有機肥全量替代化肥對茶葉產量和品質、土壤養分及氮素利用的影響

黃尚書，孫永明，江新鳳，吳 艷，林小兵，何紹浪，余跑蘭，熊 文，雷禮文

(1.江西省紅壤研究所，江西 南昌 330046；2.江西省蠶桑茶葉研究所，江西省茶葉質量與安全控制重點實驗室，江西 南昌 330043；3.江西農業大學 國土資源與環境學院，江西 南昌 330045)

施肥是茶葉生產的重要環節，對茶葉產量和品質有重要影響[1]。隨著經濟發展以及人民生活水平的進一步提高，人們對茶葉需求量越來越高[2]。為追求高經濟效益，茶園生產中存在單施、偏施化肥等不合理施肥方式[3]，進而引起茶園土壤肥力退化、茶葉產量和質量下降等一系列問題[4]，已成為茶園健康持續發展的制約因素。為此，農業農村部發布了《開展果菜茶有機肥替代化肥行動方案》等多種形式的茶園化肥減施增效技術方案，以促進茶產業綠色發展。在此背景下，研究茶園有機肥部分替代甚至全量替代化肥技術，這對于區域茶園科學施肥意義重大。因而，茶葉有機肥培肥技術一直是栽培研究的熱點領域。多數研究認為，茶園施用有機肥可有效改良土壤結構、提高土壤肥力、提升茶葉的產量和質量[5-8]，但也研究發現有機肥施用量過高可造成茶葉產量等負面作用[9-10]。目前，本單位茶葉栽培與土肥研究團隊在江西開展了茶園有機肥培肥技術研究[11]，為江西茶園有機肥培肥技術的發展提供了重要的支撐作用。但該研究主要針對茶園商品有機肥的應用效果研究，尚未在茶園開展區域慣用有機肥-枯餅的應用效果研究。由于不同有機肥料種類下存在不同的產量反應及培肥效果。因此，有必要在區域內基于該有機肥開展茶園有機培肥技術研究，以明確其應用效果。此外，肥料中氮素投入的環境代價受到廣泛關注，但有機培肥技術下對氮素利用的研究主要集中在農田[12-14]，而對茶園有機培肥措施下氮素利用的研究較少，不利于全面理解茶園有機培肥技術的優勢和不足。因此，本研究以當地推薦的化肥施用量為對照，開展有機肥施用量對茶葉產量和品質、土壤養分及氮素利用的影響，以期為江西茶園科學合理施肥和茶產業高質量發展提供科學支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗區域概況

試驗區位于江西省蠶桑茶葉研究茶葉試驗基地內(N28°22′20″，E116°0′6″)，區域屬亞熱帶季風濕潤氣候，雨量充沛，四季分明。地形為典型低丘，茶園土壤為第四紀紅黏土發育的紅壤，土層深厚、肥力中等。在設置定位試驗前，該茶園表層(0～30 cm)土壤基本理化性質為：pH值3.80，有機質含量22.70 g/kg、堿解氮57.15 mg/kg、速效磷23.25 mg/kg、速效鉀101.83 mg/kg。

1.2 試驗設計

供試茶樹品種樹為福鼎大白，有機肥為當地慣用的油菜枯餅，該枯餅含有機質70.3%，N 5.01%，P2O51.08%，K2O 1.82%。于2017年選擇自然生態環境和茶樹生長狀態基本一致的成齡茶園作為試驗地塊，以當地推薦化肥施用量(N 300 kg/hm2，P2O560 kg/hm2，K2O 120 kg/hm2)為對照(CK)，設置6個梯度有機肥施用量：3 000(FQ1)，4 500 (FQ2)，6 000 (FQ3)，7 500(FQ4)，9 000(FQ5)，12 000 kg/hm2(FQ6)，其中：FQ3處理與CK養分投入量大致相當，具體見表1。試驗采用隨機區組設計，3次重復，共21個小區，小區面積45.0 m2(4.5 m×10.0 m)，四周留2行(或3.0 m)作為保護行，各處理化肥及有機肥作為基肥時一次性施入，施肥深度30 cm，試驗區雜草控制、病蟲害防治等茶園管理方式一致。

