质的测定值来评判土壤的肥力，而不同年代间作板栗的茶园土壤的细菌丰富度也是评判板栗与茶树之间相关性的另一个重要因素。纯作和间作的林分结构和林分中的微环境存在差异，这些差异对土壤微生物群落结构的影响，还需更深层次的研究。

程鹏等[15]分析了板栗-茶等3个复合林分的小气候因子和茶树的光合特性；苏红飞等[16]研究了板栗-茶间作等混作模式对茶园产量、天敌和主要害虫的影响情况；巩雪峰等[17]发现，茶林间作使得茶叶品质有效提高；薛建辉等[18]在对纯作茶园和杉木-茶间作茶园的研究中发现，采用间作杉木的种植方式对于减少茶叶中4 种重金属的含量、改善茶叶品质具有显著作用；胡桂萍等[19]研究发现，乔木与茶树间作所营造的遮阴效果，可使影响茶叶产量的重要参数（如叶面积、平均干质量和光合产物的累积值等）均得到显著提高。但是，针对板栗-茶间作的茶园土壤化学性质和细菌丰富度的相关研究报道较少。为给栗-茶间作模式的推广提供科学依据，本研究对不同年代人工栽培板栗树下茶树根际土壤的化学性质、细菌丰富度进行了测定与分析，现将研究结果分析报道如下。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地位于云南省宜良县宝洪茶园，土壤类型为红棕壤。宝洪山海拔高度在1 000 m 以上，年均气温16 ℃，年日照时数为2 000 ～2 230 h，光能资源充足，年平均降水量为1 200 ～1 400 mm，适合茶树生长。宝洪茶园内的茶树种植于1965年，品种为宝洪茶，属小叶种茶，有性系；分别于1970、1980、1990年人工栽植了密度大致相同的板栗树。选取位于同一朝向、海拔极差为66 m 的4个样地，分别为宝洪纯作茶园（以下简称为“纯作茶园”）和分别于1970、1980、1990年人工栽植板栗树后的间作茶园（以下分别简称为“1970年间作茶园”“1980年间作茶园”“1990年间作茶园”），其编号依次为Ⅰ与Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。每个样地的长×宽均为10 m×10 m，其基本情况详见表1。

表1 不同样地的基本信息Table 1 Basic information of different sites

1.2 研究方法

1.2.1 土壤样品的采集

分别于2019年的3月与11月采集土壤样品（分别标记为春土和秋土）。在10 m × 10 m 的样方内，除掉茶园地面的杂物，去除地表3 cm 左右的浅土，沿着茶树根系取根际土样，每个样地的采样各设3 次重复，将所采土样装入灭菌密封袋中，并将相应信息标记清楚。将一部分土样置于4 ℃的温度条件下保存以备土壤细菌丰富度的测定之用，将另一部分土样经风干处理后用于土壤化学性质的测定之中。

1.2.2 土壤化学性质的检测

参照杨嘉麒等[20]采用的电位法与重铬酸钾-外加热法、碱解-扩散法、火焰光度法、碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法、醋酸铵-火焰光度计法分别测定土壤pH 值和有机质、水解性氮、全钾、有效磷、速效钾的含量；参照李德文等[21]采用的半微量凯氏定氮法、钼锑抗比色法分别测定全氮、全磷含量。

1.2.3 土壤细菌丰富度的测定

按照OMEGA 土壤试剂盒中说明的要求提取土壤细菌的DNA，利用核酸蛋白检测仪检测土样的DNA 浓度。采用NCBI 中的Primer-BLAST 在线引物设计程序设计引物F341（5′-CCTACGGGAGGCAGCAG-3′）和R518（5′-ATTACCGCGGCTGCTGG-3′），以用于土壤细菌丰度的荧光定量表达研究中，引物合成由上海生工生物公司完成。通过克隆土壤细菌基因后提取质粒，按照不同梯度分别稀释不同浓度的质粒，通过实时荧光定量得到循环阈值（Ct 值）并计算绝对定量，建立标准曲线（y=-2.876 4x+39.188 0，R2=0.996 9）。将各样本实时荧光定量分析得到的Ct 值代入标准曲线公式中，得出宝洪茶园春、秋季的土壤细菌丰富度。

