不同節水灌溉模式對白茶品質及茶園土壤重金屬含量的影響

陳 康，王會全,2，陳競楠

(1.福建農業職業技術學院園藝園林學院，福建 福清 350000；2.福建農林大學園藝學院，福州 350000)

白茶是一種輕發酵茶，其香氣清鮮、滋味鮮醇，屬于我國特有茶類[1,2]。白茶品種目前有貢眉、白毫銀針和白牡丹等[3]。研究表明白茶具有較好的調節免疫、抗氧化抗突變和降低血脂的功能，進而推動了白茶的市場擴張，同時推進了白茶的科學研究和生產工藝創新[4]。

白茶化學品質指標包括茶多酚、水浸出物、氨基酸和可溶糖等，優化白茶品質是提高白茶產值的有效途徑。另一方面，綠色食品茶葉生產標準(NY/T 288-2012)對優質白茶中鉛、銅等重金屬含量有嚴格限制。如何提升白茶中化學品質指標含量、降低茶葉重金屬累積，是名特優白茶栽培過程中需要考慮的重要問題。水分是重金屬等污染元素在土壤中運移轉化的載體[5,6]，同時也是白茶品質形成的關鍵影響因子。已有研究表明[7,8]，節水灌溉措施通過調控土壤pH值、氧化還原電位等對土壤重金屬賦存形態和存在形式產生影響，適度的灌溉調控加速土壤溶解性有機碳增加，必然導致稻田土壤重金屬賦存形態及其有效性的改變。此外，節水灌溉技術能明顯增加茶葉中各種生化成分，其中較地面灌溉茶園水浸出物增加0.32%～0.54%、茶多酚增加0.31%～0.88%、氨基酸增加0.10%～0.22%、兒茶素增加1.7～1.9 mg/kg、咖啡因增加0.23%～0.36%[9]。

過去噴灌、滴灌等節水灌溉措施主要應用于平原栽培區，隨著灌溉技術的進步，先進灌溉設施設備目前已經能滿足丘陵地區灌溉需求[10]。然而，綜合考慮茶葉品質效益和生態環境效益的節水灌溉模式、灌溉水量、灌水制度如何確立仍需要進一步研究。本研究設計不同節水灌溉方式和不同土壤水分下限，觀測不同處理下白茶化學品質指標，監測不同灌溉方式對茶園土壤重金屬累積的影響，通過投影尋蹤分類模型決策，對白茶灌溉方案進行綜合評價，以期為提升優質白茶配套栽培水平提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗區位于福建省福鼎市磻溪鎮，屬于中亞熱帶季風氣候區，海洋性季風氣候明顯，四季分明，雨量適宜。試驗區多年平均降雨量1 578 mm，年平均溫度18.5 ℃，相對濕度80%，無霜期227 d。試驗茶葉品種為12年生白茶樹，土壤為典型福建地區紅壤土，pH 5.6，土壤容重1.42 g/cm3，孔隙度45.3%，有機質含量2.1%，速效氮含量42 mg/kg，速效磷含量11.4 mg/kg，速效鉀含量58 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗時間為2018年7月-2019年6月，試驗區總面積0.4 hm2。試驗設計噴灌和滴灌2種節水灌溉方式，及65%、75%和85%共3種相對土壤含水率的灌水下限，即共有6個處理，每個處理占地15 m×15 m，各處理均重復3次。噴灌選用PY130型噴頭，壓力0.25 MPa。滴灌管選擇滴頭滴灌管，滴頭間距30 cm，內徑8 mm，滴灌工作壓力0.25 MPa。滴灌和噴灌的干管均沿丘陵等高線布置，支管垂直于干管，毛管與支管垂直并雙向輸水。白茶于3月底陸續采摘。試驗期間滴灌處理累積灌水量分別為93、109和165 mm，噴灌處理灌水量為102，121和188 mm。

1.3 測定指標

試驗前將水分傳感器(HYTS-414C，廣西慧云信息技術有限公司)橫向埋于茶樹主根區即40 cm土層深度，與之相連的絕緣導線露出土面，測定時連接傳感器與數據采集器讀取數據。此外，在試驗前與試驗中用麻花土鉆采集3次主根區土壤樣品，土樣置入鋁盒中放入烘箱，105 ℃烘干至恒重，稱量后計算土壤質量含水率。質量含水率用于核準傳感器測定結果，及時發現傳感器測定誤差。

