兩種武夷巖茶管理方式下茶園土壤肥力與金屬元素比較

郝柯宇，周艷，張惠光，蔡斌，李穎，張秀芳，何東進,3，游巍斌,3

(1.福建農林大學 林學院，福建 福州 350002；2.武夷山國家公園科研監測中心，福建 武夷山 354300;3.福建省南方森林資源與環境工程技術研究中心，福建 福州 350002)

茶園的管理方式不僅對茶葉品質的好壞和產量的高低產生直接影響，同時還可能對局部小生境乃至大區域的生態環境造成間接影響[1]。普通茶樹種植沿用傳統的耕作管理方式，如定期培土、鋤草等，易導致大片茶園土壤裸露地表，茶園植被覆蓋度低下，再加上茶農為了追求短期經濟效益，長期使用單質化肥和農藥，造成土壤板結、土地退化等，茶園生態環境易惡化[2]。生態環境的惡化又難以滿足茶樹生物性生長的需求，這在一定程度上制約了茶產業經濟的持續健康發展。為了實現茶產業的可持續發展，尋找有利于改善茶樹生境條件并能提高茶葉品質的有機或生態茶園發展模式則尤為關鍵，成為研究熱點領域。武夷山國家公園植茶歷史悠久，福建烏龍茶之首——武夷巖茶就誕生于此地，茶產業已經成為了該地的支柱型產業之一，發展生態茶園，對當地生態環境的改善、茶葉品質和茶產業發展具有重要意義[3]。鑒于此，選擇武夷山國家公園內兩種不同管理方式（有機管理茶園和普通管理茶園）的茶園土壤為研究對象，對比分析其在土壤理化性質、土壤肥力和土壤金屬元素方面的差異，以期為當地茶園種植環境影響評價及生態茶園的建設提供參考。

1 研究區概況

武夷山國家公園作為首批國家公園試點區之一，其范圍主要包括武夷山國家級自然保護區、國家級風景名勝區、九曲溪上游保護帶、光澤縣和邵武市部分區域，總面積1001.41 km2。該地屬亞熱帶季風氣候型，氣候垂直變化顯著，溫暖濕潤，降水豐沛[4]。武夷山國家公園多地主要受斷裂構造嚴格控制，發育有陡峭的斷塊崖壁和溪流，地貌類型主要以山地丘陵為主，植被類型以亞熱帶常綠闊葉林為主，植被受山地地形影響，垂直帶譜明顯。武夷山種茶歷史悠久，茶園景觀亦是武夷山國家公園內的特色景觀要素類型之一。園內茶葉品種豐富多樣，其主要有肉桂、水仙和大紅袍等[5]。武夷巖茶作為武夷山國家公園最具代表性的茶類之一，獨具特色的武夷“巖韻”，故備受世人喜愛。

2 研究方法

2.1 采樣方法

于2020年9月，在武夷山國家公園范圍九曲溪上游保護地實地選擇了兩處環境背景條件相同，但管理方式不同的兩處茶園樣地（有機管理茶園和普通管理茶園）。兩處樣地直線水平距離相距約200 m，垂直海拔高差約40 m。以“S”形路線在每個樣地選取5個采樣點，用土鉆采集0～20 cm的表層土樣，將5個采樣點的土樣混合均勻，用四分法稱取1 kg混合土樣，裝入標記好的自封袋中，放入保溫箱中冷藏。將保溫箱土壤樣品帶回實驗室，每個樣品分別取200 g放入冰箱保鮮，另外800 g樣品放置通風陰涼處自然風干，去除根系、石礫等雜質后，用研缽研磨并分別過2、0.149 mm的尼龍篩，分裝待測。同時，記錄茶園的經緯度、地理特征、施肥和管理方式等方面信息。茶園樣地基本特征見表1。

