紫金县茶园土壤养分状况分析与评价

陈迪文，周文灵，李继虎，李 爽，吴启华，沈大春，凌秋平，黄 莹，敖俊华

（广东省科学院南繁种业研究所/茶营养与健康研究中心，广东 广州 510316）

茶叶是世界最主要的饮料之一，全球茶叶种植面积逐渐扩大，产量逐步增加，目前我国茶园面积和茶叶产量均为世界第一［1］。紫金县位于广东省东中部河源市的东南部，30年（1980～2010年）平均气温21℃，年平均无霜期300 d，年平均相对湿度79.2%，年平均降水量1740.8 mm，年日照时数1720 h，适宜茶叶种植［2］。茶业是紫金县的特色产业之一，2019年茶叶种植面积达到0.3万hm2，茶产业综合年产值达7.96亿元，入围2020中国茶业百强县，具有浓厚的客家特色。

茶园土壤养分含量是肥力水平的重要指标，直接影响茶树生长，进而影响茶叶的产量、品质及茶农收益。茶园土壤养分状况及施肥能够影响茶叶产量和品质成分［3-6］。例如，氮肥对茶叶的干物质产量和品质有明显的影响，合理的施氮量能显著提高茶叶产量并改善其品质［3］。施用钾、镁肥可以增加茶叶产量，而且可以增加绿茶游离氨基酸含量、乌龙茶的香气成分和红茶的茶红素与茶黄素等品质成分，施用钾肥还能提高茶树抗旱和抗病能力［5，7］。全国多地的科研人员都开展了地方茶园土壤养分分析与评价研究［8-12］，这些都为培肥茶园土壤，指导茶园合理施肥和提高茶叶产量提供了参考。目前紫金县茶园土壤肥力的相关研究未见报道。本文对茶园土壤取样分析检测，并进行茶园土壤肥力等级划分，以明确茶园土壤养分元素丰缺状况。根据结果可以针对性指导茶农合理施肥，有利于提高茶叶产量和品质以及茶园生态的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 样品的采集与处理方法

2018年9月至2019年10月，根据《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166-2004）［13］，对紫金县的紫城镇、龙窝镇、苏区镇、南岭镇、敬梓镇、中坝镇、义容镇、凤安镇和九和镇9个产茶乡镇，以集中连片6.7 hm2以上的茶园为对象，采集茶园土壤样品，共计79个，取样时间在当年茶季结束后或即将结束、基肥施用之前完成。每个土壤样品由4个茶园行间样点和4个靠茶行位置样点的土壤等量混合组成，去除表层约5 cm 有机覆盖层，用土壤取样器采集深度为0～20 cm的土壤。每个土样采用四分法取约1.0 kg 带回实验室。剔除砂石和植物残体等杂物后置于通风处自然风干。磨碎后过0.85 mm筛，供pH值、有效P、速效K、有效态的Ca、Mg、S、Mn、Cu、Fe、Zn和B测定。取其中约50 g土样，继续磨碎过0.15 mm筛，供有机质和全N元素测定。

茶青采集方法：按照一芽二叶标准采集茶青，除1、2年龄茶树外的每个土样点采集 50 g 左右鲜叶，共计67个样。在105℃下烘15 min后，再在75℃下烘至恒重。

1.2 样品检测方法

土壤pH 值用水浸电位法（水土比2.5∶1）测定；有机质采用重铬酸钾容量法；全N采用凯氏定氮法；有效P测定用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；速效K测定用醋酸铵浸提-火焰光度法；有效态的Ca、Mg、S、Mn、Cu、Fe、Zn、B采用Mehlich 3浸提剂（水土比10∶1）浸提，振荡5 min，取5 倍稀释液，电感耦合等离子体发射光谱仪测定［14］。

茶叶品质成分测定：样品前处理参照GB/T 8303-2002［15］和GB/T 8313-2008［16］。采用Agilent1260型高效液相色谱系统定量检测2个茶青次级代谢物氨基酸和茶多酚作为茶叶品质指标。

