减施化肥和配施有机肥对茶园土壤养分及茶叶产量和品质的影响

王子腾 ，耿元波，梁涛，胡雪荻

1. 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；2. 中国科学院大学，北京 100049

茶树（Camellia sinensis）是一年多次采摘的多年生经济作物，施肥是保证茶树正常生长，提高茶叶产量及品质的重要措施之一，其对茶树生长的贡献率是最高的（Kamau et al.，2008；唐劲驰等，2011；游小妹等，2012）。中国茶园以施用尿素、复合肥等速效化肥为主，并且化肥施用量较大，出现了茶叶品质下降，茶园土壤有机质含量降低、养分流失等问题（Chen et al.，2016；刘声传等，2018）。浙江省是中国主要产茶省份之一，绍兴是浙江主要产茶区之一，茶园管理粗放，60%的茶园氮肥施用量大于450 kg·hm-2，远超过国际上为防止水体污染而设定的 225 kg·hm-2的化肥施用上限（栾江等，2013）。施入大量的化肥，尤其是当施肥量超过作物所需量时（Ghosh et al.，1998；Ju et al.，2006），大量的氮肥、磷肥通过径流进入周围水体，加重地表水体富营养化程度。探索浙江绍兴茶园化肥减施模式对茶园科学施肥具有重要意义。

目前，关于茶园施肥模式对茶叶产量、品质及土壤肥力影响的研究多有报道（Siddiqui et al.，2011；Venkatesan et al.，2004；单武雄等，2010；刘声传等，2018；田润泉等，2016；张昆等，2017），研究表明，茶园施用有机肥可以提高土壤养分含量，保证茶叶产量和品质，配施有机肥效果更加明显。通过4年茶园田间定位试验研究表明（吴志丹等，2015），配施有机肥能够提高土壤养分含量，促进茶树生长和提高茶叶品质；张昆等（2017）研究发现配施 70%有机肥可以显著提高春茶产量与品质。目前有关浙江茶园化肥减施模式的研究较少，且多集中在单独施用化肥、有机肥或有机肥-化肥配施对茶园土壤及茶叶产量和品质的影响（何石福等，2017；何志龙等，2016；刘声传等，2018；张昆等，2017），而对化肥减施量及不同化肥减施模式下氮磷流失的研究较少。

本研究针对浙江茶园施肥量、施肥方式、肥料品种等不合理施肥现象（马立锋等，2013），在浙江绍兴展开化肥减施田间定位试验，研究化肥减施、有机肥配施对茶园土壤养分含量、径流氮磷流失及茶叶产量、品质的影响，探索茶园化肥减施量及有机肥-无机肥配施的合理比例，为浙江茶园通过科学施肥改善茶园土壤环境、降低氮磷径流损失及提高茶叶产量和品质等提供思路。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究试验地位于浙江绍兴县富盛镇御茶村有限公司绿茶生产地，地理位置 29°56′N，120°43′E，海拔165.7 m，坡度为18°，属于亚热带季风气候，光能资源比较丰富；年平均降水量约1400 mm，多集中在春季和夏季，年平均降水天数为125.6 d，常年相对湿度80%，属湿润地带；无霜期为200~230 d。供试的茶树品种为丰绿，种植年限为10 a，行距1.5 m。茶园基础肥力如表1所示。

1.2 试验设置

试验设置为小区对比试验，设置6个处理（表2），每个处理重复3次，共18个小区，每个小区的面积为21 m2（3 m×7 m）。各小区随机排布，各个小区之间设1 m隔离行，并采用田埂方式将各小区分隔开，防止各小区间出现串水现象。100%化肥处理中年纯氮施用量为 450 kg·hm-2，茶园中N∶P2O5∶K2O 的施用比例为 3∶1∶2；各处理施肥种类与施肥量如表2，不同处理中N、P2O5、K2O施用量及施用比例见表 3。各个小区水分管理、病虫害防治等管理措施相同，保证茶树正常生长。

表3 化肥减施试验各处理中营养元素施用量及施用比例Table 3 Amount and proportion of nutrition in different treatment of chemical fertilizers

2017年，化肥减施处理中，化肥施用时间为4月1日、5月20日、8月1日，各施肥时间化肥施用量比例为50%、25%、25%；配施有机肥处理中，有机肥于4月1日一次性施入，配施的化肥施用方式同化肥减施处理。2018年，有机肥和化肥于7月13号一次性施入，施肥量占2017年全年的2/5。肥料施用采用沟施的方法，按照径流水的流向，在每个小区设置1个径流桶，用于径流水的收集。

