林芝茶园土壤养分特征与肥力质量评价

毛娟 旺杰次仁 罗英 吴金次仁 李青 高彪 王文海 王法通 王文华

摘要：为探究高原条件下林芝茶园的土壤肥力，应用主成分分析法与聚类分析法，选取pH值和有机质、全氮、全磷、全鉀、碱解氮、速效磷、速效钾含量8个指标，对林芝市墨脱县、察隅县、波密县30份土壤样品的肥力进行综合评价。结果表明：（1）林芝茶园土壤pH值介于4.99～7.41之间，平均值为5.65，50.00%茶园达到优质茶园水平，未发现林芝茶园土壤有酸化趋势；土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量的平均值分别为66.34 g/kg、3.30 g/kg、1.34 g/kg、15.36 g/kg、274.16 mg/kg、156.68 mg/kg、124.69 mg/kg，均达优质茶园水平；（2）土壤综合肥力指标值在5.03～24.82之间，均值为13.54，70.00%的茶园土壤养分在中上水平，表明林芝茶园土壤肥力水平总体较高；（3）相关性分析结果表明，pH值和有机质、全氮、全磷含量对土壤肥力有较大影响，结合养分含量分析，应加强对磷元素的补充。

关键词：林芝市；高原茶园；土壤养分；土壤肥力；主成分分析

中图分类号：S571.1  文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）23-0211-08

茶园土壤是茶树生存的物质基础，土壤肥力是其物理、化学和生物特征的综合反映［1-2］，是衡量土壤质量的有效手段，也是茶园生产力的基础［3］。土壤养分是决定茶园土壤肥力的关键因子，其丰缺程度直接影响茶叶的产量与品质［4-5］。目前，客观评价茶园土壤肥力的方法主要有主成分分析法［4，6-7］、聚类分析法［8］、模糊综合评价法［5］。其中，主成分分析法、聚类分析方法通过量化形式表现土壤理化性状的综合指标，能减少单个指标所反映的物理特性带来的差异［9］，被广泛应用于土壤肥力综合评价［10-12］。此外，根据茶园土壤分级标准与优质高效高产茶园土壤营养诊断指标［13］、NY/T 853—2004《茶叶产地环境技术条件》［14］、NY/T 391—2013《绿色食品产地环境技术条件》［15］等，能较为客观地判断茶园土壤肥力概况。因此，通过主成分分析方法与土壤质量分级标准相结合，对茶园土壤肥力质量进行综合评价，能较好地反映茶园土壤肥力情况，可用于分析土壤养分差异成因与限制因子，为茶园平衡施肥提供依据。

西藏人民饮茶的历史已有1 000多年［16］，藏族民间谚语有“宁可三日无肉，不可一日无茶”，足可见茶在西藏人民物质与精神生活中的重要地位。西藏大规模种茶始于1956年，当地人民解放军从云南引进茶树种子，在察隅县日卡通地进行试种并获得成功，20世纪60、70年代先后从四川、云南、湖南、浙江等省调进8万多kg茶籽进行种植，种茶总面积达 160 hm2 左右，西藏茶产业初具规模［17-19］。但在随后数年中，由于生产环境、加工技术等因素限制，除易贡茶场外，西藏茶产业未得到进一步发展。2015年以来，西藏开始重新大力发展茶产业，着重将茶产业打造成新的经济支柱［20］。目前，西藏茶园主要分布在林芝市，截至2020年底，林芝茶园面积达 4 702.37 hm2，全市茶青采摘量达17.83万kg，干毛茶产量约3.57万kg，产值约4 278万元，茶产业逐渐成为林芝农民的重要经济收入来源［21］。但是，目前针对林芝茶园土壤养分的研究报道较少，缺乏对林芝茶园土壤肥力综合评价的研究。本研究通过主成分分析、聚类分析法对林芝茶园土壤肥力质量进行综合评价，分析林芝茶园土壤肥力现状，明确土壤养分限制因子，旨在为茶园土壤养分的科学管理与平衡施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

