農藥噴施對茶園土壤理化性質的影響

蘭 燕,高 峰,王開騰,李 捷,陳 偉,吳永晨,楊桂娣*,楊 方*

(1.福建農林大學 生命科學學院/福建省農業(yè)生態(tài)過程與安全監(jiān)控重點實驗室,福建 福州 350002;2.福建海關技術中心,福建 福州 350001;3.福建省檢驗檢疫技術研究重點實驗室,福建 福州 350001)

茶葉作為全球三大天然飲料原材料之一,不僅具有提神醒腦、解渴消食、利尿解毒等藥理功能[1-],還具有抗癌、抗衰老、降血脂、降血糖和防輻射等多種獨特保健功效[4]。我國是世界上最大的產茶國和茶葉出口大國[7],茶樹種植面積和茶葉產量多年來穩(wěn)居世界首位[5]。化學農藥作為現代農業(yè)生產中必不可少的生產資料,施用之是控制植物病蟲害、提高農作物產量、增加農民收入的有效途徑之一[10-13]]。為了防治茶樹病蟲害,茶農經常會施用化學農藥,以保證茶葉產量、減輕茶農損失。近年來,隨著人們生活水平的提高,茶葉農藥殘留問題已成為影響茶葉質量安全的焦點之一,嚴重影響了我國茶葉產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

土壤作為茶園生態(tài)系統的重要組成部分,不僅為茶樹提供了賴以生存的棲息之地,同時也為茶樹的生長發(fā)育提供了相關的營養(yǎng)物質。土壤含水量、pH值以及土壤養(yǎng)分含量等理化性質是衡量土壤質量的重要指標[8],它們對茶樹的生長發(fā)育起著至關重要的作用。據報道,施入茶園的農藥有80%～90%最終會進入茶園土壤,從而間接影響茶葉品質[9]。目前,關于農藥殘留對茶園土壤微生物群落的影響已有較多報道,而關于農藥殘留對茶園土壤理化性質影響的報道則較少。筆者以福州市北郊茶區(qū)土壤為研究對象,通過分析農藥噴施前后土壤理化性質的變化規(guī)律,探究了農藥殘留對土壤質量的影響,從而為指導茶農科學種茶提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和樣地設置

該試驗茶園地處福建省福州市北郊(東經118°8′～120°31′,北緯25°15′～26°39′),年平均氣溫為20～25 ℃,年平均降水量為900～2100 mm,屬于亞熱帶季風氣候,海拔約為1000 m,土壤為紅壤土(偏酸性),較為適于茶樹的生長。

試驗樣地位于試驗茶園中部,長約60 m,寬約6 m。將試驗樣地分別設置為6個大小均一的小樣地,進行同樣的實驗處理。自2018年7月起進行田間實驗,在此之前樣地的利用率相同,沒有差異。

1.2 供試農藥

共試驗了22種農藥，具體情況見表1。

表1 供試的22種農藥的情況

1.3 農藥的噴施與樣品的采集

根據每種農藥的使用說明配比,將22種農藥按比例進行稱量配制。配藥采用二步法,先配母液,再進一步用水稀釋,用電動背負式噴霧器對除對照區(qū)域外的試驗樣地茶樹進行均勻噴施。利用土壤采集器采集距茶樹主根半徑20 cm范圍內且深度5～35 cm的土壤。將采集的土壤樣品置于室內常溫下自然風干,并去除殘枝腐葉、石塊等雜質,過60目篩,混合后采用四分法,選取1 kg土樣作為試驗樣品。未噴施農藥前采集的土壤樣品為空白組土樣,命名為CK;噴施農藥后2 h,2、3、4、5、20、40、60、80、120 d采集的土壤樣本為實驗組土樣,分別命名為D1、D2、D3、D4、D5、D20、D40、D60、D80和D120。

1.4 土壤基本理化指標的測定

土壤含水量的測定采用烘干法;土壤pH值的測定采用酸度計法(水土比2.5∶1);土壤全氮(TN)含量的測定采用凱氏定氮法;土壤全磷(TP)含量的測定采用氫氧化鈉-鉬銻抗比色法;全鉀(TK)含量的測定采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法;土壤速效氮(AN)含量的測定采用堿解擴散法;土壤速效磷(AP)含量的測定采用氫氧化鈉浸提-火焰光度法;速效鉀采用1 mol/L中性NH4OAc浸提,按火焰光度計法測定其含量[14];土壤有機質(SOM)含量的測定采用重鉻酸鉀容量法-硫酸消化法[15]。

