烏龍茶專用肥的農學、經濟和環境效應評價

黃梓璨，陳曉輝，蘇 達，尹家旭，吳輝煌，吳良泉

（1福建農林大學資源與環境學院，福州 350002；2福建農林大學國際鎂營養研究所，福州 350002；3福建農林大學農學院，福州 350002；4福建安溪鐵觀音集團股份有限公司，福建泉州 362400）

0 引言

茶葉是中國主要的經濟作物之一，在農業生產中占有很重要的地位。據統計，2018年中國茶葉種植面積達289.9萬hm2，產量為264萬t[1]，分別占世界的56.0%和41.4%[2]。然而，30%～50%的茶園存在化肥施用過量的問題[3]。近年來，農業部先后發布了《2020年化肥使用量零增長行動方案》以及《開展果菜茶有機肥替代化肥行動方案》，旨在促進茶葉生產提質增效、綠色發展[4-5]。因此，優化茶園的施肥管理對實現茶葉可持續發展具有重要意義。

中國茶園多分布于南方山地丘陵地區，以小農戶經營為主，農戶之間的施肥習慣差異較大，施肥不足與施肥過量的現象并存。福建茶區約有65%的茶園氮肥施用量低于245 kg N/hm2，18.9%的茶園氮肥用量處于高值區間，遠超合理用量(300～450 kg N/hm2)，平均用量達到828 kg N/hm2[6]。地塊間的施肥變異是限制作物產量和肥料利用率的重要因素[7]，通過區域配肥管理技術，優化茶園養分投入，對提高茶葉產量、減少資源消耗、降低環境代價具有現實意義。前人研究表明，在糧食作物上實施區域配肥技術，可顯著提高作物產量、肥料利用率和經濟效益[8]，同時也解決了施肥管理技術推廣難度大的問題。作物專用肥是根據特定作物的養分需求規律，同時結合區域內土壤養分狀況，將養分元素進行科學配比，供作物專門使用的肥料[9]，有利于實現肥料高效利用，促進作物增產增效，為大面積應用推廣提供有效途徑。然而，之前研究主要集中于農學和經濟效益的評估，缺少耦合農學、經濟和環境的綜合評價。特別是在烏龍茶產區，目前未見有關鐵觀音專用肥綜合評價的研究報道。

安溪作為重點產茶縣，而茶農長期缺乏科學系統的施肥技術指導，施肥普遍不合理，茶園土壤酸化和養分損失日趨嚴重，亟需建立符合茶園養分需求的科學施肥方案。本研究控制氮磷鉀投入，同時補充鎂營養，為茶園減肥增效提供技術思路。同時將鎂添加入復合肥中，研發了烏龍茶專用肥，實現技術的大面積應用。通過分析對比農民習慣、優化施肥以及烏龍茶專用肥對鐵觀音產量、品質、經濟效益、養分吸收和環境代價等方面的影響，為茶葉產業的綠色發展提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗于2017年12月在安溪縣祥華鄉富多茶廠生產基地進行，該地區位于東經117°36′—118°17′，北緯24°50′—25°26′，平均海拔在700 m 以上，年均溫 19～21℃，年降水量為1400～1800 mm，主要集中在6—8月份，屬于亞熱季風氣候。茶園為平地，平均行距為0.6 m，平均株距為0.4 m，供試土壤為黃紅壤，基本理化性質見表1。

