茶园土壤养分状况对茶叶品质的影响

周志¹, 刘扬¹, 张黎明², 许锐能¹, 孙丽莉¹, 廖红^1*

（¹福建农林大学资源与环境学院根系生物学研究中心，福建 福州 350002；

 ²福建农林大学资源与环境学院，福建 福州 350002）

摘要：【目的】通过研究茶园中土壤养分的状况与茶叶品质的关系，达到改良茶园养分管理和提升茶叶品质的重要依据。【方法】本研究在2008年福建省土壤普查数据的基础上，于2015年在武夷茶区选取了68个茶园，检测了耕层土壤（0~20cm）的pH值，有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的含量等土壤养分指标，及其相应茶青中的茶氨酸、咖啡碱、芦丁、ECG、EGCG和总儿茶素等6种次级代谢物含量作为品质因子。【结果】通过对比2008年和2015年的土壤养分指标，发现近年来，武夷茶区土壤酸化严重，土壤有效磷含量大幅度上升，说明该区域茶园存在过度施肥的现象。土壤养分状况显著影响茶叶品质因子，并且不同土壤养分指标对不同品质因子的影响有所不同。通过边际效应分析，发现各次级代谢物的最高含量都有其对应的土壤养分范围。在此基础上，拟合了武夷茶区高品质茶园适宜的土壤养分范围：pH值4.5～5.0；有机质20～40g·kg^-1；碱解氮60～100 mg·kg^-1；有效磷<100 mg·kg^-1；速效钾100～150 mg·kg^-1。【结论】综合本研究结果，建议武夷茶区在养分管理方面，总体采取有机肥取代部分化肥，适量补氮和钾、严格控制磷肥施用等措施。

关键词：土壤养分；品质；次级代谢物；养分管理；武夷茶区

 

Effects of soil nutrient status on tea quality

ZHOU Zhi¹, LIU Yang¹, ZHANG Liming², XU Ruineng¹, SUN Lili¹, LIAO Hong^1*

（¹Root Biology Center, College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China；²College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China）

 

Abstract: 【Objective】Studying the relationship between soil nutrient status and tea quality is an important basis for improving nutrient management and tea quality in tea garden. 【Method】 Based on the soil survey data of Fujian Province in 2008, 68 tea plantations were selected in Wuyi Tea Area in 2015. Five soil nutrient index, including pH value, soil organic matter (SOM), alkaline nitrogen (AN), available phosphorus (AP) and available potassium (AK) concentrations in the top 0-20cm soils, and the concentrations of 6 secondary metabolites as quality factors in the fresh tea leaves (i.e. theanine, caffeine, rutin, ECG, EGCG and total catechins) were measured. 【Result】 Comparative analysis of the soil nutrient indexes between 2008 and 2015 showed that the soils in Wuyi rock tea region were severely acidified with dramatically increase of AP concentration in recent years, indicating that excessive fertilization existed in the tea plantations. Soil nutrient status significantly affected tea quality, and different soil nutrient indexes had different effects on different quality factors. The results from the marginal effect analysis revealed that the highest concentration of each secondary metabolite had its corresponding suitable range for each soil nutrient index. On this basis, we proposed the suitable soil nutrient ranges for high-quality tea plantations in the Wuyi tea region as follows: pH, 4.5-5.0; SOM, 20-40 g·kg^-1; AN, 60-100 mg·kg^-1; AP, < 100 mg·kg^-1; and AK, 100-150 mg·kg^-1. 【Conclusion】Taken together, we suggest that the overall nutrient management in the Wuyi tea region would be: partially replace chemical fertilizers with organic fertilizers, properly supplement nitrogen and potassium, while strictly control phosphorus fertilization.

