勐海县茶园土壤养分状况及肥力质量评价

刘娟，张乃明，邓洪

（1.云南农业大学植物保护学院，昆明 650201；2.云南农业大学资源与环境学院，昆明 650201；3.云南省土壤培肥与污染修复工程实验室，昆明 650201）

茶树[Camellia sinensis（L.）O.Kuntze]是我国亚热带重要的经济作物，土壤是茶树生存和生长的物质基础[1]，土壤肥力是土壤的基本属性和本质特征，它是土壤物理、化学和生物学性质的综合反映[2]。土壤养分及其有效性是茶园土壤的供肥能力的直接体现[3]，它关系着茶树的生长发育和茶叶的品质[4]。茶树在生长的过程中对土壤养分需求量大，而我国茶园以施用尿素、复合肥等速效化肥为主，长期大量施用化学肥料，导致茶园土壤部分养分累积，出现了养分供应能力不平衡、有机质肥力降低以及酸化、表土养分流失等一系列问题[5-6]，准确掌握茶园土壤养分状况，明确茶园养分的限制因子，是实现茶树合理施肥、茶叶优产高产的前提条件[7]。

勐海县处于茶树原产地的中心地带，生态环境优越，茶种质资源丰富，产茶历史悠久，是云南省第一产茶大县，现有茶园面积3.85 万hm2，采摘面积2.87 万hm2，茶叶是勐海县传统支柱产业之一[8]，也是茶区农民主要经济来源。勐海县虽然茶园面积很大，但配套的茶园管理水平相对落后，茶农科学施肥的意识不强，精准施肥技术推广力度不够，盲目施肥导致土壤酸化、肥力下降，茶叶产量和质量不佳等一系列问题[9]，制约了勐海县茶产业的可持续发展。为了全面掌握勐海县茶园土壤养分状况，本研究在勐海主要茶产区（勐海、勐阿、勐遮等6 个乡镇）进行茶园土壤调查采样，分析了茶园土壤样品的养分状况，并采用模糊数学隶属函数模型，计算土壤肥力综合指数（IFI），对勐海县茶园土壤养分状况进行数值化综合评价，可以为勐海县改善茶园养分管理、实现茶园优质高产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

勐海县（21°28′～22°28′N，99°56′～100°41′E）位于云南省西南部，西双版纳傣族自治州西部，辖11 个镇（勐海镇、打洛镇、勐遮镇、勐混镇、勐满镇、勐阿镇、勐宋乡、勐往乡、格朗和哈尼族乡、布朗山布朗族乡、西定哈尼族布朗族乡），总面积5 511 km2，其中山区面积占93.45%，坝区面积占6.55%。勐海县属于热带亚热带西南季风气候，冬无严寒、夏无酷暑，年温差小，日温差大，年平均气温18.7 ℃，年均降雨量1 341 mm。县内土壤类型多样，各类土壤随海拔高低垂直分布，主要有砖红壤、赤红壤、红壤、黄壤、紫色土、水稻土、冲积土等7个土类。

1.2 土壤样品采集

勐阿镇、勐海镇、勐遮镇、勐混镇、格朗和乡和布朗山乡是该县主要产茶乡镇，茶园面积共2.70 万hm2，占全县茶园面积的70.13%。于2018年2—12月在上述六个乡镇进行茶园土壤调查采样，运用网格布点的方法对采样点进行布设，采样时使用GPS 进行定位，在距茶树施肥沟5～10 cm采用“S”型5点采样法采集0～20 cm 表层土壤，共计采集茶园土样151 个。土壤经过自然风干后过40 目和100 目筛混匀备用。

1.3 分析项目和测定方法

土壤pH采用玻璃电极法测定；有机质（OM）采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；碱解氮（AN）采用碱解扩散法测定；有效磷（AP）采用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾（AK）采用醋酸铵-火焰光度计法测定[10]；土壤全氮（TN）采用自动定氮仪法（NY/T 1121.24—2012）测定；土壤全磷（TP）采用碱熔-钼锑抗分光光度法（HJ 632—2011）测定；土壤全钾（TK）采用NaOH 熔融-火焰光度法测定。

1.4 茶园土壤养分状况分级标准

茶园土壤养分状况分级标准参考任艳芳等[7]提出的茶园土壤养分分级标准，将茶园土壤分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个等级（表1）。