表1 試驗設計Tab.1 Experimental design

1.3 測定項目與方法

茶葉產量及產量性狀：芽密度(個/m2)：于2019，2020年春茶采摘期，各小區隨機選取3個樣方，樣方面積為0.04 m2(20 cm×20 cm)，調查樣方內茶芽數。百芽質量：于2019，2020年春茶采摘期，采摘每小區樣方內一芽二葉茶芽，隨機選擇100個稱質量記錄百芽質量。產量：分2019，2020年春茶采摘期每小區各批次鮮葉質量之和(kg/hm2)。

茶葉品質指標：水浸出物：參照《GB/T 8305-2013 茶水浸出物測定》進行測定。游離氨基酸：參照《GB/T 8314-2013 茶游離氨基酸總量的測定》進行測定。茶多酚：參照《GB/T 8313-2018 茶葉中茶多酚和兒茶素類含量的檢測方法》進行測定?？Х葔A：參照《GB/T 8312-2013 茶咖啡堿測定》進行測定。

土壤養分指標：于2019，2020年6月上旬(春茶采摘后、夏茶追肥施用前)采集0～30 cm土層土壤樣品，每小區隨機選取3個樣點，每個樣點按茶行中間(距茶樹0.5 m左右)、茶行附近(距茶樹0.1 m左右)采集0～30 cm土樣，并將同小區各樣點0～30 cm土層土樣混合，風干、過篩，進行有機質及速效養分含量。其中：土壤pH值采用復合電極測定(土水比1.0∶2.5)，土壤有機質含量采用重鉻酸鉀氧化還原滴定法測定，堿解氮含量采用堿解擴散法測定，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定，具體測定方法見參考文獻[15]。

氮肥偏生產量計算公式[16]：氮肥偏生產力(kg/kg)=施氮后的茶葉產量(kg/hm2)/肥料氮投入量(kg/hm2)，當年土壤表觀氮素盈余量計算公式[17]：當年土壤表觀氮素盈余量(kg/hm2)=當年氮素投入量(kg/hm2)-當年茶葉產量(kg/hm2)×茶葉含氮量(g/kg)×10-3。經檢測，本試驗各處理茶葉平均氮含量為1.20 g/kg，不同處理間差異不顯著(P>0.05)。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel進行整理，運用SPSS 17.0進行方差分析、顯著性檢驗(LSD法)及Pearson相關性分析，采用Origin 8.1進行圖片繪制。

2 結果與分析

2.1 有機肥含量替代化肥對茶葉產量性狀、茶葉產量及品質的影響

由表2可知，隨著有機肥施用量的增加茶葉產量及產量性狀表現出“先增加后略有下降”的趨勢，不同施肥處理對百芽質量、發芽密度、鮮葉產量均具有極顯著影響(P<0.01)。與CK處理相比，FQ1和FQ2處理顯著降低了鮮葉產量、百芽質量和發芽密度(P<0.05)，降幅分別為：7.57%～22.63%，11.58%～32.28%，13.20%～27.37%；在養分投入量相當條件下，施用有機肥(FQ3處理)降低了鮮葉產量、百芽質量和發芽密度，其中：鮮葉產量降幅為5.01%～11.02%，百芽質量降幅為4.32%～4.80%，發芽密度降幅為4.42%～13.87%，2019年鮮葉產量及產量性狀和2020年鮮葉產量及百芽質量下降不顯著(P>0.05)，僅2020年茶樹發芽密度下降顯著(P<0.05)。隨著有機肥施用量進一步增加鮮葉產量及產量性狀也隨之增加。與CK相比，FQ4處理增加了茶葉百芽質量和發芽密度，增幅分別為3.79%，16.90%，其中2019年差異顯著(P<0.05)，而2020年差異不顯著(P>0.05)；FQ5和FQ6處理下鮮葉產量、百芽質量和發芽密度均得到增加，增幅分別為16.14%～32.28%，6.86%～17.05，20.68%～25.55%，其中：FQ5處理下鮮葉產量、百芽質量和發芽密度顯著高于CK處理(P<0.05)，而FQ6處理下僅發芽密度顯著高于CK處理(P<0.05)。說明養分投入量相當條件下，施用有機肥造成了茶葉鮮葉產量及產量性狀不同程度的下降，且有機肥施用量也并不是越高越好。需要說明的是，不同年份間茶葉鮮葉產量及產量性狀差異極顯著，這與該區域2018年旱情嚴重導致2019年茶葉減產有關。