表1 土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properities of soil

表2 化肥减施试验处理中施肥种类及用量Table 2 Types and amount of fertilizer application in fertilizer reduction treatment

本试验中肥料为尿素（河南心连心化肥有限公司，N-46%）、过磷酸钙（浙江中农化肥有限公司，P2O5-12%）、氯化钾（黑龙江倍丰农业生产资料集团有限公司，K2O-60%）、复合肥（史丹利化肥股份有限公司，15-15-15）；有机肥为菜籽饼：绍兴当地油菜籽榨油后的副产物，N：52.7 g·kg-1；P2O5：6.9 g·kg-1；K2O：6.1 g·kg-1。

1.3 研究方法

1.3.1 样品采集

土壤样品：于2017年8月23日和2018年8月16日采集距茶树施肥沟5~10 cm处0~20 cm、20~40 cm土壤样品，避开路边、田埂、沟边等区域。采用“S”布点法采样，每个小区取5点混合成1个土样并用四分法留取样品，剔除土样杂物、压碎、自然风干后，分别过0.15 mm、0.075 mm筛子后用自封袋分装，密封，于干燥阴凉处保存，待分析测定。

径流水样品：每次降雨产生径流后，收集每个径流桶的径流水样，将水样储存于4 ℃冰箱内并及时过滤、测定。径流水采集结束后，需将径流桶内水排干并清洗干净，以备下次径流水采集。

茶叶样品：待茶叶长到一芽三叶时，在各小区内随机采集一芽二叶的茶叶鲜叶，测定百芽重，芽密度通过统计0.1 m2选取框内一芽一叶、一芽二叶、一芽三叶的数量来获得；采摘各小区一芽一叶、一芽二叶、一芽三叶，记录产量。采摘的茶叶经蒸青后烘干磨细，密封保存，供测定茶叶内含成分。

1.3.2 样品测试

土壤硝态氮、铵态氮采用1 mol·L-1KCl浸提-流动分析仪测定；有效磷、有效钾采用 2%(NH4)2CO3浸提-ICP-OES（田晓娅，1997）测定。茶园土壤养分评价结合《中华人民共和国农业行业标准-茶叶产地环境技术条件（NY/T853—2004）》（中国农业部农业环境质量监督检验测试中心，2004）与韩文炎等（2002）、堵燕钰等（2017）总结的茶园土壤肥力分级指标（表 4）对土壤养分进行评价。径流水样品采用分光光度计测定径流水中全氮（国家环境保护局标准处，1989）；使用ICP-OES测水中全磷。径流样品评定参考《地表水环境质量标准（GB3838—2002）》（国家环境保护总局科技标准司，2002）（表5）。茶叶样品主要分析茶叶中咖啡碱——高效液相色谱法（中华全国供销合作总社杭州茶叶研究院，2002）、茶多酚——分光光度法（中华全国供销合作总社杭州茶叶研究院，2008）、氨基酸——分光光度法（中华全国供销合作总社杭州茶叶研究院，2013b）、水浸出物——称量法（中华全国供销合作总社杭州茶叶研究院，2013a），样品委托中国农业科学院茶叶研究所（杭州）测定。

表4 茶园土壤肥力分级指标Table 4 Soil fertility classification index of tea plantation

表5 地表水环境质量标准基本项目标准限值Table 5 Environmental standards for surface water quality

1.3.3 数据分析

运用Origin（Origin Pro 2016）软件绘图，运用SPSS（IBM SPSS Statiatics 20）软件进行显著性检验（单因素方差分析-LSD，P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤养分含量的影响

对茶园土壤中铵态氮、硝态氮、有效磷、有效钾含量进行分析（表6），各处理中0~20 cm土壤养分的含量高于20~40 cm，这与施肥深度为15~20 cm有关。化肥减施处理中，随着施肥量的减少，土壤中各养分累积含量逐渐降低，0~20 cm土壤中，CK中铵态氮、硝态氮含量最高。2017年，CK处理硝态氮含量显著高于 F1、F2处理，氨态氮含量显著高于F2，与F1差异性不显著；2018年，硝态氮及铵态氮含量显著高于F2，与F1差异性不显著，且土壤中铵态氮的累积含量高于硝态氮。CK处理中的有效磷、有效钾累积含量最高，均达到高产优质肥力标准（表4），与 CK相比，F1处理中土壤有效磷、有效钾含量虽然有所降低，但未达到显著差异，仍然达到了高产优质肥力标准。2017年F2处理中有效磷显著降低，2018年F2处理中有效K含量显著降低；20~40 cm土壤中，CK中铵态氮、硝态氮、有效磷、有效钾累积含量最高，F1处理中各养分含量降低，除2018年有效钾含量显著降低外，其余指标较 CK未达到显著差异；F2处理中，除2017年氨态氮含量和2018年有效钾含量外，其余指标较CK均显著降低（P<0.05）。

