紫金縣茶園土壤養分狀況分析與評價

陳迪文，周文靈，李繼虎，李 爽，吳啟華，沈大春，凌秋平，黃 瑩，敖俊華

（廣東省科學院南繁種業研究所/茶營養與健康研究中心，廣東 廣州 510316）

茶葉是世界最主要的飲料之一，全球茶葉種植面積逐漸擴大，產量逐步增加，目前我國茶園面積和茶葉產量均為世界第一［1］。紫金縣位于廣東省東中部河源市的東南部，30年（1980～2010年）平均氣溫21℃，年平均無霜期300 d，年平均相對濕度79.2%，年平均降水量1740.8 mm，年日照時數1720 h，適宜茶葉種植［2］。茶業是紫金縣的特色產業之一，2019年茶葉種植面積達到0.3萬hm2，茶產業綜合年產值達7.96億元，入圍2020中國茶業百強縣，具有濃厚的客家特色。

茶園土壤養分含量是肥力水平的重要指標，直接影響茶樹生長，進而影響茶葉的產量、品質及茶農收益。茶園土壤養分狀況及施肥能夠影響茶葉產量和品質成分［3-6］。例如，氮肥對茶葉的干物質產量和品質有明顯的影響，合理的施氮量能顯著提高茶葉產量并改善其品質［3］。施用鉀、鎂肥可以增加茶葉產量，而且可以增加綠茶游離氨基酸含量、烏龍茶的香氣成分和紅茶的茶紅素與茶黃素等品質成分，施用鉀肥還能提高茶樹抗旱和抗病能力［5，7］。全國多地的科研人員都開展了地方茶園土壤養分分析與評價研究［8-12］，這些都為培肥茶園土壤，指導茶園合理施肥和提高茶葉產量提供了參考。目前紫金縣茶園土壤肥力的相關研究未見報道。本文對茶園土壤取樣分析檢測，并進行茶園土壤肥力等級劃分，以明確茶園土壤養分元素豐缺狀況。根據結果可以針對性指導茶農合理施肥，有利于提高茶葉產量和品質以及茶園生態的可持續發展。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與處理方法

2018年9月至2019年10月，根據《土壤環境監測技術規范》（HJ/T 166-2004）［13］，對紫金縣的紫城鎮、龍窩鎮、蘇區鎮、南嶺鎮、敬梓鎮、中壩鎮、義容鎮、鳳安鎮和九和鎮9個產茶鄉鎮，以集中連片6.7 hm2以上的茶園為對象，采集茶園土壤樣品，共計79個，取樣時間在當年茶季結束后或即將結束、基肥施用之前完成。每個土壤樣品由4個茶園行間樣點和4個靠茶行位置樣點的土壤等量混合組成，去除表層約5 cm 有機覆蓋層，用土壤取樣器采集深度為0～20 cm的土壤。每個土樣采用四分法取約1.0 kg 帶回實驗室。剔除砂石和植物殘體等雜物后置于通風處自然風干。磨碎后過0.85 mm篩，供pH值、有效P、速效K、有效態的Ca、Mg、S、Mn、Cu、Fe、Zn和B測定。取其中約50 g土樣，繼續磨碎過0.15 mm篩，供有機質和全N元素測定。

茶青采集方法：按照一芽二葉標準采集茶青，除1、2年齡茶樹外的每個土樣點采集 50 g 左右鮮葉，共計67個樣。在105℃下烘15 min后，再在75℃下烘至恒重。

1.2 樣品檢測方法

土壤pH 值用水浸電位法（水土比2.5∶1）測定；有機質采用重鉻酸鉀容量法；全N采用凱氏定氮法；有效P測定用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；速效K測定用醋酸銨浸提-火焰光度法；有效態的Ca、Mg、S、Mn、Cu、Fe、Zn、B采用Mehlich 3浸提劑（水土比10∶1）浸提，振蕩5 min，取5 倍稀釋液，電感耦合等離子體發射光譜儀測定［14］。

