余红兵，张树楠，肖润林＊，杨知建，刘锋，魏甲斌

（1.湖南城市学院建筑与城市规划学院 湖南 益阳413000；2.中国科学院亚热带农业生态研究所，湖南 长沙410125；3.湖南农业大学农学院，湖南 长沙410128）

近年来，利用水生植物拦截沟渠中的氮磷也成为防治湖泊富营养化的有效途径之一。一方面，水生植物在沟渠系统中发挥着重要的去污作用，可通过水生植物其自身的生长以及人工收割植物的方式对水质产生良好的净化效果，氮、磷等元素主要通过水生植物的人工收割来去除。另一方面，因水生植物的旺盛生长，其庞大的生物量到秋季因植物残体的分解，会释放出大量的有机质和营养盐，如不及时移除，会重新污染水体［1］。因此水生植物的收获及处置利用问题成为沟渠湿地应用和管理中不可忽视的问题。而目前，研究主要集中在水生植物的吸收净化效果上，而大量的植株残体处置利用问题成为沟渠湿地管理中亟待解决的难题。研究表明，植物刈割对植物的补偿生长有重要的影响，同时，合适的收割措施既能转移出植物中的营养物质，又能提高底泥氮、磷的去除率［1－2］。

水生植物资源丰富，在制备肥料、生产饲料、食用或药用、做能源燃料等方面具有一些用途，若水生植物能通过资源化利用而产生经济价值，将对利用沟渠湿地水生植物净化污水产生更大的促进作用。但目前，对收获后的水生植物除了某些可以作为水生蔬菜外，如水芹菜等，大多未被充分利用，大量的长期堆放不仅会引起新的二次污染，也是一种资源的浪费，因此选择其处置方法，实现水生植物的减量化和资源化显得非常重要［3］。且水生植物的资源化利用及其经济效益等方面的研究报道甚少，因此，本研究对收割后的水生植物覆盖茶园的生态效益和经济效益等方面展开了研究，以期为植物资源化利用提供科学的理论依据。本试验的研究区域为亚热带丘陵区，茶园面积达6.67×104hm2以上；但该地区季节性高温和干旱严重，土壤以含氮量低、有机质少的红壤为主，杂草丛生，给茶树生产带来了极大的危害［4－5］。通过生态调控措施来实现茶叶安全高效生产，是目前大家所关注的问题。彭晚霞等［6］用稻草覆盖对改良茶园土壤、控制杂草生长和改善茶叶品质、增加产量有显著效果。水生植物是生态沟渠中重要组成部分，通过收割水生植物可以彻底地从湿地中带走被植物所吸收的氮和磷。本试验将收割的水生植物覆盖到茶园，研究水生植物覆盖对茶园土壤养分、茶园杂草、茶叶品质和产量的影响，以期为水生植物的资源化利用提供新思路。

1 材料与方法

1.1 试验区概况与试验设计

试验地点位于长沙县金井镇湘丰飞跃茶园，该茶园为中国科学院亚热带农业生态研究所实验示范基地，属亚热带区季风湿润气候。试验地为平地，面积为200m2。试验茶树品种为福云早毫，2006年南北向双行定植，株距25cm，列距25cm。水生植物收割于湖南省长沙县金井镇中国科学院长沙农业环境观测站农业源头生态沟渠中。试验设2个处理：1）覆盖水生植物处理，分别在2010年9月和2011年6，11月初将收割后的水生美人蕉（Cannaglauca）和狐尾藻（Myriophyllumverticillatum）均匀地覆盖到茶树行间，覆盖时，水生美人蕉在下，狐尾藻在上，每次的覆盖量鲜重为2.50kg/m2。2）对照处理（不覆盖）。覆盖和对照处理按顺序排列，设3次重复。在试验期间对2个处理按常规方式进行土肥管理。

