武夷山市茶园土壤有机质的空间分布特征

(福建省生态产业绿色技术重点实验室，武夷学院生态与资源工程学院，福建 武夷山 354300) (武夷学院土木工程与建筑学院，福建 武夷山 354300) 福建省生态产业绿色技术重点实验室，武夷学院生态与资源工程学院，福建武夷山354300

土壤是茶树赖以生存的物质基础，对茶树高质、优产、高效至关重要[1]，其中土壤有机质(soil organic matter，SOM)是土壤肥力的重要组成部分，是反映茶园土壤熟化程度和肥力水平高低的重要指标[2]，SOM含量的高低直接影响茶树生长发育以及茶叶的产量和品质。我国优质名茶产地SOM含量都在20g/kg以上[3]。土壤在形成和演化过程中受多种时空尺度环境因素(如气候、土地利用、海拔、地貌地形等)的控制，因此SOM具有复杂的空间变异性和非平稳性[4,5]。随着GIS技术的发展，将其与地统计学相结合的研究方法已经成为热点[6]，赵汝东等[7]、陈琳等[8]、邓小华等[9]、李枝桦等[10]对农田SOM的空间分异特征进行了研究，对农业生产起到了一定的指导作用。关于茶园SOM的空间分布已有大量研究[3，11～13]，但目前尚无有关武夷山市茶园SOM空间分布特征研究的报道。

武夷山市作为我国重要的茶产地，生产的武夷岩茶被赞誉为“茶中之王”，是中国十大名茶之一。武夷岩茶是地理标志保护产品，保护范围限于《地理标志产品保护规定》批准的范围，即福建省武夷山市所辖行政区域范围[14]。武夷岩茶独具神韵,素负盛名,蜚声中外,主要是源于其优异的品质[15]。武夷山茶业在中国的茶叶市场中具有不可或缺的地位，同时也是闽北地区重要的经济支柱产业。为此，以武夷岩茶不同种植区土壤为研究对象，探讨表层土壤(0～20cm) SOM的空间分布特征，一方面可充实武夷岩茶土壤研究的相关内容，另一方面可为武夷岩茶的农业生产提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

图1 采样点的分布

通过实地踏查，选择具有代表性且成片性较好的茶园作为研究区域。2018年10月14日至11月4日(冬茶采收基本结束，茶园未施肥之前)在福建省武夷山市境内星村镇、五夫镇、兴田镇、吴屯乡、岚谷乡、洋庄乡、武夷学院茶学科教基地、武夷山风景区(简称景区)等茶园种植区，根据茶园的种植面积大小布设采样点数量，每个采样点s形布设取样点5个，混合成一个样品。采样深度0～20cm，共采集茶园土样266份(图1)。同时记录样点的植被情况、土壤类型、地形状况、周围环境等信息以及GPS地理坐标，茶园的经营管理措施通过咨询茶农获取。土壤样品带回实验室在拣去石砾、植物根系和大于2mm的碎屑后自然风干，过0.149mm筛后储藏备用， SOM含量采用重铬酸钾容量法测定。

1.2 数据处理

采用IBM SPSS Statistics 22.0对数据进行统计分析，运用GS+9.0进行半方差函数分析，利用ArcGIS 10.5绘制空间分布图。

2 结果与分析

2.1 武夷山市茶园SOM含量的描述性统计分析

从SOM含量的描述性统计(见表1)可以看出，武夷山市不同种植区茶园SOM的平均含量大小表现为兴田镇(50.98g/kg)>武夷学院(43.45g/kg)>洋庄乡(39.44g/kg)>星村镇(37.55g/kg)>岚谷乡(35.08g/kg)>武夷山风景区(32.91g/kg)>吴屯乡(32.57g/kg)>五夫镇(28.64g/kg)。依据全国第2次土壤普查的土壤有机质分级标准[16]，武夷山市不同茶园SOM含量在五级及以上每个等级基本均有分布，在三级及以上分布的比例较大。兴田镇和武夷学院茶园SOM含量一、二级偏多，占到样本总数85%以上，而五夫镇的一、二级仅占到样本总数36%，导致平均值较低，其他茶园的分布相对较为分散。从平均值来看，兴田镇和武夷学院茶园SOM含量处于一级(极高)水平，五夫镇的处于三级(中等偏上)水平，其余茶园的处于二级(高)水平，而整个武夷山市的茶园土壤SOM含量(37.24g/kg)处于二级(高)水平。武夷山市的不同茶园土壤0～20cm表层SOM含量约92%达到国家绿色食品产地环境质量标准(NY/T 391—2013)中园地土壤的肥力Ⅰ级标准(>20g/kg)，约98%达高产茶园的标准(>15g/kg)。