茶葉品質成分測定：樣品前處理參照GB/T 8303-2002［15］和GB/T 8313-2008［16］。采用Agilent1260型高效液相色譜系統定量檢測2個茶青次級代謝物氨基酸和茶多酚作為茶葉品質指標。

1.3 茶園土壤養分分級標準及依據

結合《茶葉產地環境技術條件》（NY/T 853-2004）中茶園土壤的肥力分級標準［17］、《綠色食品產地環境質量》 （NY/T 391-2013）［18］，土壤肥力指標、優質高產茶園土壤肥力指標［19］，將茶園土壤肥力分3 級（表1）；根據全國第二次土壤普查分級標準［20］，將茶園中微量元素的豐缺狀況分5級（表2）。

表1 茶園土壤肥力分級指標

表2 土壤中有效態中微量元素含量的分級標準

1.4 土壤養分指標綜合評價

將土壤養分指標按照不同等級進行賦分，再乘以一個權重系數后累計每個土壤樣本的總分作為茶園土壤養分綜合評分。賦分規則如下：pH值按照＜4.0、4.0～4.5、4.5～5.5、5.5～6.5和＞6.5共5個等級分別計1、3、5、3和1分；有機質按 照＜10、10.0～15.0、15.0～20.0和＞20.0共4個等級分別計1、2、3和5分；全N按照＜0.8、0.8～1.0、1.0～1.5和＞1.5共4個等級分別計1、2、3和5分；有效P按照＜5、5～10和＞10共3個等級分別計1、3和5分；速效K按照＜80、80～100和＞100共3個等級分別計1、3和5分；中微量元素按照很缺、缺、適中、豐富和很豐富共5個等級分別計1、2、3、4、5分。另外，將pH值、有機質、全N、有效P和速效K的權重系數定為0.6，有效態Ca、Mg、S的權重系數定為0.3，微量元素的權重系數定為0.1。將每個土壤樣本的各個養分指標賦分后分別乘以對應的權重系數再累計總分（最大總分值為22.0分，最小值為4.4分），并將綜合評分與茶葉2個品質指標分別進行相關性分析。

1.5 數據處理分析方法

所有土壤檢測數據利用Excel 2013 進行統計處理并制作圖表。用SPSS 19.0進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 茶園土壤pH值及有機質狀況

紫金縣茶園土壤pH 值調查結果見表3、圖1。所有茶園土壤樣本的pH值均小于7，為酸性，且絕大部分低于5.5，土壤pH 值平均為4.84，其變化范圍為3.88～6.56，變異系數為12.94%。其中符合優質高產茶園pH 值范圍的土壤占比49.37%，接近一半。

表3 茶園土壤pH值、有機質和N、P、K養分狀況及分級占比

圖1 不同土壤pH值范圍所占總量百分比

茶園土壤有機質含量范圍為3.27～51.03 g/kg，平均值為21.85 g/kg，變異系數為47.44%，表明不同茶園有機質含量差異性較大，含量最高和最低的相差15倍以上。大部分土壤樣本有機質含量較高，其中符合優質高產茶園和Ⅰ級優良標準的樣本分別占48.10%、69.62%。另外，也有8.86%的茶園土壤樣本有機質含量較低，為Ⅲ級標準（較差），需要補充有機質。

2.2 茶園土壤N、P、K含量狀況

如表3所示，茶園土壤全N含量范圍為0.45～2.55 g/kg，平均值為1.44 g/kg，變異系數為36.66%，46.84%的茶園全N含量符合優質高產茶園的要求，符合Ⅰ級和Ⅱ級茶園標準的分別占73.42%和16.46%，另有10.13%茶園含量低于臨界值（0.8 g/kg）。

茶園土壤有效P含量范圍為0.04～212.32 mg/kg，平均值為30.36 mg/kg，變異系數為112.11%，屬強變異型，表明不同茶園之間土壤有效P含量差異很大。74.68%的茶園土壤有效P符合優質高產茶園和Ⅰ級茶園要求，17.72%的茶園含量尚可，7.59%的茶園土壤有效P含量低于臨界值（5 mg/kg）。