Key words: soil nutrient, tea quality, secondary metabolites, nutrient management, Wuyi tea region

 

 

0 引言

【研究意义】茶是世界三大饮料之首，在人类日常生活中起着十分重要的作用。近些年来，全球茶叶种植面积不断扩增，茶叶产量也逐步递增。无论是茶园面积还是茶叶产量，我国均位居世界第一^[1]。随着人们对健康生活的关注度日渐提升，对茶叶品质也越来越重视。茶叶的品质与茶树的生长发育息息相关，而土壤是茶树生长发育所需各种养分的主要来源。因此，茶园土壤养分状况与茶叶品质关系密切^[2]。然而，茶树逐渐延长的种植时间、逐渐扩大的栽培面积，造成了茶园土壤健康问题的日益突显^[3]。一方面因为茶树的多年种植对土壤养分过度消耗，造成了茶园土壤退化；另一方面不合理施肥对资源和环境造成了浪费和污染，以及茶叶品质下降等问题在茶区也越来越严重 ^[4]。因此，研究茶园中土壤养分状况与茶叶品质的关系，对改良茶园养分管理、防止资源浪费和提升茶叶品质十分重要。【前人研究进展】福建是我国最大的产茶省份，在茶叶生产方面有着悠久的历史和明显的产品特色，在国内外市场上享有较高的声誉^[5]。武夷山既是闽北乌龙茶及红茶的发源地又是主产区，在福建省茶叶中，武夷茶占比很大^[6,7]。近年来，武夷岩茶及桐木红茶的市场需求量逐年递增^[8]。武夷茶区传统上分为岩茶区（以武夷山景区及其周围的正岩和半岩茶园为代表）、洲茶区（仙店及兴田为代表）和桐木茶区三类^[9]。岩茶区由于其独特的地理及自然环境表现出极具特色的“岩韵”，其茶叶品质及价格明显高于洲茶^[10,11]。桐木茶区以放养型茶园为主，其茶叶品质也得到市场极大的认可^[12]。在人们自古以来的观念中，无论土壤性状如何，岩区、桐木茶区的茶叶品质均优于洲茶，尤其是以“三坑两涧”为代表的正岩茶园独具标志性的“岩韵”，更是为武夷岩茶披上了一层神秘的面纱^[13]。虽然关于茶园土壤养分状况与茶叶品质的关系有一些报道^[14,15,16]，但是关于武夷茶区茶园土壤养分状况与茶叶品质关系的报道却很少。【拟解决的关键问题】本研究主要通过检测武夷茶区不同类型茶园土壤养分指标、茶叶品质因子，分析土壤养分指标与茶叶品质因子之间的关系，为综合管理武夷茶区，维护茶树良好生境、提升茶叶品质及科学施肥提供理论依据。

 

1 材料与方法

1. 1  样品采集与处理

运用ArcGIS 10.0 软件，以及2008年农业部测土配方施肥项目样点分析资料^[17]，建立武夷山市耕地1:50 000土地利用—土壤类型空间数据库，样点数为3671个（图1）。

2015年8月份对武夷山三大茶区的68个不同茶园的茶青与土壤样品进行了采集。采样点位置为（图2）：1. 岩区（32个样点）：水帘洞、慧苑坑、飞来峰、悟源涧、马头岩、大坑口、牛栏坑、章堂涧、流香涧、朝阳、曹墩、星村、洲头、黄柏村、樟树村、南乾村、泉头、九龙等；2. 洲茶区（24个样点）：仙店、南岸、城村等；3. 桐木茶区（12个样点）：庙湾、百花坑、关坪、江墩、桥下、华光庙等。选取2008年样点分布图中与2015年相同位置的土壤样点进行综合比较。

 

 

 

图1   2008年（A）和2015年（B）土壤样点分布图

Fig. 1  Map of soil sampling sites in 2008 (A) and 2015 (B)

 

茶青采集方法：按照乌龙茶传统采茶标准1芽3叶采集茶青，每株采集50 g左右鲜叶。用热固样法固样，即将样品迅速放入烘箱，在105℃烘15min后，再在75℃ 烘至恒重。