以CK为对照，有机肥配施处理中，土壤速效养分累积含量均提高，达到了高产优质茶园标准。在0~20 cm土壤中，有机肥配施处理中土壤铵态氮、硝态氮含量均升高，2017年以OF3处理的土壤铵态氮和硝态氮含量最高，2018年OF2的含量最高，且土壤铵态氮含量显著高于硝态氮含量，有利于茶树的生长；相较于 CK，施用有机肥可以提高土壤有效磷、有效钾的含量，以OF2处理中有效磷、有效钾累积含量最高。20~40 cm土壤中，2017年铵态氮含量以OF2最高，2018年以OF3最高，硝态氮含量随着有机肥施用量的增加而增加；土壤有效磷含量以OF2处理最高，在2017年和2018年分别为(24.24±2.14) mg·kg-1和(28.21±7.44) mg·kg-1，OF3处理中有效钾质量分数最高，分别为(167.33±6.24)mg·kg-1和(154.60±10.43) mg·kg-1。

表6 处理0～20 cm、20～40 cm土壤中养分含量Table 6 0~20 cm and 20~40 cm soil nutrients content in different treatment

2.2 化肥减施对土壤氮磷径流损失的影响

如图1、图2所示，化肥减施处理中，氮磷流失量表现为CK>F1>F2，这与化肥施用量有关（李高明，2009）。CK处理中，2017年径流水全氮质量浓度范围为3.29~7.59 mg·L-1，2018年径流水全氮质量浓度范围为 7.35~22.16 mg·L-1，均高于 2 mg·L-1，水质中全氮含量均超过V级（表5）；2017年径流水全磷质量浓度范围为0.08~1.59 mg·L-1，有67%的径流水全磷质量浓度超过0.1 mg·L-1（表5），2018年径流水全磷质量浓度范围均超过 0.1 mg·L-1。F1处理中，径流水全氮、全磷质量浓度较CK显著降低；F2处理中，径流水全氮、全磷质量浓度较CK显著降低，与F1相比，径流水全氮质量浓度显著降低，径流水全磷质量浓度在 2017年显著降低，2018年未达显著性差异。

如图1和图2，配施有机肥处理中，径流水中全氮、全磷浓度与CK相比显著降低，且有机肥配施量越高，径流中全氮、全磷浓度越低。与CK处理相比，OF1处理中，2017年径流全氮质量浓度为2.36~6.08 mg·L-1，2018年径流水全氮质量浓度为 3.31~15.54 mg·L-1，达到显著性差异；2017年径流水全磷质量浓度为0.19~0.80 mg·L-1，2018年为0.18~0.48 mg·L-1，均达到显著性差异。OF2处理中，径流水全氮、全磷质量浓度较CK显著降低；与OF1相比，全氮全磷浓度均降低，除2017年全磷达到显著性差异外，其余差异性不显著。OF3处理中，径流水全氮、全磷含量较CK显著降低；与 OF1相比，径流水全氮显著降低，径流水全磷含量在2017年达到显著性差异，2018年差异性不显著；与OF2相比，径流水全氮、全磷均降低，但未达到显著性差异。与CK相比，在茶园施肥过程中配施有机肥，可显著降低径流水中全氮和全磷的含量（P<0.05）。

图1 不同化肥处理径流水中全氮浓度Fig. 1 Runoff loss concentration of total nitrogen (TN) in different treatmentsCK：100%化肥处理，F1：80%化肥处理，F2：50%化肥处理，OF1：20%有机肥+80%化肥，OF2：50%有机肥+50化肥，OF3：80%有机肥+20%化肥。图中小写字母代表显著性差异CK: 100% Chemical fertilizer, F1: 80% Chemical fertilizer, F2: 50% Chemical fertilizer, OF1: 80% fertilizer+20% organic fertilizer, OF2: 50%fertilizer+50% organic fertilizer, OF3: 20% fertilizer+80% organic fertilizer. The lowercase letters in the picture represent significant differences