林芝市位于西藏自治区东南部，雅鲁藏布江中下游，地处26°52′～30°40′N，92°09′～98°47′E之间，东西长646.7 km，南北宽353.2 km，总面积 11.7万km2。境内山峦重叠，河流纵横，海拔高度为150～7 782 m，平均海拔高度3 100 m，全境具有典型的高山峡谷和山地河谷地貌。林芝区域内气候类型丰富，以高原温带半湿润季风气候为主，为热带、亚热带、温带、寒带气候并存的多种气候带。大部分地区年平均降水量为500～1 000 mm，各地年平均气温为6～17 ℃，大部分地区年日照时数均在2 100 h以下，各地年平均相对湿度为60%～75%，平均无霜期＞150 d。

1.2 样品采集

2021年4月，在林芝市主要种茶县，选取面积较大且成片的代表性茶园（图1），按照“S”形5点采样法采集0～20 cm深的表层土样，除去石块及植物根系等杂物，充分混合后采用四分法取约1 kg土样放置于无纺布采样袋中带回实验室，并于土壤采样表上记录好采样地点、经纬度、海拔等信息［22］ （表1）。

1.3 样品处理及指标测定

将带回实验室的土壤放置在搪瓷样品盘中，于通风、阴凉干燥处风干。风干后的样品用玛瑙研钵磨细后，分别过20、100目不锈钢网筛，装入自封袋中并做好标记供测，土壤pH值和有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量参照《土壤农业化学分析方法》［23］进行测定。

1.4 茶园土壤养分状况评价标准

基于优质高效高产茶园的土壤营养诊断指标［13］、NY/T 853—2004《茶叶产地环境技术条件》［14］、NY/T 391—2013《绿色食品产地环境技术条件》［15］的茶园土壤养分分级标准对林芝茶园土壤进行养分含量分级与比例统计（表2），这些标准目前被广泛用于茶园土壤肥力质量评价［4-5，7，24-25］。

1.5 数据处理与分析

选取pH值和有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量8个肥力因子，对林芝茶园土壤肥力质量进行综合评价。采用Excel 2016与IBM SPSS 26［26］对数据进行整理与分析。

采用因子分析中的主成分分析法和系统聚类分析法，对土壤肥力进行综合分析与评价。[JP+1]首先對数据进行KMO和巴特利特球形度检验，当KMO值≥0.6，巴特利特球形度检验P<0.05，确定可以进行因子分析。再通过对各指标进行降维，得到反映土壤养分指标的主成分特征值和特征向量，选取特征值＞1的主成分计算得分。利用SPSS对原始因子数据进行标准化处理，再进行数据平移使标准化数据为正值，带入茶园土壤肥力综合指标值（IFI）计算公式，并用类平均法对IFI进行系统聚类。IFI采用指数和法，其表达公式为

可简化为IFI=λ1F1+λ2F2+…+λmFm，其中IFI表示土壤肥力综合指标值，xi表示第i个特征值，Fm表示第m个主成分得分；λ表示对应主成分因子的贡献率。

2 结果与分析

2.1 茶园土壤肥力描述性统计

2.1.1 土壤pH值分析

茶树是喜酸作物，茶园土壤pH值与茶树生长密切相关，适宜茶树生长的pH值为4.0～6.5，最适pH值为4.5～5.5［13，27］。由表3可知，林芝茶园土壤pH值介于4.99～7.41之间，平均值为5.65，90%样本土壤的pH值＜6.5，林芝茶园土壤主要属于弱酸性土壤；变异系数为10.21%，属于中等变异，与弱变异临界值接近，说明林芝茶园pH值差异不大。由表2可知，土壤pH值分布在4.5～5.5之间的茶园占50%，达到优质茶园水平。

2.1.2 土壤有机质含量分析

土壤有机质含量与茶叶品质密切相关，一般而言，土壤有机质含量越高，茶鲜叶品质成分含量越高，质量性状表现越好［28］。由表3可知，林芝茶园土壤有机质含量为14.30～154.00 g/kg，平均含量为66.34 g/kg；变异系数为50.07%，属于中等变异。由表2可知，96.67%茶园土壤有机质含量＞20 g/kg，为Ⅰ级茶园；3.33%茶园土壤有机质含量＜15 g/kg，为Ⅲ级茶园；96.67%茶园土壤有机质含量≥20 g/kg，达到优质茶园水平。

