两种武夷岩茶管理方式下茶园土壤肥力与金属元素比较

郝柯宇，周艳，张惠光，蔡斌，李颖，张秀芳，何东进,3，游巍斌,3

(1.福建农林大学 林学院，福建 福州 350002；2.武夷山国家公园科研监测中心，福建 武夷山 354300;3.福建省南方森林资源与环境工程技术研究中心，福建 福州 350002)

茶园的管理方式不仅对茶叶品质的好坏和产量的高低产生直接影响，同时还可能对局部小生境乃至大区域的生态环境造成间接影响[1]。普通茶树种植沿用传统的耕作管理方式，如定期培土、锄草等，易导致大片茶园土壤裸露地表，茶园植被覆盖度低下，再加上茶农为了追求短期经济效益，长期使用单质化肥和农药，造成土壤板结、土地退化等，茶园生态环境易恶化[2]。生态环境的恶化又难以满足茶树生物性生长的需求，这在一定程度上制约了茶产业经济的持续健康发展。为了实现茶产业的可持续发展，寻找有利于改善茶树生境条件并能提高茶叶品质的有机或生态茶园发展模式则尤为关键，成为研究热点领域。武夷山国家公园植茶历史悠久，福建乌龙茶之首——武夷岩茶就诞生于此地，茶产业已经成为了该地的支柱型产业之一，发展生态茶园，对当地生态环境的改善、茶叶品质和茶产业发展具有重要意义[3]。鉴于此，选择武夷山国家公园内两种不同管理方式（有机管理茶园和普通管理茶园）的茶园土壤为研究对象，对比分析其在土壤理化性质、土壤肥力和土壤金属元素方面的差异，以期为当地茶园种植环境影响评价及生态茶园的建设提供参考。

1 研究区概况

武夷山国家公园作为首批国家公园试点区之一，其范围主要包括武夷山国家级自然保护区、国家级风景名胜区、九曲溪上游保护带、光泽县和邵武市部分区域，总面积1001.41 km2。该地属亚热带季风气候型，气候垂直变化显著，温暖湿润，降水丰沛[4]。武夷山国家公园多地主要受断裂构造严格控制，发育有陡峭的断块崖壁和溪流，地貌类型主要以山地丘陵为主，植被类型以亚热带常绿阔叶林为主，植被受山地地形影响，垂直带谱明显。武夷山种茶历史悠久，茶园景观亦是武夷山国家公园内的特色景观要素类型之一。园内茶叶品种丰富多样，其主要有肉桂、水仙和大红袍等[5]。武夷岩茶作为武夷山国家公园最具代表性的茶类之一，独具特色的武夷“岩韵”，故备受世人喜爱。

2 研究方法

2.1 采样方法

于2020年9月，在武夷山国家公园范围九曲溪上游保护地实地选择了两处环境背景条件相同，但管理方式不同的两处茶园样地（有机管理茶园和普通管理茶园）。两处样地直线水平距离相距约200 m，垂直海拔高差约40 m。以“S”形路线在每个样地选取5个采样点，用土钻采集0～20 cm的表层土样，将5个采样点的土样混合均匀，用四分法称取1 kg混合土样，装入标记好的自封袋中，放入保温箱中冷藏。将保温箱土壤样品带回实验室，每个样品分别取200 g放入冰箱保鲜，另外800 g样品放置通风阴凉处自然风干，去除根系、石砾等杂质后，用研钵研磨并分别过2、0.149 mm的尼龙筛，分装待测。同时，记录茶园的经纬度、地理特征、施肥和管理方式等方面信息。茶园样地基本特征见表1。

