高氮低磷中钾配比对武夷岩茶产量及品质的影响

王瑜　刘扬　卓座品　薛俊鹏　许锐能　孙丽莉　廖红

摘要：【目的】通過分析肥料中氮基础上降低磷钾配比对武夷岩茶产量及品质的影响，为岩茶的优质、健康生产优化养分配比提供科学依据。【方法】试验于武夷山进行，供试品种为水仙。设置3种肥料配比处理（N-P₂O₅-K₂O）：15-15-15（农民用肥，对照CK）、18-8-18（降磷，T1处理）和21-8-11（降磷降钾，T2处理），统计相关产量指标，定量测定5项常规品质指标及3种主要次生代谢物浓度，并对茶叶滋味和香气物质进行非靶向代谢组学分析。【结果】不同配比施肥影响标准叶比率（茶叶有效产量），其中T2处理不仅能显著提高标准叶比率（P<0.05，下同），分别为CK和T1处理的1.35和1.40倍，还能显著增加茶青游离氨基酸的浓度，改善茶青品质。以施肥处理作为限制条件，对非靶向代谢物进行限制性主坐标轴分析发现，肥料配比对茶青代谢物总变异的贡献显著（P=0.001），不同配比施肥可分别解释滋味和香气代谢物总变异的23.30%和22.00%。液相分析结果表明，T2处理可显著提高黄酮类物质风信子质（Hyacinthin）、醚类化合物索拉非尼（Sorafenib）及茶氨酸等代谢物的浓度;气相结果表明，T2处理可明显提高香气代谢物的浓度，包括奶油香物质2，3-Octanedione等。表明T2处理主要通过提高滋味与香气代谢物浓度（尤其香气代谢物）以改善茶青品质。【结论】在以氮为基础比例上适当降低磷和钾的占比，不仅能显著提高武夷岩茶的有效产量，且滋味和香气代谢物浓度也显著增加，进而在一定程度上改善了茶青品质。

关键词： 氮磷钾配比;标准叶比率;品质;滋味;香气;武夷岩茶

中图分类号： S571.106.2                          文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2022）02-0391-10

Effects of high nitrogen and low phosphorus medium potassium ratios on the yield and quality of Wuyi Rock tea

WANG Yu， LIU Yang， ZHUO Zuo-pin， XUE Jun-peng， XU Rui-neng， SUN Li-li LIAO Hong

（Root Biology Center， College of Life Sciences， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou  350002， China）

Abstract：【Objective】To investigate the effects of reducing the ratio of phosphorus（P） and potassium（K） based on nitrogen（N） in fertilizers on the yield and quality of Wuyi tea， so as to provide a theoretical basis for producing high quality rock tea and fertilization of better nutrient ratios. 【Method】In this study， the experimental garden located in Wuyishan City， and tea cultivar was Shuixian. Three different ratios of NPK（N-P₂O₅-K₂O） fertilizers 15-15-15（CK）， 18-8-18（T1， treatment was reduced the ratio of P） and 21-8-11（T2， treatment was reduced the ratio of P and K） were used. The bud density， the weight of hundred buds and the percentage of standard tea leaves were measured in spring. Five conventional quality indicators including the contents of water extract， soluble sugars， tea polyphenols， free amino acids and flavonoids were determined. The concentrations of three major secondary metabolites such as theanine， caffeine and ECG（epicatechin gallate） were detected by high performance liquid chromatography. The flavor and aroma associated substances were analyzed through Ultra performance liquid chromatography-quadrupole-time of flight mass spectrometer and gas chromatography mass spectrometer， respectively. 【Result】The results showed that the different ratios of fertilizer significantly influenced the percentage of standard tea leaves， but had little effects on the bud density and the weight of hundred buds. T2 either significantly increased the percentage of standard tea leaves（P<0.05，the same below）， which were about 1.35 and 1.40 times of CK and T1， respectively， or greatly increased the contents of free amino acids and water extracts in tea， and thus improving the quality of fresh tea leaves. Constrained principal coordinate analysis（CPCoA） of untargeted metabolomics， with fertilization treatments as restrictive condition， showed that the flavor and aroma associated metabolites were significantly influenced by the ratios of N， P， K， whose contributions were about 23.30% and 22.00%， respectively. The liquid phase analysis exhibited that T2 significantly increased the concentrations of the flavonoid compound Hyacinthin， the ether compound Sorafenib， and the main secondary metabolites theanine and caffeine. The gas chromatographic analysis showed that T2 increased the concentrations of aroma related metabolites obviously， including creamy aroma substance 2，3-Octanedione. The results above revealed that T2 could increase the concentration of flavor and aroma metabolites， and thus improving the tea quality， especially aroma. 【Conclusion】Optimal fertilizers ratio of N， P， K， namely high N， low P and moderate K， effectively increases yield and improve the quality of Wuyi tea， especially flavor and aroma quality.

