铁观音,属青茶类,是中国十大名茶之一[1]。安溪县是我国铁观音的主要产区,2009年以来,连续多年位居全国重点产茶县的榜首。目前,安溪全县茶园面积超过4万hm2,总产量6.8万t,涉茶总产值达148亿元,全县涉茶人口80多万,农民56%的经济收入来自于茶叶,茶产业支撑着全县的经济发展[2-3]。近年来,茶农片面理解施肥对茶叶增产提质的作用,只看重产量而忽视茶青品质,在经济利益的驱使下,过度开垦茶园、大量施用复合肥追求高产,致使茶园土壤问题日趋严重[4]。茶园养分管理呈现两种极端,一种是野放化管理,完全任由茶树自然生长,常年采收,导致土壤养分过度消耗,造成茶园土壤肥力退化; 另一种是盲目大量施肥造成资源浪费、环境污染,使得茶园土壤酸化[5-6]、水土流失日益严重[7],同时导致茶叶品质下降。因此,研究茶园养分管理与土壤肥力和茶叶品质间的关系,明确养分管理对茶园土壤肥力和茶叶品质的影响,对合理发展茶产业、防止资源浪费和提升茶叶品质尤为重要。
铁观音作为闽南乌龙茶的代表,其品质主要受环境因素和人为因素的影响。人为因素主要指加工工艺,包括茶青采摘标准、摇青、杀青、烘焙方式和时间等[8-10]。环境因素则包括土壤、水分、气候和季节等[11-12]。茶树的生长发育状况决定了茶青品质的优劣,而茶树生长发育过程中所需的各种矿质养分元素均来自土壤。因此,研究土壤对茶叶品质的影响十分重要。洪翠云等[13]发现,不同供试地铁观音鲜叶品质成分显著不同,根本原因在于土壤肥力存在显著差异。Ruan等[14]研究发现,土壤中氮素养分的空间异质性会显著影响茶青中氨基酸含量的变化。李倩等[15]认为土壤的养分指标与绿茶品质化学成分间存在一定的线性关系,有机质和碱解氮与茶叶品质密切相关。
大量研究报道,养分管理能够影响茶园土壤肥力和茶叶品质。合理施肥不仅可以增加茶叶产量,还能提升茶青品质。毛平生等[16]发现,不同耕作、施肥方式会显著影响绿茶鲜叶中茶多酚、氨基酸和咖啡碱含量的变化。程博一[17]认为开沟覆膜能提升茶叶的水浸出物、咖啡碱和游离氨基酸含量,同时降低茶多酚含量,显著提高土壤养分利用效率。李磊[18]利用6种肥料类型,研究施肥对茶叶品质的影响,发现施肥能显著改善茶叶品质,其中生物有机肥效果最佳。Huang等[19]证实了不同氮源处理会显著影响茶叶黄酮类物质和茶氨酸的积累。施用复合肥不仅能够提高茶叶氨基酸的含量,改善茶叶品质,还能促进土壤养分趋于平衡[20]。虽然大量研究证明了施肥会影响茶园土壤养分状况,进而影响茶叶品质,但不同地区、不同茶树品种对养分的需求不尽相同。本研究针对安溪铁观音养分管理的需求,选取代表性茶园,分析了不同养分管理对土壤肥力及茶青次生代谢物的影响,旨在为该地区茶园养分管理提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 样品采集与处理2015年7—8月在安溪县10个主要产茶乡镇,采集了50个茶园的茶青与土壤样品。具体采样点(图 1a))包括:1.参内乡(8个样点):参山村、茶学院、岩前村; 2.感德镇(6个):槐植村、槐东村; 3.虎邱镇(9个):芳婷村、高村、林东村、双格村; 4.剑斗镇(5个):福斗村、双洋村; 5.蓝田乡(2个):进德村; 6.龙涓乡(4个):举源村、长塔村、珠塔村; 7.桃舟乡(6个):达新村、康随村、吾培村; 8.西坪镇(5个):柏溪村、盖竹村、西原村、珠洋村; 9.祥华乡(3个):新寨村、寨片场; 10.长坑乡(2个):珍田村。
茶青样品采集与处理:茶树品种为铁观音。按照传统1芽3叶的标准采集茶青(图 1b)),相邻两株茶树采集鲜叶50 g左右混合成一个样品,每个茶园随机采摘3个样品,共计150个茶青样品。样品采用热固样法,24 h之内在烘箱加热105℃杀青30 min,然后降至75℃烘干至恒重。使用研磨机将茶叶样品磨成粉末状,用于主要次生代谢物的测定。
土壤样品采集与处理:与采摘茶青相对应,沿茶树“滴水缘”垂直投影,清除地表枯枝落叶,用土钻采集0~20 cm土壤(图 1c)),同一茶园与茶青样品对应,采3点混合形成1个土样,用于测定表层土壤肥力指标。同时,每个茶园分0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm三层,分别采集一个剖面土壤样品。除少数茶园因土层较浅,未采集剖面样品外,共计50个表层土样、46个剖面土样。土样在室内自然风干,研磨土样分别过2 mm和0.149 mm筛用于测定土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾。
