基于有机替代的茶园土壤肥力和环境质量分析

吕健飞， 王建华， 俞巧钢， 马军伟， 林辉， 叶静， 王强， 孙万春*

(1.武义县粮油技术推广站，浙江 武义 321200； 2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

茶树是我国重要的经济作物，经济效益较好，种植茶树是农民增收、政府扶贫的重要手段。近些年，我国的茶园面积不断扩大，2018年为300万hm2[1]，比2010年增加54.6%。为了追求产量，提高经济效益，化肥在茶园施用量越来越大。全国茶园年均化肥养分用量为678 kg·hm-2，肥料主要类别为复合肥，30%的茶园化肥过量施用，有机肥养分所占比例偏低，只有15%[2]。茶园土壤养分失衡，氮肥过量或不足同时存在，并且比较严重[3]；土壤磷、钾养分普遍不足[4]；土壤酸化严重[5]。为了改变茶园施肥现状，并实现化肥减量目标，2017年农业部在全国选择100个果菜茶示范县开展有机肥替代化肥试点工作，其中茶叶示范县有21个，浙江省武义县是茶叶有机替代示范县之一[6]。

通过有机肥替代化肥行动，解决养殖业废弃物的资源化利用和化肥用量过大带来的环境问题。施用商品有机肥和沼液是茶园有机替代的主要途径，相关研究[7-9]表明，施用有机肥和沼液能培肥茶园土壤，提高茶叶品质和产量。但有机肥原料来源复杂，污染物质较多，特别是铜、锌、铅、砷等重金属含量高[10-12]。根据对商品有机肥的质量调查，重金属超标是商品有机肥质量不合格的主要原因[13-15]。有机肥长期施用会带来土壤重金属积累，并对土壤微生物产生影响[16-18]。目前，针对大范围有机替代后的茶园土壤肥力和环境质量的分析、评估相关研究报道较少，对茶园开展有机替代后的土壤肥力性状、环境质量状况需要进行更为深入、全面的分析。因此，本研究通过对浙江省武义县万亩茶园有机替代示范区长期监测点土壤养分和重金属状况的分析、评估，为茶园科学施肥，特别是有机肥和沼液的安全使用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样与制备

武义县隶属浙江省金华市，位于浙江省中部、金华市南部。地理坐标119°27′～119°58′E，28°31′～29°03′N。属中亚热带季风气候，四季分明，温和湿润，雨量丰沛。全县有茶园6 953 hm2，茶园有机肥替代化肥示范区位于武义县城西现代农业园区内的省级万亩茶园示范区，面积约867 hm2，隶属于武义县壶山街道和王宅镇。示范区内施肥模式为商品有机肥+茶叶专用复合肥，有机肥推荐用量为15 t·hm-2，茶叶专用复合肥养分含量为N 22%、P2O58%、K2O 12%，有机肥替代化肥氮肥比例为25%～30%。有机肥做冬肥施用，每年10月中下旬进行沟施。根据茶园土壤类型、土地利用状况以及区域分布特点，利用GIS技术，确定了51个长期定位监测点并记录经纬度。茶园有机替代示范区位置和监测点分布见图1。2016年在示范区推广应用有机肥，项目实施2 a后，在2018年10月冬肥施用之前，利用GPS定位技术，在每个监测点采集茶园表层土壤(0～20 cm)1 kg，每个样品由4～6个点的土样混合制成。土样风干，去除植物残体、石子等杂质，磨细，过1 mm、0.25 mm尼龙筛备用。土壤测定项目有pH、全氮、有效磷、速效钾、有机质及镉、铬、铅、砷、汞全量。

图1 武义县茶园有机替代示范区的位置和监测点的分布

1.2 测定方法

土壤pH测定参照NY/T 1121.2—2006(土壤检测，第2部分：土壤pH的测定)[19]，水土比2.5∶1；全氮测定采用凯氏定氮法；有效磷测定参照NY/T 1121.7—2014[20]，酸性土壤采用氟化铵-盐酸浸提法；速效钾测定参照NY/T 889—2004[21]，用1 mol·L-1乙酸铵浸提-火焰光度法；有机质测定参照NY/T 1121.6—2006[22]，用重铬酸钾氧化-容量法。

土壤铜、锌、镉、铬、铅的测定参照GB/T 17141—1997[23]，经盐酸、氢氟酸、高氯酸、硝酸进行消解，镉测定采用石墨炉原子吸收分光光度法，铜、锌、铬、铅采用等离子体发射光谱仪 (ICP-OES) 测定；砷和汞的测定采用原子荧光光谱法。

1.3 茶园土壤养分和环境质量分级标准及依据

结合NY/T 853—2004[24]茶叶产地环境技术条件和优质高效高产茶园土壤养分诊断指标[25]，对武义县茶园有机替代示范区土壤养分状况进行评价分级。将土壤养分变异系数分为3级[26]，<10%的样本变异为弱变异，10%～30%的样本变异为中等变异，>30%的样本变异为强变异。

