大叶茶[
Camellia sinensis(L.)Kuntzevar. assamica(Hook.)Steenis,大叶种、普洱茶]是山茶科(
Theaceae)山茶属(
CamelliaL.)植物
[1],作为叶用栽培作物,为满足茶树秋、冬季根系活动和次年春茶物质基础提供,必须对茶树施加基肥和定时需水补给。在茶园管理过程中,为获得高产高质的茶叶,普遍采取的农艺措施都是科学合理的水肥调控,以此最大限度发挥施肥效应、改良土壤、提高土壤肥力,从而满足茶树生育需要。然而茶农长期的经验性施肥,从茶园施加基肥开始就出现水肥过量、水肥利用效率低等问题,从而降低了茶园的生产收益。基肥施加量不当不仅无法满足幼龄茶苗的生长,过量施肥还会造成土壤养分不平衡、土壤酸化土壤面源污染
[2-3],而高灌水量会增加养分淋失,降低土壤养分含量
[4]。合理的基肥施用和灌水可通过提高土壤酶活性促进养分释放
[5],从而提高土壤肥力,对茶园提质增产具有重要意义。
基肥连续施用3年增加了土壤有机质和氮、磷、钾和镁等营养元素含量
[5],连续5年施配有机肥和磷肥作为一次性基肥改良了土壤酸度和升高了有机质含量
[6]。李昌娟等
[7]研究认为与不施加基肥相比,生物炭基肥显著提升了茶园土壤速效养分含量;李俊强等
[8]、吴志丹等
[9]认为与不施肥相比,施肥提高了茶园土壤的基本肥力状况;土壤水分和养分含量是植株生长的基础,在栽培管理过程中合理的水肥管理措施能显著促进植株生长
[10],而增加有机肥不仅可以增强土壤中C、N、P、K含量以及土壤酶的活性,还能改良土壤肥力和理化性质
[11];在水分亏缺方面,有研究认为不同水分亏缺处理下,土壤收获后速效氮、速效磷、速效钾含量差异显著,轻中度水分亏缺有利于土壤速效磷和速效钾的吸收利用
[12];在研究不同土壤肥力梯度下酶活性对水分变化的响应中发现,土壤肥力缓冲了水分对酶活性的负面影响,肥力较高的土壤对水分变化的响应较低肥力的土壤稳定
[13]。
上述研究可以看出,已有的研究主要集中在针对不同施肥模式和施肥量对土壤酶和土壤肥力的影响的研究,由于幼龄茶树水肥调控与成龄茶树在水肥管理上存在一定差异,不能完全照搬成年茶树栽培管理经验进行幼龄茶树的水肥管理,且针对幼龄茶树基肥施用量和灌水对土壤酶和速效养分及有机质含量影响的研究还较少。本研究通过采用设定灌水量和施肥量梯度的交互处理方式,测定幼龄茶树土壤的蔗糖酶、过氧化氢酶、速效钾、碱解氮、有效磷、有机质化学性质和地上部分指标的变化,旨在为明确幼龄茶树的最佳基肥施用量和灌水量提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验地及试验材料
试验于2021年8月-2022年3月间在西南林业大学温室大棚内进行。当地日照时间长,霜期较短,年平均气温15 ℃。供试品种为一年生云南临沧冰岛大叶种茶树苗,平均株高30.6 cm,平均地径0.32 cm,平均叶片数7片。供试基肥为滇乐思福牌有机肥(有机质≥45%,养分N+P2O5+ K2O≥5%)。供试土壤为红壤土,基本肥力状况为有机质17.43 g·kg-1、碱解氮19.72 mg·kg-1、速效磷17.85 mg·kg-1、速效钾99.23 mg·kg-1、pH值5.56;盆栽花盆统一规格(上口径25 cm、底径 18 cm、高17 cm)。
1.2 试验设计