表2 不同處理對茶葉產量及產量性狀的影響Tab.2 Effects of different treatments on yield and yield characters of tea

分析不同處理下的茶葉品質發現(表3)，不同處理對水浸出物、茶多酚和氨基酚含量存在顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)影響。與CK相比，僅FQ6處理顯著提高了茶葉水浸出物含量(P<0.05)，其他處理不同程度降低或提高了茶葉水浸出物含量，但差異不顯著(P>0.05)，養分投入量相當條件下施用量有機肥(FQ3處理)提高了水浸出物含量，平均提高1.74%；隨著有機肥施用量的增加水浸出物含量呈現一定遞增趨勢，其中：FQ6處理顯著增加了茶葉水浸出物含量(P<0.05)，平均提高4.65%。與CK相比，不同有機肥施用量一定程度提高了茶葉咖啡堿含量(P>0.05)，增幅0.57%～4.75%。與CK相比，僅2020年FQ1處理顯著降低了茶葉茶多酚含量(P<0.05)。茶葉氨基酸含量與水浸出物及茶多酚呈現大致規律，隨著有機肥施用量的增加而增加；與CK相比，2019年僅FQ5和FQ6處理顯著提高了茶葉氨基酸含量(P<0.05)，而2020年不同處理間茶葉氨基酸含量差異不顯著(P>0.05)。分析茶葉酚氨比發現，與CK相比，施用有機肥均降低了茶葉酚氨比(下降0.42%～10.45%)，其中2020年FQ3處理茶葉酚氨比降低顯著(P<0.05)。

2.2 有機肥含量替代化肥對土壤養分的影響

不同處理下的0～30 cm土層土壤養分含量如表4所示。由表可知，不同處理對0～30 cm土層土壤養分存在極顯著影響(P<0.01)。與CK相比，除FQ1處理，其他處理均顯著增加了土壤有機質含量(P<0.05)，平均增加49.10%；施用有機肥處理均提高了0～30 cm土層土壤pH值(提高0.01～0.53個單位)；施用有機肥顯著提高了0～30 cm土層土壤堿解氮含量(P<0.05)，且提升效果隨有機肥用量的增加而增加，增幅43.78%～167.89%。與CK相比，2019，2020年FQ1和FQ6處理均顯著降低或增加了0～30 cm土層土壤有效磷含量(P<0.05)，其中：FQ1平均降低29.00%，FQ6平均增加39.75%；此外，與CK相比，2019年FQ5處理也顯著了土有效磷含量(P<0.05)，增加22.24%；與CK相比，FQ1處理顯著降低了0～30 cm土壤速效鉀含量(P<0.05)，其他處理均顯著增加了0～30 cm土層土壤速效鉀含量(P<0.05)，平均增加31.62%?？梢?，施用有機肥可明顯緩解茶園土壤酸化狀況、提高茶園土壤堿解氮含量，在養分投入量下施用有機肥還可提高茶園土壤有機質和速效鉀含量，但對土壤有效磷的提升效果相對較差。

表3 不同處理對茶葉品質的影響Tab.3 Effects of different treatments on tea quality

表4 不同處理對0～30 cm土層土壤養分的影響Tab.4 Effects of different treatments on soil nutrients in 0-30 cm soil layer

2.3 有機肥含量替代化肥對茶園土壤氮素盈余量和氮肥偏生產力的影響

如表5所示，不同處理下土壤氮素盈余量變化幅度較大(6.70～395.10 kg/hm2)，占氮肥施用量的4.46%～65.85%。與CK，FQ1和FQ2處理降低了茶園土壤氮素盈余量，降幅27.07%～94.70%，但2020年FQ2處理與CK差異不顯著(P<0.05)；FQ4、FQ5和FQ6處理顯著增加了茶園土壤氮素盈余量(P<0.05)，增幅為23.14%～276.03%。不同處理下氮肥偏生產力為11.38～31.84 kg/kg；與CK相比，2019，2020年FQ1顯著增加了氮肥偏生產力(P<0.05，增加53.49%)，FQ2處理僅2019年顯著增加氮肥偏生產力(P<0.05，增加17.88%)，而FQ6處理則顯著降低了氮肥偏生產力(P<0.05，降低41.20%)，FQ5僅在2019年顯著降低了氮肥偏生產力(P<0.05，降低15.45%)；在等氮量投入下，有機肥全量替代化肥(FQ3)的氮肥偏生產力低于單施化肥(CK)，平均低8.03%。