試驗開始前，用麻花土鉆采集0～20、20～40 cm土層土樣測定土壤主要重金屬指標，每個處理隨機選擇3個采樣點，采樣點位于茶樹根際。試驗結束后，原位采集0～20、20～40 cm土層土樣，用于測定茶園土壤重金屬。主要檢測指標包括鉻、砷、鎘、汞、銅和鉛，采用美國Perkin Elmer公司生產的NexION300X電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)進行測定。

收獲時各處理鮮茶制成干茶，用于測定品質指標。其中水浸出物根據《GB/T 8305-2013茶水浸出物測定》；游離氨基酸總量根據《GB/T 8305-2013茶 游離氨基酸總量的測定》；茶多酚和兒茶素根據《GB/T 8305-2013茶葉中茶多酚和兒茶素的檢測方法》測定。

1.4 數據分析

數據分析采用SPSS17.0軟件，依據Duncan's multiple range test進行顯著性分析[11,12]。

2 結果與分析

2.1 茶樹主根區土壤含水率動態變化

圖1所示為茶樹主根區土壤含水率動態變化。圖1中可看出，土壤體積含水率在首年7月-8月出現了較大幅度下降，因灌溉回升后，在首年10月至次年1月均較為平穩。采摘前期(次年2-3月)土壤含水率相對穩定。不同控水下限以85%土壤含水率較高，在噴灌處理中尤為明顯。噴灌條件下85%控水下限整個測定期均處于較高水平，9月28日測定峰值達到23.2%。

圖1 不同節水灌溉處理茶葉主根區(40 cm)位置土壤含水率動態變化(65%、75%和85%表示土壤控水下限)Fig.1 The dynamic changes of soil water content at the location of the main root zone (40 cm) of tea leaves under different water-saving irrigation treatments (65%,75% and 85% represent the soil water control limit)

2.2 不同節水灌溉模式對白茶品質的影響

水浸出物是茶湯的關鍵呈味物質，其多寡決定了茶湯口感的厚薄和濃強[1]。不同處理水浸出物濃度如表1所示，表1中可看出，滴灌條件下不同控水下限白茶水浸出物濃度的差異并不顯著(p>0.05)；噴灌下以75%控水下限水浸出物濃度最高，達到47.6%。總體上，噴灌提升水浸出物濃度的效果優于滴灌，提升幅度為1.5%～12.5%。

表1 不同灌溉方式下茶葉品質指標含量 %Tab.1 Tea quality index content under different irrigation methods

多酚類物質略帶苦澀且有一定刺激性，其重要組分兒茶素是形成茶葉品質的重要化學物質[13]。研究表明[14]，白茶兒茶素含量僅次于綠茶，因此形成了白茶滋味醇和的獨特口感。表1可看出，茶多酚和兒茶素均勻噴灌條件下75%控水下限處于較高水平，分別達到14.2%和12.5%，但噴灌條件不同控水下限之間白茶茶多酚和兒茶素含量差異并不顯著(p>0.05)。相比滴灌處理，噴灌處理可使得茶多酚和兒茶素含量分別提升0.7%～4.6%和1.1%～4.2%。

氨基酸呈鮮甜滋味，有利于提升茶湯的鮮爽程度同時可在一定程度上緩解苦澀味[1，15]。本研究中，氨基酸含量以噴灌75%控水下限顯著高于其他各處理(p<0.05)，達到6.66%。同時，在相同控水下限下，噴灌處理白茶游離氨基酸含量高于滴灌，提升幅度為0.8%～6.5%。總體上看，噴灌處理對白茶品質形成的促進效果優于滴灌，但各品質指標含量的提升幅度并不明顯，可見白茶加工后的品質趨穩。

2.3 不同節水灌溉模式對茶園土壤重金屬含量的影響

一般認為，土壤鉻和鉛污染通過食物鏈對人體導致非致癌風險，而鎘極易導致致癌風險[16-18]。表2所示為不同灌溉方式下耕層土壤(0～20和20～40 cm)土壤重金屬含量。表中可看出，茶園土壤重金屬主要富集在表層，6種重金屬元素在剖面上的分布基本均呈現0～20 cm含量高于20～40 cm的規律。

表2 不同灌溉方式下重金屬含量 mg/kgTab.2 Heavy metal content under different irrigation methods

