鐵觀音茶園土壤酸化與交換性鎂的現(xiàn)狀

穆 聰，黃梓璨，蘇 達(dá)，蘇火貴，陳燕華，吳良泉*

（1.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)國(guó)際鎂營(yíng)養(yǎng)研究所，福建 福州 350002；3.福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)學(xué)院，福建 福州 350002；4.安溪縣土壤肥料技術(shù)推廣站，福建 泉州 362400；5.泉州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，福建 泉州 362000）

鎂是茶樹(shù)正常生長(zhǎng)發(fā)育所必需的中微量元素，參與了包括有效光合同化、糖類合成與轉(zhuǎn)運(yùn)以及活性氧代謝等多個(gè)生理過(guò)程［1］，對(duì)茶樹(shù)的產(chǎn)量形成和品質(zhì)提升具有重要意義。商虎［2］、侯玲利［3］在茶園施用鎂肥后，茶葉產(chǎn)量和茶芽密度均顯著增加，并且提高了葉片厚度和著葉數(shù)。阮建云等［4］研究發(fā)現(xiàn)，施鎂后茶葉中的游離氨基酸、茶多酚、咖啡堿含量都有顯著提升，尤其對(duì)香氣物質(zhì)橙花叔醇有明顯改善，有利于提高茶葉品質(zhì)。然而，由于我國(guó)茶園主要分布在長(zhǎng)江以南的丘陵、山區(qū)和半山區(qū)的紅、黃壤上，受到特殊生物氣候條件的影響，土壤呈酸性或強(qiáng)酸性條件，鎂離子淋失嚴(yán)重，茶園土壤缺鎂的現(xiàn)象極其普遍［5］。阮建云等［6］對(duì)我國(guó)茶葉主產(chǎn)區(qū)的7省287個(gè)土壤樣品分析表明，茶園土壤缺鎂（土壤交換性鎂含量低于40 mg·kg-1）的比例達(dá)到了60%左右，且土壤交換性鎂自北向南呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。土壤鎂供應(yīng)不足已成為我國(guó)茶葉產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展中亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

20世紀(jì)末，蘇、浙、皖三省茶園土壤pH低于4.0的比例達(dá)到43.9%［7］，進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)13個(gè)省市主要茶區(qū)的茶園土壤調(diào)查結(jié)果顯示，茶園土壤pH低于4.5的比例超過(guò)72.3%［8］，且我國(guó)茶園土壤pH平均每年下降0.05個(gè)單位［9］，可見(jiàn)我國(guó)茶園土壤酸化日趨嚴(yán)重。土壤酸化速度加快，其主要原因與氮肥過(guò)量施用以及植物對(duì)堿性陽(yáng)離子的吸收帶走和淋失有關(guān)［10］。李丹萍等［11］進(jìn)行土壤淋洗模擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在酸化的土壤上鎂的形態(tài)活躍，更容易淋失；姚利鵬等［12］在水稻上的研究也表明，土壤酸化會(huì)導(dǎo)致鎂離子流失，并最終降低作物產(chǎn)量，這表明土壤酸化可能是影響鎂在土壤中有效性的重要因子。因此，明確土壤酸化對(duì)土壤交換性鎂的影響對(duì)解決茶園缺鎂問(wèn)題具有重要的指導(dǎo)意義。

福建省安溪縣作為我國(guó)重點(diǎn)產(chǎn)茶縣之一，茶園的肥料投入在省內(nèi)居于前列，長(zhǎng)期過(guò)量施肥造成的茶園土壤酸化已成為茶園的普遍性問(wèn)題［13］。然而，作為典型的烏龍茶產(chǎn)區(qū)，當(dāng)前安溪茶園土壤嚴(yán)重酸化狀況如何？對(duì)茶園土壤的交換性鎂有何影響？仍缺乏定量化的研究和報(bào)道。本文以安溪縣茶園土壤的酸化狀況及其對(duì)土壤交換性鎂的影響進(jìn)行定量化研究，為茶園科學(xué)施用鎂肥提高茶樹(shù)鎂營(yíng)養(yǎng)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

安溪縣是鐵觀音茶葉生產(chǎn)第一大產(chǎn)區(qū)，位于東經(jīng)117°36′～118°17′，北緯24°50′～25°26′，地處戴云山脈向東南延伸部分，地勢(shì)自西北向東南傾斜，西北部地勢(shì)高峻，平均海拔在700 m以上；東南部地勢(shì)相對(duì)較平緩，平均海拔在500 m。年均氣溫19～21℃，年降水量在1400～1800 mm，主要集中在6～8月份，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。茶園的主要土壤類型為紅壤、黃壤和黃紅壤。

1.2 土壤樣品采集

在安溪縣感德鎮(zhèn)、虎邱鎮(zhèn)、祥華鄉(xiāng)等22個(gè)產(chǎn)茶鄉(xiāng)鎮(zhèn)選取具有代表性的茶園進(jìn)行土壤樣品采集。采用“S”型混合采樣法，在取樣茶園采集5～8個(gè)點(diǎn)，混合成一個(gè)樣，并利用GPS對(duì)取樣點(diǎn)定位，共采集土壤樣品297個(gè)。采回的土壤通過(guò)四分法篩分至適合土量，經(jīng)陰涼風(fēng)干后，研磨過(guò)0.85 mm篩備用。

