杭州余杭径山茶园土壤养分状况及肥力质量评价

庞英华，顾万帆，金鑫，张舟娜，金雅慧，郑洪福

（1杭州市余杭区农民素质教育服务总站，杭州 311115；2杭州市余杭区农业生态与植物保护服务站，杭州 311121；3杭州市余杭区农产品质量安全检验检测站，杭州 311115）

0 引言

余杭径山乃“茶圣著经之地，日本茶道之源”。径山茶最早起源于唐天宝年间的径山万寿禅寺，后以“崇尚自然，追求绿翠，讲究真色、真香、真味”著称于世。目前，余杭径山茶园总面积约4767 hm2，年产量近9000 t，产值9 亿余元。经过调研发现，近几十年来余杭径山茶园种植模式单一，施肥固化，土壤酸化、养分不平衡等问题突出，这不仅影响了茶园土壤健康，更影响了茶叶品质，导致经济效益下滑，严重可能危害径山茶可持续发展。对余杭径山茶园土壤调查局限在某一养分是否丰缺，对综合肥力因子的径山茶园土壤综合评价较少，导致对径山茶园土壤认识不足，因此针对余杭径山茶园开展土壤养分状况及肥力质量评价的研究具有非常重要的意义。现阶段土壤养分及肥力质量评价的方法主要以主成分分析法[1]、多元线性回归分析法[2]、模糊数学分析法[3]、层次分析法[4]、BP人工神经网络法[5]等为主；目前，主成分分析法在土壤质量评价中得到广泛的应用，一般认为其可以弱化变量之间的自相关性所造成的误差，获得互不相关的主成分得分，并通过计算得到综合评价得分，精确评价土壤养分质量，以及可精确筛选土壤属性的变异性[6]；模糊数学法自Zadeh 提出以来，发现其在土壤环境质量评价中的分辨率要显著高于其他评价方法[7]。本研究通过对杭州市余杭区径山茶园土壤养分状况的分析，利用模糊数学隶属度函数模型对主成分分析结果的运用[12]，对余杭径山茶园土壤养分状况进行质量评价，从总体上掌握径山茶园土壤肥力情况，以期为指导径山茶园土壤合理管护、提高茶叶品质与产量，提供重要的数据支撑与科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

余杭区，隶属于浙江省杭州市，地理坐标为东经119°40′—120°23′，北纬30°09′—30°34′，总面积940 km2，下辖7 个街道，5 个镇。地势由西北向东南倾斜，大致以东苕溪一带为界，西北为山地丘陵区，属天目山余脉。东部为堆积平原，地势低平，塘漾棋布，是著名的杭嘉湖水网平原，海拔仅2～3 m。东南部为滩涂平原，其间孤丘兀立，地势又略转高亢，海拔为5～7 m。余杭区土壤共分7 个土类、13 个亚类、34 个土属、53 个土种[8]，地处北亚热带南缘季风气候区，年平均雨量1150～1550 mm，年平均气温15.3～16.2℃，雨热同季，有利于叶茎类作物和瓜果生产。

1.2 土壤样品采集

土壤样品采集自余杭区径山茶园主要所在地7个镇街，既径山镇、中泰街道、余杭街道、瓶窑镇、黄湖镇、鸬鸟镇、百丈镇，共36 个土壤采样点，详见图1。土壤样品采集方法按照《土壤农化分析》要求，即在同一采样区域根据“S”形布点并采样。在茶园施肥前，离茶树根茎约30 cm 处，采集8～10 个0～20 cm 土层小样点土壤样品，去除杂物后，将每个采样区域内的小样点土壤样品混合均匀，用四分法弃取至1 kg左右。将土样分别过10目与100目筛，封装后备用。

图1 径山茶园土壤采样点

1.3 测定项目及方法

对所采土样的pH、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾进行分析测定。土壤pH测定参照《中华人民共和国农业行业标准》土壤检测第2 部分(NY/T1121.2—2006)，采用电极法进行测定；土壤有机质含量测定参照《中华人民共和国农业行业标准》土壤检测第6 部分(NY/T1121.6—2006)，采用重铬酸钾容量法进行测定；土壤全氮含量测定参照《中华人民共和国国家标准》土壤全氮测定法(NY/T 53—1987)，采用半微量定氮滴定测定；土壤碱解氮含量测定参照《中华人民共和国林业行业标准》森林土壤氮的测定(LY/T 1228—2015)，采用碱解—扩散法进行测定；土壤有效磷含量测定参照土壤检测第7 部分(NY/T1121.7—2014)，采用紫外/可见分光光度计法进行测定。土壤速效钾含量测定参照《中华人民共和国农业行业标准》土壤速效钾的测定(NY/T 889—2004)，采用1 mol/L乙酸铵浸提－火焰光度法进行测定。以上土壤样品均过100目筛孔。

