武夷山茶叶品质与土壤地球化学背景特征关系探讨

黄炎 陈国光 李雪平

摘要： 为了探讨武夷岩茶主产区茶叶品质与土壤地球化学背景的关系，采用符合正态分布的茶叶及土壤数据开展茶多酚、咖啡碱和氨基酸含量与土壤理化指标的相关分析，建立回归预测模型，探讨不同地质背景对茶叶品质的影响。武夷岩茶主产区茶叶的茶多酚与土壤pH值呈正相关，与土壤Ni呈负相关，咖啡碱与土壤Cu含量呈正相关，氨基酸与土壤pH值和K含量呈正相关，说明土壤pH值的提高有利于茶多酚、氨基酸的积累，K和Cu分别促进氨基酸和咖啡碱的合成，Ni对茶多酚积累具有抑制作用。不同地质背景茶叶品质状况表现为红层区>冲洪积区>变质岩区>细砂岩区。

关键词： 茶叶;品质成分;土壤元素;相关分析;回归分析

中图分类号：S5711;S1536

文献标识码：A

文章编号：20961871（2020）0216611

武夷岩茶产于福建省武夷山市，具有独特的“岩韵”特征，被誉为“茶中之王”。近些年来，种茶带来的巨大经济效益导致武夷山茶园过度开发，产出茶叶的品质良莠不齐，环境遭受破坏，因此，急需提出科学合理的指导措施提高茶叶品质，维护良好的茶园土壤生态环境。茶叶品质是多种成分的综合表现，其中茶多酚、氨基酸和咖啡碱是影响茶叶品质的主要因子[1]，且与茶叶品质呈显著正相关[2]。目前，关于茶叶品质与土壤地球化学背景关系的研究主要集中在土壤N、P、K等养分元素对茶叶产量和品质的作用[38]，对其它常量及微量元素的综合影响研究较少，且武夷山茶叶品质成分与土壤地球化学指标间的量化关系和指标适宜范围有待进一步明确。本文以“福建省资源环境承载能力综合调查评价”项目为基础，采用相关分析及回归分析方法，探讨影响武夷岩茶茶叶品质的土壤理化因子及地球化学特征，建立茶叶品质地球化学适宜模型，并提出各因子的适宜范围，对不同地质背景下茶叶品质特征进行讨论，为改进茶园管理、提高茶叶品质和维护良好生态环境提供参考。

1研究区概况

研究区位于福建省武夷山市西部，包括九曲溪流域中下游地区及武夷山风景区。武夷山市属中亚热带季风湿润气候区，冬短夏长，日照充足，雨量充沛。东部、西部和北部群山环抱，峰峦叠嶂，中南部较平坦，为山地丘陵区。研究区土地利用类型主要有水田、旱地、林地和果园等，果园主要为茶园，集中位于星村镇和武夷山风景区东北部。土壤类型主要为红壤、黄壤、水稻土、酸性紫色土和酸性粗骨土，其中酸性紫色土和酸性粗骨土集中分布在武夷山风景区。

研究区地层从元古界到第四系均有出露。早元古代麻源群大金山岩组（Pt1d）以黑云母片岩为主，麻源群南山组（Pt1n）主要为黑云斜长变粒岩;中元古代交溪组（Pt2j）主要为黑云二长变粒岩;中—晚元古代万全群杜潭组（Pt23dt）主要为黑云斜长变粒岩;晚三叠世焦坑组（T3j）主要为灰黑色细砂岩、粉砂岩;早侏罗世梨山组（J1l）主要为灰色砂岩、粉砂岩;晚侏罗世南园组（J3n）主要为灰色熔结凝灰岩;晚侏罗世坂头组（J3b）主要为灰色泥岩、页岩;早白垩世寨下组（K1z）主要为紫红色流纹岩，夹凝灰质砂砾岩;晚白垩世沙县组（K2s）主要为紫红色粉砂岩、泥岩夹砂砾岩;晚白垩世崇安组（K2c）主要为紫红色厚层状砾岩、砂砾岩夹粉砂岩;第四系（Q）主要为耕植土、黏土、粗砂、卵石等。花岗岩出露于九曲溪流域西北部，主要为燕山早期黑云母花岗岩（图1）。

2材料与方法

21样品采集与处理

2015年9月—2016年12月，在武夷山市星村镇黄村、曹墩、朝阳及武夷山风景区共采集26件茶叶样品和根系土壤样品。

（1）茶叶样品采集方法。按照乌龙茶传统采茶标准，采集茶鲜叶样（形成驻芽，中开面二、三叶）制成混合样，同一采样点多植株样品组合成1个茶鲜叶样品，每件样品重1～15 kg。