Key words： ratio of N， P， K fertilizers; percentage of standard leaves; quality; flavor; aroma; Wuyi Rock tea

Foundation items： National Natural Science Foundation of China（31701989）; Tea Root Nutrient Efficiency Improvement and Application Innovation Team Project of Ministry of Agriculture and Rural Affairs of China（125A0301）; General Project of Fujian Natural Science Foundation（2021J01114）;Fujian Agriculture and Forestry University（FAFU） Construction Project for Technological Innovation and Service System of Tea Industry Chain（K1520005A03）

0 引言

【研究意义】茶[Camellia sinensis（L.） O. Kuntze]是世界上最重要的非酒精饮料之一。武夷岩茶作为乌龙茶中的极品，因其独特的香气、口感和保健功效，受到广大消费者的追捧（Hodgson et al.，2014;王吉玉和李秋雨，2020）。而随着市场需求量的增加，武夷岩茶的产量也在迅速增加。茶树作为一种叶用植物，随着不断的生长其对于氮磷钾的需求也越来越大，只能通过大量施肥来保证茶叶产量（Liu et al.，2015）。由于缺乏科学指导，茶园因不合理施肥在带来产量的同时也造成了茶叶品质下降、土壤退化和环境污染等问题。因此，针对不同氮磷钾配比对武夷岩茶产量及品质的影响，优化养分配比，对武夷岩茶优质健康生产具有重要意义。【前人研究进展】茶叶产量和品质与土壤养分状况密切相关，产地对武夷岩茶品质的影响尤为显著（周志等，2019a，2019b），适当施肥有利于茶叶产量及品质的形成（刘扬等，2020）。同时，施肥显著影响茶叶品质代谢物的合成（Li et al.，2017）。施氮可促进茶叶中游离氨基酸和咖啡碱的合成，平衡脂代谢与滋味/香气化合物形成的关系，从而提高品质（Liu et al.，2017）;但过量施氮显著增加茶叶青草味前体物质的形成，降低香气品质（Ruan et al.，2010;苏有健等，2011）。据报道，氮磷钾肥配施能增加茶树树势，提高叶片净光合速率，增加茶叶产量并改善品质（余正江等，1997;罗凡等，2014）。而氮磷钾配比（N-P₂O₅-K₂O）对不同品种茶叶产量与品质的影响差异较大。与普通复合肥（15-15-15）相比，高氮低磷低钾配比（4-1-1）能显著提高鸠坑种茶叶产量，增加茶汤鲜爽度（董水平等，2004）;而高氮低磷中钾配比（17-3-13）对日本薮北茶叶产量影响不显著，但茶叶中氨基酸含量明显提高（田润泉和吕闰强，2016）。在绿茶乌牛早中，1.2-0.1-0.2配比能显著提高咖啡碱和氨基酸的含量（吕梅等，2019）;而金牡丹的最适氮磷钾配比为2.75-1.2-1.1，有利于促进水浸出物、咖啡碱和氨基酸的形成（田甜等，2018）。武夷岩茶具有岩骨花香、清香甘活等独特的品质特征（修明，2004），其对茶叶香气和滋味品质形成所需的养分也与其他茶类不同（刘美雅等，2015）。【本研究切入点】前人研究发现不同氮磷钾配施对茶叶的产量和品质有所影响，但茶叶的产地和品种不同对氮磷钾配比的需求也不同;目前的研究报道对乌龙茶不同氮磷钾配比的研究相对较少，尤其是武夷岩茶，同时氮磷钾养分对标准叶比率的影响还未见报道。【拟解决的关键问题】以茶农普遍施用的15-15-15等比例复合肥为对照，以氮为基础比例1，在单位面积施肥量基本相近的基础上，设计18-8-18（降磷比例）和21-8-11（降磷降钾比例）2种氮磷钾配比，研究降磷钾配比对武夷岩茶茶叶产量和品质的影响，以期确定较为适宜的氮磷钾配比，为武夷岩茶科学施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料与试验地点

