林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴鑸@對土壤理化性質(zhì)的影響

陳玉真，王 峰，吳志丹，張文錦，尤志明*，邱陳華

(1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，福建 福安 355015；2.福建茶樹及烏龍茶加工科學(xué)觀測站，福建 福安 355015)

土壤是茶樹種植的主要載體，也是連接茶樹根際與微生物的媒介因子，良好的茶園土壤環(huán)境是實(shí)現(xiàn)茶葉可持續(xù)發(fā)展的基本條件。土壤理化性質(zhì)是土壤的固有屬性，對土壤的通氣透水、養(yǎng)分的保持轉(zhuǎn)化、微生物代謝、植物生長及根系定值等方面起著重要的作用[1-4]。土壤物理性狀的好壞與植被類型的改變密切相關(guān)，不同植被的凋落物和根系分泌物中有機(jī)物的質(zhì)量差異可影響土壤微生物的群落組成[5-7]，從而影響土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)；同時(shí)，林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾?，高?qiáng)度持續(xù)栽培管理措施(施肥、翻耕、除草及噴藥等)使得土壤理化性質(zhì)和微生物活性發(fā)生明顯變化[8-9]。茶園是我國亞熱帶丘陵山區(qū)重要的土地利用類型，且大多由撂荒地或林地開墾而成。福建屬于多山丘陵地區(qū)，據(jù)統(tǒng)計(jì)福建省茶園面積已達(dá)24.3 hm2(截至2017年底)，毛茶產(chǎn)量和產(chǎn)值均居全國第一位[10]，茶產(chǎn)業(yè)一直都是福建省農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的增長點(diǎn)。在未經(jīng)擾動的自然林地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤理化性質(zhì)的變化主要取決于成土母質(zhì)、水熱條件、地形和微生物活性等因素，養(yǎng)分的輸入和輸出存在著動態(tài)平衡，土壤理化性質(zhì)常可以保持相對水平。林地開墾為茶園后，地上部分覆蓋度、凋落物數(shù)量和質(zhì)量、地表枯落物的現(xiàn)存量及植物根系分布等均發(fā)生明顯變化，改變了物質(zhì)的輸入和輸出及微生物的活性，因而長期的茶葉種植中過程中土壤的理化性狀會發(fā)生不同程度的變化[11-13]。然而，由于林地轉(zhuǎn)變前后的土壤類型、植被類型及耕作管理模式的不同，導(dǎo)致改制后土壤理化性狀的演變趨勢產(chǎn)生巨大差異，因而不同地區(qū)的演變趨勢可能有所不同。在此背景下，本研究以茶園周邊未開墾灌木林地土壤為對照，分析丘陵地區(qū)林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴鑸@(新墾3年茶園和植茶30年茶園)對土壤理化性狀的影響，以期為山區(qū)茶園制定合理栽培措施和茶葉可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣地概況

采樣地分別位于福建省周寧縣瑪坑鄉(xiāng)綠立茶業(yè)有限公司(119°24′E，26°59′N)和政和縣澄源鄉(xiāng)福建云根茶業(yè)有限公司(119°16′E，27.32′N)茶葉種植基地，均屬于典型的中亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，氣候溫和，雨量充沛?；貎?nèi)茶園多由林地開墾而來，等高線種植，屬于典型的丘陵山地茶園，基地茶園管理方式基本一致，施肥以撒施復(fù)合肥和尿素為主。