1.3 茶园土壤养分分级标准及依据

结合《茶叶产地环境技术条件》（NY/T 853-2004）中茶园土壤的肥力分级标准［17］、《绿色食品产地环境质量》 （NY/T 391-2013）［18］，土壤肥力指标、优质高产茶园土壤肥力指标［19］，将茶园土壤肥力分3 级（表1）；根据全国第二次土壤普查分级标准［20］，将茶园中微量元素的丰缺状况分5级（表2）。

表1 茶园土壤肥力分级指标

表2 土壤中有效态中微量元素含量的分级标准

1.4 土壤养分指标综合评价

将土壤养分指标按照不同等级进行赋分，再乘以一个权重系数后累计每个土壤样本的总分作为茶园土壤养分综合评分。赋分规则如下：pH值按照＜4.0、4.0～4.5、4.5～5.5、5.5～6.5和＞6.5共5个等级分别计1、3、5、3和1分；有机质按 照＜10、10.0～15.0、15.0～20.0和＞20.0共4个等级分别计1、2、3和5分；全N按照＜0.8、0.8～1.0、1.0～1.5和＞1.5共4个等级分别计1、2、3和5分；有效P按照＜5、5～10和＞10共3个等级分别计1、3和5分；速效K按照＜80、80～100和＞100共3个等级分别计1、3和5分；中微量元素按照很缺、缺、适中、丰富和很丰富共5个等级分别计1、2、3、4、5分。另外，将pH值、有机质、全N、有效P和速效K的权重系数定为0.6，有效态Ca、Mg、S的权重系数定为0.3，微量元素的权重系数定为0.1。将每个土壤样本的各个养分指标赋分后分别乘以对应的权重系数再累计总分（最大总分值为22.0分，最小值为4.4分），并将综合评分与茶叶2个品质指标分别进行相关性分析。

1.5 数据处理分析方法

所有土壤检测数据利用Excel 2013 进行统计处理并制作图表。用SPSS 19.0进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 茶园土壤pH值及有机质状况

紫金县茶园土壤pH 值调查结果见表3、图1。所有茶园土壤样本的pH值均小于7，为酸性，且绝大部分低于5.5，土壤pH 值平均为4.84，其变化范围为3.88～6.56，变异系数为12.94%。其中符合优质高产茶园pH 值范围的土壤占比49.37%，接近一半。

表3 茶园土壤pH值、有机质和N、P、K养分状况及分级占比

图1 不同土壤pH值范围所占总量百分比

茶园土壤有机质含量范围为3.27～51.03 g/kg，平均值为21.85 g/kg，变异系数为47.44%，表明不同茶园有机质含量差异性较大，含量最高和最低的相差15倍以上。大部分土壤样本有机质含量较高，其中符合优质高产茶园和Ⅰ级优良标准的样本分别占48.10%、69.62%。另外，也有8.86%的茶园土壤样本有机质含量较低，为Ⅲ级标准（较差），需要补充有机质。

2.2 茶园土壤N、P、K含量状况

如表3所示，茶园土壤全N含量范围为0.45～2.55 g/kg，平均值为1.44 g/kg，变异系数为36.66%，46.84%的茶园全N含量符合优质高产茶园的要求，符合Ⅰ级和Ⅱ级茶园标准的分别占73.42%和16.46%，另有10.13%茶园含量低于临界值（0.8 g/kg）。

茶园土壤有效P含量范围为0.04～212.32 mg/kg，平均值为30.36 mg/kg，变异系数为112.11%，属强变异型，表明不同茶园之间土壤有效P含量差异很大。74.68%的茶园土壤有效P符合优质高产茶园和Ⅰ级茶园要求，17.72%的茶园含量尚可，7.59%的茶园土壤有效P含量低于临界值（5 mg/kg）。

