基于有機替代的茶園土壤肥力和環(huán)境質(zhì)量分析

呂健飛， 王建華， 俞巧鋼， 馬軍偉， 林輝， 葉靜， 王強， 孫萬春*

(1.武義縣糧油技術(shù)推廣站，浙江 武義 321200； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

茶樹是我國重要的經(jīng)濟作物，經(jīng)濟效益較好，種植茶樹是農(nóng)民增收、政府扶貧的重要手段。近些年，我國的茶園面積不斷擴大，2018年為300萬hm2[1]，比2010年增加54.6%。為了追求產(chǎn)量，提高經(jīng)濟效益，化肥在茶園施用量越來越大。全國茶園年均化肥養(yǎng)分用量為678 kg·hm-2，肥料主要類別為復合肥，30%的茶園化肥過量施用，有機肥養(yǎng)分所占比例偏低，只有15%[2]。茶園土壤養(yǎng)分失衡，氮肥過量或不足同時存在，并且比較嚴重[3]；土壤磷、鉀養(yǎng)分普遍不足[4]；土壤酸化嚴重[5]。為了改變茶園施肥現(xiàn)狀，并實現(xiàn)化肥減量目標，2017年農(nóng)業(yè)部在全國選擇100個果菜茶示范縣開展有機肥替代化肥試點工作，其中茶葉示范縣有21個，浙江省武義縣是茶葉有機替代示范縣之一[6]。

通過有機肥替代化肥行動，解決養(yǎng)殖業(yè)廢棄物的資源化利用和化肥用量過大帶來的環(huán)境問題。施用商品有機肥和沼液是茶園有機替代的主要途徑，相關(guān)研究[7-9]表明，施用有機肥和沼液能培肥茶園土壤，提高茶葉品質(zhì)和產(chǎn)量。但有機肥原料來源復雜，污染物質(zhì)較多，特別是銅、鋅、鉛、砷等重金屬含量高[10-12]。根據(jù)對商品有機肥的質(zhì)量調(diào)查，重金屬超標是商品有機肥質(zhì)量不合格的主要原因[13-15]。有機肥長期施用會帶來土壤重金屬積累，并對土壤微生物產(chǎn)生影響[16-18]。目前，針對大范圍有機替代后的茶園土壤肥力和環(huán)境質(zhì)量的分析、評估相關(guān)研究報道較少，對茶園開展有機替代后的土壤肥力性狀、環(huán)境質(zhì)量狀況需要進行更為深入、全面的分析。因此，本研究通過對浙江省武義縣萬畝茶園有機替代示范區(qū)長期監(jiān)測點土壤養(yǎng)分和重金屬狀況的分析、評估，為茶園科學施肥，特別是有機肥和沼液的安全使用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣與制備

武義縣隸屬浙江省金華市，位于浙江省中部、金華市南部。地理坐標119°27′～119°58′E，28°31′～29°03′N。屬中亞熱帶季風氣候，四季分明，溫和濕潤，雨量豐沛。全縣有茶園6 953 hm2，茶園有機肥替代化肥示范區(qū)位于武義縣城西現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)內(nèi)的省級萬畝茶園示范區(qū)，面積約867 hm2，隸屬于武義縣壺山街道和王宅鎮(zhèn)。示范區(qū)內(nèi)施肥模式為商品有機肥+茶葉專用復合肥，有機肥推薦用量為15 t·hm-2，茶葉專用復合肥養(yǎng)分含量為N 22%、P2O58%、K2O 12%，有機肥替代化肥氮肥比例為25%～30%。有機肥做冬肥施用，每年10月中下旬進行溝施。根據(jù)茶園土壤類型、土地利用狀況以及區(qū)域分布特點，利用GIS技術(shù)，確定了51個長期定位監(jiān)測點并記錄經(jīng)緯度。茶園有機替代示范區(qū)位置和監(jiān)測點分布見圖1。2016年在示范區(qū)推廣應用有機肥，項目實施2 a后，在2018年10月冬肥施用之前，利用GPS定位技術(shù)，在每個監(jiān)測點采集茶園表層土壤(0～20 cm)1 kg，每個樣品由4～6個點的土樣混合制成。土樣風干，去除植物殘體、石子等雜質(zhì)，磨細，過1 mm、0.25 mm尼龍篩備用。土壤測定項目有pH、全氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)及鎘、鉻、鉛、砷、汞全量。