1.2 茶园分类根据在50个茶园调研的茶农施肥习惯(特别是氮肥的投入量),同时参考表层土壤养分的测定状况,将茶园养分管理初步分为三种类型:少量型(施氮量小于200 kg·hm-2·a-1)、中量型(施氮量200~400 kg·hm-2·a-1)和过度型(施氮量大于400 kg·hm-2·a-1)。按照此方法,采样的茶园包括少量型16个、中量型14个和过度型20个。
1.3 样品检测与方法茶青品质成分测定:参照国标GB/T 8303-2013和GB/T 8313-2018,称取50 mg烘干的茶叶样品粉末,加入1 mL 70%甲醇溶液,涡旋混匀1 min,超声破碎20 min,12 000 r·min-1离心10 min,吸取上清液500 μL,稀释200倍后,利用超高效液相色谱-三重四极杆串联质谱(Xevo TQ-S,Waters公司,美国)测定。定量测定了9种与茶叶品质相关的主要次生代谢物,包括茶氨酸(Theanine)、咖啡碱(Caffeine)、芦丁(Rutin)、表儿茶素(EC)、没食子儿茶素(GC)、表没食子儿茶素(EGC)、表儿茶素没食子酸酯(ECG)和表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)及总儿茶素(Total catechin)。
土壤养分指标参考鲍士旦《土壤农化分析(第三版)》[21]进行测定,具体方法如下:pH采用电位法测定(水土比2.5:1);有机质(Organic matter,OM)采用高温外热重铬酸钾氧化—容量法测定; 碱解氮(Alkaline nitrogen,AN)采用1 mmol·L-1 NaOH碱解扩散法测定; 有效磷(Available phosphorus,AP)采用Bray I 法0.03 mol·L-1NH4F+ 0.025 mol·L-1 HCl提取,钼锑抗比色法测定; 速效钾(Available potassium,AK)采用乙酸铵浸提—火焰光度法测定。
1.4 数据分析与处理通过SPSS 19.0统计学分析软件,对所得到的数据进行正态检验、T检验(Student’s t test)、单因素方差分析(One-way ANOVA)、双因素方差分析(Two-way ANOVA)和邓肯多重比较(Duncan)法进行差异显著性检验。在考虑外界环境因素的条件下,人为将样本进行分组,综合考虑多个因素,进行限制性主坐标轴分析CPCoA(Constrained principal coordinate analysis),观察分组间是否存在显著差异[22]。并运用R语言包ggplot2、SigmaPlot12.5软件,进行数据处理及作图。
2 结果 2.1 养分管理对表层土壤肥力的影响利用养分管理作为限制因素,土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾等五项指标作为土壤肥力参数,进行土壤肥力的限制性主坐标轴分析(图 2)。结果表明,坐标轴1(CPCoA1)是造成样本间差异性的最大主坐标成分,可以解释86.4%的差异,其次为主坐标2(CPCoA2),解释度为13.6%;三种管理方式下的样本在CPCoA1维度上可以显著地分开。证实通过农户调查的施氮水平,确实可以反映不同茶园的养分管理水平。并且,不同养分管理对表层土壤肥力影响极为显著(P < 0.001,图 2),三种管理方式可解释34.4%不同茶园土壤肥力的总体差异。可见,不同养分管理显著改变了安溪茶园表层土壤的肥力状况。其中,中量型茶园土壤肥力与少量和过度型茶园显著不同。
对茶园表层土壤分析结果表明,目前安溪茶园土壤酸化严重,并且土壤酸化程度受养分管理影响显著(图 3a))。三种管理方式下,土壤pH分别为4.6、4.3和4.2,均在5.0以下。过度型管理下土壤pH最低,酸化最为严重。
