武夷巖茶中礦質養分的地域性差異及影響因素*

薛俊鵬，卓座品，劉 揚，周 志，黃泓晶，許銳能，郭子龍，孫麗莉，陳志長，廖 紅

（福建農林大學生命科學學院根系生物學研究中心，福州 350002）

茶（（L.）O. Kuntze）是世界上最普遍的非酒精飲料作物，屬于山茶科山茶屬，其中，中國種（var.）包括云南亞種和武夷亞種。巖茶是武夷山最具代表性的茶類，屬于半發酵型的閩北烏龍茶。武夷巖茶的品質具有明顯的地域特性（俗稱：山場），民間根據茶葉品質的高低，大致將武夷山分為三個茶區，包括正巖區、半巖區和洲茶區。正巖區主要是指武夷山景區內“三坑兩澗”的茶園，品質最高；半巖區為九曲溪內、“三坑兩澗”外的茶園，品質較好；洲茶區則為景區外的茶園，品質一般。有研究利用超高效液相色譜-四級桿-飛行時間質譜（UPLC-Q-TOF-MS）分析方法，揭示了武夷巖茶的品質是一系列代謝物的綜合效果，并且與產地的密切關系客觀存在。

不同茶區的土壤成土母質差別很大，其礦質養分含量也不同，唐代陸羽在《茶經》中提到，不同類型的土壤上種植出來的茶葉等級不同，表明土壤養分可能影響茶葉的品質。通過對福建省茶葉主產區武夷山和安溪茶園進行調研分析發現，茶園的土壤肥力顯著影響茶葉的品質，肥力不足或過量均會導致茶葉的品質下降。土壤中氮過高會顯著降低茶園土壤的酶活性，不利于茶樹養分的吸收轉化，從而導致茶葉代謝物的累積減少。此外，土壤中的微量元素也會影響茶葉的生化成分，通過外施微量元素可調控茶葉的品質，銅和鋅肥均可提高茶葉中茶多酚、咖啡堿和游離氨基酸等主要代謝物的含量，施加適量錳能夠降低茶葉中茶多酚的含量。以上研究表明，茶園土壤的養分狀況顯著影響茶葉的品質。

同時，茶青中的礦質養分影響代謝物的合成和轉化，進而決定茶葉的品質。通過大量分析安溪與武夷山茶青中代謝物與養分的關系，發現茶青中的氮磷鉀存在一定的比例關系，養分過高或過低均不利于代謝物的積累，其中對茶氨酸濃度的影響最大。茶葉中的氮直接參與茶氨酸和兒茶素的代謝，鉀影響著氨基酸與咖啡因的代謝，錳、鈣、鎂則與總糖存在一定關系。因此，茶青中的礦質元素對茶葉的品質形成具有重要影響。本研究根據武夷山的不同茶葉等級劃分的傳統區域（正巖區、半巖區、洲茶區），選取代表性茶園，分析不同產地茶青中礦質元素的差異，尋找土壤肥力與茶青養分的關系，旨在為茶園土壤養分管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

采樣概況：本研究以武夷山主栽茶樹品種肉桂為主要研究對象，采樣時間為2018 年春季，主要采集茶青樣品和茶園對應的土壤樣品。取樣茶園共計112 個，涉及武夷山正巖區、半巖區和洲茶區三類茶區，茶園數分別為41、21 和50 個。具體采樣點包括正巖區：牛欄坑、慧苑坑、倒水坑、流香澗、悟源澗等；半巖區：巖茶村、乞丐巖、白云巖、一線天、燕子窠等；洲茶區：興田、黃柏、仙店、歷屯、太廟等（圖1）。

圖1 武夷山取樣分布圖Fig.1 Distribution of the sampling spots in the Wuyi Mountain

茶葉樣品的處理：按照當地的采茶標準采摘三葉一新（新葉為全開面），樣品采集后24 h 內采用熱固樣法固定，105 ℃烘箱加熱30 min，75 ℃烘干至恒重，研磨成粉末后稱樣消解，用于測定12 種主要礦質元素。每個茶園取10 個茶青樣品，共計1 120個茶青樣品。

茶園土壤的處理：取土前，先清除土壤表層的雜草及落葉；取樣時，在茶樹滴水緣垂直向下、靠近茶樹根系的部位，使用鉆土器采集0～20 cm 土層的土壤；取土后，土壤攤放于陰涼處風干、研磨過篩后，用于檢測土壤理化性質及養分指標。每個茶園取3 個土壤樣品，共計336 個土壤樣品。