1.2 样品采集和调查

1.2.1 土壤样品采集 覆盖水生植物前采集茶园土样作为背景值。于2010年9月（覆盖前）和2011年11月底（覆盖后），在试验茶园每个处理中随机选取3个茶树行，每个茶树行分别选取3个采样点，每个样点取3层（0～20cm，20～40cm和40～60cm）。其中2011年11月底的土壤样品保存1份于4℃下冰箱，以备测定土壤微生物量氮和磷。其余土壤样品按常规办法处理。

1.2.2 茶园杂草调查 于2011年4，7和9月分别采样，小样方法对杂草进行调查，每个小样方为200cm×100 cm，设3个重复，测定杂草高度和记载杂草种类、数量和密度，并用剪刀剪掉杂草根部，称杂草地上部分鲜重。

1.2.3 茶叶样品的采集 于2011年5月对茶树生长状况进行观测，观测8次。于2011年4－6月（2个月左右），采用5点取样法每隔2d测定树冠冠幅，计算茶树覆盖度和产量。采用5点取样法采集茶叶样品，每个样方为33cm×33cm，采用33cm×33cm木框采集春茶框内所有的1芽1叶和1芽2叶，采摘顺序为从上至下采摘，每次采摘的鲜样，分别测定其百芽重。鲜样带回实验室蒸青固样，测定其中的氨基酸、茶多酚和水浸出物含量。

1.3 分析方法

1.3.1 茶叶样品分析方法 氨基酸测定采用GB8314茶氨基酸含量测定法；茶多酚测定采用GB8313茶多酚含量测定法；水浸出物测定采用GB8305－87全量测定法。

1.3.2 土壤样品分析方法 全氮含量测定用半微量凯氏法（GB7173－87）；全磷用钼锑抗比色法（GB9837－88）测定；土壤含水量用烘干法（GB7172－87）测定；土壤有机质采用重铬酸钾－外加热法测定；水解氮用扩散吸收法测定；有效磷用碳酸氢钠提取－钼锑抗比色法测定。土壤微生物生物量氮和磷分别采用氯仿熏蒸培养中的K2SO4提取法和NaHCO3提取法测定。

1.4 计算公式与数据处理

物种丰富度（S）即杂草群落中的物种数；多度（Pi）用Berger－Parker公式测定：

式中，Pi是第i物种的个体数（Ni）占群落总个体数（N）的比例；上述公式中i取值范围为1～S［7］。

1.5 统计分析

采用Excel进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 水生植物覆盖对茶园土壤养分的影响

由表1可看出，水生植物覆盖与对照茶园相比，土壤有机质含量均提高了，水生植物覆盖到茶园后，纤维素等在高温干旱季节被微生物分解，较难分解的蛋白质复合体形成残体保留在土壤中，使有机质含量提高。同时，水生植物覆盖对0～20cm土层的影响较大（表1），使表层土有机质含量增加了8.01%。另外，2种处理随着土层的加深，有机质含量均呈下降趋势，但0～20cm土层的有机质含量远高于20～40cm和40～60cm土层。

由于覆盖的水生植物本身含有氮、磷等营养元素，其中水生美人蕉含氮（15.26±2.07）g/kg，含磷（2.15±0.26）g/kg，狐尾藻含氮（20.67±3.63）g/kg，含磷（3.40±0.96）g/kg。经过微生物分解或残留土壤中，在雨季经雨水进入土壤，从而增加土壤氮、磷等养分含量。由表1可看出，与对照茶园相比，0～20cm土层全氮和水解氮分别增加6.09%和11.45%。土壤微生物量氮覆盖（31.23mg/kg）均比对照（27.83mg/kg）增加。可见水生植物覆盖明显提高了全氮、水解氮和微生物量氮含量。对照和覆盖处理剖面中土壤全氮、水解氮和微生物量氮随深度的增加而减少，且0～20cm土层的全氮、水解氮和微生物量氮含量远高于20～40cm和40～60cm土层。而在20～40cm土层，水生植物覆盖的影响高于对照。本研究中不同土层的微生物量氮/全氮在1.47%～2.56%之间，有研究表明其比值在0.20%～5.65%之间［8］。