表1 茶園樣地基本屬性特征Tab.1 Basic features of garden plot

兩種茶園施肥方式如下：（1）有機管理茶園于種茶前一年在茶山撒施豬屎豆種子，長成植株做綠肥埋入土中，植茶后前3年畝施40 kg復合肥+100 kg/畝有機肥，2019年冬季茶行間種油菜，2020年6月份畝施40 kg復合肥+125～150 kg/畝豆粕有機肥，深翻條施再覆土。（2）普通管理茶園于每年10月份前后，畝施125～100 kg/畝復合肥，6月份畝施40 kg左右，3月份畝施40 kg左右，復合肥撒施在面上。

兩種茶園病蟲害防治和除草方式如下：（1）有機管理茶園于每年3月中下旬視茶樹情況，用茶皂素、松脂生物有機農藥噴施；冬季清園，清理茶園中病、枯死枝條，并噴施石硫合劑；每年3月下旬至4月上旬、6月下旬至7月上旬用人工除草。（2）普通茶園于3月中下旬、4月上旬（采茶前15天）、6月至7月、8月下旬至9月上旬之間使用低毒農藥防病除蟲，3月下旬至4月上旬、6月下旬至7月上旬用除草劑噴施。

2.2 指標選擇和測定方法

從兩種茶園管理方式下的茶園理化性質、土壤養分和金屬元素等方面篩選指標，具體包括：（1）土壤pH值、有機質（SOM,soil organic matter）、可溶性有機碳(DOC,soluble organic carbon)、全氮(TN,total nitrogen)、全磷(TP,total phosphorus)、全鉀(TK,total potassium)、水解氮 (AN,hydrolyzed nitrogen)、有效磷(AP,available phosphorus)、速效鉀(AK,available potassium)等9個主要養分指標；（2）鉛Pb、鉻Cr、汞Hg、鎘Cd等4個主要重金屬指標。

各指標測定方法如下：土壤pH值是由pH計測定，堿解氮AN采用堿解擴散法，有效磷AP采用鉬銻抗比色法，速效鉀AK采用乙酸銨浸提火焰光度法，土壤有機質SOM和全氮TN采用碳氮元素分析儀測定，土壤可溶性有機碳DOC是由總有機碳分析儀（TOC）測定，土壤全磷TP、全鉀TK、鉛Pb、鉻Cr、汞Hg、鎘Cd等金屬元素是經土壤消煮后用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS分析儀）測定。最后，運用R語言的corrplot包進行各指標相關分析。

3 結果與分析

3.1 兩種茶園管理方式下土壤理化性質比較

有機管理茶園和普通管理茶園的土壤物理性質比較結果見表2。有機管理茶園pH值（4.18±0.09）<普通管理茶園（4.29±0.06）。土壤粒徑方面，有機茶園土壤組成主要由黏粒和粉粒（82.64%）構成，土壤較為細膩；普通管理茶園主要由粉粒和砂粒（70.14%）構成，土壤顆粒較粗。

表2 兩種茶園管理方式下的土壤理化性質比較Tab.2 Comparison of soil physical and chemical properties under two tea garden management methods

3.2 兩種茶園管理方式下土壤肥力養分比較

表3所示兩種茶園管理方式下的土壤肥力元素比較，有機管理茶園有效磷含量范圍在33.91～38.43 mg/kg，普通管理茶園有效磷含量范圍在3.59～4.24 mg/kg，有機管理茶園有效磷含量要顯著高于普通管理茶園。速效鉀方面，有機管理茶園含量為（124.94±6.21）mg/kg，普通管理茶園為（74.84±4.51）mg/kg，有機管理茶園的速效鉀含量比普通管理茶園要高67%。有機管理茶園水解氮含量為（99.23±14.83）mg/kg，普通管理茶園為（111.02±4.74）mg/kg，有機管理茶園比普通管理茶園低11%。可溶性有機碳方面，有機管理茶園含量為（137.37±16.56）mg/kg，普通管理茶園含量為（119.94±13.63）mg/kg，有機管理茶園要比普通管理茶園高15%。全磷方面，有機管理茶園土壤含量為（0.27±0.04）g/kg，普通管理茶園土壤含量為（0.19±0.04）g/kg，有機管理茶園比普通管理茶園高43%。有機管理茶園全鉀含量為（4.37±0.11）g/kg，普通管理茶園全鉀含量為（16.13±3.31）g/kg，有機管理茶園比普通管理茶園低73%。全氮方面，有機管理茶園含量為（1.55±0.01）g/kg，普通管理茶園含量為（1.39±0.19）g/kg，有機管理茶園比普通管理茶園高12%。有機質方面，有機管理茶園含量為（31.8±0.15）g/kg，普通管理茶園含量為（27.85±0.18）g/kg，有機管理茶園比普通管理茶園高14%。