表1 試供土壤基本理化性質

1.2 供試材料和試驗設計

供試茶樹品種為鐵觀音，樹齡為12年。設置3個施肥處理，分別為農民習慣(farmers’practice,FP)、優化氮磷鉀肥用量(optimal N,P and K rates,Opt-NPK)和烏龍茶專用肥(specific fertilizer,SF)。“農戶習慣”化肥用量根據本課題組在安溪縣鐵觀音茶葉產區的106戶實地調研結果確定，氮、磷、鉀用量分別為529 kg N/hm2、238 kg P2O5/hm2、278 kg K2O/hm2。考慮到生產上的大面積應用，通過整理文獻數據[10-14]，明確優化氮磷鉀肥用量分為300 kg N/hm2、100 kg P2O5/hm2、125 kg K2O/hm2（圖1）。優化氮磷鉀肥用量處理所用肥料為尿素(46%N)、過磷酸鈣(12% P2O5)和硫酸鉀(49% K2O)。烏龍茶專用肥處理則是在2處理的基礎上添加鎂，其用量為35 kg MgO/hm2，按照養分配比并通過團粒法生產了茶葉專用肥（N-P2O5-K2O-MgO為25-8-12-3）。肥料分3次施用，分別為基肥30%（12月24日前后）、春茶追肥20%（3月24日前后）、秋茶追肥50%（8月20日前后），施用方式為撒施。單個小區的面積為20 m2，重復4次，除施肥外的茶園管理措施一致。

圖1 鐵觀音推薦施肥用量整理

1.3 測定項目及方法

1.3.1 產量統計 采用采茶框(33 cm×33 cm)隨機取樣，并按照一芽三葉的標準采摘完框內新梢，記錄茶芽數并稱重。每個小區采4框重復，統計每個樣方中的茶芽密度和百芽重，以此估算產量。

1.3.2 茶葉養分、品質測定 茶葉鮮樣經110℃殺青20min后，降至80℃恒溫烘干，粉碎后待測。參照魯如坤的方法[15]，測定葉片氮、磷、鉀、鎂、鈣濃度。茶粉中的茶多酚和游離氨基酸含量按照國家標準GB/T 8313—2008和GB/T 8314—2013測定。

1.3.3 環境效應評價 基于國際標準ISO 2006a和ISO 2006b[16-17]，采用生命周期評價(LCA)對茶葉生產過程中的環境效應進行評價。本研究僅關注茶鮮葉生產過程中農資和農作階段產生的環境代價。其中活性氮損失計算公式和參數見文獻[18]，溫室氣體排放效應、酸化效應、富營養化效應計算公式和參數見文獻[19]。

單位產量活性氮損失如式(1)所示。

式中，Nr表示單位產量活性氮排放總量，Total RNL表示生產運輸階段的活性氮損失量，將不同項目的投入量與對應的活性氮損失系數（表3）計算乘積后求和可得[20-23]，N2Odirect表示氧化亞氮直接排放量，N2Odirect(kg N/hm2)=2.82%×氮投入量[24]，NH3表示氨揮發量，NH3(kg N/hm2)=11.53%×氮投入量[25]，NO3-表示硝酸鹽淋洗損失量，NO3-(kg N/hm2)=13.1%×氮投入量[26,27]，Yield表示茶青產量。

單位產量溫室氣體效應如式(2)～(3)所示。

式中，GWP表示的單位產量茶葉生產的溫室氣體排放；Total CO2表示生產運輸中產生的CO2，將不同項目的投入量與對應的溫室氣體排放系數（表3）計算乘積后求和可得；Total N2O表示施用化肥直接產生的N2O以及氨揮發、氮淋洗間接產生的N2O量，單位為kg N/hm2，NH3揮發和NO3-淋洗轉化為N2O的間接排放因子的缺省值分別為1%和0.75%[28]，其中N對N2O的轉化系數為44/28，N2O轉換為等量CO2的系數為298，Yield表示茶青產量。

單位產量酸化效應計算如式(4)所示。

式中，AP表示單位產量茶葉生產的酸化效應，Total SO2表示生產運輸中產生的SO2，將不同項目的投入量與對應的酸化效應系數（見表3）計算乘積后求和可得；NH3表示氨揮發量，其中N對NH3的轉換系數為17/14，NH3轉換為等量SO2的系數為1.88，Yield表示茶青產量。

單位產量富營養化效應計算如式(5)所示。式(5)中，EP表示單位產量茶葉生產的富營養化效應，Total SO2表示生產運輸中產生的PO4，將不同項目的投入量與對應的富營養化效應系數（表3）計算乘積后求和可得，NO3-表示淋洗損失量、NH3表示氮揮發量，其中N對NH3的轉換系數為17/14，NO3-和NH3轉換為等量