表1 覆盖茶园土壤氮素变化Table 1 Effect of mulching on soil N of tea plantation

由表2可看出，与对照茶园相比，覆盖处理0～20cm土层全磷和有效磷分别增加14.29%和56.02%。同时，水生植物覆盖的茶园微生物量磷较对照茶园有明显改善，特别是0～20cm是对照的2.60倍。3层微生物量磷通常占全磷的2.25%～10.90%，据研究报道，微生物量磷/全磷为2.4%～23.3%［9］，而本研究结果较之偏低。另外，对照和覆盖处理随着土层的加深，全磷、有效磷和微生物量磷等指标均呈下降趋势，0～20cm土层的全磷、有效磷和微生物量磷含量远高于20～40cm和40～60cm土层。

表2 覆盖茶园土壤磷变化Table 2 Effect of mulching on soil P of tea plantation

2.2 水生植物覆盖对茶园杂草的影响

杂草危害严重影响到丘陵茶园的茶叶品质及产量［10］。由于茶园杂草种类复杂，杂草发生的优势种群、危害高峰及空间分布也随季节变化而不同。

表3、表4调查结果表明，春季（4月）、夏季（7月）和秋季（9月）杂草种类、杂草密度、地上部分生物量和株高都发生季节变化。其中，春季（4月）对照茶园杂草密度和生物量均高于水生植物覆盖茶园，杂草株高也以30cm以下的为主。与春季相比，在夏季，对照茶园以恶性杂草为优势种群，且生物量大、植株高。而覆盖茶园恶性杂草明显减少，且杂草高度、密度和生物量均降低。秋季（9月）水生植物覆盖处理茶园的恶性杂草明显低于对照处理茶园。在秋季虽然对照茶园恶性杂草进入枯萎期甚至死亡，但作为地被植物的酢浆草占据空间，成为优势种。相比夏季，其株高下降，生物量减少，但数量相当。

表4为水生植物覆盖对茶园恶性杂草多度的影响。对照与覆盖茶园在春季（4月）主要以多度高的非恶性杂草看麦娘、酢浆草2种为主，还包括多度相对低的猪殃殃、过路黄和白花蛇舌草等。其中非恶性杂草看麦娘在覆盖处理中的多度为0.495，在对照处理中的多度为0.624（表4）。这些杂草株高矮，在30cm以下，生物量小，生长也慢。

与春季相比，夏季（7月）覆盖处理茶园以香附子、马唐、狗尾草和牛筋草等4种优势恶性杂草为主，总多度值为0.521。对照处理茶园以恶性杂草为优势种群，恶性杂草总多度高达0.891，以马唐、辣蓼和狗尾草等3种优势杂草为主，其多度值分别为：0.451，0.155和0.182（表4）。

秋季（9月）对照处理茶园以牛筋草（多度0.100）、马唐（多度0.489）和辣蓼（多度0.17）等3种优势恶性杂草为主。覆盖处理茶园以牛筋草、香附子和马唐等3种恶性杂草为主，其多度分别为：0.133，0.110和0.177（表4）。与对照处理茶园相比，覆盖处理茶园的恶性杂草总多度明显降低。覆盖和对照处理茶园酢浆草多度值分别为：0.320和0.140。

表3 不同处理的杂草密度、生物量和株高的季节变化Table 3 Seasonal variation of density，biomass and plant height for weeds in different treatments

表4 不同处理下不同季节杂草群落多度分析Table 4 Analysis of abundance of weeds community structure in different seasons in different treatments

2.3 水生植物覆盖对茶园茶叶品质、产量的影响

由表5可见，水生植物覆盖的茶园茶叶咖啡碱、水浸出物、氨基酸和水分含量比对照茶园高，但茶多酚比对照茶园低，说明茶园覆盖对茶叶营养成分的改善有很大作用。

本试验结果与彭晚霞等［5－6］报道的稻草覆盖茶园的研究结论一致。同时，与对照茶园相比，水生植物覆盖的茶园提高了茶叶的主要感官品质，包括茶叶的色泽、滋味和香气等，因此，感官审评分比对照茶园明显提高。