茶園土壤速效K變化范圍為8.02～410.74 mg/kg，平均含量為114.10 mg/kg，變異系數為74.16%，不同茶園之間差異較大。48.10% 的茶園土壤速效K符合優質高產茶園要求，44.30%的茶園土壤低于臨界值（80 mg/kg），土壤速效K含量偏低的土壤占比大。

2.3 茶園土壤中量元素Ca、Mg、S含量狀況

從表4可以看出，茶園土壤有效Ca整體含量水平較高，變化范圍為61.94～1978.99 mg/kg，平均值為936.73 mg/kg，變異系數為63.15%，表明土壤有效Ca的含量差異較大，絕大部分茶園土壤有效Ca滿足茶樹生長，僅有11.39% 茶園含量低于臨界值（250 mg/kg）。

表4 茶園土壤Ca、Mg、S養分狀況及分級占比

茶園有效Mg含量平均值為75.66 mg/kg，變化范圍為3.78～255.10 mg/kg，變異系數為65.18%，說明有效Mg 空間分布不均勻，其中37.97%的茶園含量低于臨界值（50 mg/kg），需要補充Mg才能滿足茶樹正常生長。

茶園土壤有效S整體含量中等偏上，變化范圍為0.99～345.31 mg/kg，平均值為45.55 mg/kg，變異系數為95.14%，表明不同茶園土壤有效 S的含量差異較大，僅有10.13%的茶園含量低于臨界值（16 mg/kg）。

2.4 茶園土壤微量元素Cu、Fe、Mn、Zn、B的含量狀況

表5 表明，茶園土壤有效態Cu 含量整體偏低，變化范圍為0.06～3.90 mg/kg，平均值為1.94 mg/kg，變異系數為52.66%，沒有樣本達到豐富和很豐富的級別，50.63%的茶園低于臨界值（2.0 mg/kg），不能滿足茶樹生長需要；茶園土壤有效態Fe 含量極其豐富，含量變化范圍為4.71～663.10 mg/kg，平均值為193.49 mg/kg，遠高于很豐富水平（20 mg/kg），其中很豐富級別占比93.67%，沒有低于臨界值的土壤樣本；有效態Mn含量變化范圍為10.94～ 150.20 mg/kg，平均值為33.49 mg/kg，變異系數為53.40%，59.49%的茶園有效態Mn 含量很豐富，沒有低于臨界值的土壤樣本；有效態Zn含量變化范圍為0.26～20.30 mg/kg，平均值為4.51 mg/kg，變異系數為92.74%，表明有效態Zn含量的空間分布高度不均勻，大部分處于適中及以上水平，低于臨界值的土壤樣本占比10.13%；有效態B含量平均值為1.62 mg/kg，變化范圍為0.10～ 15.34 mg/kg，變異系數達117.30%，表明有效態B的含量空間分布高度不均勻，15.19%茶園有效態B 含量低于臨界值（0.5 mg/kg）。

表5 茶園土壤微量元素養分狀況及分級占比

2.5 茶園土壤養分綜合評價

如圖2所示，在所有檢測的13個土壤指標中，沒有土壤在所有指標中全部達到優質高產茶園或豐富以上等級。其中60.8%的土壤樣本能達到6個及以上的指標，占比最多的是達到6～7個優質指標的樣本，合計占比39.3%。根據養分評價總分計算，所有樣本平均得分15.92，最大值20.8，最小值9.7。如圖3所示，總分低于14的樣本占比22.8%，高于平均值且大于16的樣本占比49.4%，總分高于18的樣本占比27.9%。以上結果說明紫金茶園大多數土壤的近半數養分指標能達到優質高產茶園的標準，土壤養分整體上處于中等偏上的水平。

圖2 養分指標達到優質高產茶園或豐富以上等級的土壤分布頻率

圖3 茶園土壤養分指標綜合評價總分分布頻率

2.6 土壤養分綜合評分與茶青次級代謝物茶多酚和氨基酸含量的關系

統計分析結果如圖4所示，土壤養分綜合評分與茶青次級代謝物茶多酚和氨基酸含量的相關系數分別為0.277和0.299，都為顯著正相關（P＜0.05），整體上隨著土壤養分綜合評分的提高，茶多酚和氨基酸的含量均增加。