（2）根系土壤样品采集方法。采集茶叶样品的同时，在茶叶采样点进行土壤采样。土壤样品以根系层（0～40 cm）為主，先用铁锹挖坑，然后用竹片去除与金属采样器接触的土壤，再采集样品重约1 kg，并作点位标记。

22样品检测及方法

土壤样品分析测试在福建省121地质大队化验测试中心完成，分析测试项目、分析方法及检出限如表1所示。

测试结果的准确度、精密度和报出率均满足《DZ/T 0130—2006地质矿产实验室测试质量管理规范》[9]、《DZ/T 0011—91地球化学普查规范比例尺1∶50 000》[10]和《DD2005—03生态地球化学评价样品分析技术要求》[11]规定。

茶叶鲜叶样品测试工作在安溪县茶叶科学研究所和农业部茶叶质量监督检验测试中心完成，分析测试项目包括茶多酚、咖啡碱和氨基酸。茶多酚检测方法参照《GB/T 8313—2008 茶叶中茶多酚和儿茶素类含量的检测方法》[12]，咖啡碱检测方法参照《GB/T 8312—2013 茶 咖啡碱测定》[13]，氨基酸检测方法参照《GB/T 8314—2013 茶 游离氨基酸总量的测定》[14]。

23数据处理与方法

运用数据偏度和峰度判断是否符合正态性检验条件，将满足正态分布和对数正态分布的数据进行Pearson相关性分析，相关系数通常用r表示，计算公式为

t统计量服从n-2个自由度的t分布，通过查阅t分布临界值表进行显著性判断，满足t检验说明变量之间存在相关性，相关系数有意义。

在探讨茶叶成分和土壤元素指标相关性的基础上，将具有相关性的指标进行线性回归分析，建立线性回归模型，公式为

构建出回归方程模型后，再对其进行假设检验。

1. 拟合优度检验。决定系数R2反应回归方程整体拟合度，能表达因变量与自变量之间的总体关系，方程式为

该方法是通过检查指定的解释变量被回归方程中其它解释变量所解释的程度来检测多重共线性，每个解释变量中均存在1个VIF值，方差膨胀因子越高，自变量之间的线性关系越强，多重共线性的影响越严重。若VIF<10，认为共线性不严重，符合要求;若VIF≥10，说明共线性严重，需采取其他方法解决问题。通过上述检验构建的回归方程才具有意义。Pearson相关性分析和线性回归分析通过SPSS 220软件实现，选择合理的自变量构建茶叶品质地球化学适宜模型。

3茶叶成分与土壤地球化学特征关系

31茶叶成分与土壤地球化学特征

研究区26件茶叶品种以肉桂和水仙为主，采样地点均位于丘陵地区，土壤类型为红壤、黄壤及酸性紫色土，质地主要为砂土，少部分为砂壤和黏壤。对茶叶和土壤样品各指标进行数学统计（表2）。

对应的根系土壤元素指标中，有机质含量平均值为253%，低于福建省背景值和全国背景值，土壤pH值平均值为473，与福建省土壤背景值差异不大，低于全国背景值。土壤全钾（表2中为K）含量平均值为198%，高于福建省背景值，略高于全国背景值。土壤Mn、Ca、Mg、Ni平均值比福建省背景值高，低于全国背景值，土壤Zn、B、Cu平均值均高于福建和全国背景值，说明研究区土壤层中Zn、B、Cu丰度较高，Se含量为045×10-6，高于全国背景值但低于福建省背景值，土壤Mo含量平均值低于福建省和全国背景值。

分析茶叶成分及土壤理化指标分布特征，判断数据是否符合正态分布或对数正态分布。由于样本数量（n=26）较少，因此采用偏度和峰度进行正态性检验，在原数据基础上取自然对数纳入统计量中，统计各指标的偏度系数和峰度系数及其标准误差，计算Z值（表3）。

在正态性检验中，一般用Z值检验变量的正态性。查阅标准正态分布Z值表可知，当置信区间为95%时，对应的Z值临界值为196，即当偏度和峰度Z值绝对值<196时，认为变量服从正态分布。由表3可知，服从正态分布的数据指标有咖啡碱、氨基酸和土壤有机质、pH值、N、Se。服从对数正态分布的数据指标有茶多酚、P、K、有效P、速效K、Mn、Zn、B、Mo、Ca、Mg、Cu、Ni。