土壤采样方法：沿采摘茶青的茶树边沿垂直投影取样，适当剔除地面的杂物后，用土钻采集0～20 cm层土壤，混匀后形成土样。土样在室内自然风干后，分别过2 mm和0.149 mm筛，用于测定土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷及速效钾。

1. 2 样品检测与方法

土壤养分指标测定参照“土壤农化分析手册” 的方法^[18]。pH值：电位法测定（土：水=1：2.5，质量比）；有机质（Soil organic matter，SOM）：高温外热重铬酸钾氧化-容量法；碱解氮（Alkaline nitrogen，AN）：1 mM NaOH 碱解扩散法；有效磷（Available phosphorus，AP）：BrayⅠ提取-钼蓝比色法；速效钾（Available potassium，AK）：乙酸铵浸提-火焰光度法。

茶叶品质成分测定：样品前处理参照国标GB/T8303-2002^[19]和国标GB/T 8313-2008^[20]。采用美国Agilent 1260 型高效液相色谱系统（HPLC）定量检测了6个茶青次级代谢物作为茶叶品质因子，包括茶氨酸、咖啡碱、芦丁、总儿茶素和2种多酚类单体物质（表儿茶素没食子酸酯(ECG)、表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)）等。

1. 3 数据分析与处理

实验数据借助SPSS 22. 0软件进行分析，运用单因素方差分析和多重比较法进行差异显著性检验和多重比较分析（α = 0.05）。通过边界线分析方法对茶园土壤养分指标与茶青次级代谢物含量进行相关性分析^[21,22]。

2  结果与分析

2.1 武夷山土壤基本养分状况

从表1和图2A可以看出，2008年武夷山耕地土壤总体为酸性（pH值平均为4.7），部分区域土壤酸性非常严重，如兴田镇大部分土壤pH值<4.0；而岚谷乡及武夷岩区等地，土壤酸性较弱，pH值介于5.5-6.0之间（图2A）。2008年武夷山土壤有机质、碱解氮、有效磷及速效钾等含量的变异较大，特别是有效磷含量的变异最大，变异系数为98.99%（表1）。其中，兴田镇耕地土壤的有机质、碱解氮和速效钾的含量都比较高，大部分土壤有机质>50 g/kg、碱解氮>250 mg/kg、速效钾>150 mg/kg；而桐木土壤有机质、碱解氮和速效钾的含量都比较低，大部分土壤有机质<20 g/kg、碱解氮<100 mg/kg、速效钾<12 mg/kg（图2B-E）。武夷岩区，大部分土壤有效磷含量极低（<2.2 mg/kg）（图2D）。

 

 

 

 

图2    2008年武夷山耕地土壤养分含量差值图

Fig.2    Spatial distribution of soil nutrient status in cultivation land of Wuyi mountain area in 2008.

 

 

 

 

 

 

 

 

表 1   2008年武夷山耕地土壤样点养分状况的统计特征

Tab. 1  Statistical characteristics of soil nutrient in farmland soil in 2008

 

2015年武夷山茶园土壤分析结果表明（图3），在岩茶、洲茶和桐木三个茶区中，桐木茶园土壤的pH值、有机质和碱解氮含量最高，分别为4.94、52.6 g·kg^-1和139.53 mg·kg^-1；洲茶区土壤的有效磷含量最高，为411.04 mg·kg^-1，分别比岩茶区和桐木茶区土壤的有效磷含量高出67.29%和15倍。岩茶区土壤的速效钾含量最高，为183.27 mg·kg^-1，分别高于洲茶区和桐木茶区24.24% 和108.75%。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图3  2015年武夷山不同区域茶园土壤养分状况

Fig. 3    Soil nutrient status in tea planation in different regions of Wuyi mountain area in 2015

注：图中数据为平均值及标准误，同一图中柱子上端不同字母为差异显著（P＜0.05）。

Note: data are mean +SE. Different letter(s) over the bar in the same diagram indicated significant differences among the different regions (P < 0.05).

