西乡县茶园土壤养分及矿质元素特征分析与评价

周 杰，方甜甜，王海燕，李 文，闫满朝，余有本*

西乡县茶园土壤养分及矿质元素特征分析与评价

周 杰1，方甜甜1，王海燕3，李 文1，闫满朝2，余有本1*

(1. 西北农林科技大学园艺学院，杨凌 712100；2. 西乡县茶叶局，西乡 723500；3. 陕西省林业科学院，西安 710082)

为了全面掌握西乡县茶园土壤的养分及环境质量基本状况，采集了西乡县代表性茶园土壤23份，测定了土壤养分和22种元素含量，依据相关土壤环境质量标准，评价了茶园土壤养分及其环境质量，并利用GIS克里金插值法分析了茶园土壤元素的分布情况。结果表明：研究区域茶园土壤pH为4.89（4.10 ～ 5.75），有机质为27.71（13.23 ～ 59.42）g·kg-1、全氮为1.39（0.74 ～ 2.02）g·kg-1；速效氮为62.85（18.70 ～ 212.99）mg·kg-1，有效磷为46.39（0.81 ～ 163.00） mg·kg-1，速效钾为115.18（50.53 ～ 365.00）mg·kg-1，有效镁为404.96（94.41 ～ 870.52）m g·kg-1。仅有17%的茶园土壤主要营养诊断指标达到优质高效高产茶园的养分要求。土壤样品内梅罗综合污染指数均值为0.67，土壤环境质量整体处于安全级别，个别茶园土壤的Ni、Cr、Cu和Cd含量略高于风险筛选值。土壤中22种元素在西乡县境内茶园的空间分布极不均匀，元素在不同区域呈现不同程度的富集。本研究结果能够为西乡县茶园养分管理、茶园建设、茶叶质量与安全提升等提供理论依据。

西乡县；茶园；土壤养分；元素空间分布；重金属污染评价

西乡县位于陕西省南部，地处中国南北过渡带的秦岭、大巴山腹地。西乡县境内地形以丘陵和浅山为主，气候属于北亚热带半湿润季风区，年均气温14.4 ℃，年均降水量1 100 ～ 1 200 mm，土壤多为黄褐土和黄棕壤[1-2]。优越的自然地理环境，独特的气候和土壤条件为茶树的健康生长提供了良好的生态环境，孕育了特色鲜明的西乡茶。西乡县历届政府高度重视茶产业的发展，经过多年的发展，现已成为西北地区最大的产茶县，形成了以绿茶、红茶为主，深加工、黑茶和出口茶为补充的发展格局[3]。然而与国内茶业强县相比仍存在明显短板，如全县低产（老）茶园面积占比较大，亩均产量低于全国、全省平均水平。

茶园建设与管理是茶产业发展的基础，西乡县在“十四五”期间将大力实施“三个一批”茶园质量提升工程（标准化茶园建设、低产茶园改造、丰产茶园培育），推动茶产业高质量发展[4]。土壤是茶树生长的基础，也是生态环境的重要组成部分，与茶产品质量安全、生态环境安全及人类健康等息息相关。西乡县部分茶园土壤存在养分匮乏、土壤板结、土层薄、水土流失等情况，导致茶树生长势弱，单产低。全县多年多点的试验证明，茶园改造方式除树体改造外，更重要的是土壤改良[5]。近年来，虽有一些陕南茶园土壤质量安全方面的研究报道[6-7]，但多集中于重金属的含量分析与安全评价，忽视了茶树生长所必需的养分和微量元素的研究，且土壤的采集时间多为“十二五”至“十三五”初期，无法反映近期茶园土壤养分和土壤环境质量的状况。因此，全面掌握西乡县茶园的土壤养分和环境质量状况，为测土配方施肥、低产茶园改造、茶园建设、加工原料的选择等提供科学依据，对于助推西乡茶产业高质量发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 样品的采集和制备

以西乡县代表性茶园为研究对象，使用外业精灵APP[中科图新(苏州)科技公司]获取位置信息，在样点附近以“S”法采集茶园表层土壤（0 ～ 20 cm），每个样品均由8 ～ 12个采样点混合而成，共计23份样品。将采集的样品分别放入洁净的尼龙网袋中，封装运回实验室。土壤样品在室内自然风干，挑出石块和残枝落叶，采用四分法取样，研磨后，分别过10目、60目和100目筛，保存备用。