1.2 土壤樣品采集與處理

為研究林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴鑸@后土壤理化性質(zhì)的變化，分別在兩個(gè)茶葉種植基地內(nèi)設(shè)置了3個(gè)樣地。周寧茶葉種植基地內(nèi)包括：林地(優(yōu)勢樹種為馬尾松和其它灌木類)、新墾3年茶園(茶樹品種為梅占)、植茶30年茶園(茶樹品種為福云六號)，土壤類型為紅壤，成土母質(zhì)為花崗巖；政和種植基地內(nèi)包括：林地(優(yōu)勢樹種為杉木和其它灌木類)、新墾3年茶園(茶樹品種為金觀音、金牡丹和春蘭)、植茶30年茶園(茶樹品種為政和大白)，土壤類型為紅壤，成土母質(zhì)為花崗巖。每個(gè)樣地中選擇3個(gè)典型樣方，根據(jù)土壤剖面性質(zhì)，分0～20 cm和20～40 cm兩個(gè)土層以多點(diǎn)取樣法進(jìn)行取樣，每個(gè)樣品取5個(gè)點(diǎn)，取樣點(diǎn)由茶行中線1個(gè)、兩邊樹幅滴水線各2個(gè)，混合后為一個(gè)土壤樣品，采樣地點(diǎn)均為陽坡種植面。每種樣地取 6 個(gè)樣品(0～20 cm和20～40 cm各3個(gè))，裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室。同時(shí)，每個(gè)樣地用環(huán)刀(體積為100 cm3)采集原狀土樣品，用于測定土壤容重和田間持水量。

1.3 測定方法

土壤理化性狀測定采用《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[14]進(jìn)行：采用環(huán)刀法測定土壤容重、田間持水量、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度；重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量；采用堿擴(kuò)散法測定土壤堿解氮；土壤速效磷和速效鉀用M3浸提劑浸提后，分別用鉬銻抗比色法和火焰光度法；交換性鈣采用EDTA絡(luò)合滴定法；有效鐵采用DTPA浸提，浸提液用原子吸收法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

文中所有數(shù)據(jù)采用SPSS 16.0和Excel 2003軟件進(jìn)行整理分析，利用SPSS16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素和多因素方差分析，表格和圖制作采用Excel 2003軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴鑸@對土壤水分和三相比的影響

從表1可以看出，不同樣地和土層間土壤水分和三相比存在明顯差異。在0～20 cm土層，兩個(gè)地點(diǎn)土壤田間持水量和土壤液相均表現(xiàn)為林地>植茶30年茶園>新墾3年茶園；與林地相比，植茶后土壤田間持水量和土壤液相分別下降了9.75%～48.74%和7.57%～39.76%，其中周寧點(diǎn)茶園土壤田間持水量和土壤液相均顯著降低(P<0.05)，而政和點(diǎn)林地和植茶30年茶園之間差異不顯著(P>0.05)。各樣地土壤氣相比例為26.11%～34.84%，不同樣地之間土壤氣相變化趨勢略有不同，周寧點(diǎn)林地和茶園土壤之間差異不顯著；而政和點(diǎn)以新墾3年土壤氣相比例最高，顯著高于林地和植茶30年茶園。土壤固相的比例均表現(xiàn)為新墾3年茶園>植茶30年茶園>林地，周寧點(diǎn)林地土壤固相顯著低于植茶土壤(P<0.05)。在20～40 cm土層內(nèi)，各樣地土壤水分和三相比的變化趨勢與0～20 cm土層基本一致。三因素方差分析結(jié)果表明，樣點(diǎn)、土層深度和樣地類型對田間持水量、土壤液相和土壤固相的影響均達(dá)到顯著或極顯著水平，且樣地類型對土壤水分和三相比的影響要大于樣點(diǎn)和土層深度；樣地類型分別與土層深度和樣點(diǎn)的雙因子交互作用、及三因子交互作用均不顯著。

表1 各樣地土壤水分、三相比特征

注：表中小寫字母表示同一土層不同樣地之間差異顯著性，p<0.05。

表2 樣地、土層深度和樣地類型(3因子)對土壤水分和三相比影響的方差分析

注：**表示P<0.01，*表示P<0.05，下同。

2.2 林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴鑸@對土壤容重和孔隙度的影響

土壤容重是衡量土壤物理環(huán)境的重要指標(biāo)之一，直接影響土壤孔隙度與孔隙大小的分配、作物根系穿透阻力及水肥供應(yīng)等因素，同時(shí)也影響著土壤微生物的活性[15]。由表3可知，不同地點(diǎn)土壤容重和孔隙度存在差異，政和點(diǎn)各樣地土壤容重均高于周寧點(diǎn)。在0～20 cm土層，兩個(gè)樣點(diǎn)均以新墾3年茶園土壤容重最大，林地土壤容重最?。粌蓚€(gè)樣點(diǎn)土壤總孔隙度分別為54.87%～65.41%(周寧點(diǎn))和53.76%～59.90%(政和點(diǎn))，均以林地土壤總孔隙度最大，植茶30年土壤次之，新墾3年茶園土壤最低；各樣點(diǎn)間土壤毛管孔隙度均表現(xiàn)為林地>植茶30年茶園>新墾3年茶園；政和點(diǎn)土壤非毛管孔隙度均以新墾3年茶園土壤最大，林地和植茶30年茶園土壤之間差異不顯著?？傮w來說，土壤容重、土壤總孔隙度和毛管孔隙度均是20～40 cm土層高于0～20 cm土層，非毛管孔隙度則變化不明顯。