1.3 測(cè)定方法

土壤pH采用電位法測(cè)定，水土比2.5∶1；土壤交換性鎂含量采用1 mol·L-1中性醋酸銨溶液浸提，通過(guò)原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定［14］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016、SPSS 21.0、SigmaPlot 12.5和Arcgis 10.2軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶園土壤酸化狀況

采集的297個(gè)取樣茶園的土壤樣品中，pH值的變幅在3.2～6.7之間，平均值為4.3，是典型的酸性土壤，變異系數(shù)為14.7%，屬于中等變異。其中，土壤pH小于4.0的土壤占了35%，pH在4.0～4.5的樣品占33%，pH在4.5～5.5的土壤占了28%，pH>5.5的土壤占4%，結(jié)果顯示土壤pH值低于4.5的土壤占調(diào)研總數(shù)的68%（表1，圖1）。這表明茶園中土壤酸化的情況非常嚴(yán)重。

表1 茶園土壤pH、交換性鎂描述性統(tǒng)計(jì)（n=297）

圖1 茶園土壤pH頻率分布

2.2 茶園土壤交換性鎂狀況

表1 中可以看出，在安溪縣采取的297個(gè)茶園的土壤樣品中，交換性鎂含量的變幅在1.0～79.0 mg·kg-1之間，土壤交換性鎂含量的平均值為23.7 mg·kg-1，變異系數(shù)為80.6%，屬于強(qiáng)變異，表明土壤交換性鎂在茶園土壤中的分布極不均衡，各地茶園中土壤交換性鎂相差非常大且平均鎂含量較低。在圖2中可以看出調(diào)研取土的297個(gè)樣品中，交換性鎂含量小于20.0 mg·kg-1的土壤占了56%，20.0～40.0 mg·kg-1的樣品占26%，土壤交換性鎂含量大于40.0 mg·kg-1的土壤僅占18%，結(jié)果顯示交換性鎂含量小于40.0 mg·kg-1的土壤占82%。這表明，在茶園土壤中鎂的分布極不均衡且茶園交換性鎂含量較低。

圖2 土壤交換性鎂含量頻率分布

2.3 土壤pH與交換性鎂的關(guān)系

由圖3可以看出，茶園土壤交換性鎂含量隨pH的降低而顯著降低。將土壤pH分為5組，分別是≤4.0、4.0～4.5、4.5～5.0、5.0～5.5和>5.5。當(dāng)pH>5.5時(shí)，土壤交換性鎂含量最高，平均為49.1 mg·kg-1；而隨著pH降低到5.0～5.5時(shí)，土壤交換性鎂含量降低為41.6 mg·kg-1；pH下降到4.5～5.0時(shí)，土壤交換性鎂含量進(jìn)一步降低為29.6 mg·kg-1；相應(yīng)地，當(dāng)土壤pH為4.0～4.5和≤4.0時(shí)，土壤交換性鎂含量分別只有21.3和15.3mg·kg-1。

圖3 不同土壤pH區(qū)組的交換性鎂含量

2.4 茶園土壤pH和交換性鎂的空間分布特征

在地理位置上，以大坪鄉(xiāng)、虎邱鎮(zhèn)、尚卿鄉(xiāng)、湖上鄉(xiāng)、劍斗鎮(zhèn)作為安溪縣東西部的分界線。從圖4中可以看出，在安溪縣土壤酸化主要集中在中西部地區(qū)，西部地區(qū)的土壤pH較東部地區(qū)更低，大部分區(qū)域的土壤pH在4.0～4.5之間，其中感德鎮(zhèn)中部、長(zhǎng)坑鄉(xiāng)北部以及桃舟鄉(xiāng)西北部的土壤pH甚至低于4.0。由西向東，土壤pH逐漸提高，分界線往東的鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤pH普遍高于4.5。

安溪縣土壤交換性鎂呈現(xiàn)出的空間分布規(guī)律與pH相似（圖4），同樣是以大坪鄉(xiāng)、虎邱鎮(zhèn)、尚卿鄉(xiāng)、湖上鄉(xiāng)、劍斗鎮(zhèn)作為分界線，東西兩側(cè)表現(xiàn)出不同的交換性鎂分級(jí)。安溪縣的西部區(qū)域較東部區(qū)域交換性鎂更低，多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的交換性鎂在15.0～30.0 mg·kg-1范圍內(nèi)，包括桃舟鄉(xiāng)、感德鎮(zhèn)、長(zhǎng)坑鄉(xiāng)、蘆田鎮(zhèn)、西坪鎮(zhèn)等；而低于15.0 mg·kg-1的區(qū)域集中在福田鄉(xiāng)、感德鎮(zhèn)北部以及祥華鄉(xiāng)北部。東部區(qū)域包括龍門(mén)鎮(zhèn)、官橋鎮(zhèn)、蓬萊鎮(zhèn)、湖頭鎮(zhèn)東部、金谷鎮(zhèn)北部以及尚卿鄉(xiāng)東南部，交換性鎂高于30.0 mg·kg-1；而安溪地理位置的最東端參內(nèi)鄉(xiāng)、魁斗鎮(zhèn)以及金谷鎮(zhèn)南部的交換性鎂在15.0～30.0 mg·kg-1之間（表2）。