表5 不同处理茶叶品质及感官评审Table 5 Quality and sense evaluation of tea in different treatments

由表6可见，水生植物覆盖后，明显改善了茶树生长状况，其冠幅、树高和茶芽密度均比对照高。同时，与对照茶园相比，水生植物覆盖茶园茶叶1芽1叶与1芽2叶百芽重均提高了，其中1芽1叶百芽重提高了14.13%。覆盖茶园的产量可达106.47g/m2，与清耕茶园（82.79g/m2）相比，产量提高了22.24%，增产效果明显。这与水生植物覆盖改善了茶园土壤理化性状、调控了土壤温度和水分以及抑制了茶园杂草的生长等原因密切相关。

表6 不同处理的茶树产量及生长状况Table 6 Tea tree yield and growth in different treatments

3 讨论

3.1 水生植物资源化利用

利用水生植物进行茶园覆盖是一种经济、环保、可行的办法，为水生植物的管理和利用提供参考。收割的水生植物覆盖茶园，既有效防止了水生植物自身氮、磷等污染物对沟渠水体产生二次污染，又实现了沟渠水生植物残体的资源化利用并提供了示范作用。Brix［11］和Howard［12］指出，植物吸收的部分储存会随着植物的枯萎逐渐释放出来。姜翠玲［13］研究也证明湿地中的全氮一部分来自于湿地植物的生长与死亡分解。因为每年11月以后，沟渠湿地中的水生植物地上部分会逐渐枯萎，释放有机质于水体中，进而造成严重污染。有机形态的氮在冬季（12，1月）较高，远远超过了其他月份。由此说明冬季全氮浓度的增加与水生植物腐烂有密切关系［13－14］。

水生植物腐烂分解后，污染水体经沟渠进入河道和湖泊，是水体富营养化潜在的污染源［13，15］。因此，水生植物应在枯萎前回收，以防止残株分解对水体的污染。姜翠玲等［16］和徐红灯［17］认为农民不会主动回收没有利用价值的植物，并提议用经济植物取代野生植物。本研究中，虽然试验植物不能给当地农民直接带来经济效益，但收割的植物覆盖到茶园，可间接带来经济效益和生态效益，因此也能激励农民主动回收水生植物。

3.2 水生植物覆盖对茶园生态效应的影响

植物覆盖对补偿土壤有机质消耗、改良土壤、培肥地力有十分重要的作用。徐华勤等［18］研究表明，稻草覆盖能使茶园土壤保持较高的生物活性，调控和改良土壤。本研究结果表明，水生植物覆盖后可增加茶园土壤养分的含量，与肖润林等［19］的研究结论一致。土壤有机质的形成主要是由于植物中较难分解的复合体（木质素及蛋白质）残留在土壤中，茶园土壤因水生植物复合体的存在有机质含量进而增加［20］；而水生植物中易被微生物分解的部分（水溶性成分、纤维素和半纤维素），使土壤团粒结构和物理结构均可形成和改善，土壤养分含量也随之增加。

杂草是茶园生态系统中植物多样性的重要成分之一，氮与茶树争水、争肥和阳光，对茶树生长和茶叶品质产生严重的影响［21］。传统的防除杂草的方法成本高、也容易导致物种多样性下降等问题［22－23］。本试验中，水生植物覆盖茶园后，在植物体的机械阻力和遮阴作用双重影响下，杂草的优势种群得以控制，杂草生物量和密度都显著降低，也减少了杂草对茶树生长发育的危害和影响，也解决了传统防除杂草带来的问题。

4 小结

1）水生植物覆盖后，改良了土壤理化性状。覆盖与对照茶园相比明显增加了土壤表层（0～20cm）有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷的含量，也增加了土壤微生物量氮、磷含量，且其土壤各养分均随深度的增加而递减。

2）水生植物覆盖后，控制了杂草优势种群，减少了杂草种类，也降低了杂草的株高、密度和生物量。

3）水生植物覆盖后，通过改善茶园的生态条件，提高了茶叶品质和产量。

［1］ 余红兵，杨知建，肖润林，等.水生植物的氮磷吸收能力及收割管理研究［J］.草业学报，2013，22（1）：294－299.