茶园土壤速效K变化范围为8.02～410.74 mg/kg，平均含量为114.10 mg/kg，变异系数为74.16%，不同茶园之间差异较大。48.10% 的茶园土壤速效K符合优质高产茶园要求，44.30%的茶园土壤低于临界值（80 mg/kg），土壤速效K含量偏低的土壤占比大。

2.3 茶园土壤中量元素Ca、Mg、S含量状况

从表4可以看出，茶园土壤有效Ca整体含量水平较高，变化范围为61.94～1978.99 mg/kg，平均值为936.73 mg/kg，变异系数为63.15%，表明土壤有效Ca的含量差异较大，绝大部分茶园土壤有效Ca满足茶树生长，仅有11.39% 茶园含量低于临界值（250 mg/kg）。

表4 茶园土壤Ca、Mg、S养分状况及分级占比

茶园有效Mg含量平均值为75.66 mg/kg，变化范围为3.78～255.10 mg/kg，变异系数为65.18%，说明有效Mg 空间分布不均匀，其中37.97%的茶园含量低于临界值（50 mg/kg），需要补充Mg才能满足茶树正常生长。

茶园土壤有效S整体含量中等偏上，变化范围为0.99～345.31 mg/kg，平均值为45.55 mg/kg，变异系数为95.14%，表明不同茶园土壤有效 S的含量差异较大，仅有10.13%的茶园含量低于临界值（16 mg/kg）。

2.4 茶园土壤微量元素Cu、Fe、Mn、Zn、B的含量状况

表5 表明，茶园土壤有效态Cu 含量整体偏低，变化范围为0.06～3.90 mg/kg，平均值为1.94 mg/kg，变异系数为52.66%，没有样本达到丰富和很丰富的级别，50.63%的茶园低于临界值（2.0 mg/kg），不能满足茶树生长需要；茶园土壤有效态Fe 含量极其丰富，含量变化范围为4.71～663.10 mg/kg，平均值为193.49 mg/kg，远高于很丰富水平（20 mg/kg），其中很丰富级别占比93.67%，没有低于临界值的土壤样本；有效态Mn含量变化范围为10.94～ 150.20 mg/kg，平均值为33.49 mg/kg，变异系数为53.40%，59.49%的茶园有效态Mn 含量很丰富，没有低于临界值的土壤样本；有效态Zn含量变化范围为0.26～20.30 mg/kg，平均值为4.51 mg/kg，变异系数为92.74%，表明有效态Zn含量的空间分布高度不均匀，大部分处于适中及以上水平，低于临界值的土壤样本占比10.13%；有效态B含量平均值为1.62 mg/kg，变化范围为0.10～ 15.34 mg/kg，变异系数达117.30%，表明有效态B的含量空间分布高度不均匀，15.19%茶园有效态B 含量低于临界值（0.5 mg/kg）。

表5 茶园土壤微量元素养分状况及分级占比

2.5 茶园土壤养分综合评价

如图2所示，在所有检测的13个土壤指标中，没有土壤在所有指标中全部达到优质高产茶园或丰富以上等级。其中60.8%的土壤样本能达到6个及以上的指标，占比最多的是达到6～7个优质指标的样本，合计占比39.3%。根据养分评价总分计算，所有样本平均得分15.92，最大值20.8，最小值9.7。如图3所示，总分低于14的样本占比22.8%，高于平均值且大于16的样本占比49.4%，总分高于18的样本占比27.9%。以上结果说明紫金茶园大多数土壤的近半数养分指标能达到优质高产茶园的标准，土壤养分整体上处于中等偏上的水平。

图2 养分指标达到优质高产茶园或丰富以上等级的土壤分布频率

图3 茶园土壤养分指标综合评价总分分布频率

2.6 土壤养分综合评分与茶青次级代谢物茶多酚和氨基酸含量的关系

统计分析结果如图4所示，土壤养分综合评分与茶青次级代谢物茶多酚和氨基酸含量的相关系数分别为0.277和0.299，都为显著正相关（P＜0.05），整体上随着土壤养分综合评分的提高，茶多酚和氨基酸的含量均增加。