 

 

2015年岩茶区茶园土壤的pH值平均为4.69，比2008年该区域平均pH值下降0.8-1.3左右；但其土壤有效磷含量却大幅度上升，从低于2.2 mg·kg^-1上升到平均值为245.70 mg·kg^-1，上升幅度超过100倍（图2D, 3D）。与2008年兴田镇耕地土壤相比，洲茶区茶园土壤的有效磷含量也大幅度增加，从150 mg·kg^-1上升到411.04 mg·kg^-1，增幅近2倍。而桐木茶区土壤有机质、碱解氮和速效钾均有所上升，但增幅不大，并且其土壤有效磷含量变化不明显。

2.2  武夷山茶园土壤养分指标与茶青次级代谢物含量的关系

通过边界线分析，发现所测定的5个土壤养分指标（pH值、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾）均可影响茶青次级代谢物的含量。任何一个土壤指标过高或过低均会降低茶青次级代谢物的含量；并且，不同土壤养分指标对不同茶青次级代谢物的影响有所不同（图4）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4   武夷山茶园土壤养分与对应茶青中次级代谢物含量的关系

Fig. 4 Relationship between soil nutrients and secondary metabolites in Wuyi mountain tea garden

 

土壤酸碱度（pH值）对茶叶品质的影响极为显著，土壤pH值过高或过低均显著降低茶叶品质。除芦丁外，所测的茶青次级代谢物的含量在土壤pH值为4.5时最高；而芦丁含量在土壤pH值为5.0时最高（图4）。说明土壤pH值4.5-5.0较有利于茶叶优异品质的形成。茶青中6个次级代谢物的含量均随土壤有机质含量的增加呈现先增加到最高值，再急剧降低的趋势。其中，ECG、EGCG和总儿茶素的含量，在土壤有机质含量为20 g·kg^-1时最高；芦丁的含量在土壤有机质含量为40 g·kg^-1时最高；茶氨酸和咖啡碱的含量在土壤有机质含量为30 g·kg^-1时最高，在40 g·kg^-1时下降显著（图4）；说明土壤有机质含量在20-40 g·kg^-1利于茶叶品质的提高。土壤碱解氮对茶叶品质指标的影响与有机质类似，均为先增后减。除茶氨酸外，所测的大部分茶青代谢物含量在碱解氮为60 mg·kg^-1时最大，超过100 mg·kg^-1时急剧下降（图4）；说明土壤碱解氮含量在60-100 mg·kg^-1时对高品质茶叶生产有利。

值得一提是，几乎所有茶青代谢物含量在土壤有效磷较低时都比较高，大部分是在100 mg·kg^-1时最大；土壤有效磷超过200 mg·kg^-1，茶叶品质急剧下降（图4），说明高品质茶园土壤有效磷含量必须维持在200 mg·kg^-1以下。土壤速效钾含量过高或过低，均显著影响茶叶品质。对咖啡碱而言，土壤速效钾为100 mg·kg^-1时，其含量最高；对ECG、EGCG和芦丁来说，土壤速效钾为130 mg·kg^-1时，含量最高；茶氨酸和总儿茶素则是在土壤速效钾为150 mg·kg^-1时，含量最高（图4）。说明土壤速效钾含量在100-150 mg·kg^-1最利于茶叶品质的提高。

2.3  茶园土壤养分对茶青次级代谢物含量影响的比较分析

通过边界线分析方法，发现不同土壤养分指标对茶叶品质成分的影响比重有所不同（图5）。其中，碱解氮对总儿茶素、芦丁和EGCG的影响最大，比例分别为25.63%、32.92%和29.11%。土壤有效磷对咖啡碱和茶氨酸含量的影响最大，比例分别为31.90%和38.89%。土壤有机质对ECG含量影响最大，比例为32.72%。

 

 

图5    茶园土壤养分对茶青中次级代谢物含量影响的比较分析

Fig.5    Influence of soil nutrients on secondary metabolites content in tea garden

 