三因素方差分析表明，樣點(diǎn)、土層深度和樣地類型對土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度影響均達(dá)到顯著或極顯著水平(樣點(diǎn)對土壤容重的影響除外)，且樣地類型的F值要大于樣點(diǎn)和土層深度(土壤容重除外)；樣點(diǎn)和樣地類型的交互作用對土壤總孔隙度和非毛管孔隙度影響顯著；樣點(diǎn)、土層深度和樣地類型三者的交互作用對土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度影響顯著。

表3 各樣地土壤容重和孔隙度特征

表4 樣地、土層深度和處理(3因子)對土壤容重和孔隙度影響的方差分析

2.3 林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴鑸@對土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分是提供的植物生長發(fā)育所必須的營養(yǎng)元素，其含量受土壤母質(zhì)、氣候條件、植被類型、耕作措施和時(shí)間等因素的影響，具有高度的空間變異性[16-17]。由表3不同地點(diǎn)土壤養(yǎng)分特征可知，在0～20 cm土層，除了交換性鈣和有效鐵外，周寧點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀均高于政和點(diǎn)；林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴鑸@后，土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量顯著降低(P<0.05)，隨著植茶年限增加，土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量明顯提高；與林地土壤相比，兩個(gè)樣地的新墾3年茶園土壤堿解氮和有效鐵含量均顯著降低(P<0.05)，隨著植茶年限增加，植茶30年茶園土壤堿解氮和有效鐵含量分別顯著增加了40.52%～53.84%和22.97%～228.06%；與林地土壤相比，茶園土壤有效磷含量均顯著增加，且隨著植茶年限增長而增加；林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴鑸@土壤后，土壤pH均明顯降低，且隨著植茶年限增加土壤酸化加??；各樣地間土壤交換性鈣含量變化不明顯?？傮w而言，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀和有效鐵含量均是0～20 cm土層大于20～40 cm土層。

三因素方差分析結(jié)果表明，土壤堿解氮、速效磷和有效鐵均受樣點(diǎn)、土層深度和樣地類型及其交互作用的影響；土壤有機(jī)質(zhì)受土層深度和樣地類型的極顯著影響，且三者的交互作用影響土壤有機(jī)質(zhì)；土壤交換性鈣受土層深度和樣地類型的顯著影響；速效鉀受樣點(diǎn)、土層深度和樣地類型及其交互作用的影響不顯著；土壤pH僅受到樣地類型的顯著影響；總體而言，樣地類型對土壤養(yǎng)分的影響要大于土層深度和樣點(diǎn)。

3 結(jié)論與討論

福建素有“八山一水一分田”之稱，山地丘陵資源約占全省總面積的80%，大面積的丘陵山地被開墾為茶園，順坡種植、超坡度開墾、清耕作業(yè)和栽培管理等措施大幅改變了自然土壤的理化性質(zhì)，尤其是覆蓋程度低的新墾茶園和陡坡茶園(坡度>25o)。本研究表明，與相鄰的林地土壤相比，