圖1 武義縣茶園有機替代示范區(qū)的位置和監(jiān)測點的分布

1.2 測定方法

土壤pH測定參照NY/T 1121.2—2006(土壤檢測，第2部分：土壤pH的測定)[19]，水土比2.5∶1；全氮測定采用凱氏定氮法；有效磷測定參照NY/T 1121.7—2014[20]，酸性土壤采用氟化銨-鹽酸浸提法；速效鉀測定參照NY/T 889—2004[21]，用1 mol·L-1乙酸銨浸提-火焰光度法；有機質(zhì)測定參照NY/T 1121.6—2006[22]，用重鉻酸鉀氧化-容量法。

土壤銅、鋅、鎘、鉻、鉛的測定參照GB/T 17141—1997[23]，經(jīng)鹽酸、氫氟酸、高氯酸、硝酸進行消解，鎘測定采用石墨爐原子吸收分光光度法，銅、鋅、鉻、鉛采用等離子體發(fā)射光譜儀 (ICP-OES) 測定；砷和汞的測定采用原子熒光光譜法。

1.3 茶園土壤養(yǎng)分和環(huán)境質(zhì)量分級標準及依據(jù)

結(jié)合NY/T 853—2004[24]茶葉產(chǎn)地環(huán)境技術(shù)條件和優(yōu)質(zhì)高效高產(chǎn)茶園土壤養(yǎng)分診斷指標[25]，對武義縣茶園有機替代示范區(qū)土壤養(yǎng)分狀況進行評價分級。將土壤養(yǎng)分變異系數(shù)分為3級[26]，<10%的樣本變異為弱變異，10%～30%的樣本變異為中等變異，>30%的樣本變異為強變異。

1.4 數(shù)據(jù)分析

運用 SPSS 22、Excel 2016軟件分析數(shù)據(jù)和作圖；用Pearson法對土壤理化性狀和重金屬含量之間的相關(guān)性進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機肥替代化肥示范區(qū)茶園土壤肥力狀況

2.1.1 pH及有機質(zhì)

茶樹是喜酸性作物，優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)茶園土壤pH的適宜范圍為4.5～5.5,<4.0或>6.5的土壤，對茶樹的正常生長發(fā)育將產(chǎn)生不良影響[25]。武義縣有機肥替代示范區(qū)茶園土壤pH值見表1。土壤pH平均值為3.78，范圍為3.28～4.62，變異系數(shù)為7.53%，屬于弱變異。只有3.92%茶園土壤的pH達到優(yōu)質(zhì)高效高產(chǎn)茶園的標準(4.5～5.5)，土壤pH 4.0～<4.5的茶園比例為21.57%，pH<4.0的茶園比例為74.51%(圖2)。結(jié)果表明，武義縣示范區(qū)茶園的土壤嚴重偏酸，對茶樹正常生產(chǎn)將產(chǎn)生不良影響，這是長期追求茶葉產(chǎn)量過度施用化肥的結(jié)果。示范區(qū)內(nèi)的絕大部分茶園需要進行土壤改良，提高土壤酸堿度。

表1 武義縣有機替代示范區(qū)茶園土壤的主要養(yǎng)分狀況

土壤有機質(zhì)是土壤各種營養(yǎng)元素，特別是氮、磷、鉀元素的重要來源，還含有豐富的活性物質(zhì)胡敏酸、氨基酸等，能改善土壤的物理性狀，增強土壤的保肥和持水能力，是土壤肥力高低的一個重要指標。示范區(qū)茶園土壤有機質(zhì)含量平均值為20.12 g·kg-1，范圍為8.32～35.90 g·kg-1，變異系數(shù)為28.36%，屬于中等強度變異(表1)。有機質(zhì)含量達到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)(>20.0 g·kg-1)和Ⅰ級(>15 g·kg-1)標準的茶園比例分別為47.06%和76.47%(圖2)；只有2.00%的茶園為Ⅲ級標準(<10 g·kg-1)，有機質(zhì)較為缺乏。這表明示范區(qū)內(nèi)大部分茶園土壤有機質(zhì)較為豐富或適宜，但不同茶園差異性較大，仍有提升空間。