变异系数(CV)反映样本数据的离散程度，一般情况下，CV≤10%为较弱空间变异性，10%

表1 武夷山市茶园SOM含量描述性统计结果

2.2 武夷山市茶园SOM含量与其他地区的差异性分析

武夷山市不同种植区茶园SOM含量及变异系数(见表1)与江浙地区不同乡镇[3]的较为接近，土壤有机质都属于中等变异。

武夷山市茶园SOM含量的平均值为37.24g/kg，浙江省松阳县、江西省南昌县、湖北省秭归县和云南省景洪市的平均值为17.17～31.51g/kg[18～21]，而陕西省商南县的平均值仅为5.79g/kg[1]，相比而言，武夷山市茶园SOM含量相对较高。武夷山市茶园SOM含量的变异系数为37.69%，与浙江省松阳县、江西省南昌县、湖北省秭归县和云南省景洪市都属于中等变异，而陕西省商南县的变异系数为9.93%，属于弱变异性。

2.3 半方差函数的拟合

半方差函数的计算一般要求数据符合正态或近似正态分布[22～25]。茶园SOM含量的数据K-S检验(P<0.05，2-tailed)结果显示，将武夷山市8个种植区数据对数转换后均符合正态分布。通过GS+9.0对武夷山市不同种植区茶园的SOM含量数据进行半方差函数分析，拟合参数详见表2。武夷山市不同种植区茶园SOM含量的拟合模型不同：武夷山风景区、吴屯镇和兴田镇为球形模型，岚谷乡为线性模型，五夫镇、星村镇和洋庄乡为高斯模型，武夷学院为指数模型。

表2 半方差函数拟合参数

半方差函数的块金值主要反映实验误差和小于实际取样尺度引起的变异等随机部分引起的空间变异程度，基台值主要反映包括随机变异和结构变异在内的总体的变异程度[26]，而基底效应(块基比)，即块金值与基台值之比，表示由随机部分引起的空间变异性占总体变异的比例[27]。通常块基比小于0.25时，结构因子引起的空间变异占比较高，介于0.25～0.75时，表示空间变异受结构因子的影响为中等；大于0.75时，则是随机因子引起的空间变异所占比例较高[28,29]。

由表4可知，洋庄乡的块基比为0.0345，远小于0.25，具有强烈的空间相关性，在一定程度上反映洋庄乡的茶园SOM含量受土壤类型、成土母质、地形条件、气候等环境作用的结构性因素引起的空间自相关变异性占到总变异的 95%以上；岚谷乡的块基比为1，大于0.75，说明岚谷乡的茶园SOM空间相关性较弱，且空间变异的来源受采样、检测、施肥、耕作措施、种植制度等随机因素引起的空间变异较大。武夷山市其他6个种植区的块基比为0.25～0.75，具有中等的空间相关性。

变程是半方差达到基台值时相应的距离，代表SOM的自相关范围，SOM在变程范围内具有空间自相关性,在变程范围外则没有。武夷山市8个研究区的茶园SOM变程由大到小依次为星村镇>武夷山风景区>武夷学院>五夫镇>吴屯乡>兴田镇>岚谷乡>洋庄乡(见表2)，说明影响不同种植区茶园SOM含量的过程作用在不同的尺度上[30]。

2.4 武夷山市茶园SOM空间分布特征

图2 武夷山市茶园SOM含量的空间分布

武夷山市茶园SOM的空间分布[31～33]如图2所示，SOM含量极高(大于40g/kg)的地方主要集中在南部的兴田镇和中部的武夷学院，西北部SOM含量中等，东部SOM含量相对较低。经调查走访发现，地处东部的岚谷乡、吴屯乡和五夫镇的茶产业在当地的农业生产中所占的比重较小，在茶产业中的投入相对较少，致使东部乡镇茶园SOM含量较低。

