基于土壤地球化学特征的茶叶种植适宜性评价分析——以日照巨峰镇为例

王程松，王帅，李建，种衍飞，孔凡飞

(1.山东省煤田地质局第一勘探队，山东 青岛 266555；2.日照海洋地质院士工作站，山东 日照 276800)

0 引言

日照绿茶以独具特有的品质风味，产量连续多年列全省第一，有“北方第一茶”的美誉[1]，研究区巨峰镇为日照绿茶的主要种植区。随着地区经济的快速发展，工矿业“三废”排放量明显增加，农药、化肥的过量使用等人类活动，土壤系统在各种化学物质的冲击和破坏下变得脆弱，使得区内的生态环境受到了很大的影响[2-4]。本次通过对研究区内土壤地球化学特征分析，研究土壤背景与茶叶品质关系，并对土壤的茶叶宜种性进行评价，划分了研究区茶树适宜种植区域；为加快发展标准化的绿色农业，优化茶叶种植区域，提高农业经济效益，实现农业现代化可持续发展提供科学依据。

1 研究区地球化学背景特征

通过对研究区内1100件土壤表层样品的取样化验，了解研究区土壤背景，分析土壤中元素地球化学特征；通过采集50件茶叶样品，分析茶叶重金属元素地球化学特征、营养元素地球化学特征、健康元素地球化学特征，为研究土壤背景和影响茶叶生化品质，提供数据基础。

1.1 土壤元素地球化学特征

研究区土壤元素地球化学背景值与日照市土壤背景值，山东省土壤元素平均值(A层)对比特征见表1。

由表1可知：与日照市土壤背景值对比Hg、Cd、F、V、Zn、Co、I、MgO、pH等元素或指标的背景值明显偏低，其中pH最低；As、Mo、B、S、OrgC的背景值明显偏高，OrgC最高。其余元素或指标与日照土壤背景值基本接近。与全省土壤元素平均值(A层)相比，B、CaO、Cd、Cr、Cu、F、Hg、I、MgO、N、Ni、P、pH、V和Zn等元素或指标的背景值明显偏低，CaO含量最低，为全省均值的29.17%。K2O、Mo、OrgC、Pb、SiO2元素或指标的背景值高于全省土壤均值，OrgC含量最高，为全省土壤均值的1.61倍。

注：N单位为10-3、Hg为10-9、Al2O3、CaO、K2O、MgO、OrgC、SiO2、Fe2O3单位为10-2、pH无量纲、其余为10-6。

1.2 茶叶元素地球化学特征

1.2.1 茶叶重金属元素地球化学特征

As、Hg、Pb、Cr、Cd等元素的浓度或在动植物体内的积累会对人体造成潜在性的危害等。通过分析重金属含量特征，一是可以掌握茶叶的质量，二是可以表征茶叶生长的土壤中相应元素的活性强度及作物的吸收强度。本次采集的研究区50件茶叶，其中As、Hg、Pb、Cr、Cd含量统计见表2。

由表2可知：茶叶对As元素的吸收率较低，对Hg元素的吸收率很高，对Pb元素的吸收率较低，对Cr元素的吸收率偏低，对Cd元素的吸收率较高。

表2 茶叶重金属地球化学参数统计表

注：Hg、Cd单位为10-9，其余为10-6。

1.2.2 茶叶营养元素地球化学特征

本次选择微量营养元素Ni、B、Mo、I、Cu、Zn作为茶叶营养元素，进行统计分析，探讨在研究区茶叶中的这6种元素的地球化学特征。检测统计得出研究区茶叶的Ni、B、Mo、I、Cu、Zn的地球化学参数，具体见表3。

表3 茶叶营养元素参数统计表 单位：10-6

参数NiBMoICuZn最大值7.09187.040.9904.829.4033.71最小值1.290.010.0400.014.298.96平均值3.1253.890.6271.166.8216.49中位数3.0439.340.7800.786.8415.51均方差1.4044.330.3061.201.315.28变异系数0.450.820.4881.040.190.32根系土值22.0524.6151.12BCF14.1327.7032.26