表3 兩種茶園管理方式下土壤肥力元素比較Tab.3 Comparison of soil fertility elements under two tea garden management methods

3.3 兩種茶園管理方式下土壤金屬元素比較

兩種茶園管理方式下土壤金屬元素比較見表4。由表4可知，汞、鉛、鉻、鎘、砷金屬含量范圍分別為0.136～0.185、54.02～68.4、24.239～129.89、0.175～0.199、10.194～24.12 mg/kg，有機管理茶園的汞、鉛、鉻、鎘的重金屬含量要低于普通管理茶園，砷含量有機管理茶園高于普通管理茶園。土壤其他金屬元素分布見表4，鐵、鈉、鎂、鈣金屬含量范圍分別為13.934～29.99、1.67～2.23、0.99～2.06、1.73～2.76 g/kg,有機管理茶園鐵含量（27.38±2.17 g/kg）要高于普通管理茶園（15.41±1.69 g/kg），有機管理茶園的鈉、鎂、鈣金屬含量要低于普通管理茶園。

表4 兩種茶園管理方式下土壤金屬元素比較Tab.4 Comparison of soil metal elements under two tea garden management methods

3.4 土壤指標相關性分析

圖1所示，養分方面，茶園土壤有機質與有效磷、速效鉀、鐵、黏粒呈極顯著正相關（P<0.01），與全鉀、鉻、鎘、砂粒呈極顯著負相關（P<0.01）；有機質與鎂、粉粒呈顯著負相關（P<0.05）。土壤全氮與汞呈顯著負相關。土壤全磷與鐵呈極顯著正相關，與速效鉀呈顯著正相關，與鎘、砂粒呈顯著負相關。全鉀與鉻、鎂、砂粒呈極顯著正相關，與有效磷、速效鉀、黏粒呈極顯著負相關，與鎘呈顯著正相關、與鐵呈顯著負相關。有效磷與速效鉀、鐵、黏粒呈極顯著正相關，與鉻、鎘、砂粒呈極顯著負相關，與鎂、粉粒呈顯著負相關。速效鉀與鐵、黏粒呈極顯著正相關，與鉻、鎘、砂粒呈極顯著負相關，與粉粒顯著負相關。水解氮與pH值呈顯著正相關。可溶性有機碳與鉛呈顯著負相關。

圖1 茶園土壤特性的相關性分析Fig.1 Correlation analysis of soil characteristics in tea garden

土壤金屬方面，鉛與鈉呈顯著正相關（P<0.05）。鉻與鎂、砂粒呈極顯著正相關（P<0.01），與黏粒呈極顯著負相關，與鎘、粉粒呈顯著正相關，與鐵呈顯著負相關。鎘與鐵、黏粒呈極顯著負相關，與砂粒呈顯著正相關。鐵與黏粒呈極顯著正相關，與砂粒呈極顯著正相關。鎂與黏粒呈負相關。土壤pH值與汞、鉛、鉻、鎘、砷、鐵、鎂、鈉、鈣無顯著相關性。

