2019, Vol. 51
茶树是喜酸性土壤的作物，但并非土壤越酸，对茶树生长就越好，只有适宜的土壤pH是其根系生存的基础，土壤酸化将直接对茶树根系的吸收功能产生影响。林智等[1]研究表明，当土壤pH为5.0 ~ 6.0时，茶树的根系发达，生长旺盛；当pH < 4.0时，茶树根尖萎缩，生长受抑制，对氮、磷、钾的吸收量也急剧下降。导致茶园土壤酸化的原因主要有外部因素和内部机制两方面。外部原因主要包括酸沉降和铵态氮肥的施用[2-3]，内部机制主要包括茶树自身物质循环和茶树根系代谢[4-6]。
茶园土壤酸化问题不是仅存在于个别省份和个别茶园，较多研究报道均指出，我国不同地区茶园土壤酸化现象日益严重，土壤pH适宜茶树生长的茶园比例在不断减少[7-10]。2003—2005年对江苏省典型茶园调查显示：调查的23个茶园土壤pH均低于茶树生长最适值pH 5.5[11]。对福建省107个典型茶园土壤pH进行测定，结果发现，土壤pH < 4.50的茶园占86.9%，其中pH < 4.00的占28%[12]。相关研究表明，随着土壤酸化程度的加剧，会导致盐基离子的淋失[13]，增强土壤中重金属的活性[14]，以及活性铝的溶出[15]，从而降低茶叶品质，危害人类健康。由此可见，茶园土壤酸化是一个不可忽视的土壤环境问题。
施用土壤调理剂是修复退化土壤的重要措施之一。土壤调理剂能有效改善土壤酸度、提高土壤肥力、恢复酸性土壤的生产力，对农业的持续发展和生态环境的保护均具有重要意义。目前，常用的土壤调理剂为石灰，但石灰在土壤中移动性较差，长期或大量使用会引起土壤板结及元素失衡，从而导致作物减产[16]。国内外土壤调理剂品种繁多，主要包括矿物和工业废弃物[17-18]、有机物料[19]、微生物制剂[20]、高聚物[21]以及生物质炭[22]等，不同调理剂的性质组成、作用机理和在不同类型土壤的施用效果也不同。因此，本文选取3种土壤调理剂(“亚科丰”牌土壤调理剂、“田师傅”牌土壤调理剂和生物质炭)，研究其对酸性茶园土壤改良效果和对茶叶产量品质构成的影响，以期为酸性茶园土壤改良提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验茶园位于江苏省苏州市吴中区金庭镇堂里村，地理位置120°14′50′′E，31°7′7′′N，海拔50 m，茶树品种为当地碧螺春群体种。土壤基本性质如表 1所示。
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表 1 试验茶园土壤基本性质 Table 1 Basic properties of soil of tested tea garden |
试验设置6种不同施肥模式，分别为：不施肥、配方肥、配方肥+“亚科丰”土壤调理剂、配方肥+“田师傅”土壤调理剂、配方肥+生物质炭，各处理肥料施用量如表 2所示。每个试验小区面积为2亩(1亩=667 m2)。各处理肥料于2016年10月一次性施入，不追肥。2017年春，调查每个试验小区茶树发芽密度和百芽重，并采集新梢，每个小区内重复4次。茶叶样品微波杀青2 min后60℃烘干至恒重，磨碎后备用。2017年10月，采用多点混合法在每个试验小区采集0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm的土壤样品，每个小区内重复3次。样品采集后及时摊开风干，剔除杂物后研磨过20目和100目筛，备用待测。
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表 2 各试验处理肥料施用量(kg/hm2) Table 2 Fertilizer application amount of each treatment |