表5 不同處理對氮素盈余量和氮肥偏生產力的影響Tab.5 Effects of different treatments on nitrogen surplus and nitrogen partial productivity

分析2019，2020年氮素盈余量、氮肥偏生產力與氮肥施用量的關系發現(圖1)，氮素盈余量與氮肥施用量呈顯著線性關系(y=0.786x-115.04，P<0.01)，根據氮素盈余量與氮肥施用量的線性關系可知，要維持茶園土壤氮素表觀平衡(即盈余量為0)時，理論氮肥施用量約為146 kg/hm2(不考慮氮肥損失)；隨著氮施用量的加，氮肥偏生產力下降趨勢，兩者呈冪函數關系(y=635.28x-0.605，P<0.01)。進一步分析氮肥偏生產力(y)與氮素盈余量(x)的關系表明，兩者呈對數函數關系(y=-4.53ln(x)+41.179，P<0.01)，即：隨著氮素盈余量的增加，茶園氮肥偏生產力均下降。

圖1 氮素盈余量、氮肥偏生產力與氮肥施用量的關系Fig.1 Relationship between nitrogen surplus，nitrogen partial productivity and nitrogen application rate

2.4 有機肥的最佳施用量及其與氮素利用的矛盾

根據2 a試驗茶葉鮮葉產量，應用線性加平臺模型擬合每年有機肥最佳施用量(圖2)，結果表明茶園每年有機肥最佳施用量為8 739.55～9 169.95 kg/hm2，相應平臺鮮葉產量為7 085.00(2019年)，8 413.33 kg/hm2(2020年)。根據前面對氮素利用的計算分析，在最佳有機肥施用量時(8 739.55～9 169.95 kg/hm2)，氮素盈余量為228.42～245.34 kg/hm2，氮肥偏生產力為15.59～16.05 kg/kg。說明茶園施用有機肥時，若過分追求茶葉產量可導致土壤氮素過量盈余，使氮肥偏生產力水平較低，并增加環境污染的風險。

圖2 線性加平臺模型擬合有機肥最佳施用量Fig.2 The best application rate of organic fertilizer fitted by linear plus platform model

3 討論與結論

諸多研究表明[6，18-19]，茶園施用有機肥可有效改良土壤物理化學性質，進而提升茶葉的產量，但單施有機肥也可能會對茶園產生不利的影響[2]。吳志丹等[11]在茶園施用不同比例豬糞有機肥時發現，25%～50%有機肥配施75%～50%化肥處理較好，單施有機肥使茶葉產量下降18.77%；林永鋒等[20]的研究結果表明，有機肥和氮肥、磷肥、鉀肥施用量對茶葉產量均有顯著影響，有機肥與化肥施用量存在協同促進作用。分析不同處理下的茶葉產量發現，等養分投入下施用有機肥的茶葉產量比單施化肥下降了5.01%～11.02%，說明在本研究中在等養分投入下施用有機肥造成茶園一定程度減產，原因可能：一是有機肥全量替代化肥下肥料養分釋施緩慢，導致對春季茶葉產量的貢獻相對較低，造成春季茶葉產量減產；二是茶葉是喜銨態植物，施用有機肥在改善土壤酸度的同時，提高了茶園土壤銷化勢[21]，降低了土壤銨態氮的含量。相關研究顯示[22-24]，有機肥在茶園土壤中的施用有利于提高茶葉品質，因有機肥來源廣泛以及施用比例的不同，可能會對茶葉品質的影響產生差異[2]。本研究表明：與單施化肥相比，等養分(或更多)投入下施用有機肥提高了茶葉水浸出物、咖啡堿和氨基酸含量，降低了茶葉的酚氨比，有利于茶葉品質的提高，與上述結研究基本一致；茶多酚含量隨著有機肥施用量的增加而增加，但等養分投入下有機肥的施用一定程度降低了茶葉茶多酚含量，這可能與有機肥改變土壤pH值進而影響茶葉茶多酚含量有關[25]，具體原因有待深入研究。整體而言，等養分投入下有機肥的施用可提高茶葉品質，但造成了一定程度的減產。由于茶園實施有機無機配施可促進養分的平衡供給[11]，相比于有機肥全量替代化肥，可能對春茶有更好的增產效果，并且可以維持有機肥對茶葉品質的提升效果。因此，可以進一步開展茶園有機無機配施技術研究，以更好地促進該區域茶園提質增效。