1.2 樣品檢測方法

茶青養分檢測：濃硫酸-雙氧水消解法消解茶青獲得待測溶液，使用流動分析儀（Skalar，荷蘭）測定大量元素氮（N）和磷（P）濃度，使用火焰光度計（410 型，Sherwood，英國）測定鉀（K）濃度；硝酸消解法獲得茶葉樣品待測溶液，使用電感耦合等離子體質譜儀ICP-MS7900（Agilent，美國）檢測鈣（Ca）、鎂（Mg）、鐵（Fe）、錳（Mn）、硼（B）、鋅（Zn）、銅（Cu）、鉬（Mo）和鎳（Ni）等9 種中微量元素。

土壤肥力檢測：土壤酸堿度（pH）測定采用電位法；有機質（OM）測定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化—容量法；堿解氮（AN）測定采用堿解擴散吸收法；有效磷（AP）測定采用鉬銻抗比色法；速效鉀（AK）測定采用乙酸銨浸提—火焰光度法。

1.3 數據分析

采用 SPSS 19.0 對數據進行單因素方差分析（One-way ANOVA）并選用鄧肯（Duncan）法進行多重比較，使用R 語言中的Factoextra 和FactoMineR程序包進行主成分分析，RandomForest 程序包進行隨機森林分析，運用ggplot2 程序包繪制小提琴圖，corrplot 和RColorBrewer 程序包進行皮爾森相關性分析及可視化。

2 結 果

2.1 巖茶茶青中主要礦質元素差異

對武夷山112 個茶園采集的1 120 個茶青樣品進行12 種主要礦質元素的測定分析，發現茶青中各礦質元素的含量差異很大（表1）。大量元素中，氮的含量最高，為23.48 g·kg；鉀和磷次之，分別為14.41 和3.13 g·kg，氮∶磷∶鉀的比例約為（7～8）∶1∶（4～5），表明大量元素中磷的含量相對較低（表1）。中量元素中，鈣和鎂的含量分別約為磷的 82.0%和57.8%，表明茶樹對鈣和鎂的需求量較大（表1）。微量元素中，錳的含量最高，達到了551.77 mg·kg，約為鐵的4.3 倍，但其變異系數也是所分析元素中最大的，為51.11%，表明茶樹需要大量的錳，且其閾值范圍較廣（表1）。

表1 茶青中礦質元素含量Table 1 Contents of mineral elements in tea leaves

2.2 巖茶茶青中形成產地差異的主要貢獻元素

針對12 種礦質元素含量進行主成分分析，僅前兩個主成分就可解釋茶青養分整體差異的 52%（第一主成分和第二主成分可分別解釋差異的38.2%和13.8%）（圖2）。基于第一主成分和第二主成分，不同產地之間的茶青樣品差異較大，尤其是正巖區與洲茶區之間，僅存在少許疊加；而半巖區的茶青樣品之間差異較大，明顯分隔成兩個部分，其中一部分完全與正巖重疊，另一部分則趨近于洲茶區（圖2）。上述結果可以說明正巖區與洲茶區的茶青養分含量差異明顯，而半巖茶則介于正巖茶與洲茶之間。

圖2 茶青中礦質元素的主成分分析Fig. 2 Principal component analysis（PCA）of the mineral elements in tea leaves

為了篩選形成產地差異的主要貢獻元素，以產地作為分類依據進行隨機森林分析，得到每個元素的平均精度下降值（mean decrease accuracy）和平均基尼指數降低值（mean decrease Gini）。結果顯示磷的平均精度下降值和平均基尼指數降低值均為最高，銅和氮次之，表明對產地差異貢獻最大的三種礦質元素依次為磷、銅和氮（圖3）。因此，在分析的12 種礦質元素中，這三種元素可能對不同產地茶葉的品質差異起到主要貢獻。

圖3 不同產地茶青中礦質元素的隨機森林分析Fig. 3 Random forest analysis of the mineral elements in tea leaves relative to area

同時，本研究發現磷、銅、氮含量在正巖區、半巖區以及洲茶區之間確實存在著顯著差異（圖4）。正巖區茶青中這三種元素的含量總體低于洲茶，表明高品質的正巖茶中含有較低含量的磷、銅、氮；而半巖茶居于正巖茶與洲茶之間，半巖茶中的磷和氮含量與正巖茶無顯著差異，銅則與洲茶無差異（圖4）。以上結果表明，茶青中過高的磷、銅、氮含量可能不利于高品質茶葉的形成。

圖4 不同產地茶青中磷、銅、氮的含量Fig. 4 Contents of P，Cu and N in the tea leaves relative to area