2.1.3 土壤氮、磷、钾元素含量分析

茶树是喜氮作物，研究表明，茶树鲜叶氮素水平与鲜叶、成茶中的氨基酸水平高度正相关［29］，在茶园中施氮能显著提高春茶品质与产量［30］。由表3可知，林芝茶园土壤全氮含为0.85～6.35 g/kg，平均含量为3.30 g/kg，变异系数为43.28%，属于中等变异。由表2可知，96.67%茶园土壤全氮含量＞1.0 g/kg，为Ⅰ级茶园；3.33%茶园土壤全氮含量介于0.8～1.0 g/kg之间，为Ⅱ级茶园；93.33%茶园土壤全氮含量≥1.5 g/kg，达到优质茶园水平。碱解氮含量是反映土壤肥力水平的重要指标。由表3可知，林芝茶园土壤碱解氮含量介于49.25～443.63 mg/kg之间，平均含量为274.16 mg/kg，变异系数为41.70%，属于中等变异。由表2可知，96.67%茶园土壤碱解氮含量＞100 mg/kg，为Ⅰ级茶园；3.33%茶园土壤碱解氮含量＜80 mg/kg，为Ⅲ级茶园；96.77%茶园土壤碱解氮含量≥100 mg/kg，达到优质茶园水平。

磷是茶树生长所需三大营养元素之一，参与茶树多种生理过程。土壤磷元素可提高茶树鲜叶中表没食子儿茶素的含量，对红茶香气与滋味的提升有积极作用［31］。由表3可知，林芝茶园土壤全磷含量介于0.36～4.22 g/kg之间，平均含量为1.34 g/kg；变异系数为57.26%，属于中等变异。由表2可知，56.67%茶园土壤全磷含量＞1.0 g/kg，为Ⅰ级茶园；40.00%茶园土壤全磷含量介于0.4～1.0 g/kg之间，为Ⅱ级茶园；3.33%茶园土壤全磷含量＜0.4 g/kg，为Ⅲ级茶园。56.67%茶园土壤全磷含量≥1.0 g/kg，达到优质茶园水平。林芝茶园土壤速效磷含量介于2.16～479.35 mg/kg之间，平均含量为 156.68 mg/kg；变异系数为79.73%，属于中等变异。由表2可知，83.33%茶园土壤速效磷量＞20 mg/kg，为Ⅰ级茶园；6.67%茶园土壤速效磷含量介于5～20 mg/kg 之间，为Ⅱ级茶园；10.00%茶园土壤速效磷含量＜5 mg/kg，为Ⅲ级茶园。83.33%茶园土壤速效磷含量≥20 mg/kg，达到优质茶园水平。

钾在茶树体内含量仅次于氮，几乎参与了茶树体内所有的生化反应［32］。由表3可知，林芝茶园土壤全钾含量介于3.08～66.64 g/kg之间，平均含量为15.36 g/kg；变异系数为74.60%，属于中等变异。由表2可知，60.00%茶园土壤全钾含量＞10 g/kg，为Ⅰ级茶园；33.33%土壤全钾含量介于 5～10 g/kg之间，为Ⅱ级茶园；6.67%茶园土壤全钾含量＜5 g/kg，为Ⅲ级茶园。60.00%茶园土壤全钾含量≥10 g/kg，达到优质茶园水平。林芝茶园土壤速效钾含量介于13.97～255.55 mg/kg之间，平均含量为124.69 mg/kg；变异系数为45.27%，属于中等变异。由表2可知，60.00%茶园土壤速效钾含量＞100 mg/kg，为Ⅰ级茶园；26.67%茶园土壤速效钾含量介于60～100 mg/kg之间，为Ⅱ级茶园；13.33%茶园土壤速效钾含量＜60 mg/kg，为Ⅲ级茶园。60.00%茶园土壤速效钾含量≥100 mg/kg，达到优质茶园水平。

2.2 茶园土壤肥力综合分析

2.2.1 相关性检验

因子间存在一定相关性是进行主成分分析的前提。运用SPSS软件对各肥力质量因子进行相关性分析，并进行KMO和巴特利特球形度检验。结果表明，各指标间存在不同程度的相关性（表4），KMO值为0.606，巴特利特球形度检验的相伴概率P<0.01，进一步证明各肥力因子间存在较强相关性，可进行主成分分析。