圖2 茶園土壤pH和有機質(zhì)的分布特征

2.1.2 氮磷鉀含量

土壤全氮含量的平均值為3.88 g·kg-1，范圍為0.73～12.4 g·kg-1，變異系數(shù)為96.38%，屬于強變異(表1)，土壤全氮含量差異較大。土壤全氮含量達到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)或Ⅰ級優(yōu)良(>1.0 g·kg-1)標準的茶園為82.35%(圖3)，達到全氮Ⅱ級和Ⅲ級的茶園比例分別為15.69%和1.96%。表明武義示范區(qū)茶園全氮含量整體偏高，甚至9.80%的茶園土壤全氮超過10.0 g·kg-1。

圖3 茶園土壤全氮、有效磷、速效鉀含量的分布特征

土壤有效磷含量平均值為92.74 mg·kg-1，范圍為1.28～451.3 mg·kg-1，變異系數(shù)為113.23%，屬于強變異(表1)，土壤有效磷含量空間分布差異很大，受外界干擾(如施肥)顯著。達到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)(>20.0 mg·kg-1)和Ⅰ級優(yōu)良(>10.0 mg·kg-1)標準的茶園比例分別為64.71%和76.47%(圖3)，但Ⅲ級缺乏的茶園比例也有13.73%。表明武義縣示范區(qū)茶園土壤有效磷分布很不均勻，大部分茶園土壤有效磷非常豐富，平均值遠超Ⅰ級優(yōu)良標準，最高可達451.3 mg·kg-1，但仍有部分茶園土壤有效磷較為缺乏。

茶園土壤速效鉀含量平均值為123.97 mg·kg-1，范圍為38.95～401.90 mg·kg-1，變異系數(shù)為57.28%，屬于強變異，土壤速效鉀含量差異較大。47.06%的茶園達到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)茶園的標準(>100.0 mg·kg-1)，達到Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級茶園比例分別為37.25%、31.37%和31.37%(圖3)。表明武義縣示范區(qū)仍有近1/3的茶園土壤速效鉀是不足的，需要繼續(xù)推廣有機肥和高鉀茶葉專用復合肥。

2.1.3 碳氮比

土壤有機碳與全氮含量是表征土壤肥力水平的核心指標，提供作物生長和土壤微生物生命活動必需的能源物質(zhì)和營養(yǎng)元素。碳氮比的高低會影響土壤中微生物的分解能力和氮的礦化速率。根據(jù)王安治等[27]對茶園土壤的調(diào)查結(jié)果，當茶園土壤碳氮比在7～10時，茶葉產(chǎn)量較高；當土壤碳氮比<7或>10時，茶葉產(chǎn)量會下降。武義示范區(qū)茶園土壤的碳氮比均不在理想范圍內(nèi)，38.46%的茶園土壤碳氮比<7，61.54%的茶園土壤碳氮比>10。主要原因是土壤全氮含量變異較大，不夠均衡，茶園土壤全氮含量過高或太低的現(xiàn)象同時存在。

2.2 有機肥替代化肥示范區(qū)土壤重金屬含量狀況

有機肥替代化肥項目實施2 a后(2018年)，抽檢30個監(jiān)測點土樣測定茶園土壤重金屬含量。表2為武義茶園土壤重金屬狀況，判斷標準參考NY/T 853—2004《茶葉產(chǎn)地環(huán)境技術(shù)條件》。示范區(qū)茶園土壤重金屬鉛、鎘、鉻、砷和汞含量的平均值分別為16.54、0.10、26.23、6.97、0.04 mg·kg-1，最大值分別為37.38、0.25、76.19、13.93、0.14 mg·kg-1，均低于茶葉產(chǎn)地環(huán)境限量標準，表明武義示范區(qū)茶園的土壤環(huán)境質(zhì)量良好。土壤重金屬鉛、鎘、鉻、砷和汞含量的變異系數(shù)分別為51.67%、82.71%、82.06%、59.58%、68.76%，均屬于強變異，表明重金屬元素的空間分布差異大，受外界影響較為明顯。

表2 武義縣有機肥替代化肥示范區(qū)茶園土壤的重金屬含量狀況

2.3 茶園土壤養(yǎng)分和重金屬之間的關(guān)系

對茶園土壤養(yǎng)分、重金屬進行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果表明，茶園土壤pH、有機質(zhì)與重金屬之間沒有相關(guān)性，氮磷鉀養(yǎng)分與重金屬之間也沒有相關(guān)性；有效磷和速效鉀呈顯著正相關(guān)。重金屬鉛與鎘、汞呈極顯著正相關(guān)，鎘與鉻、汞呈極顯著正相關(guān)，鎘與砷呈顯著負相關(guān)。茶園施用有機肥會對土壤pH、有機質(zhì)和養(yǎng)分含量產(chǎn)生明顯影響，根據(jù)Pearson相關(guān)性分析結(jié)果，說明有機肥替代部分化肥對茶園土壤重金屬含量沒有明顯影響。