1.5 土壤肥力评价方法

本研究选取土壤pH 值、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷及速效钾8 项土壤常规养分指标作为土壤肥力评价指标。其中，除pH 值属于抛物线型函数，其余7项指标均属于S型函数。

S型函数：

表1 茶园土壤养分分级标准Table 1 Soil nutrient grading standards for tea gardens

抛物线型函数：

其中，f（x）为指标隶属度；x为该属性测定值；xmin与xmax为分级标准最小值和最大值；Xa、Xb为介于分级标准最小值和最大值区间；属性值分级标准按照隶属度曲线转折点的取值，8 个指标的隶属度函数曲线中转折点的相应取值如表2所示。

评价指标权重的确定主要通过变异系数法获得，评价指标权重的取值见表3，各指标的变异系数计算公式如下：

式中：Vi是指第i项指标的变异系数；σi是第i项指标的标准差是第i项指标的平均数。

而各指标的权重系数（Wi）表示为：

IFI 为土壤肥力综合指数值，主要是根据茶园土壤养分分级标准，确定各项肥力指标的权重和单项肥力指标的分值，通过将单项肥力指标的权重与对应的分值相乘后再相加，求和结果即为土壤肥力综合指数值（Integrated Fertility Index，IFI），其数值越大，表明土壤肥力越高。具体计算公式如下：

式中：wi为第i个评价指标的权重；Ni为对应评价指标的隶属度；n为评价指标数。通过计算出的当地实际土壤肥力值，结合前人的研究结果，将IFI 划分为4 个等级（表4）。

1.6 数据分析

试验数据采用Excel 2016 软件进行整理，采用SPSS 18.0 软件进行单因素方差分析和显著性检验，检验方法采用ANOVA法，显著水平设置α=0.05。

表2 隶属度曲线转折点的取值Table 2 The value of turning point of membership curve

表3 评价指标权重的取值Table 3 The values of evaluation index weight

表4 茶园土壤肥力等级区间Table 4 Range of soil fertility grade for tea gardens

2 结果与分析

2.1 茶园土壤pH值

茶园土壤pH 直接影响茶树的生长和茶叶的品质。由表5 可知，勐海县各乡镇茶园pH 在3.83～6.16范围内，变异系数在4.56%～7.84%范围内，变异系数较小。从茶园pH 分布来看，6 个乡镇（勐阿镇、勐海镇、勐遮镇、勐混镇、格朗和乡和布朗山乡）达到优质茶园pH 的土壤分别占78.43%、50.00%、85.29%、25.00%、80.00%和100.00%，其中，布朗山乡茶园的土壤pH 最适合茶树的生长。pH 值低于4.0 或高于6.5，对茶树生长都不利，在本研究中，仅勐遮镇和勐混镇分别有2.94%和25.00%的土壤pH 值低于4.0 或高于6.5，不利于茶树生长。

2.2 茶园土壤有机质

有机质不仅提供茶树生长所需要的各种营养元素，同时也是土壤微生物生命活动的能源，是反映茶园土壤肥力及熟化程度的重要指标之一[5，11]。勐海县各乡镇茶园土壤有机质含量如表6 所示。由表6 可知，勐海县茶园土壤有机质含量范围在20.88～101.80 g·kg-1之间，变异系数在14.65%～31.50%之间，勐海县各乡镇有机质含量依次为格朗和乡＞勐遮镇＞勐阿镇＞布朗山乡＞勐海镇＞勐混镇。其中，格朗和乡茶园土壤有机质含量最高，其有机质含量范围为49.04～101.80 g·kg-1，平均值为65.69 g·kg-1；而勐混镇的茶园土壤有机质含量最低，其有机质含量范围为22.85～42.27 g·kg-1，平均值为32.23 g·kg-1；勐海镇和布朗山乡的茶园有机质含量变异系数较小，分别为15.67%和14.65%，其有机质含量范围分别为30.52～58.07 g·kg-1和39.29～63.00 g·kg-1。从分布来看，勐海县各乡镇茶园土壤有机质含量均达到Ⅰ级标准，勐海县各乡镇茶园土壤有机质含量符合优质茶园土壤营养标准。