供试茶叶配方肥购自湖北宜施壮农业科技有限公司，总养分≥40 g/kg，N:P2O5:K2O=18:8:12；“亚科丰”土壤调理剂购自山西世纪亚科丰肥业有限公司，其K2O≥40 g/kg，CaO≥300 g/kg，MgO≥160 g/kg，SiO2≥120 g/kg，pH 11 ~ 12；“田师傅”土壤调理剂购自广东大众农业科技股份有限公司，其CaO≥250 g/kg，MgO≥70 g/kg，pH 9 ~ 12；生物质炭购自南京勤丰秸秆科技有限公司，为玉米秸秆炭。
1.3 测定项目与方法土壤pH采用水浸提电位法，土水比为1:2.5，用ORION 3 STAR(Thermo公司，美国) pH计测定；土壤全氮(TN)和全碳(TC)采用Vario Max CN碳氮分析仪(Elementar公司，德国)测定；有机质(OM)依据OM = TC×1.724换算；有效磷、速效钾等养分采用Mehlich 3浸提剂浸提[23]，水土比10:1混合振荡，电感耦合等离子体光谱仪ICP(TJA公司，美国)测定。
茶树鲜叶全氮：称取20.0 mg研磨均匀的茶叶干样，采用Vario Max CN碳氮分析仪(德国Elementar公司)进行测定。全磷和全钾等其他矿质元素：称取200.0 mg研磨均匀的茶叶干样，经马弗炉干灰化后加入6 mol/L HCI，用电感耦合等离子体光谱仪ICP(美国TJA公司)进行测定。品质成分：称取100.0 mg研磨均匀的茶叶干样，加入5.0 ml水，100 ℃加热5 min，吸取浸提液，茚三酮比色法测定游离氨基酸总量(GB/T 8314—2002)，酒石酸铁比色法(GB/T 8313—2008)测定茶多酚总量。
1.4 数据处理采用Excel 2016和SPSS 21.0统计软件对测得的数据进行处理和分析。
2 结果与分析 2.1 不同调理剂对茶园土壤pH的影响施用不同调理剂处理1 a后，茶园土壤pH的变化如图 1所示，其中虚线表示施用前土壤初始pH。结果表明，在0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土层中，3种土壤调理剂均能不同程度提高土壤pH。其中，在0 ~ 20 cm土层，“亚科丰”、“田师傅”和生物质炭分别提高土壤pH 0.23、0.17和0.11个单位，但三者之间差异不显著(P > 0.05)；在20 ~ 40 cm土层，“亚科丰”、“田师傅”和生物质炭分别提高土壤pH 0.65、0.31和0.21个单位，“亚科丰”与其他两种改良剂呈显著性差异(P < 0.05)。对照处理和配方肥处理的土壤pH较初始pH有所下降，两者之间差异不显著。
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(图虚线为处理前土壤pH；图中不同小写字母表示各处理间差异在P < 0.05水平显著；下同) 图 1 不同施肥处理对茶园土壤pH变化的影响 Fig. 1 Soil pH values under different fertilization treatments |
不同土壤调理剂处理茶园土壤全氮和有机质含量变化如图 2所示。结果显示，茶叶配方肥处理以及不同土壤调理剂处理土壤全氮含量显著高于不施肥处理(P < 0.05)，其中，生物质炭处理全氮含量最高；所有处理0 ~ 20 cm土层全氮含量显著高于20 ~ 40 cm土层。不同施肥处理土壤有机质含量显著高于不施肥处理(P < 0.05)，其中，生物质炭处理的有机质含量最高，其次是茶叶配方肥处理，之后依次为“亚科丰”和“田师傅”处理，但处理间差异不显著；所有处理0 ~ 20 cm土层有机质含量显著高于20 ~ 40 cm土层。
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图 2 不同施肥处理对茶园土壤全氮和有机质含量的影响 Fig. 2 Soil total nitrogen and organic matter contents under different fertilization treatments |