表3 農資生產階段的活性氮損失、溫室氣體、酸化效應和富營養化效應的排放因子

PO4的富營養化效應系數分別為0.42和0.33；Pinput為磷投入量，0.2%為磷肥排放的富營養化效應系數，Yield表示茶青產量。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel 2019、SPSS 20軟件進行統計分析和制圖，最小顯著法(LSD)檢驗試驗數據的差異顯著性水平(P＜0.05)。

表觀平衡計算如式(6)～(9)所示。

式中，春茶茶青價格按6.0元/kg，秋茶茶青價格按12.0元/kg計算；肥料成本中，尿素價格按2.4元/kg，過磷酸鈣價格按1.6元/kg，硫酸鉀按3.6元/kg，硫酸鎂按3.2元/kg，烏龍茶專用肥價格按3.5元/kg計算；單季農藥成本為3150元/hm2，單季除草修剪成本為6750元/hm2，單季人工成本為6000元/hm2。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對茶葉產量、產量構成和成本收益的影響

表4 結果表明，與FP處理相比，Opt-NPK處理的茶青產量和百芽重未受影響，茶芽數顯著減少5.8%；SF處理與Opt-NPK處理相比，茶青產量小幅增加，茶芽密度顯著提高，增幅達到8.7%，百芽重無顯著差異；FP與SF處理并無顯著差異。進一步分析茶葉季節間差異，認為同一處理的春茶產量以及產量構成均高于秋茶。

表4 不同施肥處理對茶葉產量和經濟效益的影響

Opt-NPK處理較FP處理減少了肥料投入，每公頃的成本降低1790元，Opt-NPK處理由于產量降低而導致產值低于FP處理，但純收入均值未受到顯著影響。SF處理較Opt-NPK處理提高了產值和純收入，但差異未達顯著水平，與FP處理產值和純收入持平。

2.2 不同施肥處理對茶葉養分吸收的影響

總體而言FP處理、Opt-NPK處理和SF處理新梢氮、磷、鉀養分濃度并無顯著差異。進一步比較不同茶季間差異發現，SF處理較Opt-NPK處理春茶新梢氮濃度提高6.7%，達顯著差異水平（表5）。總體而言FP處理、Opt-NPK處理和SF處理新梢氮、磷、鉀帶走量并無顯著差異。進一步比較不同茶季間的差異發現，同一處理的春茶新梢養分帶走量高于秋茶，同一茶季中，各處理的新梢氮、磷、鉀帶走量無顯著差異（表6）。

表5 不同處理對茶葉氮磷鉀養分濃度的影響 g/kg

表6 不同處理對茶葉氮磷鉀養分帶走量的影響 kg/hm2

2.3 不同施肥處理對肥料偏生產力及養分平衡的影響

與FP處理相比，Opt-NPK處理和SF處理的氮、磷、鉀肥偏生產力顯著提高，其中Opt-NPK處理的氮、磷、鉀肥偏生產力分別提高了64.0%、112.1%、106.8%；SF處理較Opt-NPK處理進一步提升，氮、磷、鉀肥偏生產力分別達到20.5、61.4、49.1 kg/kg。比較不同茶季間差異發現，春茶時期的氮、磷、鉀肥料偏生產力更高（表7）。

基于肥料用量、新梢養分帶走量計算不同處理的土壤養分收支平衡，結果（表7）顯示，FP處理的氮、磷、鉀養分收支皆表現為盈余狀態，表觀盈余量分別達到235.1 kg N/hm2、110.5 kg P2O5/hm2和115.6 kg K2O/hm2，與FP處理相比，Opt-NPK處理的氮、磷、鉀表觀盈余量顯著降低，降幅分別達到48.0%、58.0%、65.8%，SF處理的養分表觀盈余量與Opt-NPK處理整體接近，僅氮素表觀盈余量小幅降低，分別為120.3 kg N/hm2、46.4 kg P2O5/hm2和 39.5 kg K2O/hm2。