Ni元素：在本次采集的作物中Ni含量范围为(1.29～7.09)×10-6；平均含量为3.12×10-6；变异系数为0.45，数据离散程度不均匀。

B元素：在本次采集的作物中B含量范围为(0.01～187.04)×10-6；平均含量为53.89×10-6；变异系数为0.82，数据离散程度较大。

Mo元素：在本次采集的作物中Mo含量范围为(0.04～0.99)×10-6；平均含量为0.63×10-6；变异系数为0.49，数据离散程度不均匀。

I元素：在本次采集的作物中I含量范围为(0.01～4.82)×10-6；平均含量为1.16×10-6；变异系数为1.04，数据离散程度很大。

Cu元素：在本次采集的作物中Cu含量范围为(4.29～9.40)×10-6；平均含量为6.82×10-6；变异系数为0.19，数据离散程度较小，且其富集系数为27.7%，即茶叶对土壤中Cu元素的吸收率较高，因此应控制土壤Cu元素的含量在合理范围内，以有利于茶叶生长。

Zn元素：在本次采集的作物中Zn含量范围为(8.96～33.71)×10-6；平均含量为16.49×10-6；变异系数为0.32，数据离散程度不均匀，且其富集系数为32.26%，即茶叶对土壤中Zn元素的吸收率较高，因此应控制土壤Zn元素的含量在合理范围内，以有利于茶叶生长。

1.2.3 茶叶中健康元素地球化学特征

茶叶中Se、Ge元素的含量水平及特征是反映区内作物质量等级的一个重要参数，检测50件茶叶样中Se、Ge的含量，结果计算统计见表4。

硒(Se)元素：在本次采集的茶叶中Se含量范围为(0.004～0.12)×10-6；平均含量为0.03×10-6；变异系数为1.09，数据离散程度较大；吸收系数为13%，因此可以通过改善土壤中Se元素的含量提高茶叶中Se元素的含量。

锗(Ge)元素：在本次采集的茶叶中Ge含量范围为(2.950～6.600)×10-6；平均含量为4.987×10-6；变异系数为0.191，数据离散程度较小。

表4 茶叶健康元素参数统计表 单位：10-6

参数SeGe最大值0.1186.600最小值0.0042.950平均值0.0264.987中位数0.0194.680均方差0.0210.951变异系数0.8150.191根系土值0.226BCF11.569

2 研究区土壤背景与茶叶品质研究

2.1 茶叶生化成分含量分析

影响茶叶味道和口感的主要因素有茶叶中的游离氨基酸、茶多酚、类黄酮和水浸出物等生化成分的含量有关。据农业部茶叶质量监督检测中心和姚国坤等资料，中国茶叶水浸出物一般含量为35%～40%，咖啡碱为3%～5%，茶多酚为20%～35%，游离氨基酸为1%～4%。一般而言茶叶中游离氨基酸、茶多酚、咖啡碱和水浸出物含量与茶叶品质呈正相关关系，同时茶叶中有益元素丰富，重金属元素含量较低对茶叶品质有利[5]。

本次主要选取巨峰镇6处茶园50件样品进行研究，对其生化成分进行检测。茶叶各类生化成分的检测须按照一定的茶叶检验标准进行，各生化成分检测的结果见表5。

表5 茶叶样品生化成分检测结果表

本研究所检测的6个样品的茶叶水浸出物的含量均高于35%，高于最低标准，说明巨峰镇的生态环境，有利于茶树光合产物的转化和次级代谢产物的积累，从而使茶叶内含物丰富，茶汤的浓度增加，有利于品质的提高[6]。茶多酚含量均处于14%～18%之间。黄酮含量均(70～100)×10-6之间。游离氨基酸的含量均1%～4%之间，说明茶叶品质是比较好的。对检测结果进一步分析可以看出，茶园之间、茶树品种之间游离氨基酸含量相差不大。通过酚氨比确定茶叶品质。