不同调理剂处理土壤有效态磷、钾、钙和镁含量如表 3所示。单独施用茶叶配方肥处理0 ~ 20 cm土层有效磷含量最高，显著高于其他处理(P < 0.05)，其次是生物质炭处理、“亚科丰”处理，“田师傅”处理有效磷含量相对较低；生物质炭处理0 ~ 20 cm土层速效钾含量最高，但与其他处理之间差异不显著；生物质炭处理0 ~ 20 cm土层有效钙含量最高，显著高于其他调理剂处理(P < 0.05)；“田师傅”处理0 ~ 20 cm土层有效镁含量最高，但与其他处理之间差异不显著。
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表 3 不同处理茶园土壤主要养分元素含量(mg/kg) Table 3 Contents of soil main nutrients under different treatments |
不同土壤调理剂作为秋季基肥施入后，翌年春，茶芽萌发时调查不同处理的发芽密度和百芽重，并采摘茶鲜叶测定品质成分(表 4)和主要元素含量(表 5)。结果显示，生物质炭处理的茶鲜叶新梢发芽密度在所有处理中最高，其次是“亚科丰”处理，该两种处理显著高于其他处理和对照(P < 0.05)；在百芽重方面，生物质炭处理同样是最高，但各处理之间差异不显著(表 4)。单独施用茶叶配方肥处理的茶多酚总量最高，达302.02 mg/g，“亚科丰”处理的茶多酚总量最低244.75 mg/g；在游离氨基酸总量方面，生物质炭处理最高，显著高于其他土壤调理剂处理(P < 0.05)；所有处理的酚氨比均小于8，其中单独施用茶叶配方肥处理酚氨比最高，生物质炭处理最低(表 4)。不同处理的茶鲜叶全氮含量无显著差异；施肥处理的全磷含量显著高于对照不施肥处理，“亚科丰”处理的全磷含量最高；3种土壤调理剂处理茶叶全钾含量显著高于对照和单独施用茶叶配方肥处理；施肥处理的全钙含量显著高于对照不施肥处理，“亚科丰”处理的全钙含量最高；“田师傅”和生物质炭处理的茶叶全镁含量较高(表 5)。
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表 4 不同处理的茶叶产量和品质构成 Table 4 Yield and quality components of tea under different treatments |
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表 5 不同处理的茶叶中主要养分元素含量(g/kg) Table 5 Contents of main nutrient elements in tea leaves under different treatments |
种植茶树会加速土壤的酸化，随着植茶年限的增加，土壤酸化程度会愈加严重[24-26]。茶树偏爱酸性环境，适合其生长的土壤pH范围在4.5 ~ 6.0[27]，其中pH 4.5 ~ 5.5最适宜种植茶树，但土壤pH过低则会影响茶树的正常生长[28]。试验区茶园土壤酸度偏低，pH < 4.5，其中表层土(0 ~ 20 cm)pH为4.26，亚表层土(20 ~ 40 cm)pH为4.31(表 1)，这可能是由于长期不合理的施肥结构造成。因此，本研究选取3种土壤调理剂与茶叶配方肥配施改良土壤酸度，并检验土壤改良剂对茶园土壤基本性质和茶叶产量品质构成的影响。结果显示，3种不同改良剂可以不同程度地提高土壤pH，因为这3种物质均呈碱性，具有较高的pH；其中，“亚科丰”处理的表现较好，提高土壤pH的幅度较高(图 1)。有研究发现，“亚科丰”土壤调理剂能显著提高酸性水稻土壤pH，这与本研究结果一致[29]。