图2 不同处理径流水中全磷浓度Fig. 2 Runoff loss concentration of total phosphorus (TP) in different treatments

2.3 不同施肥处理对茶青产量的影响

不同施肥处理下，茶叶产量存在差异（表7）。与CK相比，2017年化肥减施20%处理中春茶（采茶日期2017年4月29日）的芽密度、秋茶（采茶日期2017年8月20日）百芽重显著降低，夏茶（采茶日期2017年6月26日）芽密度和百芽重均未显著降低，春茶、夏茶、秋茶的茶青产量降低，但与CK相比未达到显著差异；2018年其各指标均未发生显著变化。化肥减施50%处理中，2017年与2018年的茶青产量较CK、F1处理显著降低（P<0.05）。配施有机肥处理中，除OF2与OF3处理2017年春茶产量降低外，其余的产量均增加，其中 OF1与OF2处理2017年夏茶和秋茶产量较CK显著升高。

表7 不同化肥减施处理中茶叶产量指标Table 7 Tea yield in different treatmen

对各处理中2017年全年茶青产量进行分析（图3），结果表明，随着施肥量的减少，F1、F2处理中茶青产量降低，CK处理中全年茶青产量为9082.28 kg·hm-2，F1处理中茶叶产量较CK降低4.6%，未达到显著性差异（P>0.05），F2处理中茶青产量显著降低（P<0.05）。配施有机肥处理中茶叶产量表现为 OF1>OF2>CK>OF3，OF1、OF2处理中，施氮量相等的情况下，OF1、OF2处理中茶青产量较CK分别升高13.28%、2.5%，处理间未达到显著性差异。

图3 2017年不同施肥处理中茶青产量Fig. 3 Tea yield of different treatment in 2017

2.4 化肥减施对茶叶品质的影响

不同处理间的茶叶品质详见表8。2017年的化肥减施处理中，与CK相比，F1处理中夏茶的水浸出物含量显著升高，且夏茶酚氨比显著降低（P<0.05），春茶和秋茶的酚氨比略有降低，酚氨比降低有利于提高绿茶品质。2017年，F2处理中春茶的氨基酸、咖啡碱和茶多酚显著降低，夏茶中水浸出物、咖啡碱、茶多酚和氨基酸含量显著降低，秋茶中水浸出物含量显著降低（P<0.05）。2018年，各化肥减施处理中，茶叶品质虽有差别但均无显著性差异。

2017年的有机肥配施处理中，与 CK相比，OF1、OF2处理中夏茶水浸出物含量显著提高，以OF2处理中水浸出物含量最高，春茶、秋茶中水浸出物含量略有升高；OF1、OF2处理中茶叶的茶多酚、氨基酸含量未达到显著差异，咖啡碱分别含量提高 0.06%~0.09%、0.01%~0.14%，酚氨比显著降低；OF3处理中，春茶的氨基酸和茶多酚含量显著降低，酚氨比升高。2018年各有机肥配施处理间的茶叶品质虽有差别，但无显著性差异。

3 讨论

施肥是土壤养分的重要来源，无论是施用化肥还是有机肥都有提高土壤养分含量的作用（王伯仁等，2002；张国荣等，2009）。大量研究表明，有机肥和无机肥配施对培肥土壤、提高土壤有机质含量的作用明显（Zhang et al.，2009；黄东风等，2014；张国荣等，2009）。柳影等（2011）研究发现，施用常量或高量有机肥可以提高土壤有机质含量，30年后其有机质累积量分别增加 42.2%~50.0%和81.5%~94.7%。有机质在改善土壤结构、保持土壤水分、提供土壤养分等方面有重要作用。化肥减施试验中，减施20%的化肥其土壤养分含量与对照相比未达到显著性差异；配施有机肥处理与CK相比土壤有机质、氮素等的含量均有所提高，土壤有机质含量升高有助于改善土壤结构，提高土壤的保水保肥能力。配施有机肥处理下土壤铵态氮、硝态氮含量较CK有所升高，是由于施加到土壤中的化肥易发生硝酸盐的淋溶、铵态氮的挥发及氮的径流损失（Xing et al.，2000；沈善敏，2001），而有机肥中有机氮矿化缓慢，损失小，容易在土壤中存留（Richter et al.，2000）。此外，配施有机肥可以提高土壤中有效磷和有效钾的含量，并且随着有机肥的分解，其各营养元素可被作物持续性吸收，提高了肥料的利用率。