2.3 茶园土壤氮素含量

由表7 可知，勐海县各乡镇茶园土壤全氮含量在0.97～4.65 g·kg-1之间，变异系数在8.24%～34.91%之间，除勐混镇外，其他乡镇的茶园土壤全氮含量的平均值均高于优质茶园标准（1.5 g·kg-1），勐阿镇、勐海镇、勐遮镇、格朗和乡和布朗山乡茶园土壤全氮含量的平均值分别为1.99、1.73、2.83、2.74 g·kg-1和2.00 g·kg-1，可见，总体上，勐海县各乡镇茶园全氮含量丰富。

碱解氮是土壤有效氮的一个常用指标。勐海县各乡镇茶园土壤碱解氮含量如表7 所示。勐海县各乡镇碱解氮变异较大，其范围为1.75～327.20 mg·kg-1，除勐混镇和布朗山乡外，其他乡镇的碱解氮变异系数均大于90%。在这些乡镇中，勐混镇平均碱解氮含量最高，达到了89.67 mg·kg-1，勐混镇有50%的茶园达到优质、高产茶园的土壤营养标准，10.00%的茶园土壤处于Ⅱ级标准，有40.00%的茶园土壤属于Ⅲ级标准，处于供氮不足的状况。勐阿镇茶园土壤碱解氮含量范围为1.75～210.00 mg·kg-1，其平均值为60.37 mg·kg-1，勐阿镇茶园土壤碱解氮含量达到Ⅰ级标准要求的土壤样品占25.49%，有31.37%的土壤碱解氮含量属于Ⅱ级，而有43.14%的土壤碱解氮含量属于Ⅲ级。在这些茶园中，勐海镇、勐遮镇、格朗和乡以及布朗山乡分别有70%、70.59%、81.25% 和100.00%的土壤中碱解氮含量属于Ⅲ级标准，其中，布朗山乡平均碱解氮含量最低，仅为36.64 mg·kg-1。

表5 勐海县各乡镇茶园土壤pH值Table 5 Soil pH value of tea gardens of Menghai County

表6 勐海县各乡镇茶园土壤有机质Table 6 Soil organic matter of tea gardens of Menghai county

表7 勐海县各乡镇茶园土壤全氮、碱解氮含量Table 7 The contents of total nitrogen and alkali-hydrolysis nitrogen in the soil of tea gardens in Menghai County

2.4 茶园土壤磷素含量

勐海县各乡镇茶园土壤全磷含量如表8 所示，勐海县茶园土壤全磷含量范围为0.32～3.40 g·kg-1，变异系数在24.54%～53.03%之间。其中，勐阿镇、勐海镇、勐混镇、格朗和乡和布朗山乡茶园土壤全磷含量范围为0.38～3.40、0.76～1.96、0.60～2.69、0.39～1.63 g·kg-1和0.44～1.68 g·kg-1，平均值分别为1.05、1.40、1.41、1.56 g·kg-1和1.15 g·kg-1，均值均达到Ⅰ级标准，而勐遮镇全磷含量的平均值为0.74 g·kg-1，在各乡镇中最小。

勐海县各乡镇茶园土壤有效磷含量范围为0.22～138.98 mg·kg-1。布朗山乡平均有效磷含量最高，达到Ⅰ级标准的土壤占77.78%，Ⅱ级标准的土壤占22.22%。勐阿镇、勐遮镇茶园土壤有效磷含量平均值分别为19.92 mg·kg-1和12.14 mg·kg-1，达Ⅱ级标准的土壤分别占84.31%、50.00%，达到Ⅰ级标准的土壤分别占15.69%、11.73%。勐海镇、勐混镇、格朗和乡茶园土壤有效磷含量均未达到Ⅰ级标准，达到Ⅱ级标准的土壤分别占10.00%、80.00%和25.00%，三个乡镇分别有90.00%、20.00%和75.00%的土壤处于Ⅲ级

表8 勐海县各乡镇茶园土壤全磷、有效磷含量Table 8 The content of total phosphorus and available phosphorus in the soil of tea gardens in Menghai County

标准范围内。总的说来，勐海镇、勐遮镇、勐混镇以及格朗和乡茶园土壤有效磷含量处于中低水平。

2.5 茶园土壤钾素含量

钾作为酶的活化剂，具有促进茶树根茎生长、提高茶树抵御冻害和病虫害能力、改善茶叶香气等作用，同时，钾肥还能促进茶叶萌发、增加芽头密度和芽叶质量。由表9 可知，勐海县各乡镇茶园土壤全钾含量范围为0.23～64.26 g·kg-1，变异系数为58.61%～90.55%，不同茶园土壤钾含量差异大，勐海县各乡镇茶园土壤全钾含量的大小依次为勐遮镇＞勐阿镇＞格朗和乡＞布朗山乡＞勐混镇＞勐海镇。