表7 不同施肥處理對肥料偏生產力及養分表觀平衡的影響

2.4 不同施肥處理對茶葉品質的影響

不同施肥處理的茶葉品質結果如表8所示，各處理間的茶多酚含量均值、游離氨基酸總量均值以及酚氨比均值差異不顯著。進一步比較不同茶季間差異發現，春、秋茶季各處理間的茶多酚含量、游離氨基酸總量及酚氨比無顯著差異。

表8 不同施肥處理對茶葉品質的影響

2.5 不同施肥處理對環境代價的影響

減少肥料投入顯著降低了環境代價，Opt-NPK處理的活性氮損失、溫室氣體效應、酸化效應和富營養化效應較FP處理分別降低了37.6%、36.1%、37.5%、37.7%；SF處理的活性氮損失、溫室氣體效應、酸化效應、富營養化效應較FP處理分別降低了42.4%、41.0%、42.3%、42.5%，與Opt-NPK處理相比，單位產量環境代價進一步下降。比較不同茶季間的差異發現，秋茶生產上產生的環境代價更高，以習慣處理為例，秋季鮮葉生產過程中產生的活性氮損失、溫室氣體效應、酸化效應、富營養化效應較春季分別提高了66.2%、70.1%、66.3%、66.2%（圖2）。

圖2 不同施肥處理對單位產量茶葉生產過程中活性氮損失(A)、溫室氣體排放(B)、酸化效應(C)和富營養化效應(D)

3 結論

四季田間試驗結果表明，與農民習慣施肥相比，減量施肥不影響茶葉的產量、品質、養分吸收和經濟效益，同時降低了肥料成本，同時減少了環境代價，兼具平衡營養、經濟環保的特點，施用烏龍茶專用肥補充了鎂素，相比于Opt-NPK，提高了茶芽數，促進對氮素的吸收，同時專用肥產品簡化了技術、提高了操作性，便于進行大面積推廣，具有廣闊的應用前景。

4 討論

施肥是保證土壤養分供應充足，維持茶葉高產的必要措施。本課題組開展的大量的農戶調查表明，FP處理的氮、磷和鉀肥用量分為529 kg N/hm2，238 kg P2O5/hm2和278 kg K2O/hm2，而周年采摘的茶葉氮、磷和鉀養分帶走量分別只有65 kg N/hm2、17.8 kg P2O5/hm2和62.2 kg K2O/hm2，表明當前FP處理的養分投入遠遠超出茶樹的需求量，單季平均表觀盈余量達到235.1kgN/hm2、110.5 kg P2O5/hm2、115.6 kg K2O/hm2（表7）。本研究中的Opt-NPK處理減少50%的化肥總投入量（其中N減少43%，P2O5減少58%，K2O減少64%），2年的結果顯示茶青產量并未受到明顯的影響（表4）。同時，Opt-NPK處理的氮、磷、鉀養分表觀盈余較FP處理分別減少了48.0%、58.0%、65.8%，肥料偏生產力也較FP處理顯著提高，表明Opt-NPK處理的肥料用量已可滿足茶葉生產需求。此外，本研究結果也顯示，減肥后茶樹對氮、磷、鉀養分的帶走量并沒有差異，進一步說明基于農戶經驗管理過多的肥料投入是沒必要的。盡管如此，本研究的Opt-NPK處理依然表現養分盈余的狀況，前人研究顯示，成齡茶樹地上部（含采摘、修剪、落葉3個環節）周年養分帶走量可達到145 kg N/hm2、22.9 kg P2O5/hm2和41.0 kg K2O/hm2[29]，而本研究僅考慮了采摘環節，但即便是按尤雪琴的結果，仍盈余43.6 kg N/hm2、31.4 kg P2O5/hm2和27.6 kg K2O/hm2。關于氮磷鉀肥的優化用量有待進一步研究。