對檢測數據采用SPSS 19.0進行主成分和相關性分析；不同處理間平均值的比較采用最小顯著差值法(LSD)。

2 結果與分析

2.1 噴施農藥前后土壤含水量、pH值、有機質含量的分析

土壤含水量主要來源于外界降水,大部分以地面蒸發(fā)的形式丟失。在噴施農藥以后,除去外部因素,農藥對土壤含水量的影響很小。未噴施農藥前的空白土壤含水量為5.6%,噴施農藥后D2組土壤含水量過高，主要是由于在噴施農藥以后采集完第1天的土壤,有小雨降落,導致其含水量變高,其含水量為7.6%,隨后又降至3.6%,第3天(包含第3天)以后的土壤含水量均維持在3.7%左右。

土壤酸堿度對土壤肥力及植物生長的影響很大,我國北方土壤pH值大,而南方紅壤pH值較小,因此可以根據土壤酸堿度種植相適應的作物,如在紅壤地區(qū)可種植喜酸的茶樹，在堿性土壤上可種植抗堿能力強的苜蓿。此外,土壤酸堿度對養(yǎng)分的有效性影響也很大,如酸性土壤中鐵、錳、鋅、銅的有效性大,在中性土壤中磷的有效性大,而在堿性土壤中錳、銅、鋅的有效性差。茶樹生長最適的pH值為4.5～6.0[16]。在本試驗噴施農藥前,茶園土壤的pH值為4.57,噴施農藥以后的土壤pH值均小于4.5,最小值達到3.5,土壤酸化較嚴重,可影響茶葉的品質。因此在茶葉生產中應注意土壤pH值的動態(tài)變化,積極采取措施。

土壤有機質是茶園土壤養(yǎng)分的主要來源,能夠促進微生物的活動,維系土壤良好的理化性質,是表征土壤肥力的重要指標[18]。根據《茶葉產地環(huán)境技術條件》[19]中規(guī)定的土壤Ⅰ級肥力指標,本試驗在噴施農藥前、后土壤有機質含量均符合Ⅰ級肥力指標標準(有機質含量>15 g/kg),尤其是噴施農藥后土壤有機質含量顯著增加(圖1),這可能與土壤微生物作用有關,有報道表明土壤微生物類群能夠將農藥作為一種自身需要的碳源并加以利用[20],導致土壤有機質含量增多。

2.2 噴施農藥前后茶園土壤全效養(yǎng)分的分析

氮素是植物生長的必需元素,也是植物細胞的重要組成成分,土壤全氮含量是衡量土壤氮素供應狀況的重要指標,直接影響植物的生長發(fā)育,決定土壤有機質的積累與分解強度[21]。土壤氮素主要來源于土壤有機質,所以土壤中有機質含量豐富的地段一般氮素含量也高[22]。在本研究中，未噴施農藥前空白組土壤全氮含量均符合土壤Ⅰ級肥力指標；噴施農藥后實驗組土壤全氮含量也有不同程度的增加(圖2)。

圖1 噴施農藥對茶園土壤pH值和有機質含量的影響

土壤全磷量是磷的總貯藏量,包括有機磷和無機磷兩大類。土壤中的磷素大部分以遲效性的狀態(tài)存在,因此全磷含量高時并不意味著磷素供應充足；而當全磷含量低時,卻可能意味著磷素供應不足[23]。本試驗分析結果表明,土壤磷的含量變化沒有明顯的規(guī)律,主要是因為土壤磷含量變異系數較大,極易受外界環(huán)境的影響(圖2)。

圖2 噴施農藥對茶園土壤全效養(yǎng)分含量的影響

全鉀是水溶性鉀、交換性鉀、非交換性鉀和結構態(tài)鉀的總和。全鉀中90%～98%在相當長時間內是無效的,雖然全鉀含量不能用于指導施肥,但也是土壤質量的重要指標之一[24]。在本試驗噴施農藥前采集的土壤全鉀含量為2.3 g/kg；在噴施農藥后略有升高,但仍不符合土壤Ⅰ級肥力指標,所以該區(qū)域土壤全鉀嚴重缺乏,應注意鉀肥的施用,避免全鉀過度缺乏而影響茶樹生長,間接影響茶葉品質。可見,在土壤全效養(yǎng)分方面,除全氮含量較為充足外,其他全效養(yǎng)分均較為匱乏,應注意鉀肥和磷肥的施用。