1.4 土壤养分评价标准

余杭径山茶园土壤养分状况质量评价标准参照《中华人民共和国农业行业标准》中《茶叶产地环境技术条件》(NY/T853—2004)的茶园土壤肥力分级标准和国家绿色食品产地环境质量标准(NY/T391—2013)，将茶园土壤养分分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3 个等级，茶园土壤养分含量分级标准如表1。

表1 茶园土壤养分分级标准

1.5 土壤肥力综合指数计算

1.5.1 土壤单项肥力指标隶属度的确定本研究选取土壤pH、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾共6个指标来确定余杭区径山茶园土壤肥力综合指标值。常用的隶属度函数有S 型和抛物线型2 种，其中，土壤pH指标于抛物型隶属函数，其余5 个指标属于S 型隶属函数[9-12]。函数表达式如式(1)～(2)所示。

抛物线型隶属函数：

S型隶属函数：

式中：Ai为评价因子i的隶属值，x为各指标的分析测定值，隶属值大小为0.1～1.0。各肥力指标隶属度函数曲线转折点如表2。

表2 各肥力指标的隶属度函数曲线转折点的取值

1.5.2 土壤单项肥力指标权重系数的确定本研究采用主成分分析法，选取累计百分率大于75%的主成分来确定土壤单项肥力因子的权重系数[9-12]，计算公示如式(3)所示。

式中，ri均为评价因子i与其他各因子之间相关系数的平均值，Σr均表示全部的因子相关系数平均值和。

1.5.3 土壤肥力综合指数IFI的计算土壤肥力综合指数IFI[9-12]的计算公示如式(4)所示。

式中，n为评价指标数量，Bi和Ai分别为第i个评价指标的权重系数和隶属值。将土壤肥力综合指数IFI进行等级划分，如表3。

表3 径山茶园土壤肥力综合指数划分区间

1.6 数据分析

采用WPS 2016 进行土壤养分含量数据处理并计算平均数、变异系数、肥力综合指数以及绘制养分含量点状图与柱状图等，使用SPSSAU 计算土壤单项肥力指标隶属度，进行主成分分析确定权重系数。

2 结果与分析

2.1 径山茶园土壤养分状况

2.1.1 径山茶园土壤pH 余杭径山茶园土壤介于pH 3.68～7.53 之间，平均值为pH 4.72，变异系数为17.83%，属于中等变异。从径山茶园土壤pH 分布来看，有10 个样点的茶园土壤pH 达到I 级标准，占样点茶园总数的27.78%；19 个样点达到II 级标准，占样点茶园总数的52.78%；7个样点达到Ⅲ级标准，占样点茶园总数的19.44%，详见表4 与表5。可见36 个样点的径山茶园土壤有酸化明显趋势。

表4 径山茶产区茶园土壤肥力状况实测数据及分级

表5 余杭径山茶园土壤养分指标数据

2.1.2 径山茶园土壤有机质余杭径山茶园土壤有机质含量在16.3～103 g/kg之间，平均值为39.9 g/kg，变异系数为44.88%，属于中等变异。从有机质含量分布来看，36个样点的有机质含量全部达到I级标准，占比达100.00%，详见表4 与表5。可见余杭径山茶园土壤有机质含量十分丰富。

2.1.3 径山茶园土壤全氮余杭径山茶园土壤全氮含量在0.89～3.37 g/kg 之间，平均值为2.03 g/kg，变异系数为34.16%，属于中等变异。从径山茶园土壤全氮含量分布来看，有34 个样点的茶园土壤全氮含量达到I 级标准，占样点茶园总数的94.44%；2个样点达到II级标准，占样点茶园总数的5.56%，详见表4 与表5。说明余杭径山茶园土壤全氮含量较高，基本达到I 级优质茶园标准。

2.1.4 径山茶园土壤碱解氮余杭径山茶园土壤碱解氮含量在52～421 mg/kg 之间，平均值为180 mg/kg，变异系数为46.21%，属于中等变异。从碱解氮含量分布来看，有29个样点的碱解氮含量达到I级标准，占样点总数的80.56%；7 个样点达到II 级标准，占样点总数的19.44%，详见表4与表5。说明余杭径山茶园土壤碱解氮含量较高。