2.2.2 主成分分析

基于相关性检验，对土壤肥力质量因子进行主成分分析（表5）。根据特征值＞1的原则，可提取3个主成分，特征值分别为3.52、1.93、1.13，方差贡献率分别为44.02%、24.06%、14.11%，累计贡献率为82.20%，说明选取的3个主成分能基本反映茶园的土壤肥力情况。主成分因子载荷是主成分因子与原始变量因子之间的相关系数，第1主成分中，有机质、全氮、碱解氮含量有较高正向因子荷载值，表明第1主成分主要与有机质、氮含量相关；第2主成分中，pH值、速效磷含量因子的荷载值较高且为正值，表明第2主成分主要与pH值、速效磷含量相关；第3主成分中，全磷含量因子荷载值较高且为正值，表明第3主成分主要与全磷含量相关。

根据主成分得分系数矩阵（表6），得出3个主成分的线性表达式：

F1=0.139ZX1+0.419ZX2+0.375ZX3-0.007ZX4-0.158ZX5+0.257ZX6+0.075ZX7-0.078ZX8；

F2=0.470ZX1+0.169ZX2+0.096ZX3+0.067ZX4+0.230ZX5-0.046ZX6+0.321ZX7-0.423ZX8；

F3=-0.150ZX1-0.174ZX2-0.067X3+0.508ZX4+0.382ZX5-0.080ZX6-0.425ZX7-0.049ZX8。

其中：ZX1～ZX8表示经SPSS标准化的土壤肥力因子，对它们进行数据平移，使其为正值。根据公式（1），土壤肥力综合评价表达式为IFI=0.440F1+0.241F2+0.141F3，计算各土壤的IFI，IFI越高，表明土壤综合肥力越高。

2.2.3 土壤肥力综合评价

由表7可知，林芝茶园土壤IFI变幅为5.03～24.82，均值为13.54，变异系数为38.46%，属于中等变异。基于欧氏距离大小，采用类平均法对IFI进行聚类分析［2］。30个样本基于IFI可被分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4类，分别代表极高、高、中、低4个等级。Ⅰ级土壤样本IFI为24.82，占比为3.33%；Ⅱ级土壤样本IFI变幅为16.65～22.09，占比为30.00%，变异系数为10.45%；Ⅲ级土壤样本IFI变幅为11.05～15.16，占比为36.67%，變异系数为11.83%；Ⅳ级土壤样本IFI值变幅为5.03～9.83，占比为30.00%，变异系数为21.90%。70%茶园土壤养分在中上水平，说明林芝茶园土壤肥力情况总体较好，但有30%茶园土壤养分较低，需要重点进行培肥管理。由表8可知，不同县之间土壤肥力存在较大差异。其中，波密县土壤肥力主要处于Ⅱ、Ⅳ级，察隅县土壤肥力主要处于Ⅲ、Ⅳ级，墨脱县土壤肥力主要处于Ⅱ、Ⅲ级；3个县土壤肥力均呈中等变异。

对IFI与土壤肥力养分因子进行线性拟合分析，结果（图2）表明，IFI与土壤养分因子间存在一定相关性。IFI与各土壤养分因子皮尔逊相关性分析结果表明，有机质、全氮、全磷、碱解氮含量与IFI呈极显著相关（P<0.01）。结合主成分分析可知，pH值、有机质、氮、磷含量对土壤肥力有较大影响。