图4土壤养分综合评分与茶青茶多酚含量和氨基酸含量的关系

3 讨论

3.1 茶园土壤养分丰缺与施肥建议

土壤条件与茶树的生长发育密切相关，有机质及各种矿质养分元素是茶树生长发育必不可少的元素。但随着种茶年限的增加，茶园土壤会表现出pH值下降，Fe、Al元素含量增加和部分微量元素含量下降等变化［21-22］，长期不同施肥管理措施也会对土壤养分产生影响［23］。本研究中紫金县茶园土壤样本pH值平均为4.84，属于强酸性土壤，而由于茶树喜酸性，优质高产茶园土壤 pH值的范围为4.5～5.5［24］，因此，49.37%的土壤样本符合优质高产茶园的要求；另外，土壤pH值低于4.0或高于6.5的茶园，对茶树的正常生长发育会产生不良影响，而紫金县的茶园中这类pH值样本占比只有约5%（图1）。研究表明，施用生物炭基肥可显著减缓酸化茶园土壤酸度，促进茶树对养分的吸收，因此可以考虑施用生物炭等土壤调理剂来改良酸性土壤［25］。对于土壤pH值太低的茶园需要注意减少化肥投入，增施有机肥来改善土壤结构［26-27］。

土壤中相对较高的有机质含量是获得优质高产茶叶的保证［28］。有机质对土壤团粒结构的维持和形成有重要作用，能有效改善土壤三相状况，有利于茶树根系生长发育［29］，但也不是越高越好，过高的有机质也可能会影响茶叶品质［30］。由于紫金县政府大力提倡有机茶产业建设，大部分茶园是有机茶园，注重有机肥的投入，因此调查的样本中土壤有机质含量整体为中上等，近半数达到优质高产茶园的标准，但不同茶园之间差异性较大，8.86%的茶园土壤样本有机质含量较低，这些茶园可能是有机肥投入少，或者是新开垦茶园，需要增施有机肥来补充有机质［26］，也可以在茶园行间种植一些具有固氮作用的豆科绿肥植物用于还田［31］。

紫金县茶园土壤大量元素中N和P含量相对较高，而K元素则有44.30%的茶园土壤低于临界值（80 mg/kg），属于较差等级。K是植物生长的必需元素，合理施用K肥能增加茶树的发芽密度和芽头重量，提高抗病能力及抗旱性等，缺K则不利于茶树正常生长［7］。对于K含量低的茶园建议补充K肥，有机茶园可以施用草木灰，或将杂草、秸秆和枯枝落叶堆肥还田，对于部分缺N的茶园适当补充N肥或者增加豆科绿肥作物通过固氮作用提升土壤N素含量［32］。

中微量元素中，紫金县茶园土壤Fe和Mn非常丰富，没有低于临界值的样本，这是华南酸性土壤的一个常态。有效Ca和S相对较为丰富，大部分茶园不需要额外补充就可以满足茶树生长的需要。研究表明,施Mg可使茶叶增产，茶叶游离氨基酸含量增加［33-34］。紫金县茶园有37.97%的土壤有效Mg含量低于临界值，需要补充Mg。茶园土壤有效态Cu含量整体偏低，而且没有样本达到丰富及以上的级别，特别是50.63%的茶园低于临界值，不能满足茶树的生长需要。茶树虽然对中微量元素的需求量较少，但其功能不可代替，紫金县茶园土壤应重视这些微肥的施用。另外，Cu和Mn既是营养元素，也是重金属元素，其含量过高可能对植物生长产生不利影响。根据农业行业标准NY/T 288-2018中关于茶叶中Cu的限量标准为≤30 mg/kg［35］，本研究调查的所有土壤样本均低于这个标准，而且处于相对匮乏需要补充的水平。目前茶叶中Mn的限量还没有相关国家或者行业标准，本研究调查的土壤样本中Mn含量的最高值为150.20 mg/kg，平均值为33.49 mg/kg，而文献报道南方红壤和赤红壤中活性Mn含量为120～136 mg/kg［36］。据调查，粤东凤凰山茶区12个茶园土壤可交换态Mn含量平均为6.41 mg/kg［37］，闽中茶园土壤有效Mn含量平均为33.72 mg/kg［38］，全国各地土壤因成土母质及环境差异导致Mn含量差异很大［39］。茶树是富集Mn的植物，Mn含量是其他植物的10倍以上［40］。而茶园土壤有效态Mn含量达到何种水平会对茶树造成不利影响尚未有研究报道。