1.2 主要试剂和仪器

硝酸、盐酸（优级纯），氢氧化钠、硼氢化钾、磷酸二氢钾（分析纯），Cu（铜）、Fe（铁）、Mg（镁）、Al（铝）、Ca（钙）、Zn（锌）、Hg（汞）、Se（硒）、Pb（铅）、Cr（铬）、Ni（镍）、Co（钴）、K（钾）、Mn（锰）、S（硫）、Na（钠）、B（硼）、Cd（镉）和N（氮）的标准储备液（1 000 mg·L-1，国家有色金属及电子材料分析测试中心），F（氟）标准储备液（1 000 mg·L-1，梅特勒-托利多集团）。

PB-10型pH计（赛多利斯科学仪器有限公司），Multiwave PRO微波消解仪（奥地利安东帕有限公司），ARCOS电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-OES，德国斯派克分析仪器公司），LC-AFS-8530原子荧光光度计（北京海光仪器有限公司），Flowsys连续流动化学分析仪（意大利Systea公司），ZA3000原子吸收光谱仪（日本日立公司），TOC-L总有机碳分析仪（日本岛津制作所），S220-F氟离子计（梅特勒-托利多集团）。

1.3 土壤样品测定

土壤pH测定采用电位法，水土比为2.5:1[8]。土壤有机质采用TC-IC法（差减法）测定TOC[9]。采用Mehlich3通用浸提剂提取土壤中的有效态元素[10-11]，ICP-OES测定。土壤全氮、全磷通过连续流动分析法测定[12]，速效氮使用1 mol·L-1的氯化钾浸提[13]。土壤样品经5 mL硝酸和2 mL盐酸微波消解后，使用ICP-OES测定Fe、Mg、Al、Ca、Zn、Cr、Ni、Co、K、Mn、S和Na的含量，原子荧光光度计测定Se、As和Hg的含量，原子吸收光谱法测定Pb、Cd和Cu的含量[14]，离子选择电极法测定F含量[15]。

1.4 评价标准

按照NY/T853—2004《茶叶产地技术环境条件》和第二次全国土壤普查时的土壤养分分级标 准[15-16]，对西乡县茶园土壤肥力进行分级。参照NY/T5295— 2015《无公害农产品产地环境评价准则》，采用单因子污染指数和内梅罗综合污染指数对西乡县土壤重金属污染程度进行评价[17]。内梅罗综合指数法涵盖了单因子污染指数的平均值和最高值，突出了污染较重的污染物，给较严重的污染物赋予了较大的权值，能够全面、客观地反映土壤环境的总体质量[18]。

1.5 数据处理与分析

使用ArcGIS 10.7分析茶园土壤元素含量的空间分布，SPSS 26.0和Excel 2016对土壤养分含量、重金属浓度、污染指数等进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 茶园土壤养分含量分析与评价

茶树属于喜酸性植物，最适宜茶树生长的土壤pH为4.5 ～ 5.5。如表1所示，西乡县茶园土壤pH的范围为4.10 ～ 5.75，平均值为4.89，整体为酸性，65%的茶园土壤pH处于最适生长范围。依据《茶叶产地环境技术条件》和优质高效高产茶园的土壤营养诊断指标对研究区域茶园土壤的肥力进行分析评价[19]，茶园土壤全磷的平均含量为0.31（0.07 ～ 1.13）g·kg-1，73.91%的茶园土壤全磷为Ⅲ级标准，速效氮、速效钾的平均含量分别为62.85（18.70 ～ 212.99）mg·kg-1和115.18（50.53 ～ 365.00）mg·kg-1，近一半茶园土壤的速效氮和速效钾仅达到Ⅲ级标准，而有机质、全氮、有效磷的平均含量分别为27.71（13.23 ～ 59.42）g·kg-1、1.39（0.74 ～ 2.02）g·kg-1和46.39（0.81～163.00）mg·kg-1，85%以上的茶园土壤的有机质、全氮和有效磷水平达到Ⅰ级标准。目前尚无茶园土壤有效态中微量元素的分级标准，仅有4个土壤样本的主要营养诊断指标符合优质高效高产茶园的养分要求。因此参照全国第二次土壤普查的土壤养分分级标准评价西乡县茶园土壤有效态中微量元素的水平[20]，有效钙、锰、锌、铁、铜、镁的平均含量均为Ⅰ级标准，表明研究区域茶园土壤有效态中微量元素较为丰富。变异系数反映了土壤理化指标在研究区域的变异程度，变异系数越大，则采样点在总体样本中平均变异程度越大[21-23]。本研究中除了土壤pH值的变异系数较小，仅为9.12%，属于弱变异，茶园土壤养分含量变异系数在10% ～ 100%之间，均为中等变异。