4 討論與結論

pH值對土壤各種養分的有效性、土壤微生物的活性具有顯著影響。有機管理茶園土壤和普通管理茶園土壤pH值相差不大，都在4以上，在比較適宜茶樹生長的范圍內，pH值低于4.0或高于6.5都對茶樹生長不利[7,8]。土壤有機質含量是土壤肥力大小的綜合表現[9]，能夠增強土壤保水保肥能力，促進植物根系對土壤礦物質的吸收[10]。有機管理茶園與普通管理茶園土壤有機質含量都大于20 g/kg，屬于優質茶園土壤類別，該區域茶園位于低山丘陵地帶，氣候濕潤降水豐富，使得茶樹凋落物較好的腐化，因而土壤有機質含量普遍較高。有機管理茶園土壤有機質含量要高于普通管理茶園，是因為該茶園為套種茶園，加之定期實施綠肥、有機肥。本研究相關性表明，土壤有機質與有效磷、速效鉀呈極顯著正相關，這與李貞霞[11]研究中有機質與速效磷呈正相關結果一致，這可能是由于較高的有機質含量同時會帶來較高的速效養分[12]。氮磷鉀等養分元素是植物吸收的重要土壤養分，反映了土壤肥力的大小，能夠促進茶樹的生長和茶葉產量[13]。氮素能夠直接影響茶樹的代謝和生理活動，促進茶樹對土壤養分的吸收[14]。有機管理茶園和普通管理茶園全氮和水解氮含量均較高，達到了Ⅰ級茶園標準和優質高效高產要求的茶園土壤。磷素能夠參與植物的光合作用，促進植物能量的傳遞和酶反映活動[13,15]。有機管理茶園的全磷含量較低，有效磷含量較高，而普通管理茶園全磷和有效磷含量均較低，磷含量的缺乏可能跟南方土壤的成土母質和特性相關，南方土壤含有大量的氧化鐵和氧化鋁等化合物，對磷有很強的固定作用，磷的有效性通常很低[16]。有機管理茶園與普通管理茶園速效磷含量差異顯著，這可能跟茶園的土壤養分管理方式不同有關，針對普通茶園有效磷缺乏，可以考慮將有機肥和無機磷肥混合施用來提高磷素水平。鉀會影響茶樹的生長發育，促進植物根的生長，對于提高植物抵抗病蟲害具有重要作用[15,17]。有機管理茶園全鉀含量較低，速效鉀含量較高，而普通管理茶園全鉀和速效鉀含量皆較高；雖然有機管理茶園和普通管理茶園速效鉀含量偏高，但仍在茶園種植的適宜范圍內，土壤適宜的鉀含量利于茶葉的生長，研究表明鮮葉含鉀量與烏龍茶的品質成分相關性達到顯著或極顯著水平[18]。

兩種茶園管理措施下的重金屬含量都要高于福建省土壤重金屬的背景值（除了有機管理茶園的鉻），有機管理茶園：鉛（58.15 mg/kg）>鉻（24.79 mg/kg）>砷（22.69 mg/kg）>鎘（0.18 mg/kg）>汞（0.15 mg/kg）；普通管理茶園：鉻（113.89 mg/kg）>鉛（62.01 mg/kg）>砷（14.89 mg/kg）>鎘（0.20 mg/kg）>汞（0.17mg/kg）。根據無公害茶園土壤環境質量標準[19]，5種重金屬元素鉻、砷、鎘、鉛和汞的土壤污染風險篩選值分別為150、40、0.3、250和0.3 mg/kg，有機管理茶園和普通管理茶園重金屬含量均未超標。重金屬間的相關系數可用于判斷其來源的相似程度，正相關性越高表明其重金屬來源一致可能性越高[20]。本文研究中鉻與鎘、鎂呈顯著正相關，鉛與鈉呈顯著正相關，說明這些金屬元素具有相同來源。同時，重金屬元素與土壤粒徑也有顯著相關性，這與陳玉真研究茶園土壤重金屬與土壤粒徑有顯著相關性結果一致[21]，說明土壤的質地對于重金屬含量有重要影響。

兩種茶園管理方式下土壤pH值偏酸，有機質、速效鉀和水解氮含量都較為豐富，能為茶樹生長提供較好的養分，但全磷含量較為缺乏，普通管理茶園有效磷含量較少，應當注意科學合理混合施加磷肥和有機質肥，提高肥料的利用率。在土壤重金屬方面，有機管理茶園與普通管理茶園重金屬含量都沒有超標，符合無害茶園土壤標準。根據分析有機管理茶園和普通管理茶園土壤肥力狀況，有機管理茶園土壤要優于普通管理茶園土壤，說明有機管理茶園的建設模式更有利于茶樹的生長和發育，對土壤有一定改良作用。