1.4 数据分析

运用 SPSS 22、Excel 2016软件分析数据和作图；用Pearson法对土壤理化性状和重金属含量之间的相关性进行分析。

2 结果与分析

2.1 有机肥替代化肥示范区茶园土壤肥力状况

2.1.1 pH及有机质

茶树是喜酸性作物，优质高产茶园土壤pH的适宜范围为4.5～5.5,<4.0或>6.5的土壤，对茶树的正常生长发育将产生不良影响[25]。武义县有机肥替代示范区茶园土壤pH值见表1。土壤pH平均值为3.78，范围为3.28～4.62，变异系数为7.53%，属于弱变异。只有3.92%茶园土壤的pH达到优质高效高产茶园的标准(4.5～5.5)，土壤pH 4.0～<4.5的茶园比例为21.57%，pH<4.0的茶园比例为74.51%(图2)。结果表明，武义县示范区茶园的土壤严重偏酸，对茶树正常生产将产生不良影响，这是长期追求茶叶产量过度施用化肥的结果。示范区内的绝大部分茶园需要进行土壤改良，提高土壤酸碱度。

表1 武义县有机替代示范区茶园土壤的主要养分状况

土壤有机质是土壤各种营养元素，特别是氮、磷、钾元素的重要来源，还含有丰富的活性物质胡敏酸、氨基酸等，能改善土壤的物理性状，增强土壤的保肥和持水能力，是土壤肥力高低的一个重要指标。示范区茶园土壤有机质含量平均值为20.12 g·kg-1，范围为8.32～35.90 g·kg-1，变异系数为28.36%，属于中等强度变异(表1)。有机质含量达到优质高产(>20.0 g·kg-1)和Ⅰ级(>15 g·kg-1)标准的茶园比例分别为47.06%和76.47%(图2)；只有2.00%的茶园为Ⅲ级标准(<10 g·kg-1)，有机质较为缺乏。这表明示范区内大部分茶园土壤有机质较为丰富或适宜，但不同茶园差异性较大，仍有提升空间。

图2 茶园土壤pH和有机质的分布特征

2.1.2 氮磷钾含量

土壤全氮含量的平均值为3.88 g·kg-1，范围为0.73～12.4 g·kg-1，变异系数为96.38%，属于强变异(表1)，土壤全氮含量差异较大。土壤全氮含量达到优质高产或Ⅰ级优良(>1.0 g·kg-1)标准的茶园为82.35%(图3)，达到全氮Ⅱ级和Ⅲ级的茶园比例分别为15.69%和1.96%。表明武义示范区茶园全氮含量整体偏高，甚至9.80%的茶园土壤全氮超过10.0 g·kg-1。

图3 茶园土壤全氮、有效磷、速效钾含量的分布特征

土壤有效磷含量平均值为92.74 mg·kg-1，范围为1.28～451.3 mg·kg-1，变异系数为113.23%，属于强变异(表1)，土壤有效磷含量空间分布差异很大，受外界干扰(如施肥)显著。达到优质高产(>20.0 mg·kg-1)和Ⅰ级优良(>10.0 mg·kg-1)标准的茶园比例分别为64.71%和76.47%(图3)，但Ⅲ级缺乏的茶园比例也有13.73%。表明武义县示范区茶园土壤有效磷分布很不均匀，大部分茶园土壤有效磷非常丰富，平均值远超Ⅰ级优良标准，最高可达451.3 mg·kg-1，但仍有部分茶园土壤有效磷较为缺乏。

茶园土壤速效钾含量平均值为123.97 mg·kg-1，范围为38.95～401.90 mg·kg-1，变异系数为57.28%，属于强变异，土壤速效钾含量差异较大。47.06%的茶园达到优质高产茶园的标准(>100.0 mg·kg-1)，达到Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级茶园比例分别为37.25%、31.37%和31.37%(图3)。表明武义县示范区仍有近1/3的茶园土壤速效钾是不足的，需要继续推广有机肥和高钾茶叶专用复合肥。

2.1.3 碳氮比

土壤有机碳与全氮含量是表征土壤肥力水平的核心指标，提供作物生长和土壤微生物生命活动必需的能源物质和营养元素。碳氮比的高低会影响土壤中微生物的分解能力和氮的矿化速率。根据王安治等[27]对茶园土壤的调查结果，当茶园土壤碳氮比在7～10时，茶叶产量较高；当土壤碳氮比<7或>10时，茶叶产量会下降。武义示范区茶园土壤的碳氮比均不在理想范围内，38.46%的茶园土壤碳氮比<7，61.54%的茶园土壤碳氮比>10。主要原因是土壤全氮含量变异较大，不够均衡，茶园土壤全氮含量过高或太低的现象同时存在。