表1 西乡县茶园土壤pH值和养分含量的描述性统计

注：茶园土壤中有效钙、锰、锌、铁、铜、镁的分级参照全国第二次土壤普查的土壤养分分级标准[20]。

2.2 茶园土壤矿质元素含量分析

土壤环境背景值反映了不受或少受人类活动影响的土壤中化学元素的原始含量。本研究以陕西省主要土类（黄棕壤、黄褐土和陕南水稻土）元素环境背景值的均值为参照[24]。由表2可知，西乡县茶园土壤元素的平均含量超过陕南土壤背景值的元素有4种，分别为Cu、Pb、Hg和Cd，表明西乡县茶园土壤的元素含量已受到了人类社会经济活动的影响。此外，西乡县各茶园间土壤样本的矿物质元素含量变异系数较大，变异系数范围在14.31% ～ 89.82%之间，均属于中等变异。尤其是Ca、Cu、As、B和Mg含量变异系数均超过50%，分别为：89.82%、63.82%、63.33%、59.44%和52.22%，表明这5种元素的空间分布存在一定的随机性和差异性。

基于各采样点的坐标信息和元素含量，采用ArcGIS 10.7中的克里金插值法分析了茶园土壤中各元素的空间分布。如图1所示，西乡县茶园土壤的元素含量空间分布不均匀，变异系数较大，绝大部分元素含量呈东高西低的趋势，部分元素间呈现出相似的空间分布特征。Fe、Co、Al、Mn、Ni、Cr、Mg和Se的空间分布较为集中，在东北部地区土壤中含量较高，S、Ca、Cu和Zn在东部和西部地区含量均高于中部地区，K、B和N在东部地区含量高于西部。

表2 西乡县茶园土壤矿质元素含量的描述性统计

2.3 茶园土壤重金属污染评价

23份土壤样本中Pb、As、Hg、Zn、Ni、Cr、Cu和Cd的平均含量分别为：28.00、5.60、0.12、72.31、28.95、63.34、28.07和0.26 mg·kg-1，均未超过农用地土壤风险筛选值和NY/T 391—2021《绿色食品产地环境质量》规定的限值。所有样本的Pb、As、Hg和Zn含量均低于GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》中风险筛选值，个别茶园土壤的Ni、Cr、Cu和Cd含量略高于污染风险筛选值。其中，1份样本的Cu含量、3份样本的Cd含量略高于风险筛选标准；1份样本的Ni、Cr和Cu含量均略高于风险筛选值，但远低于风险管制值。对于重金属含量高于风险筛选值，小于等于风险管制值的土壤，可能存在农用地土壤污染风险，原则上应采取农艺措施调控、替代种植等安全措施，同时应加强区域内土壤环境和农产品协同监测[25]。

以NY/T 5295—2015《无公害农产品产地环境评价准则》为评价标准，对各采样点的土壤重金属污染水平进行了分析，结果见表3。土壤Cu、Pb、Zn、Cr、As、Ni、Hg和Cd的污染指数均值分别为0.56、0.40、0.36、0.42、0.14、0.48、0.09和0.85，依次为Cd > Cu > Ni > Cr > Pb > Zn > As > Hg，各单因子污染指数的均值都低于1.0，表明西乡县茶园土壤环境质量整体良好，土壤较为清洁。土壤整体未受到Pb、As、Hg和Zn的污染，但个别土壤的某些单因子污染指数高于1.0，其中Cu、Cr、Ni和Cd的最大污染指数分别为1.47、1.15、1.06和1.26。未来在茶园管理过程中，应重视土壤重金属的修复及生态保护工作，避免茶园土壤环境质量进一步恶化。

由于单因子污染指数无法准确反映土壤重金属的整体污染程度，故采用综合污染指数法评价重金属对土壤环境的综合污染程度，且突出了高浓度污染物的影响[26]。西乡茶园土壤重金属元素的内梅罗综合污染指数均值为0.67，最小值为0.42，最大值为1.12。研究区域各土壤样本的内梅罗综合污染指数绝大部分处于清洁、尚清洁水平，占比为91.30%，仅有2个采样点的土壤为轻度污染。表明西乡县茶园土壤环境质量总体处于安全级别，绝大部分符合无公害茶园的土壤环境质量标准。

图 1 西乡县茶园土壤元素含量空间分布

Figure 1 Spatial distribution of soil elements in tea plantations of Xixiang County