表8 茶叶中营养成分含量Table 8 Nutritional ingredients of tea in different treatment

地表径流会使土壤中的氮、磷等养分流失，降低了肥料的利用率，造成土壤板结、肥力下降；流失的氮磷养分进入到水体后又会增加水体富营养化的风险（褚建柯，2007），当水体中全磷质量浓度超过 0.1 mg·L-1时，可以引起水体富营养化（Sharpley et al.，1996）。CK、F1、F2 处理中的化肥主要是尿素、过磷酸钙、氯化钾以及复合肥，均为速效肥，养分释放迅速，在施肥初期，降雨造成的地表径流会携带大量的氮和磷，造成养分的流失；配施有机肥可以减少径流水中氮素、磷素的损失，降低水体富营养化的风险，这与相关研究的研究结果一致（Zeng et al.，2008；王利民等，2015）。这主要是由于配施有机肥增加了土壤的有机质含量和有益微生物菌群，使土壤的保水保肥能力增强，从而降低了氮磷的径流损失（Lriii et al.，2002）。

茶叶品质通常以茶多酚、氨基酸、咖啡碱、水浸出物等指标进行评价，茶多酚是茶叶中多酚物质的总称，被医学界称为“辐射克星”；氨基酸是茶叶滋味最重要的物质之一，氨基酸含量高，则茶汤口感更佳；咖啡碱是茶叶中含量较高的一种生物碱，对人体有提神作用；水浸出物含量的高低一定程度上反映了茶叶的品质。对于绿茶，茶叶酚氨比低于10，且茶叶酚氨比越低，绿茶品质越高（滕翼，2016）。施肥可以为茶叶的生长提供养分，是提高茶叶产量与品质的关键。化肥减施处理中，与 CK处理相比，化肥减施20%，其茶叶内营养成分含量未发生显著变化，而酚氨比降低，提高了绿茶的品质，茶叶产量亦未出现明显差异；化肥减施50%，其茶叶的产量和品质均显著降低，主要是因为施肥量不足，土壤养分满足不了茶树生长的需要，造成后期脱肥（张国荣等，2009）。有机肥配施处理中，OF1、OF2均可以提高茶叶品质，增加茶叶的产量，这与巩雪峰等（2008）、颜明娟等（2014）的研究结论一致，施用有机肥能够明显提高茶叶鲜叶中内含物，改善茶叶品质。但是，过高的有机肥施用量则不利于茶叶品质的提高（吴志丹等，2015），如本试验中OF3处理，80%的有机肥投入，茶叶中各营养成分含量反而降低。这是因为有机肥的养分释放速率缓慢，在作物的生长旺季，难以保证作物生长的养分供给（高菊生等，2014；张雪凌等，2017），因此需将速效化肥与有机肥进行配施以满足作物生长的需要（李萍萍等，2015）。综合两年试验数据可知，有机肥-化肥配施比例为 20%~50%时，其茶叶的产量与品质与其他处理相比均是最优的。

4 结论

在浙江绍兴县富盛镇御茶村有限公司现有茶园化肥施肥量条件下，进行短期（2年）化肥减施、配施有机肥试验，效果如下：

（1）与CK相比，化肥减施20%，土壤各营养元素的含量虽然降低，但未达到显著差异，仍可以保证茶叶生长的需要；径流水中的氮磷浓度显著降低，减少了土壤氮磷的损失；茶叶产量虽然降低但也未达到显著差异，而茶叶品质稍有提高。

（2）与 CK相比，有机肥-化肥配施比例为20%~50%时，土壤中各营养元素的含量均有所提高，其中配施50%有机肥处理，有效钾含量显著提高；有机肥配施可以提高土壤有机质含量，增加土壤的保水保肥力，显著降低了径流水中全氮、全磷浓度，减少了水体富营养化的风险。2017年全年茶青产量提高了13.28%和2.5%，茶叶中的水浸出物、氨基酸和茶多酚的含量均有所提高，酚氨比降低，提高了绿茶的品质。

致谢：感谢中国科学院地理科学与资源研究所谢绍文、赵之德等在浙江绍兴野外采样、试验的大力支持，感谢中国农业科学院茶叶研究所王国庆老师在茶叶样品分析中提供的指导和帮助，感谢浙江省绍兴市富盛镇御茶村绍兴御茶村茶业有限公司给予的帮助和支持。