［2］ 梁飞，田长彦，张慧，等.施氮和刈割对盐角草生长及盐分累积的影响［J］.草业学报，2012，21（2）：99－105.

［3］ 宋雪红，蒋新元，赵梦婕.湿地水生植物的水质净化与资源化利用［J］.生态环境，2012，21（2）：59－62.

［4］ 黄道友，王克林，陈桂秋，等.红壤丘陵集水区集约经营的水土资源动态与土地持续生产力研究［J］.中国农业科学，2004，37（1）：92－98.

［5］ 彭晚霞，宋同清，邹冬生，等.覆盖与间作对亚热带丘陵茶园生态的综合调控效果［J］.中国农业科学，2008，41（8）：2370－2378.

［6］ 彭晚霞，宋同清，肖润林，等.亚热带丘陵区稻草覆盖对茶园土壤环境、茶叶品质改良及产量的影响［J］.中国生态农业学报，2007，15（4）：60－63.

［7］ 林金成，强胜.空心莲子草对南京春季杂草群落组成和物种多样性的影响［J］.植物生态学报，2006，30（4）：585－592.

［8］ Zhou J B，Li S X.Relationships between soil microbial biomass C and N and mineralizable nitrogen in some arable soils on Loess Plateau［J］.Pedosphere，1998，8（4）：349－354.

［9］ Smith J L，Paul E A.The significances of soil microbial biomass estimation［A］.In：Boliag J M，Stotzky G.Soil Biochemistry［M］.New York：Marcel Dekker Inc，1991：359－396.

［10］ 肖润林，王久荣，汤宇，等.长江流域丘陵茶园生态问题研究［J］.农业环境科学学报，2005，24（3）：585－589.

［11］ Brix H.Do macrophytes play a role in constructed treatment wetlands？［J］.Water Science ＆ Technology，1997，35（5）：11－17.

［12］ Howard W C.Cycling and retention of nitrogen and phosphorus in wetlands：a theoretical and applied perspective［J］.Freshwater Biology，1985，15：393－398.

［13］ 姜翠玲.沟渠湿地对农业非点源污染物的截留和去除效应［D］.南京：河海大学，2003：1－104.

［14］ 成小英，王国祥，濮培民，等.凤眼莲腐烂分解对湖泊水质的影响［J］.中国环境科学，2004，24（3）：303－306.

［15］ 易文利，王圣瑞，杨苏文，等.有机质腐解对穗花狐尾藻生长及生理的影响［J］.中国环境科学，2011，31（10）：1718－1724.

［16］ 姜翠玲，范晓秋，章亦兵，等.农田沟渠挺水植物对 N、P的吸收及二次污染防治［J］.中国环境科学，2004，24（6）：702－706.

［17］ 徐红灯.农田排水沟渠对流失氮、磷的截留和去除效应［D］.北京：北京化工大学，2007：1－71.

［18］ 徐华勤，肖润林，宋同清，等.稻草覆盖与间作三叶草对丘陵茶园土壤微生物群落功能的影响［J］.生物多样性，2008，16（2）：166－174.

［19］ 肖润林，彭晚霞，宋同清，等.稻草覆盖对红壤丘陵茶园的生态调控效应［J］.生态学杂志，2006，25（5）：507－511.

［20］ 沈裕琥，黄相国，王海庆.秸秆覆盖的农田效应［J］.干旱地区农业研究，1998，16（1）：45－50.

［21］ 肖润林，向佐湘，徐华勤，等.间种白三叶草和稻草覆盖控制丘陵茶园杂草效果［J］.农业工程学报，2008，24（11）：183－187.

［22］ 陈欣，唐建军，方治国，等.高温干旱季节红壤丘陵果园杂草保持的生态作用［J］.生态学杂志，2003，22（6）：38－42.

［23］ Cardina J.Crop rotation and tillage system effects on weed seed banks［J］.Weed Science，2002，50：448－460.