3 小結(jié)與討論

武義縣有機替代示范區(qū)茶園土壤pH平均值為3.78，pH值<4.0的茶園比例為74.51%，土壤酸化嚴重；有機質(zhì)平均含量為20.12 g·kg-1，達到Ⅰ級優(yōu)良的比例為76.47%，有機質(zhì)較為豐富；全氮平均含量為3.88 g·kg-1，達到Ⅰ級優(yōu)良的茶園為82.35%，全氮含量整體偏高，但空間變異較大；土壤有效磷、速效鉀的平均含量分別為92.74 mg·kg-1、123.97 mg·kg-1，達到Ⅰ級優(yōu)良的比例分別為76.47%、37.25%，部分茶園較為缺乏；茶園土壤碳氮比過高或過低，不適宜茶葉健康生長。土壤重金屬含量均低于NY/T 853—2004標準，土壤環(huán)境質(zhì)量良好。土壤pH、肥力指標與土壤重金屬之間均沒有相關(guān)性，施用有機肥對土壤重金屬含量影響較小。長期施用沼液降低土壤pH值，顯著提高土壤肥力和土壤銅、鋅、砷、鉻、鉛的含量。

浙江省茶園土壤存在的主要營養(yǎng)障礙因子有酸化嚴重、有機質(zhì)貧乏、土壤生物性狀差、土壤養(yǎng)分供應能力低且不平衡[25]。茶園土壤酸化主要是長期大量施用化肥，特別是氮肥造成的[5]。馬立鋒等[3]在2009—2010年對浙江省綠茶主產(chǎn)區(qū)茶園施肥情況作了調(diào)查，其中武義縣茶園施肥的肥料主要種類為尿素和復合肥，氮肥(N)平均年施用量(601±295)kg·hm-2,> 450 kg·hm-2的茶園比例為60%，茶園肥料養(yǎng)分N∶P2O5∶K2O比例為3.7∶1∶1，土壤磷、鉀養(yǎng)分缺乏的茶園比例分別為25%和60%。武義縣主要以中低檔茶葉為主，名優(yōu)茶葉面積較少；以夏秋茶為主，機器采摘面積大。茶農(nóng)更關(guān)注茶葉產(chǎn)量而不是質(zhì)量，施肥更依賴于化肥特別是氮肥。正是這種粗放的生產(chǎn)模式，導致茶園土壤質(zhì)量退化，降低茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)，影響茶農(nóng)的收入，形成惡性循環(huán)。本研究表明，通過茶園有機替代行動，提高了土壤有機質(zhì)含量，但土壤酸化和養(yǎng)分失衡問題仍較嚴重。說明武義縣茶園在繼續(xù)加強有機肥替代化肥的行動的基礎(chǔ)上，要結(jié)合測土配方施肥，降低氮肥用量，適當提高磷、鉀肥的用量，推廣茶葉專用肥；還要配施調(diào)酸性土壤調(diào)理劑[28]，提高土壤pH至4.5以上。

茶園施用有機肥能減少化肥用量，提高土壤酸堿度和有機質(zhì)含量，使養(yǎng)分更均衡；改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤生物活性和多樣性，提高土壤保肥、保水性能[29]。有機肥的這些優(yōu)點有助于提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)。但同時有機肥成分復雜，含有重金屬、抗生素等污染物，潛在的土壤環(huán)境質(zhì)量風險一直受到特別關(guān)注[14-15]。本研究表明，有機替代示范區(qū)的茶園土壤環(huán)境質(zhì)量良好，且土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分指標與土壤重金屬之間沒有相關(guān)性，部分重金屬之間有顯著的相關(guān)性，說明施用有機肥還沒有對土壤重金屬含量產(chǎn)生明顯的影響。除了因為有機肥施用時間較短外，茶農(nóng)出于對有機肥成本和人工成本的考慮，有機肥的施用量較低。有機肥長期施用還需加強對土壤環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測，并需選擇合格的有機肥產(chǎn)品。