表1 茶园样地基本属性特征Tab.1 Basic features of garden plot

两种茶园施肥方式如下：（1）有机管理茶园于种茶前一年在茶山撒施猪屎豆种子，长成植株做绿肥埋入土中，植茶后前3年亩施40 kg复合肥+100 kg/亩有机肥，2019年冬季茶行间种油菜，2020年6月份亩施40 kg复合肥+125～150 kg/亩豆粕有机肥，深翻条施再覆土。（2）普通管理茶园于每年10月份前后，亩施125～100 kg/亩复合肥，6月份亩施40 kg左右，3月份亩施40 kg左右，复合肥撒施在面上。

两种茶园病虫害防治和除草方式如下：（1）有机管理茶园于每年3月中下旬视茶树情况，用茶皂素、松脂生物有机农药喷施；冬季清园，清理茶园中病、枯死枝条，并喷施石硫合剂；每年3月下旬至4月上旬、6月下旬至7月上旬用人工除草。（2）普通茶园于3月中下旬、4月上旬（采茶前15天）、6月至7月、8月下旬至9月上旬之间使用低毒农药防病除虫，3月下旬至4月上旬、6月下旬至7月上旬用除草剂喷施。

2.2 指标选择和测定方法

从两种茶园管理方式下的茶园理化性质、土壤养分和金属元素等方面筛选指标，具体包括：（1）土壤pH值、有机质（SOM,soil organic matter）、可溶性有机碳(DOC,soluble organic carbon)、全氮(TN,total nitrogen)、全磷(TP,total phosphorus)、全钾(TK,total potassium)、水解氮 (AN,hydrolyzed nitrogen)、有效磷(AP,available phosphorus)、速效钾(AK,available potassium)等9个主要养分指标；（2）铅Pb、铬Cr、汞Hg、镉Cd等4个主要重金属指标。

各指标测定方法如下：土壤pH值是由pH计测定，碱解氮AN采用碱解扩散法，有效磷AP采用钼锑抗比色法，速效钾AK采用乙酸铵浸提火焰光度法，土壤有机质SOM和全氮TN采用碳氮元素分析仪测定，土壤可溶性有机碳DOC是由总有机碳分析仪（TOC）测定，土壤全磷TP、全钾TK、铅Pb、铬Cr、汞Hg、镉Cd等金属元素是经土壤消煮后用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS分析仪）测定。最后，运用R语言的corrplot包进行各指标相关分析。

3 结果与分析

3.1 两种茶园管理方式下土壤理化性质比较

有机管理茶园和普通管理茶园的土壤物理性质比较结果见表2。有机管理茶园pH值（4.18±0.09）<普通管理茶园（4.29±0.06）。土壤粒径方面，有机茶园土壤组成主要由黏粒和粉粒（82.64%）构成，土壤较为细腻；普通管理茶园主要由粉粒和砂粒（70.14%）构成，土壤颗粒较粗。

表2 两种茶园管理方式下的土壤理化性质比较Tab.2 Comparison of soil physical and chemical properties under two tea garden management methods

3.2 两种茶园管理方式下土壤肥力养分比较

表3所示两种茶园管理方式下的土壤肥力元素比较，有机管理茶园有效磷含量范围在33.91～38.43 mg/kg，普通管理茶园有效磷含量范围在3.59～4.24 mg/kg，有机管理茶园有效磷含量要显著高于普通管理茶园。速效钾方面，有机管理茶园含量为（124.94±6.21）mg/kg，普通管理茶园为（74.84±4.51）mg/kg，有机管理茶园的速效钾含量比普通管理茶园要高67%。有机管理茶园水解氮含量为（99.23±14.83）mg/kg，普通管理茶园为（111.02±4.74）mg/kg，有机管理茶园比普通管理茶园低11%。可溶性有机碳方面，有机管理茶园含量为（137.37±16.56）mg/kg，普通管理茶园含量为（119.94±13.63）mg/kg，有机管理茶园要比普通管理茶园高15%。全磷方面，有机管理茶园土壤含量为（0.27±0.04）g/kg，普通管理茶园土壤含量为（0.19±0.04）g/kg，有机管理茶园比普通管理茶园高43%。有机管理茶园全钾含量为（4.37±0.11）g/kg，普通管理茶园全钾含量为（16.13±3.31）g/kg，有机管理茶园比普通管理茶园低73%。全氮方面，有机管理茶园含量为（1.55±0.01）g/kg，普通管理茶园含量为（1.39±0.19）g/kg，有机管理茶园比普通管理茶园高12%。有机质方面，有机管理茶园含量为（31.8±0.15）g/kg，普通管理茶园含量为（27.85±0.18）g/kg，有机管理茶园比普通管理茶园高14%。