3 结论与讨论

3.1  近年来武夷茶区土壤酸化严重、存在过量施肥等问题

通过比较2008和2015年来武夷茶区土壤养分指标，可以发现，近年来武夷茶区土壤酸化严重，土壤pH值整体下降明显。其中，岩区茶园土壤pH值下降幅度最大、其次为洲茶区，桐木茶区土壤pH值基本稳定（图2A，图3A）。究其原因，可能是由于近年来岩茶价格飙升，茶农为追求产量，大量施肥、特别是大量施用氮肥所致。Guo等通过长期定位试验研究发现，长期施用大量氮肥是引起土壤酸化的主要原因^[23]。而张永利和孙力的研究也表明，大量施肥，特别是大量施用氮肥的，对茶园土壤酸化影响很大^{[24] [25]}。因此，虽然茶园施肥能在一定程度上增加产量，但过量施肥会造成茶园土壤pH值降低，出现酸化现象^[26]。

武夷山地处亚热带地区，其茶园土壤大部分为火山石或花岗岩发育的酸性红黄壤^[27]。热带亚热带地区的酸性红黄壤，由于常年高温多雨、土壤淋溶严重，并且土壤中铁、锰及铝等离子含量较高，土壤有效磷含量较低^[28]。本研究发现，与2008年相比，不到十年时间，武夷岩区茶园土壤有效磷含量至少上升了200 mg·kg^-1，增幅超过100倍；洲茶有效磷含量也上升了2倍左右，而桐木茶区土壤有效磷变化不显著（图2D，图3D）。进一步说明在岩区和洲茶区茶园，不仅大量施用氮肥，也大量施用磷肥。

此外，土壤有机质和碱解氮均表现为岩区、洲茶区下降，桐木茶区上升的趋势。而土壤速效钾在岩区、洲茶区和桐木茶区的茶园均有所上升。究其原因，可能是岩区和洲茶区虽然大量施肥，但也大量采收茶青，土壤肥力耗竭严重，造成有机质和碱解氮均显著下降。而岩区和洲茶区速效钾含量的上升，可能还是由于施用了大量钾肥所致。可见，在岩区和洲茶区茶园，不仅大量施用氮、磷肥，也大量施用钾肥。桐木茶区自1979年建立国家自然保区以来，其生态环境得到较大的改善，土壤肥力得到恢复，有机质逐渐累积，因此，其土壤碱解氮和速效钾有所上升、pH和有效磷相对较为稳定。这也与桐木茶园放养式管理方式有关^[29]，同时说明岩区和洲茶区茶园近十年来的化肥投入对土壤养分状况产生了很大影响。

总之，武夷茶区自2008年以来，茶园施肥量明显增加，并且肥料的种类是以含高浓度氮、磷和钾高配比的复合肥为主。其中以岩区茶园施肥增加最为显著，造成岩区茶园土壤pH值急剧下降、有效磷大幅度增加。

3.2 合理的土壤养分状况，利于茶叶品质的提高

茶氨酸、咖啡碱、芦丁、总儿茶素和多酚类单体物质（ECG、EGCG）是茶叶中重要的品质成分，它们含量的多少直接决定着茶叶品质的好坏^[30,31]。然而，所有代谢物（品质成分）的形成均离不开土壤养分的供应^[32]。本研究通过边际效应及贡献比例分析，研究了茶园土壤养分指标与茶氨酸、咖啡碱、芦丁、总儿茶素和ECG、EGCG等品质因子之间的关系，旨在为建设高品质茶园提供理论依据。

茶树对土壤酸碱度的适应范围较广，一般认为茶树最适pH值为4.5～6.5^[33]，这与本研究的结果有差异。本研究发现，土壤pH值超过5.0时，大部分次级代谢物含量急剧下降，说明茶树还是典型的喜酸作物^[34]，酸性土壤有利于生产高品质的茶叶。但是土壤pH值过低也不利于茶叶中品质成分的积累。本研究发现，当pH值低于4.3时，大部分次级代谢物含量也显著下降。并且，茶园土壤pH值在4.5～5.0时，各次级代谢产物含量均在最大值附近（图4）。因此，维持茶园土壤合理的酸碱度，对茶叶品质十分重要。