供试材料为武夷山主栽茶树品种之一水仙，试验地点位于福建省武夷山市星村鎮燕子窠茶园（东经117°55'17.2"，北纬27°39'13.9"）。由于茶园开垦与栽培管理统一，茶叶基本采用机械采摘与修剪，因此茶树的树龄与长势基本一致。施肥前，茶园土壤基本理化性质：pH 4.62，碱解氮104.93 mg/kg，有效磷59.13 mg/kg，速效钾99.27 mg/kg，有机质22.65 g/kg。

1. 2 试验设计

1. 2. 1 肥料配比设计 设置3种不同氮磷钾（N-P₂O₅-K₂O）配比的肥料处理，分别为15-15-15（茶农普遍用肥，对照，CK）、18-8-18（降磷，T1处理）与21-8-11（降磷降钾，T2处理）。其中，T1和T2处理为根据本课题组前期对乌龙茶区茶青中氮磷钾比率和武夷山茶园土壤状况的研究分析而设置的降磷降钾处理（周志等，2019a;Sun et al.，2019）。基于前期研究发现乌龙茶区茶青中氮磷钾比率约为10-1-5，且武夷山茶园土壤中磷含量超标，已形成巨大的磷库，因此本研究在以氮为基础比例1、单位面积施肥量相同的基础上，设置T1处理为18-8-18（1-0.44-1）的降磷占比，T2处理为21-8-11（1-0.38-0.52）的降磷降钾占比。

1. 2. 2 茶园施肥与样品采集 在茶园（丘陵）自下往上同一水平面上选取相同的行数划分3片区域进行不同的施肥处理（图1），分别进行CK、T1和T2不同氮磷钾配比的施肥处理。于2019年1月进行施肥，肥料沿茶树滴水线进行开沟条施，沟深约15 cm，施肥量均为750 kg/ha，施肥后覆土。于2019年4月底水仙采茶季进行茶叶样品采集，利用测产框（0.33 m×0.33 m，下同）采集茶叶样品，每个处理选取10个茶叶样品，共计30份茶叶样品。茶叶样品进行产量统计后，于105 ℃快速进行高温固定30 min，再于75 ℃烘干至恒重;热固定后的样品磨成粉末状，用于测定茶叶常规品质指标、滋味与香气相关代谢物。

1. 3 测定项目与方法

1. 3. 1 茶葉产量的测定 一个测产框内采摘到的茶芽数目统计后，换算成1 m2的茶芽数目，即为茶芽密度。每框茶叶烘干至恒重后称量，计算百芽重：

百芽重=每框茶叶干重/茶芽数目×100

符合一芽三叶标准的茶叶样品为标准叶，顶端两片叶对夹生且不符合一芽三叶标准的为非标准叶。

标准叶比率（%）=标准叶数目/总茶叶数目×100

1. 3. 2 茶叶常规品质指标的测定 茶叶常规品质指标包括水浸出物、可溶性糖、茶多酚、游离氨基酸和总黄酮类的浓度。茶叶水浸出物的测定参考沸水回流法（余浩等，2016），可溶性糖的测定采用蒽酮比色法（邹青松等，2011），茶多酚总量的测定采用酒石酸亚铁比色法（高玉萍等，2013），游离氨基酸的测定采用茚三酮显色法（邵金良等，2008），总黄酮类化合物的测定采用氯化铝显色法（何书美和刘敬兰，2007）。