酚氨比=茶多酚含量(%)/游离氨基酸含量(%)[7]，从茶叶种植区来看，6个样本中酚氨比值基本呈现尚家庄村>费家官庄村>山峪村>孟家官庄村>丁家林村>水洪沟村。

2.2 土壤有效养分元素对茶叶品质的影响

选用相关系数法对研究区土壤有效成分与茶叶中的7种生化成分进行聚类分析比较，结果能够很好的体现出各分析指标的相聚与分散特征。研究区土壤有效成分与茶叶生化成分的相关关系见表6，利用SPSS统计软件采用系统聚类法对茶叶生化成分和土壤有效营养成分进行R型聚类分析得到聚类分析树状图(见图1)。

由聚类分析树状图可以分出以下几类：

游离氨基酸——有效Mo、Cu、Zn、Fe、有机质； 茶多酚，水浸出物，类黄酮——有效Mn； 有效B。

表6 茶叶生化成分与土壤有效成分相关系数表

图1 聚类分析树状图

由相关系数表、聚类分析树状图可知：

当土壤中有效Mo、Cu、Zn、Fe以及有机质含量较多时，茶叶中的游离氨基酸就会高[8]，其相关性较高，尤其是有效铁与游离氨基酸的相关性为0.97。游离氨基酸是决定茶叶品质的重要因子，含量越高，茶汤味感越鲜爽[9]。

当土壤中有效Mn含量较多时，茶多酚，水浸出物，类黄酮就会高，其相关性较高，尤其是水浸出物和有效Mn相关性为0.77，茶叶水浸出物和类黄酮含量越高，说明茶叶内含物丰富，茶叶的品质就越好，对人体越有益处。茶多酚的含量在20%～24%以内仍维持茶汤浓度、醇度和鲜爽度的和谐统一[10-11]。

土壤中有效Fe含量与酚氨比呈较大的负相关，即土壤铁含量越高，酚氨比越小，茶叶品质越优。

2.3 茶树中元素与土壤元素的相关性

进行相关分析选取的元素有As、Hg、Pb、Cr、Cd、Cu、Zn、Ni、Se，应用SPSS软件通过对茶树根、茎、叶含量与土壤中的含量对比与相关系数计算，分析了土壤中各重金属元素的含量与茶树元素含量的相关性，所得的茶树各部位与土壤之间以及茶树各部位之间的相关系数如表7。

由此得知As元素在土壤和茶树的根之间以及茶树的茎与叶之间呈明显负相关，土壤与茶树的茎之间呈明显的正相关；Hg元素在土壤和茶树的根之间呈明显的负相关，在茶树的根和叶之间呈明显的正相关，相关系数高达0.906；茶树的根、茎、叶与土壤中Pb元素的含量没有明显的相关性，茶树的根与叶之间呈明显的负相关，茶树的茎与叶之间呈明显的正相关；茶树的根、茎、叶与土壤中Cr元素的含量有正相关性，茶树的根与叶，茎与叶之间的正相关性也非常显著，特别是茎与叶部位，相关系数高达0.994，显著性极高。说明Cr元素的土壤污染会对茶叶产生明显的影响，必须予以高度重视；茶树的根、茎、叶与土壤中Cd元素的含量有正相关性，该元素在茶树的根与叶之间呈负相关，在茎与叶之间呈明显的正相关；Cu元素仅在土壤和茶树的茎之间呈明显的正相关，相关系数高达0.955；茶树的根、茎与土壤中Zn含量呈正相关，特别是土壤与茶树的茎之间，相关系数高达0.883。土壤与叶之间，以及茶树的各部分之间呈负相关性；Ni元素在土壤与茶树的茎之间、茶树的根与叶之间呈明显的正相关，茶树的茎与叶之间呈明显的负相关；茶树的根、茎与土壤中Se元素以及茶树的根与叶之间呈明显的负相关，茶树的茎与叶之间呈明显的正相关[12]。