PCR 扩增体系（25 µL）：2×Green Taq Master Mix 12 µL，前引物1 µL，后引物1 µL，cDNA 1 µL，ddH2O 10 µL。扩增参数：94 ℃下预变性7 min；94 ℃下变性30 s，72 ℃下退火30 s，35个循环；72 ℃下延伸1min。PCR 扩增程序结束后，将PCR产物置于4 ℃的冰箱中保存或吸取10 μL 进行质量检测。

qPCR 反应体系（25 µL）：2 × ChamQTMSYBR qPCR Master Mix 10 µL，前引物0.5 µL，后引物0.5 µL，50×ROX Reference Dye1 0.4 µL，cDNA 1µL，ddH2O 6.6 µL，共19 µL。qPCR 反应程序：95 ℃下预变性30 s；95 ℃下变性10 s，55 ℃下退火30 s，共40个循环；然后在95 ℃下变性15 s，降温至55 ℃退火1 min，升温至95 ℃下变性15 s，最后生成一个周期的溶解曲线。

1.3 数据处理

使用Excel 2010、Photoshop 2019 与SPSS 20.0软件进行数据的处理与分析和图表的制作。

2 结果与分析

2.1 间作茶园土壤化学性质的分析

土壤化学元素含量的检测结果如图1所示。图1显示，春、秋季茶园土壤的pH值为4.22～4.87。与纯作茶园相比，1980年间作茶园春季和各个年份间作茶园秋季的土壤有机质含量均有所提高；1980年间作茶园春季、1970年间作茶园秋季和1990年间作茶园秋季的土壤全氮含量均高于纯作茶园的；各个年份间作茶园春、秋季的土壤全磷含量均高于纯作茶园的；1970年间作茶园春季和各个年份间作茶园秋季的土壤全钾含量均高于纯作茶园的；1980年间作茶园春季、1990年间作茶园春季和1990年间作茶园秋季的水解性氮含量均有提高；土壤有效磷含量，仅有1990年间作茶园春季的含量下降，其余年份间作茶园春、秋季的含量均高于纯作茶园的；1980年间作茶园和1990年间作茶园春、秋季的土壤速效钾含量均高于纯作茶园的。可见，栗-茶园间作显著提高了春、秋季茶树根际土壤中全磷、全钾的含量，说明栗-茶间作系统在提高土壤肥力方面存在优势。

图1 不同茶园春、秋季土壤化学元素含量的检测结果Fig.1 Soil chemical elements of different tea orchards in spring and autumn

续图1Continuation of Fig.1

根据已有的国家标准《茶叶产地环境技术条件》（NY/T 853—2004）[22]，列出了与本研究相关的土壤化学元素的不同肥力等级的含量值（表2）。

表2 茶叶产地土壤肥力不同等级的含量标准Table 2 Content standards for different levels of soil fertility in tea producing areas

对照表2 可知，春季茶园中，纯作茶园的土壤样品中有2个化学元素的含量均达到了Ⅰ级水平；1970、1990年间作茶园的土壤样品中分别有3、2个化学元素的含量均达到了Ⅰ级水平；1980年间作茶园的土壤样品中已检测的7个化学元素的含量均达到了Ⅰ级水平，说明该茶园的土壤肥力最佳。秋季茶园中，纯作茶园的土壤样品中有3个化学元素的含量均达到了Ⅰ级水平，1970、1980、1990年间作茶园的土壤样品中分别有5、6、6个化学元素的含量均达到了Ⅰ级水平。综合来看，春、秋季茶园土壤中，间作茶园的土壤肥力更优于纯作茶园。

2.2 间作茶园土壤细菌丰富度的分析

不同茶园春、秋季土壤细菌丰富度指数的测定结果如图2所示。由图2 可知，春季茶园中，1980年间作茶园的土壤细菌丰富度指数比纯作茶园的高。秋季茶园中，1970、1980、1990年间作茶园的土壤细菌丰富度指数均高于纯作茶园的，其中1970年间作茶园的土壤细菌丰富度指数最高。秋季，间作茶园的土壤肥力与细菌丰富度指数均优于纯作茶园的；而春季，仅有1980年间作茶园的土壤肥力与细菌丰富度指数均显著优于纯作茶园的。其原因可能是，时至秋季，间作茶园中的板栗枯落物改善了土壤条件。

图2 不同茶园春、秋季土壤细菌丰富度指数的测定结果Fig.2 Determination results of soil bacterial richness index of different tea plantations in spring and autumn

2.3 间作茶园土壤各化学元素间的相关性分析

分别选取细菌丰富度较高的1980年间作茶园春季与1970年间作茶园秋季的土壤样品，对其各个化学元素含量之间的相关性进行分析，结果分别见表3 和表4。

表3 1980年间作茶园春季土壤各个化学元素含量间的皮尔森相关系数†Table 3 Pearson correlation coefficients of soil chemical elements in intercropping tea garden in spring 1980