随着施肥量的增加,土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的含量均显著提升(图 3b)~图 3e)),其中过度管理的茶园土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量最高,中量型次之,少量型最低。在所测定的土壤肥力指标中,养分管理对土壤有效磷的影响最为显著,其次为土壤速效钾含量。与少量型管理的茶园相比,中量和过度型管理的茶园土壤有效磷含量分别增加了3.5倍和14.7倍,土壤速效钾含量分别提升了26.6%和73.2%。少量型和中量型管理的茶园土壤有机质和碱解氮含量差异不显著。
2.2 养分管理对土壤剖面肥力的影响双因素方差分析结果(表 1)表明,养分管理和土层深度对大部分土壤肥力指标影响极为显著。其中,养分管理显著影响了全部5个指标,土层深度则影响了有机质、碱解氮和有效磷等3个指标; 并且养分管理和土层深度对土壤有效磷存在交互作用。
养分管理对中上层土壤肥力影响极为显著,对下层土壤(40~60 cm)肥力影响不明显(表 1)。虽然不同养分管理下,不同剖面土壤pH的差异不显著,但整体上呈现出少量型高于中量型和过度型的趋势。在有机质方面,过度型管理显著提升了表层土壤有机质的含量,与少量型和中量型相比,分别提升了64.06%和30.85%;养分管理对中下层(20~40 cm和40~60 cm)土壤有机质影响不显著。过度型管理显著提升了中上层碱解氮含量,但少量型和中量型两种管理下,三个土层间差异不显著。养分管理对不同土层有效磷影响最为明显,表现出过度型、中量型、少量型依次减小的趋势。与少量型相比,过度管理下三个土层有效磷分别提升了14.50倍、9.22倍和3.89倍; 中量型管理显著提升了中上层土壤有效磷含量。速效钾的变化与有效磷类似,过度型管理与少量型相比,整个土壤剖面速效钾含量均显著提升,分别提升了64.79%、93.60%和52.74%,中量型管理与少量型相比,各土层速效钾含量有所提升,但差异不显著。
安溪茶园土壤中有机质、碱解氮、有效磷和速效钾等4个指标变异幅度较大,不同土层间普遍以有效磷含量变异最大,并且随着土层的深度增加,变异系数随之变大,例如少量型管理下,上、中、下三层土壤,有效磷变异系数分别为66.19%、88.54%和152.21%(表 2)。
利用养分管理作为限制因素,9种茶青主要次生代谢物作为品质参数,进行限制性主坐标轴分析(图 4)。结果表明,养分管理显著影响茶青品质。不同养分管理下,茶青次生代谢物存在显著差异; 该差异可解释7.48%茶青品质成分的总体差异,达到极显著水平(P < 0.001)。其中CPCoA1占主导,可以解释87.02%的差异; 并且,按照测定的9种品质成分,中量型管理下的茶青次生代谢物与其他两种管理显著分离,说明中量型管理的茶园,其茶青品质显著不同。
从图 5可见,养分管理显著影响了9种茶青次生代谢物的浓度(图 5)。除芦丁外,大部分茶青次生代谢物在中量型浓度最高,说明过高或过低施肥均影响茶青大部分次生代谢物的合成,从而降低茶叶品质。就整体茶青次生代谢物浓度而言,中量型养分管理下茶青品质最好。
由于常年采摘,茶园土壤肥力耗竭严重[20],为提高茶叶产量,茶园普遍通过施肥来提升土壤肥力,从而满足茶树对养分的需求。然而,我国茶园施肥缺乏统一标准,不同地区和不同茶园养分管理,即施肥习惯和施肥量,均差异较大[23-24]。因此,研究茶园养分管理及其对茶叶品质的影响日趋重要。
本研究发现,养分管理对安溪茶园中上层土壤肥力影响较大(图 2~图 3,表 1)。施肥过多或过少,均会导致土壤肥力下降(图 2)。在所测的5个土壤肥力指标中,养分管理对表层土壤有效磷的影响最为显著,其次为速效钾、碱解氮和有机质,对土壤pH也存在显著的影响。究其原因,可能是茶树作为一种亚热带多年生常绿作物,具有喜酸及喜铵的偏好性[17, 25],过度的茶叶采摘与养分管理,特别是氮肥的过量施用,促使茶树根系释放更多的质子,从而加剧土壤的酸化过程[26-27]。茶树能正常生长的土壤pH范围在4.0~5.5之间[28],pH过低或过高均会抑制根系的生长发育,不利于茶树对养分的吸收和利用; 同时,土壤过度酸化,还会减少土壤的有益微生物菌群[29]。本研究中各茶园施氮水平差异极大(分别为小于200,200~400和大于400 kg·hm-2·a-1),茶园表层土壤pH表现出少量型、中量型、过度型递减的趋势,过度型管理土壤酸化最为严重。这与前人[30]报道安溪茶园土壤整体酸化严重的结论相一致。