勐海县茶园土壤速效钾含量范围为35.54～396.35 mg·kg-1。其中勐海镇、勐遮镇、布朗山乡速效钾含量范围分别为189.47～259.81、172.09～359.11、211.81～351.66 mg·kg-1，上述乡镇所有土壤均达到茶园土壤速效钾含量的Ⅰ级标准（＞100 mg·kg-1）。格朗和乡有80.00%的土壤达到Ⅰ级标准，20.00%的土壤达到Ⅱ级标准（60～100 mg·kg-1）。勐阿镇、勐混镇茶园土壤速效钾含量达到Ⅰ级标准的土壤分别有75.00%、60.00%，达到Ⅱ级标准的土壤分别有18.75%和20.00%，处于Ⅲ级标准（＜60 mg·kg-1）范围内的土壤分别有6.25%、20.00%，表明勐阿镇、勐混镇的部分土壤速效钾含量还需提高。

2.6 茶园土壤肥力状况综合评价

由表10 可知，勐海县各乡镇土壤肥力综合指数在0.30～0.84 之间，土壤肥力综合指数达到Ⅰ级标准的茶园主要分布在勐阿镇、勐遮镇和布朗山乡，其分布频率分别为5.00%、11.77%和23.07%。勐阿镇、勐遮镇、格朗和乡、布朗山乡分别有15.00%、20.58%、6.25%、69.24%的茶园土壤肥力达到Ⅱ级水平，这些地区土壤肥力条件好，能满足优质茶叶生长的条件。而勐海县各茶园土壤肥力等级主要分布在Ⅲ级和Ⅳ级，除布朗山乡外，其余乡镇均有超过60%茶园土壤肥力处于中低肥力水平。茶园土壤肥力指数为Ⅳ的区域占多数，其中勐混镇Ⅳ级所占比例最高，高达70.00%。土壤肥力等级在Ⅲ级和Ⅳ级的茶园土壤中速效氮、磷和钾含量都不高，在一定程度上影响了茶树养分的吸收。勐阿镇、勐遮镇、格朗和乡茶园土壤部分土壤有酸化趋势，因此应该施用土壤改良剂，调节土壤的酸碱度，使茶园土壤的pH 适宜茶树的健康生长。

表9 勐海县各乡镇茶园土壤全钾、速效钾含量Table 9 The contents of total potassium and available potassium in the soil of tea gardens in Menghai County

表10 勐海县各乡镇茶园土壤肥力等级Table 10 Soil fertility level of tea plantations in Menghai County

3 讨论

3.1 茶园土壤pH适宜性

土壤酸碱度对养分的有效性及茶树吸收利用、微生物活动产生很大的影响，茶园土壤pH 还直接影响茶树生长及茶叶产量和品质[12]。茶树是喜酸植物，适合在pH 值为4.0～6.5 的土壤环境中生长，最适pH 环境为4.5～5.5[8]。pH 高于6.5 茶树难以生长，而pH 低于4.0 会导致茶园土壤理化性质变劣、土壤养分有效性变低、茶幼苗生长受到抑制等。本研究发现，勐海县各乡镇茶园pH 在3.83～6.16 范围内，勐海县大部分土壤pH适合茶树生长，少部分土壤偏碱或酸化，不利于茶树的生长。造成茶园土壤酸化的原因很多，施肥可能是首要原因；其次，茶树自身的物质代谢、酸雨、红壤本身性质等都可能加剧土壤酸化。对于明显已经酸化的茶园土壤，可以通过施用有机肥、施用碱性肥以及测土配方施肥等方式，平衡茶园土壤养分和防止土壤酸化[13]。