2.3 噴施農藥前后土壤速效養(yǎng)分的分析

土壤速效氮是作物氮營養(yǎng)元素的主要來源[25],包括礦物質態(tài)氮和有機態(tài)氮中比較容易分解的部分,其含量測定結果與作物氮素吸收有較好的相關性[26]。從圖3可以看出，在噴施農藥以后,土壤速效氮的含量與空白組相比逐漸升高,呈現D5>D4>D3>D2>D1>CK,且空白組土壤速效氮的含量為18 mg/kg,低于土壤Ⅲ級肥力指標(<50 mg/kg)；雖然噴施農藥后土壤速效氮含量有不同程度的升高,但其仍沒有達到土壤肥力Ⅰ級指標,因此要根據土壤速效氮的匱乏程度進行施肥處理。

速效磷是指土壤中較容易被植物吸收利用的磷,除土壤溶液中的磷酸根離子外,土壤中的一些易溶的無機磷化合物、吸附態(tài)磷均屬于速效磷的一部分[27]。速效磷是對作物最為有效的部分,也是評價土壤供磷水平的重要指標[28]。分析結果表明,不同天數采取的土壤樣品,其速效磷含量表現為D60>D40>D20>D5>D3>D4>D2>CK>D1,且空白組土壤速效磷含量和實驗組土壤速效磷含量均符合土壤Ⅰ級肥力指標,因此噴施農藥前后土壤速效磷較為豐富,無需施加磷肥。

速效鉀是指土壤中易被作物吸收利用的鉀素,包括土壤溶液鉀及土壤交換性鉀,是表征土壤鉀素供應狀況的重要指標,對指導鉀肥的施用具有重要意義[29]。本研究分析結果表明,在噴施農藥以后,土壤速效鉀的含量大小表現為D20>D5>D4>D3>D2>D1>CK,且空白組土壤速效鉀的含量為40 mg/kg；雖噴施農藥以后土壤速效鉀含量顯著增加,但其始終不符合土壤肥力Ⅰ級指標,所以應注意鉀肥的施用,增加土壤中鉀元素的含量,防止速效鉀含量過度匱乏,影響茶樹的生長與茶葉的質量。可見,在土壤速效養(yǎng)分方面,除速效磷養(yǎng)分較為充足外,其他速效養(yǎng)分均較為匱乏,應注意氮肥和鉀肥的施用。

2.4 噴施農藥前后土壤理化性質的主成分分布分析

以33個土壤樣品的11個土壤理化性質在噴施農藥前后不同時間段的變化為指標,分析了不同時間段茶園土壤理化性質的主成分分布。從圖4可以看出：D5、D40、D60組的土壤理化性質指標分布在第Ⅰ象限,由此可知這3組土壤理化性質的指標優(yōu)于其他各組;D3、D4、D20組土壤理化性質指標分布在第Ⅳ象限,且D3與D4組相距較近,與其他各組相距較遠,可見,D3、D4組的土壤理化性質指標較為相似,且與其他各組的土壤理化性質指標存在一定的差異。以不同時間段的土壤理化性質為指標,可以較好地區(qū)分噴施農藥后土壤理化性質的變化。

圖3 噴施農藥對茶園土壤速效養(yǎng)分含量的影響

圖4 噴施農藥對茶園土壤理化性質影響的主成分分布

2.5 噴施農藥前后茶園土壤理化性質的相關性分析

噴施農藥前后不同時間段茶園土壤理化指標間的Pearson相關性分析結果(表2)表明:有機質含量與土壤pH值、土壤含水量和其他土壤養(yǎng)分含量相關性較弱;土壤pH值與全磷含量呈顯著負相關,相關系數為-0.726;土壤含水量和速效氮含量與土壤其他養(yǎng)分含量相關性較弱;速效磷含量與速效鉀含量呈極顯著正相關,與全磷含量呈顯著正相關,相關系數分別為0.873和0.694;速效鉀含量與全磷含量呈顯著正相關,相關系數為0.689;全氮含量與全磷含量呈顯著負相關關系,相關系數為-0.687。

表2 噴施農藥前后茶園土壤理化指標間的Pearson相關系數

注：“**”表示相關極顯著(P<0.01)；“*”表示相關顯著(P<0.05)。

3 結論與討論

本研究結果表明:噴施農藥前后茶園土壤養(yǎng)分含量在各個時間段均有差異;土壤含水量無明顯變化;土壤pH值持續(xù)降低,當pH值<4.5時,不適于茶樹生長；隨著種植時間的延長，茶園土壤會逐步酸化,故在一定年限后,應注意采取適當的防治措施;噴施農藥前后除茶園土壤有機質、全氮、速效磷含量大部分達到農業(yè)部規(guī)定的茶園土壤Ⅰ級肥力水平外,其他土壤理化性質的指標值較低,會限制茶樹的生長,影響茶葉的質量,可針對貧瘠養(yǎng)分進行施肥處理,改善茶園土壤養(yǎng)分狀況。