32茶叶成分与土壤理化指标相关性

土壤理化性质对茶叶成分具有显著影响，是决定茶叶品质的基础。根据正态性检验结果，将服从正态分布或对数正态分布的指标进行pearson相关性分析（表4）。

由表4可知，茶叶鲜叶中茶多酚与土壤pH值、K、有效P、速效K和Ca呈显著正相关，与土壤中Se、Cu、Ni呈显著负相关。其中，Ni的对数数据相关系数绝对值最大，相关系数为-0673;咖啡碱与土壤中P、Mn、Zn、Se、Mo、Cu、Ni呈显著正相关，Zn和Cu的对数数据相关系数分别为0617和0627;氨基酸与土壤pH值、K、Ca呈显著正相关，相关系数分别为0612、0639、0533，说明茶叶中的化学成分与土壤中多项指标具有较强的相关性。

33茶叶回归预测模型

为进一步研究茶叶各化学成分与土壤中各指标之间的相关性，将相关性分析中呈显著或极显著土壤理化指标进行线性回归分析，建立适宜模型。

331茶多酚

因变量选择茶多酚对数值，自变量选择土壤pH值和Se原始值以及土壤K、有效P、速效K、Ca、Cu、Ni的对数值，通过SPSS软件实现计算，回归结果如表5所示。回归方程F=17849，显著性为0000（p<005），通过F检验。

由表5可知，通过t检验的指标为ln（Ni）和pH值，显著性值分别为0001和0006，均明显<005，认为该两项自变量对因变量存在显著影响。变量VIF值均为1101，<5，说明自变量之间无共线性问题，得出的回归方程为

其中，偏回归系数β1为0703，β2為-0488，常数项为-0682。茶多酚标准化残差正态PP图如图2所示。数据基本沿对角线及两侧分布，说明残差基本符合正态分布，回归方程拟合较好。

构建的回归方程拟合度R2=0608，说明土壤pH值、Ni对茶叶茶多酚含量变化的解释度为608%，茶多酚对数实际值与拟合值关系图（图3）显示，数据总体沿对角线分布，回归效果较好。

332咖啡碱

因变量选择咖啡碱原始值，自变量选择土壤Se原始值与土壤P、Mn、Zn、Mo、Cu、Ni的对数值进行回归分析，回归结果如表6所示。回归方程F=15582，显著性值为0001（p<005），符合F检验。

333氨基酸

因变量选择氨基酸原始值，自变量选择土壤pH值原始值和土壤K、Ca对数值进行线性回归分析，结果如表7所示，回归方程F=12790，显著性值为0000（p<005），符合F检验。

由表7可知，通过t检验的指标有ln（K）和pH值，显著性值分别为0012和0025。共线性检验中，各变量VIF值均为1312，<5，说明自变量之间无共线性问题，得出的回归方程如下：

构建的回归方程拟合度R2=0527，说明土壤pH值及K含量对茶叶氨基酸含量变化的解释度为527%，氨基酸拟合值与实际值散点图如图7所示，数据总体沿对角线分布，回归效果较好。

4结果分析

41武夷山茶叶品质影响因素

根据相关性分析及回归分析结果，影响研究区茶叶主要化学成分含量的主要因子为土壤pH值、K、Cu和Ni，且土壤P、有效P、速效K、Mn、Zn、Se、Mo和Ca与各组分存在一定相关关系。

茶树是典型的喜酸作物，适宜的土壤pH值范围为45～60[20]，酸性过低将影响茶树正常生长[21]。本次研究认为，土壤pH值对茶叶品质成分具有显著影响，根据回归分析结果，当土壤pH值为40～55时，土壤pH值的提高有利于茶叶中茶多酚、氨基酸的物质积累，与前人研究结果基本一致[2223]，且土壤酸化将降低土壤肥力，提高重金属活性[24]，适当增加土壤pH值能有效抑制土壤重金属活性，降低土壤重金属污染风险[25]。因此，土壤pH值为50～55时最适宜茶叶生长。

土壤K能有效促进茶叶氨基酸的合成[26]，K能够增强酶活性，促进光合作用[3]，提高茶树抗逆性[4]。在一定范围内，随着土壤K含量增高，茶叶中氨基酸含量增加，可提升茶叶品质[1，2728]。根据回归方程可知，当土壤pH值为50～55的适宜区间时，土壤K含量为131%～276%，茶叶氨基酸含量为2%～4%，对茶叶品质的提高具有良好的促进作用。