2021年8月25日在西南林业大学温室大棚内将有机肥与供试土壤搅拌混合均匀,把长势较为一致的茶树苗移栽至花盆,每盆移栽1株茶树苗,保持所有盆重4.0 kg。在移栽后进行统一水量的充分灌水,后期按照每7 d进行1次灌水,待缓苗期过后选取长势较为一致的茶树植株作为供试苗,1个月后进行数据采集。试验为有机肥和灌水量2因素交互盆栽试验,共20个处理,进行3次生物学重复,总共设置60个试验样本。按照幼龄茶树每年基肥施入量为有机肥6.67 kg·hm-1,有机肥设置C0(0 kg·hm-1,即0 kg·盆-1)、C1(3.3 kg·hm-1,即 0.05 kg·盆-1)、C2(6.67 kg·hm-1,即0.1 kg·盆-1)、C3(10 kg·hm-1,即0.15 kg·盆-1)4个处理;按照茶树年总需水量200 mm,即9.8 kg·盆-1,灌水处理设置5个梯度:W1(0.09 kg·盆-1)、W2(0.14 kg·盆-1)、W3(0.19 kg·盆-1)、W4(0.24 kg·盆-1)、W5(0.29 kg·盆-1)。
1.3 测定方法及项目
(1)采样方法:土样采集时间严格与采茶周期保持一致,在秋茶、冬茶、春茶期间完成数据采集,每次取样后将备用土等质量回填整平。第1次供试土壤取样时间为2021年9月25日(记为0 d),2021年12月13日(记为80 d)进行第2次供试土壤取样,2022年3月3日(记为160 d)进行第3次供试土壤取样。
(2)2021年9月25日,记录叶片数和分枝数,利用游标卡尺测定距离盆栽土层10 cm处的地径参数,并用皮尺测量土层表面至茶树苗芽顶的直线距离。每次取土样时重复测定上述指标。
(3)采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶的活性,采用高锰酸钾滴定法测定土壤过氧化氢酶活性。
(4)火焰光度法测定速效钾含量,碱解扩散法测定碱解氮含量,钼酸铵-钼锑抗分光光度法测定土壤中的有效磷含量,重铬酸钾容量法测定有机质含量。
1.4 统计分析
本试验用Excel 2019处理原始数据,制作图表,采用Spss 22.0软件进行各指标间相关性分析和通径分析,和不同处理间的差异显著性分析,不同施肥灌水处理之间采用双因素方差分析。
2 结果与分析
2.1 水肥调控对茶树土壤酶活性的影响
如
图1所示,0 d时相较于无基肥组,蔗糖酶活性在C2最高,增幅达12%,过氧化氢酶活性在C3最高,增幅达82%;冬、春季时的C2W3处理下蔗糖酶活性均最高,在相同灌水下过氧化氢酶活性随着施肥量的增加而增加,并在C3W4水肥处理下过氧化氢酶活性最高;在同一基肥量下,土壤酶活性呈现出单峰曲线趋势,即随着灌水量的增加先升高到峰值后又下降。
2.2 水肥调控对茶树土壤养分的影响
由
表1、
表2可见,相较于无基肥组,0 d时其余施肥组均显著提高土壤速效养分及有机质的含量,且在C3处理下达到最大值;80 d时C2W4处理下速效钾、碱解氮、有效磷、有机质含量最高,分别为122.31、33.95、43.35、19.59 mg·kg
-1;160 d时,C2W4处理下速效钾含量最大为115.24 mg·kg
-1,C3W2处理下碱解氮含量最大为29.5 mg·kg
-1,C3W3处理下有效磷含量最大为34.43 mg·kg
-1,有机质含量最大为22.56 mg·kg
-1。双因素方差分析表明,水肥调控下对土壤养分含量有极显著影响,且水肥交互作用下对土壤养分影响显著;施肥量与灌水量相比,施肥量对土壤养分的影响更显著(
表3)。
2.3 茶树土壤酶与土壤养分的关系分析
前人研究表明,土壤酶是衡量土壤肥力的一项重要指标,土壤酶活性与土壤养分密切相关,反映土壤养分转化的强弱,表征土壤肥力
[14]。而土壤酶易受土壤养分的影响,对土壤中变化非常敏感,常作为反映土壤养分高低的指标
[15]。通过探讨茶树土壤酶活性与土壤养分水平的关系,将其作为土壤肥力指标具有可行性。但简单相关性分析存在多变量中重叠信息的交叉影响的结果,因此采用偏相关系数能更准确、真实地反映变量之间的相关关系。
2.3.1 水肥调控对茶树土壤酶与土壤养分间的相关性
由
表4、