圖4土壤養分綜合評分與茶青茶多酚含量和氨基酸含量的關系

3 討論

3.1 茶園土壤養分豐缺與施肥建議

土壤條件與茶樹的生長發育密切相關，有機質及各種礦質養分元素是茶樹生長發育必不可少的元素。但隨著種茶年限的增加，茶園土壤會表現出pH值下降，Fe、Al元素含量增加和部分微量元素含量下降等變化［21-22］，長期不同施肥管理措施也會對土壤養分產生影響［23］。本研究中紫金縣茶園土壤樣本pH值平均為4.84，屬于強酸性土壤，而由于茶樹喜酸性，優質高產茶園土壤 pH值的范圍為4.5～5.5［24］，因此，49.37%的土壤樣本符合優質高產茶園的要求；另外，土壤pH值低于4.0或高于6.5的茶園，對茶樹的正常生長發育會產生不良影響，而紫金縣的茶園中這類pH值樣本占比只有約5%（圖1）。研究表明，施用生物炭基肥可顯著減緩酸化茶園土壤酸度，促進茶樹對養分的吸收，因此可以考慮施用生物炭等土壤調理劑來改良酸性土壤［25］。對于土壤pH值太低的茶園需要注意減少化肥投入，增施有機肥來改善土壤結構［26-27］。

土壤中相對較高的有機質含量是獲得優質高產茶葉的保證［28］。有機質對土壤團粒結構的維持和形成有重要作用，能有效改善土壤三相狀況，有利于茶樹根系生長發育［29］，但也不是越高越好，過高的有機質也可能會影響茶葉品質［30］。由于紫金縣政府大力提倡有機茶產業建設，大部分茶園是有機茶園，注重有機肥的投入，因此調查的樣本中土壤有機質含量整體為中上等，近半數達到優質高產茶園的標準，但不同茶園之間差異性較大，8.86%的茶園土壤樣本有機質含量較低，這些茶園可能是有機肥投入少，或者是新開墾茶園，需要增施有機肥來補充有機質［26］，也可以在茶園行間種植一些具有固氮作用的豆科綠肥植物用于還田［31］。

紫金縣茶園土壤大量元素中N和P含量相對較高，而K元素則有44.30%的茶園土壤低于臨界值（80 mg/kg），屬于較差等級。K是植物生長的必需元素，合理施用K肥能增加茶樹的發芽密度和芽頭重量，提高抗病能力及抗旱性等，缺K則不利于茶樹正常生長［7］。對于K含量低的茶園建議補充K肥，有機茶園可以施用草木灰，或將雜草、秸稈和枯枝落葉堆肥還田，對于部分缺N的茶園適當補充N肥或者增加豆科綠肥作物通過固氮作用提升土壤N素含量［32］。

中微量元素中，紫金縣茶園土壤Fe和Mn非常豐富，沒有低于臨界值的樣本，這是華南酸性土壤的一個常態。有效Ca和S相對較為豐富，大部分茶園不需要額外補充就可以滿足茶樹生長的需要。研究表明,施Mg可使茶葉增產，茶葉游離氨基酸含量增加［33-34］。紫金縣茶園有37.97%的土壤有效Mg含量低于臨界值，需要補充Mg。茶園土壤有效態Cu含量整體偏低，而且沒有樣本達到豐富及以上的級別，特別是50.63%的茶園低于臨界值，不能滿足茶樹的生長需要。茶樹雖然對中微量元素的需求量較少，但其功能不可代替，紫金縣茶園土壤應重視這些微肥的施用。另外，Cu和Mn既是營養元素，也是重金屬元素，其含量過高可能對植物生長產生不利影響。根據農業行業標準NY/T 288-2018中關于茶葉中Cu的限量標準為≤30 mg/kg［35］，本研究調查的所有土壤樣本均低于這個標準，而且處于相對匱乏需要補充的水平。目前茶葉中Mn的限量還沒有相關國家或者行業標準，本研究調查的土壤樣本中Mn含量的最高值為150.20 mg/kg，平均值為33.49 mg/kg，而文獻報道南方紅壤和赤紅壤中活性Mn含量為120～136 mg/kg［36］。據調查，粵東鳳凰山茶區12個茶園土壤可交換態Mn含量平均為6.41 mg/kg［37］，閩中茶園土壤有效Mn含量平均為33.72 mg/kg［38］，全國各地土壤因成土母質及環境差異導致Mn含量差異很大［39］。茶樹是富集Mn的植物，Mn含量是其他植物的10倍以上［40］。而茶園土壤有效態Mn含量達到何種水平會對茶樹造成不利影響尚未有研究報道。