2.1.5 径山茶园土壤有效磷余杭径山茶园土壤有效磷含量在0.9～457.6 mg/kg之间，平均值为71.6 mg/kg，变异系数为129.82%，属于强变异，说明土壤有效磷含量在各茶园之间空间分布差异很大。从径山茶园土壤有效磷含量分布来看，有31 个样点的有效磷含量达到I级标准，占样点茶园总数的86.11%；2个样点达到II级标准，占样点茶园总数的5.56%；3 个样点达到Ⅲ级标准，占总数的8.33%，详见表4 与表5。可见余杭径山茶园土壤有效磷含量普遍较高，但需要特别注意有效磷含量过高易引起土壤盐化、板结等问题。

2.1.6 径山茶园土壤速效钾余杭径山茶园土壤速效钾含量在71～625 mg/kg 之间，平均值为221 mg/kg，变异系数为51.44%，属于高变异，说明土壤速效钾含量在样点茶园之间差异较大。从径山茶园土壤速效钾含量分布来看，有29个样点的径山茶园土壤有效磷含量达到I 级标准，占样点总数的80.56%；5 个样点达到II 级标准，占样点总数的13.89%；2 个样点达到Ⅲ级标准，占样点总数的5.55%，详见表4与表5。可见余杭茶园土壤速效钾含量较高，但需要特别注意速效钾含量过高容易引起的土壤盐化、板结等问题。

2.2 径山茶园土壤肥力综合评价

2.2.1 单项土壤肥力指标的隶属度与权重系数根据1.5.1 的公式计算各土壤肥力指标的隶属度，如表6。采用SPSSAU 软件进行主成分分析法计算，选取累计百分率大于75%的前3 个主成分，如表7；确定各肥力指标的权重系数，如表8。从表8 中可以看出，有机质和全氮含量的权重系数较高，表明有机质、全氮含量利用率较高，对径山茶园土壤最终肥力贡献较大；pH 与速效钾含量权重系数较低，表明径山茶园土壤酸化与钾元素肥力流失明显，可见影响径山茶园土壤肥力的主要因素为有机肥与氮肥的施用。

表6 径山茶园土壤肥力指标的隶属度

表7 各肥力指标主成分分析方差解释率

表8 各肥力指标权重系数

2.2.2 径山茶园土壤肥力综合评价无论从表4对36个取样点实测结果，还是从表9的土壤肥力综合指数IFI分析结果而言，都说明径山茶产区土壤肥力条件普遍优质。先看表9的统计结果，表明在36个样点土壤肥力综合指数的平均值为0.89，其中有91.7%的茶园土壤综合肥力达到了I 级优质（高）标准(IFI≥0.75)；其余8.3%则为II 级良好（较高）标准(0.50≤IFI＜0.75)。再回头去看表5，全部36 个土样有机质含量的变异区间在16.3～103 g/kg之间，全在达I级水平范围内(＞15 g/kg)，平均值也高，为39.9 g/kg。其余依次是全氮含量，达I级水平(＞1 g/kg)有34 个，占比占94.44%。有效磷含量达I级水平(＞10 mg/kg)有31个，占比86.11%。碱解氮含量达I 级水平(＞100 mg/kg)有29 个，占比80.56%。速效钾含量达I级水平(＞120 mg/kg)的也是29个，占比80.56%（图2）。以上总体说明，径山茶产区土壤的N、P、K三要素的供应能力都是优质的，但客观而言也还存在着较大的，需要进一步提升的空间。

表9 余杭径山茶园土壤肥力综合指数

图2 径山茶园土壤肥力综合指数样点分布

3 讨论

3.1 径山茶园土壤肥力情况

3.1.1 径山茶园土壤pH 茶树适合种植于偏酸性土壤中，最适宜土壤范围为pH 4.5～5.5[13]。pH＞6.5 会影响茶树正常生长，pH＜4.0会破坏土壤理化性质，影响矿物质成分，过度释放游离酸因子，降低养分含量，抑制茶树正常生长等[11]。本研究发现，余杭各镇街茶园在pH 3.68～7.53范围内，变异系数不大，说明各径山茶园之间差异较小，大部分茶园土壤pH在茶树适宜生长范围内，但有土壤酸化趋势，影响茶树生长。造成茶园土壤酸化的原因有多种，主因可能是过量施用无机氮肥[14-15]；其次是土壤的自然酸化，即径山茶树自身物质循环与根系分泌物在土壤中的运动导致了茶园土壤的自然酸化[16]。对于明显已经酸化的茶园土壤，可以通过施用有机肥、偏碱性肥料以及测土配方施肥等方式，平衡茶园土壤养分和防止土壤酸化[17]。