由于富含多種有機質及豐富的礦質營養元素，有機肥的應用可在一定程度上提高茶園土壤養分的生物有效性[26]。本研究結果顯示，有機肥全量替代化肥可提高茶園0～30 cm土層土壤堿解氮含量，在等養分投入下有機肥全量替代化肥還可提高茶園0～30 cm土層土壤有機質和速效鉀含量，這與相關研究結論一致[2，11，27-28]。但在等養分投入下，施用有機肥略微降低了0～30 cm土層土壤有效磷含量，這可能與施用有機肥提高了土壤有機質含量，造成有機陰離子與磷酸根競爭表面專性吸附位點、腐殖質土壤膠體表面形成保護膜減少對磷酸根的吸附以及有機質分解產生的CO2增加磷鹽的溶解度，造成土壤固磷作用減弱有關。本研究結果還顯示，有機肥全量替代化肥下0～30 cm土層土壤pH值比單施化肥高0.01～0.53個單位，說明施用有機肥可增加土壤對酸的緩沖性能，進而緩解茶園土壤酸化狀況[29]。此外，茶樹是喜酸植物，一般要求茶園pH值為4.0～6.5，高產優質茶園土壤最適pH值在5.0～6.5[30]，受茶樹分泌有機酸和不合理施肥等因素的影響，我國茶園土壤普遍酸化嚴重，嚴重影響茶葉生產[31-32]。本研究中2019，2020年的樣點中，茶園0～30 cm土層土壤pH值為3.76～4.30，pH值小于4.0的樣本數占47.62%，區域茶園土壤酸化狀況不容樂觀，還需要進一步開展茶園土壤酸化改良技術的研究。

分析氮素盈余量及氮肥偏生產力發現，茶園土壤氮素盈余量隨著氮肥施用量的增加而增加，而氮肥偏生產力隨著施氮量的增加而降低，這與前人研究結論基本一致[33-34]。根據氮素盈余量與氮肥施用量的線性關系可知，要維持茶園土壤氮素平衡時，理論氮肥施用量約為146 kg/hm2，由于我國茶園氮肥損失約為52.6%[34]。因此，在考慮氮肥損失的情況下，本研究區域氮肥施用量約為300 kg/hm2，這與專家推薦的氮肥投入量基本一致。同時，在此氮肥施用水平下可使土壤氮素表觀盈余量較小及保持較高的氮肥偏生產力，并保證茶樹的氮肥需求[35]?；诓枞~產量應用線性加平臺模型計算了本試驗條件下最佳有機肥施用量(8 739.55～9 169.95 kg/hm2)，為區域茶園有機肥全量替代化肥提供了參考，但在最佳有機肥施用量下，氮肥投入為436～458 kg/hm2，氮素盈余量228.42～245.34 kg/hm2(占氮肥施用量的53%左右)，不利于提高氮肥利用效率，進一步增加了環境污染的風險。

綜上，本研究以推薦的化肥施用量為對照，分析了不同有機肥施用量對茶葉品質和產量、土壤養分及氮素利用的影響，揭示了茶葉施用有機肥(枯餅)在提升茶葉品質、改善土壤養分方面的有利效果。然而，在本試驗條件下，養分投入量相當時施用有機肥造成一程度的減產，使得需要進一步增加有機肥的施用量來獲得更高的產量，造成的氮肥利用效率下降和氮素盈余量過大，增加了環境污染的風險。因此，從氮素利用角度考慮，茶園實施有機培肥時，不應過分追求茶葉產量，可適應降低有機肥施用量以控制氮的投入。