茶叶的产量和品质与土壤养分有着密切联系。土壤有机质是土壤微生物和茶树多种营养的物质基础，不仅能增强土壤保水保肥能力，对酸碱有较强的缓冲能力，还可以促进根系对矿质营养的吸收[30]。研究结果显示(图 2)，不同土壤调理剂处理后的土壤有机质含量显著高于不施肥处理(P < 0.05)，其中，生物质炭处理土壤有机质含量最高。生物质炭用作土壤改良剂，不仅可以改善土壤的物理性质、增强土壤的保水能力、促进土壤微生物种群的发展以及养分的循环，并且可以增加土壤有机碳的含量，从而促进植物的生长[31-33]。氮、磷、钾是茶树生长所必需的3种元素，氮是蛋白质的主要成分，同时也是原生质的重要组成；磷对茶树根系分枝、根系吸收能力及幼苗生长有较好的促进作用；而钾是多种酶的活化剂，不仅能促进光合作用和呼吸作用，还能提高茶树抗逆性[34]。本研究显示生物质炭处理的茶园表层土壤全氮(图 2)和速效钾含量最高，有效磷含量在3种土壤调理剂处理中最高(表 3)。茶树多数生长在温暖多雨气候条件的亚热带地区，该地区土壤氮素容易淋失，然而添加生物质炭可以增加土壤对氮素的保持能力，提高氮素速效性[22, 35-37]。生物质炭本身含有磷，这些磷可以被植物利用，施用生物质炭可以直接增加土壤磷素水平，提高作物的产量[38]。此外，生物质炭表面带负电荷，具有较高的阳离子交换量，可以提高土壤对养分离子钙、钾、镁和铵等的吸持能力，提高土壤的肥力[39-40]。施用土壤调理剂后，茶叶中磷、钾、钙和镁含量显著高于不施肥处理(表 5)，说明土壤调理剂的加入会促进茶树对磷钾等大量元素的吸收。
春季茶芽萌发时调查不同处理的发芽密度和百芽重，这两个指标在一定程度上能反映茶叶产量，而生物质炭处理在这个两个指标上表现均最优(表 4)，说明土壤中添加生物质炭可以促进茶树新梢萌发，并能提高茶叶产量。这与前人的研究结果一致，土壤中适量施入生物质炭可促进水稻、玉米以及甜椒生长，提高产量[41-43]。
本研究中关于茶叶品质成分主要测定了游离氨基酸和茶多酚。游离氨基酸是一种含氮有机物，其组成、含量及其降解产物和转化产物将直接决定茶汤滋味和茶叶品质，同时对茶叶香气有很好的促进作用[44]。游离氨基酸在茶树中的含量范围为1.1% ~ 6.5%[45]，其含量越高，茶汤越鲜爽，香气高长，品质更优良。本研究结果显示(表 4)，生物质炭处理的游离氨基酸总量最高，显著高于其他土壤调理剂处理(P < 0.05)。茶多酚是一类存在于茶树中的多元酚混合物，是茶汤涩味的主体，但也是茶叶保健功能的首要成分[46-47]，其含量一般占总干物质的18.00% ~ 36.00%。有研究表明，茶多酚含量在20.00%以内，茶汤滋味与其含量呈显著正相关，含量在20.00% ~ 24.00%的范围内仍维持茶汤浓度、醇度和鲜爽度的和谐统一，但茶多酚含量进一步增加后，茶汤苦涩味开始形成并逐渐加重，使得正相关性发生逆转[48-49]。本研究结果显示(表 4)，单独施用茶叶配方肥处理的茶多酚总量最高，达到302.02 mg/g，“亚科丰”处理的茶多酚总量最低244.75 mg/g，但是无论哪个处理，茶多酚含量整体偏高，可能与栽培品种有关。酚氨比是评价茶叶适制性的指标之一，制作绿茶要求酚氨比 < 8.00，制作红茶要求酚氨比＞15.00，制作乌龙茶则居于二者之间(8.00 < 酚氨比 < 15.00)[50]。酚氨比还是表征茶叶品质的重要指标，能较好地反映茶汤滋味品质。本研究中，所有处理的酚氨比均小于8，说明使用其中单独施用茶叶配方肥处理酚氨比最高，生物质炭处理的酚氨比最低。从酚氨比的角度，无论哪个处理都是适制绿茶的，这也符合该地区主产绿茶的特征。
4 结论本研究3种土壤调理剂均能不同程度地改善茶园土壤肥力及提升茶叶产量和品质，对表层土壤的改良效果要明显好于亚表层土壤。其中，在提高酸性茶园土壤pH方面，“亚科丰”土壤调理剂改良效果较好，提升土壤pH幅度较高；生物质炭在增加土壤有机质及氮磷钾含量，以及提高茶叶产量和品质方面综合表现较好。本研究呈现的1 a短期试验结果，还需通过长期定位试验观测土壤调理剂的改良效果，同时改良机理也有待于进一步研究。
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