3.2 茶园土壤速效养分

土壤养分及其有效性是茶园土壤的供肥能力的直接体现，茶树在生长发育的各个阶段都需要不断吸收氮、磷、钾等养分，以维持茶树机体的正常生长发育[14]。氮是茶树生长发育必不可少的营养元素，氮素不足会使茶树体内蛋白质、核酸、叶绿素受阻，致使新梢伸长缓慢，萌发轮次减少，芽头密度小，对夹叶大量出现，影响茶叶的产量和品质。磷会影响茶树的光合作用、呼吸作用及生长发育，同时，茶树体内的各种酶促反应和能量传递也与磷素密切相关。而钾可以加强茶树光合作用，调节茶树对水分的吸收和利用，提高抗旱能力，施钾可以改善茶叶品质[15]。本研究发现，勐海县各乡镇茶园全氮、全磷和全钾含量丰富，但碱解氮和有效磷含量不足。除勐混镇，其他各乡镇达到优质高产茶园土壤碱解氮含量的比例最高不超过30%。除布朗山乡外，其他各乡镇有效磷供应严重不足，仅勐阿镇和勐遮镇有15.69%和11.73%的土壤达到Ⅰ级标准。速效钾供应充足，仅勐阿镇和勐混镇分别有6.25%和20.00%土壤速效钾属于Ⅲ级。氮、磷都是茶叶生长必需营养元素，土壤碱解氮和有效磷不足可能会导致茶叶产量下降或品质降低[16]，在勐海县未来的茶园土壤管理中，茶农应适当增施氮肥和磷肥来提高勐海县茶园中碱解氮和有效磷的含量。

3.3 土壤肥力综合评价分级的科学性及指标权重对评价结果的影响

土壤肥力是土壤的基本属性特征，也是土壤物理、化学和生物性质的综合反映[17]。实现养分平衡是进行茶园土壤养分管理、确定合理肥料用量的基础。由于茶园肥力质量的差异性，需要对茶园肥力状况进行综合评价。目前用于土壤肥力状况评价的方法很多，包括主成分分析法、土壤质量综合评分法等[18]，本研究主要根据茶园土壤养分分级标准，通过模糊数学模型的S 型或抛物线型隶属度函数确定指标隶属度，并通过变异系数法计算各指标权重[19]，通过将单项肥力指标的权重与指标隶属度相乘后再相加得到土壤肥力综合指数。模糊数学方法可以通过隶属度描述土壤肥力因子的渐变性和模糊性，使评价结果更加准确可靠。同时，评价指标权重的确定对于评价结果的可靠性会产生很大的影响。本研究选取土壤pH 值、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷及速效钾8项土壤常规养分指标作为土壤肥力评价指标，但各指标对于土壤肥力的贡献不同，不宜直接比较其差别程度，因此采用变异系数法来确定评价指标的权重，变异系数法直接利用各项指标所包含的信息通过计算得到指标的权重，是一种客观赋权的方法[20]，它还可消除人为因素的干扰，具有合理性和实用价值。

4 结论

（1）勐海县各乡镇茶园pH 在3.83～6.16 范围内，6个乡镇（勐阿镇、勐海镇、勐遮镇、勐混镇、格朗和乡和布朗山乡）分别有78.43%、50.00%、85.29%、25.00%、80.00%和100.00%的土壤pH 适合茶树生长，达到优质高产茶园的要求。茶园土壤有机质含量范围为20.88～101.80 g·kg-1，均达到Ⅰ级标准。

（2）勐海县各乡镇茶园全氮含量丰富，但有效氮含量不足，除勐混镇，其他各乡镇达到优质高产茶园土壤碱解氮含量的比例不超过30%；勐海县各乡镇全磷含量在0.32～3.40 g·kg-1之间，全磷含量整体较丰富，除布朗山乡外，其他各乡镇有效磷供应不足，仅勐阿镇和勐遮镇有15.69%和11.73%的土壤达到Ⅰ级标准；勐海县各乡镇茶园土壤全钾含量范围为0.23～64.26 g·kg-1，速效钾含量范围为35.54～396.35 mg·kg-1，钾素供应充足，仅勐阿镇和勐混镇分别有6.25%和20.00%土壤有效钾属于Ⅲ级标准。

（3）勐海县各乡镇土壤肥力综合指数（IFI）在0.30～0.84 之间，勐阿镇、勐遮镇、格朗和乡和布朗山乡有部分茶园土壤达到Ⅰ级和Ⅱ标准，勐海县各乡镇茶园土壤肥力等级主要分布在Ⅲ级和Ⅳ级，除布朗山乡外，其余乡镇均有超过60%茶园土壤处于中低肥力水平。