表3 两种茶园管理方式下土壤肥力元素比较Tab.3 Comparison of soil fertility elements under two tea garden management methods

3.3 两种茶园管理方式下土壤金属元素比较

两种茶园管理方式下土壤金属元素比较见表4。由表4可知，汞、铅、铬、镉、砷金属含量范围分别为0.136～0.185、54.02～68.4、24.239～129.89、0.175～0.199、10.194～24.12 mg/kg，有机管理茶园的汞、铅、铬、镉的重金属含量要低于普通管理茶园，砷含量有机管理茶园高于普通管理茶园。土壤其他金属元素分布见表4，铁、钠、镁、钙金属含量范围分别为13.934～29.99、1.67～2.23、0.99～2.06、1.73～2.76 g/kg,有机管理茶园铁含量（27.38±2.17 g/kg）要高于普通管理茶园（15.41±1.69 g/kg），有机管理茶园的钠、镁、钙金属含量要低于普通管理茶园。

表4 两种茶园管理方式下土壤金属元素比较Tab.4 Comparison of soil metal elements under two tea garden management methods

3.4 土壤指标相关性分析

图1所示，养分方面，茶园土壤有机质与有效磷、速效钾、铁、黏粒呈极显著正相关（P<0.01），与全钾、铬、镉、砂粒呈极显著负相关（P<0.01）；有机质与镁、粉粒呈显著负相关（P<0.05）。土壤全氮与汞呈显著负相关。土壤全磷与铁呈极显著正相关，与速效钾呈显著正相关，与镉、砂粒呈显著负相关。全钾与铬、镁、砂粒呈极显著正相关，与有效磷、速效钾、黏粒呈极显著负相关，与镉呈显著正相关、与铁呈显著负相关。有效磷与速效钾、铁、黏粒呈极显著正相关，与铬、镉、砂粒呈极显著负相关，与镁、粉粒呈显著负相关。速效钾与铁、黏粒呈极显著正相关，与铬、镉、砂粒呈极显著负相关，与粉粒显著负相关。水解氮与pH值呈显著正相关。可溶性有机碳与铅呈显著负相关。

图1 茶园土壤特性的相关性分析Fig.1 Correlation analysis of soil characteristics in tea garden

土壤金属方面，铅与钠呈显著正相关（P<0.05）。铬与镁、砂粒呈极显著正相关（P<0.01），与黏粒呈极显著负相关，与镉、粉粒呈显著正相关，与铁呈显著负相关。镉与铁、黏粒呈极显著负相关，与砂粒呈显著正相关。铁与黏粒呈极显著正相关，与砂粒呈极显著正相关。镁与黏粒呈负相关。土壤pH值与汞、铅、铬、镉、砷、铁、镁、钠、钙无显著相关性。