烏龍茶專用肥是根據鐵觀音茶樹的需肥規律，同時結合鐵觀音茶園普遍缺鎂的現狀，在復合肥中添加鎂，以匹配當前茶園的養分需求，是在Opt-NPK處理的基礎上設計而成。烏龍茶專用肥的應用效果顯示，與Opt-NPK處理相比，可進一步提高茶青產量，顯著增加茶芽數目（表4），表明在缺鎂茶園中添加鎂，對茶葉增產起一定作用。并且根據侯玲利[30]的研究顯示，在茶園施用鎂肥還能提高茶葉的葉片厚度以及著葉數。烏龍茶專用肥的應用還促進了茶樹對氮素的吸收利用，提高了新梢氮濃度和氮帶走量（表5～6），在春茶時期效果顯著，與徐洋、郎漫研究結果一致[31-32]。鎂與氮關系密切，參與植物體內諸多的氮代謝過程，如促進谷氨酸合成谷氨酰胺[32]、提高硝酸還原酶的活性水平[33]，缺鎂時甚至會導致氮素代謝降低，遺傳物質的合成過程受阻[34]。

茶葉品質評價體系中，茶多酚和游離氨基酸是主要滋味物質，常作為評估茶葉品質的重要指標[35]。養分管理對茶葉品質的影響效果顯著[36-38]。本研究中，減肥后對茶多酚、氨基酸含量影響不顯著，表明當前地力狀況下，減肥不會對茶葉品質產生影響，而SF處理氨基酸含量與減肥處理差異不顯著（表8）。推測這可能與不同茶類采摘標準差異有關，前人研究施肥效應對茶葉品質的影響主要建立在綠茶茶類的基礎上，其采摘部位與烏龍茶存在較大差異，通常綠茶采摘要求為新梢的一芽一葉到一芽二葉，而烏龍茶采摘要求為已駐芽的展開新梢一芽三葉，這也造成采摘部位的葉片成熟度存在較大差異，芽葉中的氨基酸含量較成熟葉更高，不同葉位中氨基酸含量存在較大差異[39]，因此關于施肥投入對茶多酚和氨基酸的影響有待進一步研究。

比較不同施肥處理下茶葉生產中環境效應的差異是評判和指導茶園科學施肥的重要依據。在農民習慣施肥的養分投入下，單位產量茶葉產生溫室氣體排放量、酸化效應和富營養化效應分別為1098.6 kg CO2eq/t、13.2 kg SO2eq/t和4.4 kg PO4eq/t，應用烏龍茶專用肥以及減肥措施后，各項環境效應指標下降28%以上（圖2），低于臺灣生產等量烏龍茶產生的溫室氣體排放量和富營養化效應7500 kg CO2eq/t和32.5 kg PO4eq/t，但仍然高于伊朗生產等量茶青產生的環境代價442 kg CO2eq/t、1.83 kg SO2eq/t和0.64 PO4eq/t[40-41]，造成差異主要與肥料投入差異有關，Chiu研究顯示，臺灣烏龍茶的茶青生產階段，每公頃投入氮、磷、鉀肥分別為749 kg N、126 kg P2O5和118 kg K2O，氮肥投入比本研究FP處理高41.3%，肥料總投入接近，遠超SF和Opt-NPK處理，而伊朗在鮮葉的生產階段的肥料投入比SF、Opt-NPK處理的肥料投入更低，每公頃氮投入為354 kg N，磷投入為66 kg P2O5，無鉀肥投入，由此可見降低肥料投入，尤其是氮肥投入是減少茶葉生產體系環境影響的重要途徑。本研究中，秋季生產過程產生的環境代價更高，是春季生產的1.6～1.7倍，這主要是由于秋茶產量較低，但肥料投入量與春茶相似，甚至更高。與FP處理相比，SF、Opt-NPK處理減少了肥料投入，降低了生產成本，但產量并未因此受到影響，各處理的經濟效益接近，同時SF、Opt-NPK處理顯著減少了環境代價，符合茶園減排、綠色發展的生產觀念。