2.2 有机肥替代化肥示范区土壤重金属含量状况

有机肥替代化肥项目实施2 a后(2018年)，抽检30个监测点土样测定茶园土壤重金属含量。表2为武义茶园土壤重金属状况，判断标准参考NY/T 853—2004《茶叶产地环境技术条件》。示范区茶园土壤重金属铅、镉、铬、砷和汞含量的平均值分别为16.54、0.10、26.23、6.97、0.04 mg·kg-1，最大值分别为37.38、0.25、76.19、13.93、0.14 mg·kg-1，均低于茶叶产地环境限量标准，表明武义示范区茶园的土壤环境质量良好。土壤重金属铅、镉、铬、砷和汞含量的变异系数分别为51.67%、82.71%、82.06%、59.58%、68.76%，均属于强变异，表明重金属元素的空间分布差异大，受外界影响较为明显。

表2 武义县有机肥替代化肥示范区茶园土壤的重金属含量状况

2.3 茶园土壤养分和重金属之间的关系

对茶园土壤养分、重金属进行Pearson相关性分析，结果表明，茶园土壤pH、有机质与重金属之间没有相关性，氮磷钾养分与重金属之间也没有相关性；有效磷和速效钾呈显著正相关。重金属铅与镉、汞呈极显著正相关，镉与铬、汞呈极显著正相关，镉与砷呈显著负相关。茶园施用有机肥会对土壤pH、有机质和养分含量产生明显影响，根据Pearson相关性分析结果，说明有机肥替代部分化肥对茶园土壤重金属含量没有明显影响。

3 小结与讨论

武义县有机替代示范区茶园土壤pH平均值为3.78，pH值<4.0的茶园比例为74.51%，土壤酸化严重；有机质平均含量为20.12 g·kg-1，达到Ⅰ级优良的比例为76.47%，有机质较为丰富；全氮平均含量为3.88 g·kg-1，达到Ⅰ级优良的茶园为82.35%，全氮含量整体偏高，但空间变异较大；土壤有效磷、速效钾的平均含量分别为92.74 mg·kg-1、123.97 mg·kg-1，达到Ⅰ级优良的比例分别为76.47%、37.25%，部分茶园较为缺乏；茶园土壤碳氮比过高或过低，不适宜茶叶健康生长。土壤重金属含量均低于NY/T 853—2004标准，土壤环境质量良好。土壤pH、肥力指标与土壤重金属之间均没有相关性，施用有机肥对土壤重金属含量影响较小。长期施用沼液降低土壤pH值，显著提高土壤肥力和土壤铜、锌、砷、铬、铅的含量。

浙江省茶园土壤存在的主要营养障碍因子有酸化严重、有机质贫乏、土壤生物性状差、土壤养分供应能力低且不平衡[25]。茶园土壤酸化主要是长期大量施用化肥，特别是氮肥造成的[5]。马立锋等[3]在2009—2010年对浙江省绿茶主产区茶园施肥情况作了调查，其中武义县茶园施肥的肥料主要种类为尿素和复合肥，氮肥(N)平均年施用量(601±295)kg·hm-2,> 450 kg·hm-2的茶园比例为60%，茶园肥料养分N∶P2O5∶K2O比例为3.7∶1∶1，土壤磷、钾养分缺乏的茶园比例分别为25%和60%。武义县主要以中低档茶叶为主，名优茶叶面积较少；以夏秋茶为主，机器采摘面积大。茶农更关注茶叶产量而不是质量，施肥更依赖于化肥特别是氮肥。正是这种粗放的生产模式，导致茶园土壤质量退化，降低茶叶产量和品质，影响茶农的收入，形成恶性循环。本研究表明，通过茶园有机替代行动，提高了土壤有机质含量，但土壤酸化和养分失衡问题仍较严重。说明武义县茶园在继续加强有机肥替代化肥的行动的基础上，要结合测土配方施肥，降低氮肥用量，适当提高磷、钾肥的用量，推广茶叶专用肥；还要配施调酸性土壤调理剂[28]，提高土壤pH至4.5以上。

茶园施用有机肥能减少化肥用量，提高土壤酸碱度和有机质含量，使养分更均衡；改良土壤结构，提高土壤生物活性和多样性，提高土壤保肥、保水性能[29]。有机肥的这些优点有助于提高茶叶产量和品质。但同时有机肥成分复杂，含有重金属、抗生素等污染物，潜在的土壤环境质量风险一直受到特别关注[14-15]。本研究表明，有机替代示范区的茶园土壤环境质量良好，且土壤有机质和养分指标与土壤重金属之间没有相关性，部分重金属之间有显著的相关性，说明施用有机肥还没有对土壤重金属含量产生明显的影响。除了因为有机肥施用时间较短外，茶农出于对有机肥成本和人工成本的考虑，有机肥的施用量较低。有机肥长期施用还需加强对土壤环境质量的监测，并需选择合格的有机肥产品。