4 讨论与结论

pH值对土壤各种养分的有效性、土壤微生物的活性具有显著影响。有机管理茶园土壤和普通管理茶园土壤pH值相差不大，都在4以上，在比较适宜茶树生长的范围内，pH值低于4.0或高于6.5都对茶树生长不利[7,8]。土壤有机质含量是土壤肥力大小的综合表现[9]，能够增强土壤保水保肥能力，促进植物根系对土壤矿物质的吸收[10]。有机管理茶园与普通管理茶园土壤有机质含量都大于20 g/kg，属于优质茶园土壤类别，该区域茶园位于低山丘陵地带，气候湿润降水丰富，使得茶树凋落物较好的腐化，因而土壤有机质含量普遍较高。有机管理茶园土壤有机质含量要高于普通管理茶园，是因为该茶园为套种茶园，加之定期实施绿肥、有机肥。本研究相关性表明，土壤有机质与有效磷、速效钾呈极显著正相关，这与李贞霞[11]研究中有机质与速效磷呈正相关结果一致，这可能是由于较高的有机质含量同时会带来较高的速效养分[12]。氮磷钾等养分元素是植物吸收的重要土壤养分，反映了土壤肥力的大小，能够促进茶树的生长和茶叶产量[13]。氮素能够直接影响茶树的代谢和生理活动，促进茶树对土壤养分的吸收[14]。有机管理茶园和普通管理茶园全氮和水解氮含量均较高，达到了Ⅰ级茶园标准和优质高效高产要求的茶园土壤。磷素能够参与植物的光合作用，促进植物能量的传递和酶反映活动[13,15]。有机管理茶园的全磷含量较低，有效磷含量较高，而普通管理茶园全磷和有效磷含量均较低，磷含量的缺乏可能跟南方土壤的成土母质和特性相关，南方土壤含有大量的氧化铁和氧化铝等化合物，对磷有很强的固定作用，磷的有效性通常很低[16]。有机管理茶园与普通管理茶园速效磷含量差异显著，这可能跟茶园的土壤养分管理方式不同有关，针对普通茶园有效磷缺乏，可以考虑将有机肥和无机磷肥混合施用来提高磷素水平。钾会影响茶树的生长发育，促进植物根的生长，对于提高植物抵抗病虫害具有重要作用[15,17]。有机管理茶园全钾含量较低，速效钾含量较高，而普通管理茶园全钾和速效钾含量皆较高；虽然有机管理茶园和普通管理茶园速效钾含量偏高，但仍在茶园种植的适宜范围内，土壤适宜的钾含量利于茶叶的生长，研究表明鲜叶含钾量与乌龙茶的品质成分相关性达到显著或极显著水平[18]。

两种茶园管理措施下的重金属含量都要高于福建省土壤重金属的背景值（除了有机管理茶园的铬），有机管理茶园：铅（58.15 mg/kg）>铬（24.79 mg/kg）>砷（22.69 mg/kg）>镉（0.18 mg/kg）>汞（0.15 mg/kg）；普通管理茶园：铬（113.89 mg/kg）>铅（62.01 mg/kg）>砷（14.89 mg/kg）>镉（0.20 mg/kg）>汞（0.17mg/kg）。根据无公害茶园土壤环境质量标准[19]，5种重金属元素铬、砷、镉、铅和汞的土壤污染风险筛选值分别为150、40、0.3、250和0.3 mg/kg，有机管理茶园和普通管理茶园重金属含量均未超标。重金属间的相关系数可用于判断其来源的相似程度，正相关性越高表明其重金属来源一致可能性越高[20]。本文研究中铬与镉、镁呈显著正相关，铅与钠呈显著正相关，说明这些金属元素具有相同来源。同时，重金属元素与土壤粒径也有显著相关性，这与陈玉真研究茶园土壤重金属与土壤粒径有显著相关性结果一致[21]，说明土壤的质地对于重金属含量有重要影响。

两种茶园管理方式下土壤pH值偏酸，有机质、速效钾和水解氮含量都较为丰富，能为茶树生长提供较好的养分，但全磷含量较为缺乏，普通管理茶园有效磷含量较少，应当注意科学合理混合施加磷肥和有机质肥，提高肥料的利用率。在土壤重金属方面，有机管理茶园与普通管理茶园重金属含量都没有超标，符合无害茶园土壤标准。根据分析有机管理茶园和普通管理茶园土壤肥力状况，有机管理茶园土壤要优于普通管理茶园土壤，说明有机管理茶园的建设模式更有利于茶树的生长和发育，对土壤有一定改良作用。