1. 3. 3 茶叶滋味相关代谢物的测定 茶叶滋味相关代谢物的测定内容包括主要次生代谢物及非靶向代谢物。样品的制备采用甲醇提取法，50 mg的茶叶样品中加入1 mL 70%甲醇溶液，混匀后于25 ℃超声提取20 min;12000 g离心10 min后取上清液作为样品待测液。主要次生代谢物包括茶氨酸、咖啡碱、表儿茶素没食子酸酯（Epicatechin gallate，ECG）等，利用高效液相色谱仪（1260，Agilent，America）对样品进行靶向测定，色谱柱型号选用Zorbax SB-Aq（4.6×250 mm，5 μm，Agilent，America）（Sun et al.，2019）。非靶向代谢物通过超高效液相色谱—四级杆—飞行时间质谱进行代谢组学分析，选用Acquity UPLC HSS T3（2.1×100 mm，1.8 μm，Waters，Manchester）色谱柱，结合SYNAPT G2-Si HDMS QTOF质谱仪（Waters，Manchester）进行数据采集（Chen et al.，2018）。

1. 3. 4 茶叶香气相关代谢物的测定 茶叶香气相关代谢物的测定采用顶空吸法（朱旗等，2001）。称取2.0 g样品于SPME瓶中，快速拧紧盖子，采用MPS自动进样器（Gerstel，German）进行样品前处理，80 ℃孵化30 min，萃取60 min后进样。毛细管色谱柱型号选用Rxi-5Sil MS（0.25 μm×0.25 mm×30 m，Restec，America），利用气相色谱质谱仪器（7890B，Agilent，America）与飞行时间质谱仪（Pegasus HT，Leco，America）进行数据采集。

1. 4 统计分析

主要采用Graphpad Prism 7进行数据处理并作图，利用SPSS 16.0对数据进行邓肯（Duncan）多重比较分析。滋味非靶向代谢物采集的数据在Waters Acquity UPLC系统上通过Progenesis QI进行解卷积分析，香气非靶向代谢物采集的数据采用LECO-Chroma行分析。使用R语言的语言包GUniFrac和vegan分析限制性主坐标轴（Constrained principal coordinate analysis，CPCoA），使用ggplot2制作小提琴图;采用TBtools绘制热图。

2 结果与分析

2. 1 不同配比施肥对茶叶产量的影响

产量指标是直接反映植物生长情况及对养分有效利用的重要指标。通过对不同配比施肥处理的茶叶进行茶芽密度、百芽重及标准叶比率等产量相关指标的测定分析，结果发现，不同肥料配比影响水仙“一芽三叶”标准采摘叶的比率，从而影响茶叶制率，即有效产量（图2和图3）。如图3所示，T2处理下标准叶比率显著高于其余处理（P<0.05，下同），达77.05%，分别为CK和T1处理的1.35和1.40倍;CK与T1处理间标准叶比率无显著差异（P>0.05，下同），分别为57.28%和54.99%，均形成较多的非标准叶，即对夹叶，从而影响茶叶的制率与品质。此外，与CK相比，T1和T2处理对茶芽密度和百芽重的影响差异不显著。综上可知，即高氮低磷中钾配比（T2处理）能显著提高茶叶有效产量，但不同配比施肥对常规产量指标茶芽密度和百芽重无显著影响。

2. 2 不同配比施肥对茶叶常规品质的影响

茶叶中游离氨基酸、水浸出物、可溶性糖、茶多酚及黄酮类化合物为茶叶的5项常规品质指标，其浓度直接影响茶叶的滋味和口感，是影响茶品质的重要成分（唐建敏等，2012）。通过对茶叶常规品质指标进行测定发现，不同配比施肥显著影响茶叶中游离氨基酸、水浸出物和可溶性糖的浓度，但对茶多酚和总黄酮类化合物无显著影响（图4）。其中，T1和T2处理均能增加茶叶中水浸出物和可溶性糖的浓度，T2处理下茶叶的水浸出物和T1处理下可溶性糖浓度分别为38.20%和62.41 mg/g，分别较CK显著增加10.40%和7.79%，水浸出物浓度高表明茶汤耐泡且浓厚，而可溶性糖高则表明茶汤回甘好;此外，T2处理还能显著提高茶叶中游离氨基酸的浓度，达33.06 mg/g，分别比CK和T1处理增加6.51%和5.65%，茶叶中游离氨基酸的浓度高说明茶汤具有更高的鲜爽度。可见，降低肥料中磷的配比有利于提高茶叶中水浸出物和可溶性糖的浓度，同时降低磷钾的配比可显著提高游离氨基酸浓度。