表5 各樣地土壤養(yǎng)分狀況

表6 樣地、土層深度和處理(3因子)對土壤養(yǎng)分的方差分析

植茶后土壤水分和物理性狀均明顯下降，尤其是新墾3年茶園，隨著植茶年限的增加，茶園土壤物理狀況得到改善，田間持水量明顯增加，這與林紹霞等[18]、何燕等[19]研究結(jié)果基本一致。林地土壤物理性狀比茶園要好，究其原因可能是由于林地生態(tài)系統(tǒng)中的植物根系龐大，根系在土壤中的穿插和扎深，有效促進(jìn)了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，同時(shí)豐富的根系結(jié)構(gòu)意味著大量分泌物的生成，而這些分泌物也對土壤團(tuán)聚體的形成有一定促進(jìn)作用[20-21]，從而其土壤物理性狀較好；同時(shí)，林地因其具有良好的植被群落結(jié)構(gòu)和凋落物層，具有較好的保水功能，因而其田間持水量較高。再者，林地開墾為茶園后，建園初期均需使用機(jī)械進(jìn)行挖溝和梯壁建設(shè)，整地措施使得土壤結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，表現(xiàn)為土壤孔隙度和田間持水量下降(表1和表3)；茶園日常耕作過程中踩踏易造成土壤板結(jié)，導(dǎo)致茶園土壤容重顯著增加，土壤緊實(shí)粘重，導(dǎo)致土壤總孔隙度和毛管孔隙度明顯降低；同時(shí)，茶園建園初期園面覆蓋度低，極易遭受暴雨直接沖刷，導(dǎo)致土體表面開裂和有機(jī)質(zhì)流失嚴(yán)重，進(jìn)一步破壞了土壤物理性狀。隨著植茶年限的增加，受施肥、耕作及茶樹根系分泌物的影響[22]，植茶30年茶園土壤容重下降，土壤總孔隙度和田間持水量均有所增加(表1和表3)，土壤物理性狀逐漸恢復(fù)；成齡茶園封行后，大量的凋落物(修剪枝條和老葉)歸還于土壤中分解轉(zhuǎn)化，可及時(shí)補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)的消耗，使得土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)得到恢復(fù)，土壤物理性狀得到改善。

林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴鑸@后，由于改植前后的植被類型和耕作管理模式(施肥、除草及農(nóng)藥等)的不同導(dǎo)致改制后土壤肥力質(zhì)量的演變趨勢產(chǎn)生巨大差異。本研究中，林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴鑸@后，土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量顯著降低(P<0.05)，其原因在于茶園土壤翻耕加速了有機(jī)質(zhì)分解和速效鉀的淋失，尤其是新墾茶園；同時(shí)，隨著植茶年限增加，土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量明顯增加，這與茶園土壤施肥措施和有機(jī)物(凋落物和修剪枝條)還園有關(guān)。與林地土壤相比，兩個(gè)樣地的新墾3年茶園土壤堿解氮和有效鐵含量均顯著降低(P<0.05)，相反植茶30年的成齡茶園土壤0～20 cm堿解氮和有效鐵含量分別顯著增加了40.52%～53.84%和22.97%～228.06%，這與茶園速效氮肥的大量施用有關(guān)。林地土壤植茶后，由于茶樹根系分泌有機(jī)酸和聚鋁特性，使得茶園土壤不斷酸化，pH值明顯降低，這與以往的研究結(jié)果基本一致[23-24]。低pH環(huán)境條件下促進(jìn)不溶性鐵向可溶性鐵轉(zhuǎn)換，從而提高土壤有效鐵含量。另外，茶園土壤有效磷含量均顯著高于林地土壤，且隨著植茶年限增長而增加，這與茶農(nóng)施用磷肥有關(guān)，也符合當(dāng)前茶園土壤磷素盈余的現(xiàn)狀[25]。

樣點(diǎn)、土層深度及樣地類型的三因素方差分析表明，樣地類型對土壤理化性質(zhì)均有顯著影響(土壤氣相除外)，樣地類型的F值明顯大于樣點(diǎn)和土層深度，這說明林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴鑸@對土壤理化性質(zhì)的影響要遠(yuǎn)大于樣點(diǎn)和土層深度。土壤堿解氮、速效磷和有效鐵均受樣點(diǎn)、土層深度和樣地類型及其交互作用的影響，說明三者主要茶園土壤耕作措施的影響?？傮w而言，林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴鑸@后，土壤酸化加劇，大多數(shù)土壤理化性質(zhì)均有一定程度的下降，隨著植茶年限增加，土壤理化性質(zhì)得到逐步恢復(fù)，化肥的大量施用導(dǎo)致土壤堿解氮和速效磷大量盈余。