相同灌溉方式下，控水下限越低，土壤重金屬含量越高(個別處理除外)。滴灌后，0～20 cm土層土壤重金屬含量隨控水下限的升高而降低(汞元素除外)；20～40 cm土層重金屬分布規律與0～20 cm類似。噴灌后，除鎘和汞外，以65%控水下限土壤重金屬含量處于最高水平，75%次之，85%最低，各控水下限之間鎘和汞元素含量的差異并不顯著(p>0.05)。無論是0～20 cm還是20～40 cm土層，滴灌后土壤重金屬含量的降低幅度總體上均高于噴灌，這可能由于滴灌局部濕潤土壤效果好，部分可溶態重金屬離子縱向遷移相比噴灌處理更為明顯，因此降低幅度更大，而噴灌處理灌水均勻度高于滴灌，重金屬離子更容易存在橫向遷移的情況。

不難發現，灌溉后0～20和20～40 cm土層土壤各重金屬含量總體上均有所下降，在總量不變的情況下，本研究認為灌溉水對土壤重金屬有一定的淋洗作用，主要重金屬元素存在向40 cm以下土層遷移的趨勢。此外，有研究表明，較高的灌水量能夠提高有機質和重金屬離子結合能力，使重金屬離子向結合態轉化，減少其在植物中的累積[7]。高灌水量形成的土壤環境呈現還原態，鎘等金屬離子易形成硫化鎘沉淀，從而降低了重金屬離子的生物有效性[14]。綜上，在土壤重金屬含量較高的白茶栽培區，可以通過適當提高灌溉量的方法來降低重金屬污染風險。

2.4 基于高優白茶品質和低重金屬殘留的節水灌溉模式綜合評價

節水灌溉策略的評估涉及多目標和多指標，主觀決策存在一定局限性[19]。為了使得評價結果更為科學、可靠，本研究采用投影尋蹤分類模型對不同節水灌溉模式進行綜合評價。投影尋蹤是分析和處理高維數據的方法，1974年，Friedman和Tukey第一次命名投影尋蹤為Projection Pursuit[20]。目前，投影尋蹤在灌溉[21]、排水[22]等水利方案制定中有廣泛應用。其建模步驟如下[23,24]：

(1)

(2)對評價矩陣X*進行無量綱化處理。本研究中，白茶節水灌溉方案的評價指標可分為兩種性質相反的種類，即“收益性”指標和“損失性”指標。對于“收益性”指標來說，指標值越大越好，具體指本研究中的品質元素指標；對于“損失性”指標來說，指標值越小越好，如本研究中土壤重金屬指標。

對于品質元素指標：

(2)

對于重金屬元素指標：

(3)

矩陣X*經過歸一化處理后，可轉化為矩陣X：

(4)

(3)線性投影。線性投影的實質是將較高維度的指標數據投影到較低維度的子空間。本研究假設一維線性的投影方向為單位向量是a，那么將矩陣X投影至a上的一維投影特征值zi為：

(5)

(4)構造投影目標函數。構造投影目標函數時，投影點的分布越密集，效果越好，凝聚成點團為最佳狀態。而對于點團來說，不同點團之間越分散越好。即，在構造投影目標函數時應使得多元數據分布的類間距離和類內密度盡可能達到最大。那么，投影目標函數可按如下公式求得：

Q(a)=SzDz

(6)

式中：Q(a)為投影目標函數，SZ為投影特征值zi的標準差(類間距離)；DZ為投影特征值zi的局部密度(類內密度)。

(7)

式中：E(z) 為序列zi的均值。

(8)

rik=|ri-rk|

式中：R為局部密度的窗口半徑；i，k= 1,2,3,…,n表示樣本容量。

(5)優化投影目標函數。投影方向a若是存在差異，投影指標函數Q(a)也會隨之發生變化。最佳的投影方向a*必須能在最大程度上呈現原始數據的結構特征。因此，采用目標函數最大化法對投影目標函數進行優化：

maxQ(a)=SzDz

(9)

(10)

|a(j)|≤1

(11)

圖2 不同灌溉方案下的投影值Fig.2 Projected values under different irrigation schemes

3 結 論

根據上述分析，可得以下結論。

(1)噴灌處理對白茶品質形成的促進效果優于滴灌，以75%控水下限的白茶品質最優。

(2)在相同控水條件下，滴灌在剖面尺度上對重金屬的消減效果優于噴灌。

(3)投影尋蹤分類模型分析結果表明，滴灌65%控水下限和噴灌75%控水下限的綜合評價結果較優，其中噴灌75%控水下限節水灌溉方案的投影值達到1.821，該灌溉模式下白茶水浸出物、游離氨基酸、茶多酚和兒茶素含量分別為47.6%、6.66%、14.2%和12.5%，主根區土層(20～40 cm)6種重金屬離子總體呈降低趨勢。

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