3.2 土壤養分綜合評價方法及與茶葉品質的關系

研究表明，不同的土壤養分因子對于茶葉的品質存在一定影響［30］，而不同養分之間也存在一些相互影響，單獨討論某一養分對茶葉品質的影響比較復雜，難以明確。因此，有必要對土壤的養分狀況進行一個綜合評價，而后再研究其與茶葉品質的相關性。同樣地，土壤的養分指標種類很多，如果側重單因素評價則會有些片面。如今隨著模糊數學方法、灰色關聯分析法、聚類分析法、人工神經網絡法以及多元統計分析方法等現代研究方法的廣泛應用［41-43］，土壤養分評價逐漸趨向于多因素的綜合評價，從而在很大程度上避免了主觀因素對評價結果的影響。但這些方法大多不僅計算比較復雜，而且對于數據有一定的適應性要求，并不是所有數據都能適用這些方法。比如多元統計分析中的主成分分析方法是采用較多的一種綜合分析方法［44-45］，通過計算各主成分得分獲得綜合評價分，從而達到對土壤養分狀況的準確評價［45］。它要求所有變量間的簡單相關系數平方和大于偏相關系數平方和，抽樣適合性檢驗KMO值越接近于1，原有變量越適合作因子分析，KMO值低于0.7的則不適合［46］，本文所調查的數據經分析KMO值為0.56，且提取得到的5個主成分貢獻率低于70%，故不太適合作主成分分析。因此我們自定義了一個相對簡單的土壤養分綜合評分規則，首先根據每一個土壤指標的分級情況，根據最佳水平定義最高分，評分隨分級降低而降低。另外，根據土壤理化指標中大、中、微量賦予不同權重系數，pH值與有機質作為土壤理化性質最重要的兩個指標和大量元素N、P、K的權重系數定為0.6，中量元素權重系數為大量元素的一半，即0.3，微量元素權重系數則為大量元素的1/6，即0.1。這種方法不一定能精確地判斷土壤養分狀況，但可以從整體上對土壤養分的綜合狀況提供參考。將土壤養分綜合評分與茶青的重要品質因子進行相關性分析，結果表明土壤養分綜合評分與茶青的茶多酚和氨基酸含量存在顯著的正相關性，即土壤整體養分水平較高的茶園生產的茶葉中茶多酚和氨基酸含量相對較高。施肥管理措施也會對茶葉品質產生影響，施肥量過高或過低均不利于高品質茶葉生產［6］。因此，建議重視茶園土壤綜合肥力情況跟蹤監測，及時掌握茶園土壤養分虧缺情況，進行針對性的養分補充，從而保障高品質的茶葉生產。

4 結論

根據土壤樣點測試結果，紫金縣茶園土壤呈強酸性，有機質含量整體中上等，但分布不均，部分茶園土壤有機質含量極低。土壤各礦質養分元素分布不均，Fe和Mn非常豐富，N、P、Ca、S、B、Zn含量中等偏上，K、Mg、Cu則相對缺乏。綜合評分表明，紫金茶園土壤養分整體上處于中等水平，土壤綜合肥力水平與茶葉品質指標茶多酚和氨基酸等存在顯著的正相關性。建議茶園保持土壤肥力情況跟蹤監測，根據茶園土壤養分虧缺情況進行針對性的補充，以提高茶葉品質。