南部的兴田镇近几年对茶产业的投入逐年增加，可能是茶园SOM含量高值区多分布在南部兴田镇的原因之一。武夷学院的茶学科教基地面积相对较小且茶园分布比较集中，园内布设水土流失综合治理的坡改梯工程，部分茶园套种乌桕、丹桂、花石榴等，套种模式下植物、落叶等残体积累更多，有利于有机质的积累；同时在梯壁和梯埂种植麦冬、白花葛、紫叶酢酱草等可有效防止水土流失，从而防止有机质缺失，提升了茶园的环境质量，提高了SOM含量。西部的星村镇是中国乌龙茶和红茶的发源地，是“福建产茶明星乡镇”，有“武夷岩茶第一镇”之称，其茶园多属于大型茶场和大承包户的茶园，由于大规模种植的大型茶场种植施肥和经营管理比较科学有效且投入较多，茶园SOM含量相对较高。武夷山风景区是武夷岩茶正岩产区，武夷山正岩茶园面积有限，资源珍贵，正岩茶园的产区较为零散，产区内道路崎岖，交通不便，有的茶园因此减少了有机肥施用数量，结果导致景区内茶园土壤SOM含量相对较低。

图3 武夷山市茶园SOM含量与海拔的关系

全市茶园SOM含量大于40g/kg的采样点占34%，30～40g/kg的占33%，20～30g/kg的占25%，小于20g/kg的仅占8%，因此武夷山市茶园SOM含量处于整体偏高的状况。

2.5 武夷山市茶园SOM含量与海拔高度的相关性分析

地形差异是造成SOM含量差异的主要因素之一，对采样区域的平均海拔与SOM的平均含量进行相关性分析，如图3所示。由图3可知，茶园SOM含量与取样点的海拔高度的呈一定的负相关，但差异不显著，这与杨如兴等[34]、王军等[35]、张建杰等[36]的研究结果一致，但与王宗明等[37]、李超等[38]、张伟等[39]的结论不一致，这可能与研究区域茶园的地理气候、生态环境、土壤特点及培肥措施等不同有关。长期或大量施用化肥会导致土壤和茶叶的鲜叶质量下降并可能进一步造成环境污染。将化肥与有机肥配合施用，在有效增加土壤肥力的同时可以保持土壤质量。武夷山部分茶企从提升茶叶质量和保护环境可持续发展的角度出发，对茶园土壤只施用有机肥。但在高海拔区域，由于交通原因导致施用有机肥的成本可能会大大增加，因此有的茶园减少了有机肥的施用量，这可能是分布在较高海拔区域的茶园SOM含量有下降趋势的原因之一。

3 结论

1)武夷山市8个种植区茶园SOM的平均含量大小表现为兴田镇(50.98g/kg)>武夷学院(43.45g/kg)>洋庄乡(39.44g/kg)>星村镇(37.55g/kg)>岚谷乡(35.08g/kg)>武夷山风景区(32.91g/kg)>吴屯乡(32.57g/kg)>五夫镇(28.64g/kg)。武夷山市茶园SOM的平均含量(37.24g/kg)处于二级(高)水平(全国第二次土壤普查的土壤有机质分级标准)。其中约92%的样品达到国家绿色食品产地环境质量标准(NY/T 391—2013)中园地土壤的肥力Ⅰ级标准(>20g/kg)，约98%达高产茶园的标准(>15g/kg)。

2)武夷山市茶园SOM含量的变异系数介于22.75%～48.70%之间，属于中等空间变异。不同茶园SOM数据对数转换后均符合正态分布，武夷山风景区、吴屯镇和兴田镇茶园SOM空间分布为球形模型，岚谷乡为线性模型，五夫镇、星村镇和洋庄乡为高斯模型，武夷学院为指数模型。武夷山风景区、武夷学院和星村镇茶园SOM空间自相关距离较大，分别为 2.172、2.11、 2.58km，其他种植区茶园SOM空间自相关距离相对较小。洋庄乡的块基比为0.0345，具有强烈的空间相关性，表明其空间变异受结构性因素影响较大；岚谷乡的块基比为1，空间相关性较弱，说明受随机因素引起的空间变异较大，其他6个种植区的块基比为0.25～0.75，具有中等的空间相关性。

3)武夷山市茶园SOM含量极高(大于40g/kg)的地方主要集中在南部的兴田镇和中部的武夷学院，其次是西部，东部相对较低。茶园SOM含量与取样点的海拔高度呈一定的负相关，但差异不显著。