3 讨论

茶园土壤肥力是影响茶树生长发育和茶叶品质的重要因素，肥沃的土壤是茶园优质高产的基础。茶树是喜酸作物，适宜生长的pH值范围为 4.0～6.5，当pH值＜4.0或＞6.5时，茶树对氮、磷、钾等营养元素的吸收能力显著降低［33］。前人的研究表明，国内茶园土壤呈不同程度的酸化趋势［24，34-36］。本研究中，林芝茶园土壤pH值范围在4.99～7.41之间，均值为5.65，表明茶园土壤未发生明显酸化，大部分茶园土壤适宜茶树生长。这与张忠梁等的结论［37］一致。这可能是因为除易贡茶场外，其余采样茶园多为2015年以来新建的，且茶园大多施用有机肥，因此并未因过量施用氮肥或因茶树凋落物累积而使土壤酸化。索通村2个土壤样品的pH值＞7，经后期调查，得知2个取样茶园建园之初均因有效土层较薄，而于外地购置土壤进行加厚。西藏成土历史短，土壤发育较为原始，土壤类型独特多样，仅有约1/5的土壤为酸性土壤，且主要分布在藏东南地区［38-39］。因此，建园之初，如需通过客土方式加深有效土层，应注意选择适宜的酸性土壤。本研究中，96.67%以上茶园土壤的有机质、氮含量达到Ⅰ级茶园水平，相关性分析结果表明有机质含量与全氮、碱解氮含量呈显著正相关，这与前人研究中西藏土壤全氮、碱解氮含量随有机质含量增加而增加的结论［40］一致。这可能是因为林芝位于藏东南，为高寒湿润、半湿润气候，草类植被在夏季生长旺盛，有机质合成量大而分解量小，因而有机质积累量大，且由于植物根系较浅，有机质主要分布在较薄的表层［41］。56.67%土壤样本的全磷含量、83.33%土壤样本的速效磷含量达到优质茶园标准，需要注意对磷元素的补充。速效磷含量变异系数为79.73%，属于强变异，这可能与采样海拔从700 m至2 500 m有关；有研究表明，随着海拔升高，西藏土壤速效磷含量减少［41］。

本研究选取pH值和有机质、全氮、碱解氮、全钾、速效钾、全磷、速效磷含量8个养分指标进行主成分分析，计算土壤综合肥力值，并用聚类分析方法对土壤肥力进行分级，结果表明，提取的3个主成分能表征82.20%的原始信息。土壤肥力综合指标值变幅为5.03～24.82，均值为13.54；所选取的30个采样点，70.00%茶园的土壤养分在中上水平，说明林芝茶园土壤肥力总体水平较高。这是因为藏东南土壤有机质含量较高， 而有机质含量对氮、 磷、钾的有效性有积极作用。因此，保护藏东南丰富的天然植被，维持有机质平衡，对茶园土壤肥力的保持与提升具有重要意义。本研究中，各县土壤肥力分布不均匀，这可能与采样海拔有关；波密县采样海拔高度平均为2 328.1 m，察隅县为1 808.3 m，墨脱县为1 297.1 m。研究表明，海拔对垂直山地气候及土壤养分有较大影响，养分随海拔变化而变化［37］；也可能与各县茶园管理方式、农业活动及样本量有关。主成分分析与相关性分析结果表明，pH值及有机质、氮、磷含量对土壤肥力有较大影响。因此，在茶园田间管理过程中，要注意加强这些养分因子的供应与平衡。基于养分含量，尤其应注意对磷元素的补充。

本研究选定的8个指标常被用于评价土壤综合肥力，能较好地反映土壤肥力情况［7，42］。但是土壤肥力易受生态环境、土壤质地、耕作方式等的影响［12］。西藏作为青藏高原主体，成土历史短，土壤、气候条件复杂，高原特色鲜明，茶树种植时间较短，茶园管理模式不一，海拔差异大。因此，在后续研究中，应进一步扩大样本取样量与检测指标，以便深入探究高原茶园的土壤肥力，为高原茶园科学施肥管理提供更多理论依据。

4 结论

本研究基于主成分分析法与聚类分析法，对林芝30个代表性茶园土壤养分与肥力特征进行了分析，主要研究结论如下。

（1）林芝茶园土壤pH值介于4.99～7.41之间，平均值为5.65，50.00%茶园达到优质水平，未发现林芝茶园有酸化趋势；茶园土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量平均值分别为66.34 g/kg、3.30 g/kg、1.34 g/kg、15.36 g/kg、274.16 mg/kg、156.68 mg/kg、124.69 mg/kg，均达优质茶园水平。

（2）茶园土壤肥力综合指标值在5.03～24.82之间，均值为13.54，70.00%茶园土壤养分在中上水平，表明林芝茶园土壤肥力水平總体较高。不同县之间土壤肥力存在一定差异，其中，波密县土壤肥力主要处于Ⅱ、Ⅳ级，察隅县土壤肥力主要处于Ⅲ、Ⅳ级，墨脱县土壤肥力主要处于Ⅱ、Ⅲ级。

（3）相关性分析结果表明，pH值及有机质、全氮、全磷、碱解氮含量对土壤肥力有较大影响，结合养分含量分析，应加强对磷元素的补充。

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