3.1.2 径山茶园土壤有机质土壤有机质是影响土壤肥力的重要因素。有机质可以优化土壤结构，提高土壤的温度，促进作物的生长发育，提高土壤的保肥能力和缓冲性能[18]。从表5 的方差分析中可见，土壤OM、TN、AN、AP、AK等5个单项肥力因子所测数据的变异系数都相当地大，分别达44.88%、34.16%、46.21%、129.82%、51.44%。分析认为，这种离散性的存在是必然的，而且在很大程度上是由土壤有机质(OM)含量的高低相差之巨引起的（变异幅度从16.3～103.0 g/kg）。学界皆知，有机质是土壤中各种营养元素特别是N和P的主要来源，并存在着显著的正相关，所以这两个肥力因子的变异系数当然也就大了。至于K，虽然在土壤中是以无机状态存在的，但仍与有机质含量存在着间接的正相关，这是因为有机质含量高的土壤才能有效减少K的被淋溶，反之则易于流失。所以，表7中的方差解释率和表8中的权重系数也都同样支持了这种因果关系的成立。

研究还认为，径山茶产区土壤有机质含量的高度变异性也是符合产区实际情况的，是与产区地貌、气候、植被等的垂直分布特点相一致的，其中特别是气温的垂直分布。众所周知，土壤有机质的动态平衡与气温关系极大，而山地气温是随着海拔的升高而递减的，从而就使这个动态平衡朝着有利于积累的方向移动。1982年余杭县土壤普查时曾有这样一对检测资料：处于低海拔的代表性土种——黄泥土，其表土层有机质含量仅2.02%；而处于高海拔的代表性土种-山地香灰土竟高达21.78%，高低竟相差10 倍。当然，这里讲的是自然土壤，至于开垦成茶园之后，则这种基于自然因素的动态平衡就被打破了，有的是变得更好了，但也有遭掠夺性经营而被破坏的，以致相邻样点间也有相差悬殊的情况。

3.1.3 径山茶园土壤速效养分土壤有效养分能直接体现茶园土壤的供肥能力。N、P、K 等营养元素是茶树的生长发育各阶段所必需的养分，也是提升茶叶品质与产量的保障。氮能提高鲜叶及成茶主要生化成分氨基酸、儿茶素、茶多酚、咖啡碱和碳水化合物等含量[19]；磷能够提高茶叶中儿茶素、茶多酚、水浸出物和蛋白质的含量，影响茶叶香气和滋味的品质[19]；钾则影响茶叶氨基酸、茶多酚、儿茶素、咖啡碱的含量，能对酶起到活化的作用[19]。本研究发现，余杭氮磷钾含量均较高，三者同时达到I 级优质茶园标准的占80%以上，仅个别茶园需要适当增加氮磷钾肥料的施用，同时需要密切关注氮磷钾含量过高引起的土壤盐化、板结等问题，原因可能为径山茶园在新垦开辟时，过量施用氮磷钾化肥，对此可以考虑优化施肥结构，施用土壤调理剂，套种绿肥[20]等。

3.2 径山茶园土壤肥力情况与径山茶管理

土壤肥力综合评价可以去除主观因素影响，体现土壤肥力综合水平。本研究发现，径山茶园土壤总体肥力水平高，全都属于优良状态，91.7%的径山茶园属于I 级优质标准，这与余杭茶农多年来的精心管理离不开关系。

今后在大力发展径山茶园种植的同时，应时刻关注茶园土壤肥力状况，探索建立监测径山茶园土壤肥力指标体系，促进茶园发展。改善施肥方式，改善土壤养分循环，保持土壤的结构与肥力，防止土壤盐化、板结，提升肥料利用率，实施绿色防控，提高茶叶产量与品质，提升径山茶品牌影响力，深入贯彻落实习总书记的“两山理论”，用径山禅茶一味发展乡村产业新模式，提升农户收入，努力打造共同富裕示范区。

4 结论

余杭7 个镇街36 个径山茶园为pH 3.68～7.53，土壤有酸化趋势；茶园土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量整体丰富，平均值均达到I 级优质标准，各个肥力指标存在一定的空间差异；91.7%的径山茶园土壤肥力综合指数IFI达到I级优质标准，8.3%达到II 级标准，余杭径山茶园土壤十分适宜种植径山茶树。