2.3 土壤肥力對茶青中主要貢獻元素的影響

為了探究土壤肥力與茶青養分的關系，本研究將土壤肥力（pH、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀）與茶青礦質元素含量（磷、銅和氮）進行皮爾森相關性分析。結果發現，土壤pH 與有效磷、速效鉀不相關，而與有機質、堿解氮呈很弱的負相關，表明茶園土壤酸堿度與土壤養分關系不明顯；土壤速效鉀分別與堿解氮、有效磷的關系較為密切，這可能與茶農施用等配比氮磷鉀肥的習慣有關（圖5）。茶青中，磷與氮含量呈現較強的正相關，說明茶葉中磷和氮的吸收存在協同效應（圖5）。而就土壤與茶青的關系而言，相關系數的絕對值最高為0.11，表明二者幾乎不相關，即土壤肥力對茶青中主要貢獻元素磷、銅、氮的水平影響不明顯（圖5）。

圖5 土壤肥力與茶青中磷、銅和氮含量的關系Fig. 5 Relationships between soil fertility and contents of P，Cu and N in the tea leaves

3 討 論

3.1 武夷巖茶品質與茶青養分的相關性

武夷山的茶葉根據產地所在區域劃分為正巖區（高品質）、半巖區（中等品質）和洲茶區（一般品質）。本研究在三個不同品質區域分別選取代表性茶園（圖1），分析不同產地茶青中礦質元素的差異。通過主成分分析方法，發現正巖區與洲茶區的茶青養分含量差異明顯（圖2）；此外，利用隨機森林分析方法中的平均精度下降值和平均基尼指數降低值作為判斷指標，來反映變量對決策樹節點純度的影響。一般而言，兩個指標的數值越大，代表該變量在分類中的重要性越大。從圖3 結果可發現對產地差異貢獻最大的三種礦質元素，其中就包括大量元素氮和磷。氮和磷是茶樹生長發育過程中需求量較大的兩個礦質元素。Sun 等在對福建武夷山與安溪的茶葉樣品進行養分測定后，認為茶青中氮磷比例范圍為6∶1～13∶1，磷含量顯著低于氮。本研究發現，武夷山肉桂茶青樣品的總體氮磷比例較為恒定，約為7.5∶1（表1），符合前期研究比例范圍。進一步對武夷山不同品質茶區洲茶區、半巖區和正巖區的茶青樣品進行分析后，得出這三個區域的氮磷比例分別為6.8∶1、7.7∶1 和8.0∶1，雖較為相近，但存在一定的趨勢，隨著品質的提高而逐漸增大，即高品質的茶青中磷與氮的比例較低；并且，正巖茶青中的氮和磷含量均顯著低于洲茶茶青，分別為洲茶的86.8%與74.2%（圖4）。綜合以上研究得出，高品質的茶青中磷與氮的含量及其比例均較低。

3.2 土壤肥力與茶青礦質元素的關系

植物的養分主要通過根系從土壤中吸收獲得，通常情況下，土壤養分狀況能夠影響植物體內的養分，比如，高磷處理能夠分別提高柱花草與大豆中全磷或可溶性磷的含量。因此，本研究對土壤主要肥力指標與茶青中對產地差異貢獻最大的三種礦質元素進行皮爾森相關性分析，結果發現，土壤肥力對茶青中主要貢獻元素磷、銅、氮的水平影響并不明顯（圖5）。周志等研究發現，相比洲茶區土壤，正巖區土壤為高磷低氮；同樣地，早在20 年前，姚月明認為正巖茶園土壤的磷較洲茶區高，而氮要低；然而，品質更優的名巖區土壤中的銅含量較品質一般的丹巖區低。本研究中正巖區茶青中的磷、銅、氮含量均低于洲茶區（圖4），說明土壤肥力部分影響茶青的礦質元素組成，但不是決定因素。

武夷巖茶中的礦質養分與土壤養分的關系形成可能受兩個因素的影響，一是茶樹自身的養分需求，即不同茶區的茶樹品種對礦質養分的需求存在差異。孫威江等研究發現，不同產區的武夷巖茶鮮葉中營養元素存在顯著差異，這與本身的土壤營養環境之間并不存在很好的相關性。因此，植物對養分的吸收和需求以植物自身的響應為判斷標準，土壤狀況僅能作為參考。二是不同巖區的地理環境差異。武夷山作為中國著名的風景旅游區，具有典型的丹霞地貌特征。與洲茶區相比，位于武夷山核心地段的正巖區，具有降水量多，濕度大，霧日長等氣候特點，這些因素將綜合影響茶樹中離子組和代謝組的變化，并最終形成其獨特的口感和品質。

4 結 論

不同產地的茶青中12 種主要礦質元素存在一定的差異，尤其是磷、銅和氮元素，對不同巖區茶青中礦質元素的整體差異貢獻最大，且均在正巖區茶青中濃度最低，洲茶中最高，而土壤肥力5 項指標（pH、堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質）與茶青養分的累積相關性較弱。