2. 3 不同配比施肥对茶叶滋味相关代谢物的影响

对茶叶甲醇提取物进行靶向与非靶向代谢组测定，以探究不同配比施肥对茶叶滋味相关代谢物的影响。通过对茶叶进行靶向和非靶向代谢组学测定，共获得2247个代谢物。从图5可看出，不同施肥处理下甲醇提取物中茶叶代谢物差异显著，且不同施肥处理可解释总变异的23.30%，坐标轴CPCoA 1的差异为主导效应，可解释59.69%的差异，表明不同配比施肥可能影响茶叶的滋味。将差异代谢物均一化后进行热图分析，相较于CK，T1和T2处理下茶叶中滋味相关代谢物的浓度明显增加（图6），说明肥料中适当降低磷的配比即可提高茶叶中滋味相关代谢物的浓度。从图7可看出，与CK相比，T1和T2处理可显著提高黄酮类芳香族化合物Pratenol A的浓度，分别是CK的1.16和1.10倍。T2處理还可显著增加黄酮类物质风信子质（Hyacinthin）的浓度，T2处理的浓度分别较CK和T1处理增加24.02%和55.62%。同时，T2处理在醚类化合物索拉非尼（Sorafenib）及主要次生代谢物茶氨酸与咖啡碱的浓度都显著高于CK和T1处理;其中，T2处理较CK和T1处理，在醚类化合物索拉非尼浓度上分别增加12.07%和15.13%，在茶氨酸浓度上分别增加48.76%和33.81%，在咖啡碱浓度上分别增加48.76%和33.81%;说明与等比例的配施CK相比，降磷和降磷降钾处理在一定程度上更有利于滋味代谢物在茶叶中的积累。综上所述，在肥料中适当降低磷的配比在一定程度可提高茶叶中滋味相关代谢物的浓度。

2. 4 不同配比施肥对茶叶香气相关代谢物的影响

对茶叶香气相关代谢物进行非靶向测定，以探究不同配比施肥对茶叶香气的影响。利用气相色谱质谱仪对茶叶样品进行测定分析，共获得471个代谢物。以施肥处理作为限制条件，对代谢物进行限制性主坐标轴分析发现，不同处理下茶叶代谢物间呈现明显的分离状态，且不同处理可解释香气成分总差异的22.00%，坐标轴CPCoA 1的差异为主导效应，可解释61.94%的差异，表明不同配施处理显著改变茶叶中香气成分（图8）。从差异代谢物的热图分析结果（图9）可看出，与CK和T1处理相比，T2处理可大量提高香气代谢物的累积，说明肥料中适当降低磷和钾的比例更有利于提高茶叶中香气相关代谢物的浓度。从图10可看出，T2处理显著提高了茶叶中奶油香物质2，3-Octanedione和酰胺类化合物N，N，O-triacetylhydroxylamine的浓度，表现为T2>T1>CK，同时，T2处理在3，7-Dimethyl-1，5，7-octatrien-3-ol和2-Methyl-undecane等相关代谢物的浓度上显著高于CK和T1处理，其中，在3，7-Dimethyl-1，5，7-octatrien-3-ol浓度上分别增加43.68%和71.27%，在2-Methyl-undecane浓度上分别增加31.39%和22.48%，T1处理与CK差异不显著。说明与等比例配施及仅降磷的处理相比，降磷降钾处理更能提高茶叶中香气代谢物的浓度。综上所述，在不同配施处理下茶叶的香气组分存在明显的差异，且高氮低磷中钾配比更有利于一些香气物质的累积。