表5可见,80 d时土壤蔗糖酶与土壤速效钾、碱解氮、有效磷及有机质之间均呈显著正相关(
P<0.01);过氧化氢酶与碱解氮、有机质呈极显著正相关(
P<0.01),与有效磷显著正相关(
P<0.05),与速效钾相关不显著;160 d时土壤蔗糖酶与土壤速效钾、有效磷呈极显著正相关(
P<0.01),与碱解氮显著正相关(
P<0.05),与有机质相关不显著;过氧化氢酶与速效钾、碱解氮、有效磷、有机质均呈显著正相关(
P<0.01);2个不同时期蔗糖酶与过氧化氢酶均相关不显著,速效养分之间均存在显著相关关系。
2.3.2 通径分析
通径分析结果显示(
表6、
表7),80 d时土壤速效钾和碱解氮对土壤蔗糖酶活性的直接通径系数较大,分别是0.565、0.336,且都有直接正效应,通过有效磷和有机质对蔗糖酶活性的间接通径系数较大,可见土壤有效磷和有机质对蔗糖酶的影响主要体现在间接影响上;土壤速效钾、碱解氮和有机质对过氧化氢酶活性有较强的负效应和正效应,说明土壤速效钾、碱解氮和有机质的直接作用是影响过氧化氢酶活性变化的主要方式。160 d时土壤各因子对蔗糖酶活性影响(按绝对值大小)的大小顺序为:速效钾(1.060)>碱解氮(-0.551)>有效磷(0.367)>有机质(-0.270);土壤各因子对过氧化氢酶活性影响(按绝对值大小)的大小顺序为:碱解氮(1.457)>速效钾(-0.642)>有效磷(-0.1)>有机质(-0.017)。
2.4 水肥调控对茶树生长的影响
由
表8可知,相较于0 d,160 d时的茶树苗在株高、地径增长量,着叶数和茶树分枝增加量方面均有提高。株高增长量在C2W4处理下茶树增长量、地径增长量最高,C3W4处理下着叶数增加量最大。通过双因方差分析可知,株高增长量和地径增长量在单一施肥、单一增水和水肥共同作用下均呈显著增加,着叶数仅在单一施肥处理下呈显著增加,分枝增加数则在单一增水处理下呈显著增加。
3 讨论
在实际水肥管理中,水肥施用量并不与土壤肥力呈现线性增加,长期使用高水分施肥以及不适当的水和养分管理会导致水和养分利用效率低
[16]。冬季大棚内的茶树苗,地上部分虽逐渐停止生长但根系生长异常活跃,土壤中仍残留着基肥的反应底物和有效基质,因施肥增强的土壤基础呼吸和已形成的微生物群落结构,以及在酶促作用的产物和微生物活动的共同作用下土壤酶活性出现了一定的上升。与陈思静等
[17]和Gao等
[18]研究结果一致,认为在不同水肥处理下,随着灌水量的增加,土壤过氧化氢酶活性得到显著提高;当在相同灌溉水平下,增加施肥量促进了土壤酶活性的增加,而过高的水肥比会降低酶活性
[19]。还有前人研究认为,冬季的低温使喜热微生物死亡,死亡生物细胞破裂释放出营养物质,供低温下幸存微生物吸收利用,从而提高了酶活性
[20]。而过氧化氢酶具有低温适应性,冬季维持的过氧化氢酶活性能为土壤有机物质的合成与转化提供有利条件
[21],基肥肥效使得过氧化氢酶随着施肥量的增加而活性增强。春季时地上部分长势增强,养分转化能力、茶树根际土壤微生物活动增强,促进土壤微生物不断分泌酶
[22],从而影响植物根系的生长发育。
土壤水分和养分是作物生长必不可少的需求,二者相互作用,相互制约
[23],所以在农艺措施中,肥料被用来增加土壤养分的积累,以提高土壤向作物提供养分的能力
[24]。在同一基肥量的不同灌水处理下,随着灌水量的增加呈现先升高后降低的趋势,可能是灌水量的增加促进了速效养分的溶解和水分迁移,以及速效养分被茶树根系的吸收。之后,随着灌水的增加土壤水分对速效养分的淋溶加剧,灌水水平过高会导致速效养分及有机质的吸收减少。同一灌水量的不同施肥量处理下,随着施肥量的增加速效养分呈“几字形”变化规律。这和唐海龙等