土壤肥力的丰缺程度，可以通过土壤有机质含量的多少来判断^[35]。通常认为，土壤有机质含量越高，茶园土壤的肥力越高、茶叶的品质越好。因此，在实际生产中，存在盲目施用有机肥的情况。本研究发现，土壤有机质含量过高并不有利于茶叶中次级代谢产物的积累。大部分次级代谢物的含量，在有机质高于40 g·kg^-1时急剧下降。说明有机质含量高的茶园并不意味着是高品质茶园。我们建议土壤有机质含量在20-40 g·kg^-1范围时，最有利于茶叶中品质成分含量的升高，使茶叶品质达到最优。

有效氮、磷、钾的含量在一定的范围内时，才有利于茶叶中次级代谢产物的积累，从而达到最优的茶叶品质。茶叶中组成蛋白质和氨基酸的主要元素是氮，茶树的生长发育以及产量和品质都与氮息息相关^[36]。为确保土壤肥力，每年需要向土壤中添加大量的氮素^[37]。但是NH₄⁺ 能和土壤中的盐基离子竞争吸附位点，进而造成盐基离子的淋洗，致使土壤酸化，降低了茶叶中次级代谢产物的积累，使茶叶品质下降。本研究发现，土壤碱解氮含量在60-100 mg·kg^-1时对所测的茶叶品质因子最有利。

茶园土壤中适宜的有效磷含量对提升茶叶的香气和滋味有着十分明显的作用^[38,39]。但土壤有效磷含量过高并不利于茶叶品质元素的积累，例如洲茶茶园土壤有效磷含量为411.04 mg·kg^-1，在三种茶区中最高，但茶叶品质最次。并且，在所测的茶青样品中，全部6个次级代谢物含量在100 mg·kg^-1以下最高，大部分在土壤有效磷超过200 mg·kg^-1急剧下降。说明茶园土壤养分管理中，“控磷”十分重要。

在茶树体内，钾的含量仅次于氮，钾对增强茶树的抗逆性有着十分显著的作用^[40,41]。岩区茶园土壤中速效钾含量在3种茶园中含量最高，这可能与正岩茶园处于丹霞地貌，紫色砂砾岩风化的土壤含钾量高有关。洲茶茶园土壤中速效钾含量仅次于岩区茶园，这极有可能是由于施用大量钾含量高的肥料引起。

3.3  武夷茶区高品质茶园适宜土壤养分范围及养分管理措施

从图5可见，本研究所测定的各项土壤养分指标，对不同茶叶品质因子的影响有所不同。因此，针对不同的品质因子，重点关注的土壤养分指标也有所不同。例如，针对茶叶保健功能，重点关注对EGCG和芦丁含量影响最大的碱解氮^[42]；针对茶叶滋味，重点在于对茶氨酸和咖啡碱影响大的土壤有效磷的变化^[43]。对总品质影响最大的ECG而言，土壤有机质的含量更为重要。说明高品质茶园土壤养分均衡供应十分重要。

然而，没有一个次级代谢物对品质因子有决定性的作用，并且各因子间也可相互转化^[44]，应对所有参数进行综合考虑。本研究通过拟合武夷山茶园土壤养分指标与对应茶青中次级代谢物含量的边际效应关系，发现各次级代谢物在最高含量附近时都有其对应的土壤养分范围。由此建议武夷茶区高品质茶园适宜的土壤养分范围为：pH值4.5～5.0；有机质20～40 g·kg^-1；碱解氮60～100 mg·kg^-1；有效磷<100 mg·kg^-1；速效钾100～150 mg·kg^-1。

综上所述，近年来武夷茶区存在土壤酸化明显、土壤退化严重，过度施肥（特别是过度施用高浓度复合肥）的现象。建议武夷茶区在养分管理方面，总体采取有机肥取代部分化肥，适量补氮和钾、严格控制磷肥施用的措施。

 

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