表3 茶园土壤重金属污染评价

3 讨论与结论

3.1 西乡县茶园土壤养分现状及施肥对策

土壤是茶树的立身之本，土壤养分含量的高低直接影响着茶树的长势、茶叶的品质和经济效益等方面。西乡茶园土壤酸碱度适宜，未出现明显酸化现象。局部地区的茶园土壤氮、磷、钾较为缺乏，仅有17.39%的茶园土壤主要营养诊断指标达到优质高效高产茶园的养分要求。笔者在采样过程中，对大多数茶园的管理和生产情况也进行了调研。受肥料价格和人工成本影响，西乡县约有70%茶园的全年只施1次秋冬基肥，25%的茶园还会在春茶开采前1个月施少量追肥，5%的茶园还存在不施肥或多年施一次肥的现象。施用的肥料多以菜籽饼肥和农家肥为主，辅以部分化肥（碳酸氢铵或尿素），其中有机肥占比为50% ～ 75%。适宜的pH、丰富的有机质与西乡县重视有机肥的施用直接相关。大量施用有机肥不仅可以提升土壤有机质的含量，还能有效降低茶园土壤酸化的速度[27]，因此西乡县应继续大力推广茶园施用有机肥，防止土壤酸化，导致土壤结构性变差、肥力降低、重金属活化等问题[28]，进而引起茶叶产量、品质及安全性下降。

国家茶产业技术体系对全国茶园施肥状况的调查结果显示，陕南茶园年均养分（N + P2O5+ K2O）投入总量偏低，仅为571 kg·hm-2，N、P2O5和K2O的年均投入量分别为352、94和125 kg·hm-2；化肥用量仅为全国平均水平的46.1%，有机肥用量却为全国平均值的2.2倍，有机养分的贡献比例高达45%，是全国平均值的3倍；陕南茶园74%的氮、98%的磷和97%的钾施用于秋冬基肥，春、夏追肥施用量较少[29]。由此可见，陕南茶园养分投入量不足，偏施有机肥，重视秋冬基肥，忽视了春季追肥的使用。茶园施用有机肥虽可以改善土壤质量，提高茶叶品质，但有机肥的总养分低，有效态氮含量不高，N/P、N/K比例与茶树养分需求不匹配，可能会引起春季速效养分供应不足，影响春茶的产量和品质[30]。

因此，西乡县茶园施肥应遵循“氮素总量控制、磷钾基准养分配比、中微量元素因缺补缺”的茶树养分管理原则进行科学施肥。对于生产名优绿茶、大宗茶的茶园的氮素用量范围分别为200 ～ 300 kg·hm-2、300 ～ 450 kg·hm-2，P2O5和K2O的用量分别为60 ～ 90 kg·hm-2和60 ～ 120 kg·hm-2，根据生产模式、产量和土壤养分水平调整施肥量[31]。另外，尽管西乡县茶园土壤的中微量元素整体处于I级水平，对于个别土壤中微量元素含量偏低的茶园，应加强中微量元素肥料的施用，达到大量元素肥料与中微量元素肥料协同提质增效的目的。

3.2 西乡县土壤环境质量现状和改善措施

西乡县茶园土壤矿质元素含量丰富，但各茶园土壤元素含量差异较大，空间分布不均，东部地区茶园土壤元素含量较中西部地区丰富。根据GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》和NY/T 5295—2015《无公害农产品产地环境评价准则》，西乡县茶园土壤环境质量总体良好，极个别土壤样品的Cu、Ni、Cr和Cd含量略高于农用地土壤污染风险筛选值。23个土壤样本的内梅罗综合污染指数范围为0.42 ～ 1.12，平均值为0.67，仅有2份样品受到轻度污染。研究表明土壤重金属含量和茶叶重金属含量有明显的相关性，土壤酸性越强，土壤中的重金属越容易被茶树吸收累积[32-34]。因此，我们可以通过改善土壤环境来降低茶叶重金属含量，提升茶叶的安全性。土壤中的重金属除了与成土母质高度相关，一般还源于人为输入，如化肥农药的大量使用、污水灌溉、矿业、城市垃圾与污泥农用堆肥等。据了解这两块茶园曾经一直是水稻田，于2012年前后发展为茶园，地势平坦，土壤为沙壤，秋冬基肥偏好施用猪粪、牛粪、羊粪等厩肥。调研中发现，西乡部分企业偏好施用农家肥，近年来从青海、甘肃等地购入大量腐熟的羊粪或牛粪作为秋冬基肥施用。长期施用动物源性有机肥会导致土壤中的重金属含量超标，如Cd、Cu、Cr等[35]。因此，在茶园大规模施入以动物粪便为主的农家肥前，应加强对风险元素的监测，控制和消除污染源，避免茶园因长期施用不合格的农家肥导致土壤重金属超标，影响茶叶的质量与安全。