表7 茶树各部位与土壤以及茶树各部位之间的相关系数

相关系数土壤与根土壤与茎土壤与叶根与叶茎与叶As0.7910.7120.1560.0190.764Hg0.850.4460.0130.9060.469Pb0.2040.1260.0090.9770.934Cr0.9290.9350.2150.5050.994Cd0.1690.4350.0990.50.759Cu0.4810.9550.0360.0020.21Zn0.3340.8830.3720.4670.825Ni0.0640.9380.1160.9220.944Se0.8140.9930.1620.9560.752

2.4 茶树中重金属元素的分布情况

通过研究各种元素在茶树植株中的分布状况，我们可以总结出各元素在茶树中的分布规律，本次研究对As、Hg、Pb、Cr、Cd、Cu、Zn这7种主要元素在茶植株的含量分布情况进行研究(图2)。

由图可知，As元素在茶树的茎中分布最高，在叶中含量最低。Hg元素在茶树的根中分布明显最高，在茎中含量最低。Pb元素在茶树的茎中分布最高，在根中含量最低。Cr元素在茶树的叶中含量最低，在根和茎中含量相当。Cd元素在茶树的根中含量最高，在叶中含量最低。Cu元素在茶树的叶中含量明显最低，在根和茎中含量相当。Zn元素在茶树的茎中含量最高，在叶中含量最低。

总结可知：As、Cr、Cu、Zn四种元素在茶树中的分布状况为：茎>根>叶；Hg元素在茶树中的分布状况为：根>叶>茎；Pb元素在茶树中的分布状况：茎>叶>根；Cd元素在茶树中的分布状况为：根>茎>叶。

图2 7种元素在茶叶植株中含量分布情况

3 茶叶种植适宜性评价分析

基于上述土壤地球化学背景，以及对茶叶品质与土壤地球化学的关系分析，综合选择3项评价指标，土壤pH指标主要是说明植物生长适宜性；土壤肥力指标重点说明茶叶品质；土壤环境质量指标主反应茶叶对重金属元素的吸收。文章首先对单项影响因子进行等级评价，并按照适宜性等级赋值；最后对3项评价因子权重后综合评价[13-15]。

本次采用的权重确定法为变异系数法。由于各项参评因子的量纲不同，不能直接进行比较，所以需要用各项评价因子的变异系数来衡量各因子取值的差异程度[19]。

在采用变异系数法确定因子权重的基础上，选取土壤肥力、土壤pH、土壤环境3项评价因子的权重值，将研究区划定为茶树种植的最适宜区，一般适宜区，不适宜种植区(图3)。

1—最适宜；2一般适宜；3—不适宜；4—非农用地图3 茶叶种植适宜性分区图

4 结论

(1)通过对研究区土壤及茶叶地球化学特征分析，发现茶叶对Hg、Cd元素的吸收率较高，对As、Pb、Cr吸收率较低，宜重点控制土壤中Hg、Cd含量；在营养元素方面，茶叶对土壤中Cu、Zn的吸收率较高，宜控制土壤Cu、Zn素的含量在合理范围内，有利于茶叶生长；在健康元素方面，茶叶对Se吸收系数较高，可以通过改善土壤中Se元素的含量提高茶叶中Se元素的含量。

(2)茶叶品质受土壤背景影响，土壤中有效Mo、Cu、Zn、Fe以及有机质含量与茶叶中的游离氨基酸相关性较高，有效铁与游离氨基酸的相关性最高；土壤中有效Mn含量与水浸出物、类黄酮相关性较高，其中水浸出物和有效Mn相关性最高；发现土壤中有效Fe含量与酚氨比呈较大的负相关；分析土壤元素与茶树叶相关性均较低，但对于Ni、Hg，茶树根与叶相关系数大于0.9。

(3)基于对研究区内土壤地球化学背景与茶叶品质的研究，对研究区内茶叶种植适宜性评价，圈定最适宜区面积约为4720hm2，一般适宜面积约为7793hm2；不适宜区面积约为3480hm2；然而，茶叶种植适宜性还受地形坡度，阳光照射，风速，灌溉条件等影响，需进一步进行适宜性分析探讨。