[25]研究结论一致,说明水分过高或过低会改变土壤环境,改变水分对土壤养分运移和根系吸收能力,对土壤微生物产生胁迫。在水肥交互作用下,不同时期的各速效养分因子间的差异性依然显著。所有灌水和施肥都呈现出交互显著性,这也和张婵婵等
[26]关于人工灌溉施肥等因素的影响对土壤中速效养分含量具有明显的特征的结果相似。冬季时,速效钾和有效磷在不同施肥量下发生显著变化,随着茶树越冬结束后,施肥量、灌水量和水肥交互作用均对速效钾含量影响最密切,水肥交互作用对有效磷含量也影响密切。可能是随着气温的回升和越冬期结束,茶树光合作用能力加强,钾可提高茶树的光合作用和抗逆能力
[27],并促进茶树根系生长,从而对土壤速效钾的影响最为显著。另外,前人研究认为土壤水分条件显著影响养分的吸收、淋失和流失
[28],所以在水肥交互作用下,肥料在土壤水分中进行迁移,进而保持速效养分稳定释放,从而提高土壤中的速效养分及有机质含量。
通过相关性分析和通径分析表明,水肥调控下土壤蔗糖酶、过氧化氢酶的活性与土壤养分含量存在密切的相关性。不同季节下土壤酶与速效钾、碱解氮、有效磷都呈现显著相关性,这说明土壤酶类相互协作可提高土壤养分
[29],不同时期土壤酶和速效养分积极参与有机质转化分解的过程
[30]。前人研究认为,土壤肥力中的养分、酶活性等条件能相互影响,彼此促进或制约,所以土壤肥力的改善是多方面原因作用的结果
[31]。速效钾和碱解氮是促进茶树根系生长、提高光合效率的元素,在冬季时二者对土壤蔗糖酶活性都有直接显著影响;有效磷和有机质对蔗糖酶活性也会产生影响,但由于有机质的累积和分解是一个缓慢的过程,有效磷与有机质密切相关,所以有效磷和有机质对蔗糖酶活性的影响主要通过速效钾对蔗糖酶的影响;土壤速效钾对过氧化氢酶活性虽然具有强烈的负效应,但是此时速效钾的间接正效应也异常强烈,将速效钾的直接负效应中和,说明冬季时土壤中累积的碱解氮和有机质的含量对过氧化氢酶活性有显著影响。春季时,蔗糖酶活性增强主要原因是速效钾和有效磷促进茶树器官的生长发育和增强了茶树的呼吸作用,酶促反应加强;碱解氮是影响过氧化氢酶的直接因素,速效钾的含量影响其它速效养分和有机质含量共同促进过氧化氢酶的活性,这与王静等
[32]研究结果类似。
本研究发现茶树株高和株茎会随着增水和增肥的梯度而增加,可能是由于水分和肥料是影响土壤质量的重要因素,合理的施肥和灌水可以增强土壤肥力,为株高和株茎的生长发育提供可吸收和利用的有效养分。付晓凤等
[33],王宁等
[34]分别在对扁桃幼苗和油茶施肥试验中也呈现了相似的结果。而着叶数和分枝增加量分别仅在增肥和增水的处理下显著生长,是因为植物的生长过程中受光照、降水、温度和土壤肥力等多种因素的影响,在适宜的环境下植被吸收养分的能力增强,施肥可以有效促进着叶数的增长。而水分可能为分枝增加量的限制因子,在充足的水分下,分枝可以有效吸收土壤当中的养分进而得到有效增长。
4 结论
通过对不同时期的水肥调控对土壤酶和土壤养分的影响进行分析,本研究认为:
茶树在每盆0.1 kg基肥和190 mL灌水处理下蔗糖酶活性最高,在每盆0.15 kg基肥和240 mL处理下过氧化氢酶活性最高。冬季每盆0.1 kg基肥和240 mL灌水处理下速效钾、碱解氮、有效磷、有机质含量最大;春季除速效钾在0.1 kg·盆-1基肥处理下含量最大外,其余速效养分以及有机质均在0.15 kg·盆-1基肥处理下含量最大。速效钾、碱解氮同为影响冬春季蔗糖酶和过氧化氢酶活性的主导因子,而冬季过氧化氢酶活性受有机质直接作用影响,到春季蔗糖酶活性受有效磷直接作用影响。速效钾通过影响其它速效养分及有机质含量,多个因素共同影响不同季节蔗糖酶和过氧化氢酶活性。0.1 kg·盆-1基肥处理和240 mL·盆-1灌水处理时茶树株高、地径增长量达到最高,着叶增加数在0.15 kg·盆-1基肥处理时达到最大,分枝增加数在190 mL·盆-1灌水处理时达到最大。