肥料和部分农药中通常也含有微量Cd、Zn、Cu、As和Hg等重金属元素，即便是符合国家标准的肥料、农药，在长期施用的过程中农田土壤也会不断富集重金属，如长期过量施用磷肥对土壤镉污染较为明显[36-37]。在研究样本中，两份土壤样本分别受到Cu和Ni、Cr、Cu的污染，同时Cd的水平也处于风险筛选临界值附近。针对这类茶园，一方面可以通过添加活性剂、螯合剂、调整土壤pH、Eh值等方法来改变茶树的土壤环境和根基环境，降低重金属的生物有效性[38]；另一方面，通过合理的套种或间作来改善土壤的理化性质，降低重金属的有效性。油菜根系分泌的有机酸和酶类，能够活化土壤中难溶性养分元素，使土壤中有效态养分含量显著提高，如有效磷。油菜对Cd、Cu、Zn等重金属具有较强的富集能力，可用于多种金属复合污染土壤的修复，Cd、Cu、Pb和As被油菜根部吸收后，主要被转运至非食用的根、茎、荚壳中[39]，尤其是地上的茎秆部位，据测算单季油菜可产秸秆6 000 kg·hm-2，可富集Cd约12 561 ～ 23 121 mg·hm-2（1 ～ 2 mg·kg-1的Cd）[40]。因此，西乡县个别茶园可以通过间作油菜改善土壤理化性质，降低土壤重金属含量，对污染土壤进行修复。

致谢：感谢西北农林科技大学园艺科学研究中心的卢丽娟老师在土壤元素测定与分析方面给予了支持与帮助。

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Analysis and evaluation of soil nutrients and mineral elements characteristics of tea plantations in Xixiang County

ZHOU Jie1, FANG Tiantian1, WANG Haiyan3, LI Wen1, YAN Manzhao2, YU Youben1

(1. College of Horticulture, Northwest A&F University, Yangling 712100; 2. Tea Bureau of Xixiang County, Xixiang 723500;3. Shaanxi Academy of Forestry, Xi’an 710082)

To fully grasp the basic conditions of soil nutrients and environmental quality of tea plantations in Xixiang County, 23 soil samples were collected from the representative tea plantations, soil nutrients and 22 elements contents were detected, and the nutrients and soil environmental quality in tea plantations of Xixiang County were evaluated according to the relevant soil environmental quality standards. The Kriging spatial interpolation method was used to analyze the distribution of soil elements of tea plantations. The results showed that: the mean value of pH, organic matter, and total nitrogen was 4.89 (4.10 - 5.75), 27.71 (13.23 - 59.42) g·kg-1, 1.39 (0.74 - 2.02) g·kg-1, separately; the available nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K) and magnesium (Mg) were 62.85 (18.70 - 212.99) mg·kg-1, 46.39 (0.81 - 163.00) mg·kg-1, 115.18 (50.53 - 365.00) mg·kg-1and 404.96 (94.41 - 870.52) mg·kg-1in soil samples of tea plantations, respectively. Only 17% of soil samples in the main nutritional diagnostic indicators meet the nutrient requirements of high-quality, high-efficiency, and high-yield tea plantations. The mean value of the Nemerow multi-factor index was 0.67 for all the samples, which suggested that the overall soil environmental quality was at a safe level for Xixiang tea plantations. While, the niccolum (Ni), chromium (Cr), cuprum (Cu), and cadmium (Cd) contents in individual sample were slightly higher than the risk screening values. The spatial distribution of 22 elements was extremely uneven in the tea plantations, and soil elements had different enrichment features in different areas of Xixiang County. The results of this study can provide a theoretical basis for nutrient management, tea plantations construction, tea quality and safety improvement of Xixiang County.

Xixiang County; tea plantations; soil nutrients; spatial distribution of elements; assessment of heavy metal pollution evaluation

S571.106.1

A

1672-352X (2023)05-0862-07

10.13610/j.cnki.1672-352x.20231030.004

2023-10-31 11:25:52

[URL] https://link.cnki.net/urlid/34.1162.S.20231030.0948.008

2022-09-22

国家现代农业产业技术体系（CARS-19），陕西省茶叶产业技术体系（SNTX-07）和西北农林科技大学试验示范站（基地）科技创新与成果转化项目（TGZX2020-34）共同资助。

周 杰，助理研究员。E-mail：zjie166@126.com

余有本，博士，教授。E-mail：yyben@163.com