表2 安溪縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤pH、交換性鎂

3 討論

茶樹(shù)具有喜酸特性，適合生長(zhǎng)于pH范圍在4.5～5.5之間的土壤環(huán)境中，當(dāng)土壤pH過(guò)低時(shí)，會(huì)造成茶樹(shù)根尖萎縮，導(dǎo)致地下部對(duì)氮、磷、鉀等養(yǎng)分的吸收能力下降，進(jìn)而影響茶葉生產(chǎn)［15］。本研究中，68%的茶園土壤pH低于4.5，與過(guò)去20～30年相比，酸化比例增加了22%［16］，與陳敬慈等［17］、蘇火貴［18］的研究結(jié)果相似。其原因可能是由內(nèi)源酸化因子和外源酸化因子的共同作用所引起。其中，內(nèi)源酸化因子是茶樹(shù)自身的物質(zhì)循環(huán)和根系分泌物作用對(duì)土壤造成酸化［19］；而外源因素，如過(guò)量化肥投入、酸沉降和酸雨等還會(huì)進(jìn)一步加劇這種酸化效應(yīng)［20-21］。其中茶園肥料投入可能是影響茶園土壤酸化的重要因素之一［22］。Tong等［23］研究表明肥料的過(guò)量投入，尤其是氮肥的大量投入顯著加劇了銨態(tài)氮的硝化和礦化過(guò)程，通過(guò)加速氫離子釋放，最終導(dǎo)致土壤酸化的加快。安溪縣茶園氮素年平均投入量達(dá)到509.4 kg·hm-2，將近46.4%施氮量超過(guò)450 kg·hm-2，土壤氮素富集情況嚴(yán)重［24］。Yang等［25］研究表明茶園大量施用氮肥，會(huì)產(chǎn)生更多氫離子將土壤中的鹽基陽(yáng)離子置換到土壤溶液中，導(dǎo)致鹽基陽(yáng)離子容易伴隨NO3

圖4 安溪縣土壤pH、交換性鎂空間分布

-淋失出茶園，從而加劇土壤酸化。可見(jiàn)土壤pH過(guò)低會(huì)導(dǎo)致土壤鎂有效性的降低而影響茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)。

本研究表明，安溪茶園82%的土壤樣品呈交換性鎂缺乏（<40.0 mg·kg-1），其中超過(guò)50%呈現(xiàn)極缺的狀態(tài)（<20.0 mg·kg-1）［26］。這與前人的研究結(jié)果相似，例如，朱永興等［5］對(duì)南方紅黃壤茶園的調(diào)查，以及蘇火貴［27］對(duì)福建茶葉主產(chǎn)縣的調(diào)查也均顯示土壤有效鎂呈普遍缺乏狀態(tài)。而土壤酸化是影響土壤鎂有效性及其空間分布的重要影響因素（圖3和圖4）。土壤酸化后，會(huì)導(dǎo)致茶園土壤中正電荷增加，顯著降低對(duì)鹽基陽(yáng)離子的吸附力，使土壤中鹽基離子更容易淋失［28］，鎂作為土壤膠體中主要的陽(yáng)離子，與其它陽(yáng)離子（Na+、K+、Ca2+）相比，鎂離子擁有更大的水合半徑，負(fù)電荷對(duì)它的吸引力弱，導(dǎo)致鎂在土壤中的淋失風(fēng)險(xiǎn)更大［29］。同時(shí)由于安溪茶園處于亞熱帶地區(qū)，氣候濕熱，降雨量大，致使土壤中的淋溶作用強(qiáng)，鎂離子淋洗損失嚴(yán)重。本研究中，安溪縣西部山區(qū)的土壤pH和交換性鎂均呈現(xiàn)較低的趨勢(shì)（表2和圖4），該區(qū)域海拔高，也是鐵觀音的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)，種茶歷史悠久，因而茶園酸化和土壤鎂缺乏的狀況也更加突出。因而，生產(chǎn)中應(yīng)重視茶園酸化中土壤鎂缺乏的問(wèn)題，補(bǔ)充鎂肥實(shí)現(xiàn)鐵觀音茶業(yè)的健康發(fā)展。

4 結(jié)論

安溪鐵觀音茶園土壤酸化嚴(yán)重，有68%的茶園土壤pH低于4.5；土壤交換性鎂缺乏也非常突出，土壤交換性鎂低于適宜值（<40 mg·kg-1）的樣本占到82%。隨著土壤pH值的降低，土壤交換性鎂呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)。在生產(chǎn)中應(yīng)重視土壤酸化而伴生的土壤鎂缺乏問(wèn)題，控制氮肥用量減緩?fù)寥浪峄内厔?shì)，同時(shí)應(yīng)補(bǔ)施鎂肥改善茶園的鎂營(yíng)養(yǎng)以確保茶葉優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)。