3 讨论

相关研究表明，科学施用肥料能有效提高茶叶产量（吴志丹等，2014;向芬等，2018）。适当施用氮肥能够提高龙井43和竹枝春的新梢长度、重量及数目，从而提高茶叶的产量，但不同茶树品种的氮敏感度存在差异（伍炳华等，1991）。以氮为主，增施磷钾肥能提高茶叶产量，当氮磷钾配比为2-1-1时，佛手茶的产量最高（陈永兴，2007）;而在浙江富阳茶园中施用同样配比的肥料时，鸠坑种春茶鲜叶的产量却很低，当氮磷钾配比为4-1-1时春茶产量最高（董水平等，2004）， 可见不同品种茶树对氮配比的需求不同。也有研究认为，调节磷与钾配比能影响茶叶的产量，当磷钾配比在1-2时，能有利于乌牛早茶苗的营养吸收与生长（吕梅等，2019）。在本研究中，不同配比施肥并没有显著影响茶树水仙的常规产量指标茶芽密度和百芽重，但显著影响标准叶比率。鲜叶原料是茶叶品质的基础，采摘叶是否符合标准会直接影响武夷岩茶制作过程中的均匀度，进而影响茶叶制率与有效产量（刘宝顺等，2019），其中原因可能是肥料中磷与钾配比的降低在一定程度上促进了茶树对氮的吸收，而氮的吸收有利于茶叶鲜度的保持（苏有健等，2011）。因此，在以氮为基础比例，单位面积施肥量相同的基础上，在肥料中适当降低磷与钾的配比能提高茶叶的制率即有效产量。

主要次生代谢物是茶叶品质的重要指标，茶氨酸是茶叶中含量十分丰富的一类非蛋白类氨基酸，与茶叶的鲜味有关（Cheng et al.，2017）;咖啡碱与儿茶素分别贡献茶汤中的苦味和涩味（Cui et al.，2016;Poole and Tordoff，2017），其中儿茶素ECG是一种天然的抗癌药物成分（Babich et al.，2005）。只有合理配施才能综合促进茶叶品质的形成，在绿茶乌牛早中，当氮磷钾配比为1.2-0.1-0.2时茶叶中咖啡碱和氨基酸的含量明显提高;金牡丹在氮磷钾配比为2.75-1.2-1.1时，有利于提高茶叶中水浸出物、咖啡碱和氨基酸的积累;而日本薮北茶在高氮比例17-3-13时，茶叶中的氨基酸含量明显提高（董水平等，2004;田润泉和吕闰强，2016;田甜等，2018）。由此可看出，肥料中高氮配比能提高茶叶中含氮类化合物尤其是氨基酸的合成。本研究与前人的结果一致，氮配比相对较高的21-8-11能促进茶叶中含氮化合物的累积。

早期对福建省乌龙茶进行大量样品的采集分析发现，乌龙茶茶青中氮磷钾的比例约为10-1-5，茶叶对磷的需求量远远低于氮和钾（Sun et al.，2019）;在乌龙茶主要产区武夷山与安溪的茶园土壤中已形成巨大的磷库（周志等，2019a;刘扬等，2020），过量磷的施用不仅造成资源的浪费，还会带来水体富营养化及土壤镉污染等问题（童潜明，2014;张文静等，2018），因此，在茶园管理中需严格控制磷的施用量。研究认为，磷缺乏或过量都会抑制黄酮类物质的合成（Ding et al.，2017），本研究中，磷配比最高的CK中滋味与香气相关代谢物浓度普遍最低，适当降低磷的配比可提高黄酮类芳香族化合物Pratenol A、奶油香化合物2，3-Octanedione的含量（洪伟和何锡敏，2007）。因此，肥料中适当降低磷的使用可改善茶叶中滋味与香气相关品质。

施用鉀肥能提高茶叶中游离氨基酸、水浸出物和茶多酚的浓度（Ruan et al.，2013），改善茶叶的滋味;也能促进芳樟醇物质的累积，形成良好的花香物质（边金霖等，2012）。香气是茶树品种水仙的一个重要特点，橙花叔醇是乌龙茶的主要香气成分之一（林贵英，2005）。然而，本研究发现钾配比最高的T1处理中，香气相关代谢物的浓度普遍较低，产生橙香的1-Nonanol香气物质也最低。因此，肥料中过高的钾配比不利于水仙香气的形成。

综上所述，高氮低磷中钾配比能增加岩茶的有效产量、提高茶叶中滋味与香气相关代谢物的浓度，在降低环境风险的情况下能够一定程度上提高茶叶品质，尤其是香气。

4 结论

高氮低磷中钾配比不仅能促进标准叶的生长，显著提高武夷岩茶的有效产量，且滋味和香气代谢物浓度也显著增加，进而在一定程度上改善了茶青品质。因此，综合表现建议武夷岩茶使用配比为21-8-11高氮低磷中钾的肥料。

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（責任编辑 邓慧灵）