表4 1970年间作茶园秋季土壤各个化学元素含量间的皮尔森相关系数†Table 4 Pearson correlation coefficients of soil chemical elements in intercropping tea garden in autumn 1980

由表3 可知，土壤pH 值与7个化学元素含量之间呈负相关或低相关，全钾与其他6个化学元素含量之间呈负相关或低相关，有机质与速效钾呈显著正相关（P＜0.05），水解性氮与速效钾呈显著正相关（P＜0.05），其他化学元素含量之间多呈正相关关系。水解性氮、有效磷、速效钾与多种化学元素含量之间的相关性均较高。这一分析结果表明，在1980年间作茶园中，春季的土壤肥力受到水解性氮、有效磷、速效钾的影响较大。

由表4 可知，土壤有机质与土壤各化学元素含量之间均呈负相关关系，全氮与全钾呈显著正相关（P＜0.05），全磷与水解性氮、有效磷均呈极显著正相关（P＜0.01），水解性氮与有效磷之间呈极显著正相关（P＜0.01），其他化学元素含量之间多呈正相关关系。全钾、水解性氮、有效磷与其他化学元素含量之间的相关性均较高。这一分析结果表明，在1970年间作茶园中，秋季的土壤肥力主要受到全钾、水解性氮、有效磷的影响。

3 讨论

大量研究结果都表明，间作能显著提高土壤化学元素含量，实现土壤养分资源的高效利用[23-25]。杨海滨等[26]在以纯作茶园为对照的研究中发现，林茶间作可以调节不同季节的光照、温度、湿度等，有效改善茶园的微气候；Zhu 等[27]研究发现，柿-茶间作生态系统中，茶树品质和土壤养分条件均优于纯作茶园的；王恒明等[28]在研究栗-茶间作对北方茶树生长及绿茶产量品质的影响情况时发现，栗-茶间作有效降低了茶园的光照强度，稳定了林间土壤温度，增加了空气湿度，提高了综合经济效益；张洁等[29]研究发现，栗-茶间作改善了土壤条件，优化了林分结构；王广铭等[30]的研究结果也表明，栗-茶间作茶园中土壤全磷、全钾等化学元素的含量均高于纯作茶园的。研究结果表明，栗-茶间作模式显著提高了茶树根际土壤全磷、全钾的含量，对照茶叶产地环境国家标准可知，栗-茶间作茶园的土壤肥力更优于纯作茶园的，表明采用栗-茶间作模式可以提高土壤肥力，因此，茶园内间作板栗对于改善土壤质量具有积极作用。

土壤养分含量影响着茶园土壤微生物的种群数量，土壤生态系统结构和功能的稳定性受到土壤微生物多样性的影响[31]。作为土壤微生物中的重要组成部分，细菌的群落组成和结构影响着土壤的可持续利用[32]。韩文炎等[33]的研究结果表明，土壤条件、茶园管理办法和茶树种植年限对土壤细菌丰富度的影响极大。研究中发现，1980年间作茶园春季土壤的细菌丰富度高于纯作茶园的，1970、1980、1990年间作茶园秋季的土壤细菌丰富度均高于纯作茶园的。可见，土壤细菌丰富度在受到间作模式影响的同时，还因季节不同而产生差异。研究中还发现，板栗与茶树间作模式的应用已有30 ～50年的历史，由于板栗树是落叶乔木，每年都有大量的枯枝落叶归还至土壤中，对于间作茶园来说，这些枯枝落叶经过长期缓慢的腐化就形成了一层厚厚的覆盖物，同时形成了土壤腐殖质，这些覆盖物与腐殖质可以改善土壤养分状况，增加土壤细菌丰富度指数。

至今为止，已有很多学者对土壤肥力问题进行了研究。间作能使土壤肥力得到极大改善，尤其是土壤中有机质、氮、磷等化学元素的含量，与纯作模式的相比，都有所提高[3,34]。Pearson 相关性分析结果显示，栗-茶间作茶园中土壤水解性氮、有效磷、速效钾与其他化学元素之间的相关性均较大，表明间作茶园土壤化学性质主要受到水解性氮、有效磷、速效钾的影响。施肥是快速提高土壤养分的重要手段，具有改善土壤理化性质、增强土壤肥力的作用[35]，氮、磷、钾肥的合理施用对茶树根系发育和养分吸收至关重要[36]。结合研究结果分析可知，在栗-茶间作茶园管理中，应注意水解性氮、有效磷、速效钾的合理施用。