Cu是茶树必需的微量元素之一。本次研究发现，在一定含量范围内，土壤Cu能够促进茶叶中咖啡碱的积累。茶叶本身对Cu具有较强富集能力[29]， Cu在呼吸作用、线粒体的新陈代谢等方面具有重要影响，Cu含量过高将对植物生长发育具有阻碍作用[4，36]。依据建立的回归模型，当土壤Cu含量为（951～13380）×10-6时，茶叶中咖啡碱含量处于3%～4%的适宜区间，茶叶品质可得到良好提升[2728，32]。

土壤Ni主要来源于成土母质。本次研究表明，茶叶中茶多酚含量与土壤中Ni含量呈负相关，说明土壤Ni对茶叶茶多酚的累积有较强的抑制作用。研究表明，适量的Ni对植物物质积累及生长具有促进作用，但过量的Ni则会对生物体产生毒害[33]，因此，适当降低土壤中Ni含量，既能保证茶树正常生长，也有利于茶叶中茶多酚的合成及茶叶品质的提高[30]。从建立的回归模型可知，当土壤pH值为50～55的适宜区间时，土壤Ni含量应保持在（085～097）×10-6，茶叶中茶多酚可达到20%～25%的适宜范围，有利于茶叶品质提升。

此外，土壤中其它元素对茶叶品质也具有一定影响。土壤P等养分元素可提高茶叶产量和品质，缺P将降低茶叶中茶多酚的含量[34]。土壤Mn与茶叶中咖啡碱呈一定正相关，茶叶对Mn以“主动吸收”为主[35]，是茶叶生成叶绿素和多种酶的关键[9]。Zn与茶叶中咖啡碱含量呈显著正相关，对茶叶品质具有促进作用[3，3637]。根据相关性分析结果，土壤Se对茶叶中茶多酚累积可能存在抑制作用，但有利于咖啡碱的合成， Se与部分重金属元素可能具有相同来源[38]，因此，需注意Se含量高的地区是否存在重金属元素污染的风险。Ca与茶多酚和氨基酸呈极显著正相关，土壤中Ca含量对土壤pH值具有重要影响，随着土壤中的Ca含量提高，土壤pH值也增大，可提高茶叶品质[3940]，但Ca含量不应太高，否则会降低茶叶中水浸出物、咖啡碱和茶多酚含量，降低茶叶品质[3]。

42不同地质背景茶叶种植的适宜性

不同的地質背景是构成土壤理化性质的基础。研究区26件样品中，11件位于变质岩区，岩性主要为黑云斜长变粒岩，5件位于焦坑组细砂岩地区，5件位于第四纪冲洪积区，5件位于白垩纪红层区，岩性主要为砂砾岩，根据回归结果，对土壤pH值、K、Cu和Ni进行统计（表8）。

土壤pH值最适宜区间为50～55， 适宜区间为45～50。由表8可知，不同地质背景的土壤pH值适宜性表现为砂砾岩区>冲洪积区>变粒岩区>细砂岩区，需注意防止土壤进一步酸化。土壤K最适宜区间为131%～276%，不同地质背景土壤K适宜性表现为变粒岩区>砂砾岩区>细砂岩区>冲洪积区。土壤Cu适宜区间为（951～13380）×10-6，各地层发育的土壤均处于适宜范围内，但砂砾岩区土壤Cu偏低，不利于茶叶咖啡碱物质积累。土壤Ni最适宜区间为（085～097）×10-6，不同地质背景土壤Ni适宜性表现为砂砾岩区>冲洪积区>细砂岩区>变粒岩区。

综上所述，不同地质背景茶叶种植适宜性为红层区>冲洪积区>变质岩区>细砂岩区。以砂砾岩为代表的红层区最适宜高品质茶叶种植，其次为冲洪积区，两类地质背景下生长的茶叶茶多酚和氨基酸含量高，咖啡碱含量较低。以黑云斜长变粒岩为主的变质岩区茶叶仅咖啡碱含量较高，且土壤存在Cu含量过高的风险。在细砂岩区种植的茶叶中茶多酚、咖啡碱、氨基酸含量均偏低，茶叶品质相对不高。各个地区土壤Ni含量均偏高，对茶叶茶多酚含量积累以及茶叶品质的提升具有一定抑制作用。

5结论

（1）影响武夷山茶叶品质的土壤因子主要为pH值、K、Cu和Ni。总体看，研究区土壤pH值偏低，K和Cu含量处于适宜范围，Ni含量偏高，通过提高土壤pH值、降低土壤Ni含量，可在一定程度上改善茶叶品质。

（2）不同地质背景下的武夷山茶叶种植适宜性表现为红层区>冲洪积区>变质岩区>细砂岩区。

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