茶树作为一种叶用经济作物,全年的养分需求氮、钾、磷依次递减。据Sun等[31]报道,乌龙茶茶青(包括安溪铁观音)N:P:K的比例为10:1:5。因此,本研究发现过量施肥,并未大幅度提高茶园有机质和碱解氮含量(图 3,表 1)。常年多次采摘,造成土壤氮素耗竭严重,施肥不足则会造成有机质含量下降。杨如兴等[32]调查了安溪8个主要产茶乡镇铁观音茶园的土壤肥力状况,发现安溪茶园面临养分失衡,土壤碱解氮严重缺乏,土壤钾素养分相对匮乏等问题。早期研究普遍提出安溪茶园速效钾含量匮乏,与本文有所出入,这可能与安溪茶农施肥存在盲目性和跟风性有关[33]。随着当地土肥站科研报告的公布,茶园管理中迅速增大了钾肥的施用量。同时因对酸性土壤磷肥利用率低、有效磷匮乏的误解,茶园管理中往往会选用高配比的复合肥,最终造成土壤有效磷和速效钾含量冗余,与本文研究结果一致。因此,过度型养分管理造成土壤有效磷和速效钾的大幅度上升,可能与近年来大量使用复合肥,特别是15:15:15等高浓度、高配比复合肥有关。
3.2 合理养分管理利于提高茶叶品质养分管理除影响土壤肥力外,还直接影响茶叶品质。茶氨酸、咖啡碱、芦丁、ECG、EGCG等9种理化指标是茶叶中重要的品质成分,每种次生代谢物对茶叶品质均有独特的贡献,其含量的多少直接决定茶叶品质的好坏[34-35]。在绿茶生产中往往通过配方施肥,提高茶青中氨基酸含量,降低酚氨比,达到提升绿茶品质的目的[20]。李磊[18]对北方茶园的研究发现,不同种类的肥料施用均会显著影响茶青中茶多酚和氨基酸含量的变化,其中生物有机肥显著提高茶叶氨基酸含量,降低茶多酚含量,对咖啡碱影响不显著。颜明娟等[36]研究发现,有机肥和无机肥配施,显著提升了铁观音茶青中茶多酚和氨基酸的含量,从而提升茶青品质。叶江华等[37]研究发现,铁观音根际土壤肥力显著影响茶叶中茶氨酸和咖啡碱的变化,对茶多酚影响不显著。在不施肥的情况下,随着茶树种植年限的增加,铁观音鲜叶中茶氨酸和咖啡碱的含量显著降低。不同品种的乌龙茶随着不施肥年限的增加,茶青中茶多酚、茶氨酸和咖啡碱的含量均呈现下降趋势,茶多酚中以EGCG、ECG和EGC的含量下降最为显著[38]。与上述研究结果一致,本研究也发现养分管理确实显著影响了茶青品质成分,中量型养分管理下茶青品质最好(图 4,图 5)。在长期施肥不足的情况下,茶树的生长发育受到显著抑制,游离氨基酸含量明显降低[14],茶氨酸作为茶树主要氮源供给茶树新芽萌发生长[39],进而使得茶氨酸、咖啡碱和EGCG、ECG等儿茶素含量显著降低,导致茶青品质下降(图 5)。随着施肥量的增加,在中量型管理下,各类儿茶素含量及茶氨酸含量均显著提升,达到最优状态(图 5)。氮素是茶氨酸、儿茶素、咖啡碱等含氮代谢物的重要组分,这几类化合物的累积呈现此消彼长的特性[40],过度管理,大量施用高配比、高浓度复合肥,导致茶青中EGCG、ECG等儿茶素及茶氨酸含量显著降低,咖啡碱显著提升(图 5),在降低茶叶滋味的同时提高了茶叶的苦味,茶青品质急剧下降。可见,施肥过多或过少均影响茶叶品质,合理施肥是高品质茶叶生产的关键因素。
前人研究表明,土壤肥力变化会显著影响茶青中次生代谢物含量的变化,从而影响茶叶品质。例如,李倩等[15]在对崂山地区土壤养分与茶叶品质研究中,提出茶青中的茶多酚、氨基酸和咖啡碱含量与土壤养分之间存在一定的线性关系。周志等[41]发现,土壤养分状况显著影响茶叶品质成分,并且不同土壤养分指标对不同品质成分的影响有所不同。通过边际效应分析,发现各次生代谢物的最高含量均有其对应的土壤养分范围。土壤养分含量过高或过低均影响茶叶品质。本研究也发现,中量型管理的茶园,不仅其土壤肥力状况显著有别于其他两种管理类型,其茶青品质也优于其他类型。说明合理的养分管理,不仅有利于生产高品质茶叶,而且有助于提高土壤肥力,从而提升茶叶产量。
4 结论养分管理显著影响安溪茶园中上层土壤肥力,对下层土壤影响不明显。在所测的5个土壤肥力指标中,养分管理对表层土壤有效磷的影响最为显著,其次为速效钾、碱解氮和有机质,随着施肥量的增加,土壤pH显著降低。中量型(施氮量200~400 kg·hm-2·a-1)管理方式下,安溪茶园土壤肥力较高。同时,不同的养分管理下,茶青次生代谢物含量也存在显著差异,中量型养分管理下茶青品质最优。综上所述,合理的养分管理,不仅有利于提升茶叶品质,而且有助于提高茶园土壤肥力,维持茶园的可持续生产。
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