3.2 土壤养分综合评价方法及与茶叶品质的关系

研究表明，不同的土壤养分因子对于茶叶的品质存在一定影响［30］，而不同养分之间也存在一些相互影响，单独讨论某一养分对茶叶品质的影响比较复杂，难以明确。因此，有必要对土壤的养分状况进行一个综合评价，而后再研究其与茶叶品质的相关性。同样地，土壤的养分指标种类很多，如果侧重单因素评价则会有些片面。如今随着模糊数学方法、灰色关联分析法、聚类分析法、人工神经网络法以及多元统计分析方法等现代研究方法的广泛应用［41-43］，土壤养分评价逐渐趋向于多因素的综合评价，从而在很大程度上避免了主观因素对评价结果的影响。但这些方法大多不仅计算比较复杂，而且对于数据有一定的适应性要求，并不是所有数据都能适用这些方法。比如多元统计分析中的主成分分析方法是采用较多的一种综合分析方法［44-45］，通过计算各主成分得分获得综合评价分，从而达到对土壤养分状况的准确评价［45］。它要求所有变量间的简单相关系数平方和大于偏相关系数平方和，抽样适合性检验KMO值越接近于1，原有变量越适合作因子分析，KMO值低于0.7的则不适合［46］，本文所调查的数据经分析KMO值为0.56，且提取得到的5个主成分贡献率低于70%，故不太适合作主成分分析。因此我们自定义了一个相对简单的土壤养分综合评分规则，首先根据每一个土壤指标的分级情况，根据最佳水平定义最高分，评分随分级降低而降低。另外，根据土壤理化指标中大、中、微量赋予不同权重系数，pH值与有机质作为土壤理化性质最重要的两个指标和大量元素N、P、K的权重系数定为0.6，中量元素权重系数为大量元素的一半，即0.3，微量元素权重系数则为大量元素的1/6，即0.1。这种方法不一定能精确地判断土壤养分状况，但可以从整体上对土壤养分的综合状况提供参考。将土壤养分综合评分与茶青的重要品质因子进行相关性分析，结果表明土壤养分综合评分与茶青的茶多酚和氨基酸含量存在显著的正相关性，即土壤整体养分水平较高的茶园生产的茶叶中茶多酚和氨基酸含量相对较高。施肥管理措施也会对茶叶品质产生影响，施肥量过高或过低均不利于高品质茶叶生产［6］。因此，建议重视茶园土壤综合肥力情况跟踪监测，及时掌握茶园土壤养分亏缺情况，进行针对性的养分补充，从而保障高品质的茶叶生产。

4 结论

根据土壤样点测试结果，紫金县茶园土壤呈强酸性，有机质含量整体中上等，但分布不均，部分茶园土壤有机质含量极低。土壤各矿质养分元素分布不均，Fe和Mn非常丰富，N、P、Ca、S、B、Zn含量中等偏上，K、Mg、Cu则相对缺乏。综合评分表明，紫金茶园土壤养分整体上处于中等水平，土壤综合肥力水平与茶叶品质指标茶多酚和氨基酸等存在显著的正相关性。建议茶园保持土壤肥力情况跟踪监测，根据茶园土壤养分亏缺情况进行针对性的补充，以提高茶叶品质。