贵州湄潭两种茶园土壤养分状况及太赫兹光谱特征分析

王加真，黄大灿，张宝成，吕朝燕，孟和华

（1.遵义师范学院生物与农业科技学院，贵州遵义563006；2.贵州四品君茶业有限公司，贵州湄潭564100）

贵州湄潭两种茶园土壤养分状况及太赫兹光谱特征分析

王加真1，黄大灿2，张宝成1，吕朝燕1，孟和华1

（1.遵义师范学院生物与农业科技学院，贵州遵义563006；2.贵州四品君茶业有限公司，贵州湄潭564100）

对贵州湄潭两种茶园土壤养分进行了测试，测试结果表明：两种茶园土壤的pH值、氨态氮、速效磷、速效钾差异显著，揭示了茶园土壤酸化与长期连续的化学肥料施用直接相关。使用太赫兹时域光谱技术分析了两种茶园土壤的折射率谱和吸收光谱，发现在化肥施用量较少的核桃坝茶园土壤的吸收光谱中有更多的吸收峰，折射率变化幅度更大，具体的机理有待进一步探讨。研究认为快速、无损的太赫兹时域光谱技术在茶园研究领域有广泛的应用前景。

太赫兹时域光谱；折射率；吸收系数；土壤养分

茶树[Camelliasinensis(L.)O.Kuntze]是我国重要的经济作物，贵州是茶叶主产区之一，其境内适宜茶树生长的酸性黄壤广泛分布[1]，低纬度、高海拔、寡日照的最佳生长条件使得贵州绿茶秀甲天下。截止2016年底，贵州省茶园面积达47万hm2，连续三年位居全国第一，成为中国高品质绿茶的重要原产地。湄潭县茶叶种植历史悠久，2016年全县投产面积3万hm2，是贵州重要的产茶县，出产的“湄潭翠芽”、“遵义红”享誉中国，该县的核桃坝村从上世纪60年代开始发展茶产业，被誉为“中国西部生态茶叶第一村”；永兴万亩茶海是世界上连片面积最大的茶园。氮、磷、钾是茶树生长必需的三种元素，在茶园施肥管理中，大量化学肥料，尤其是氮肥的长期施用，导致茶园土壤中氮、磷、钾及其它营养元素之间比例失调，造成肥效下降、土壤状况恶化、茶叶品质下降的情况[2]。化学肥料特别是氮肥的施用直接或间接地导致了土壤的酸化[3-7]。氮肥施入土壤后，因硝化作用释放的质子是引起土壤酸化的主要原因[8,9],有报道称每年向1hm2土壤中施入500kg的氮将产生32.5kmol的H+[10]，这直接导致了土壤的酸化[11]。

太赫兹光谱技术是近几十年来国际前沿领域的研究热点之一，通过研究不同物质对THz波谱的响应信号，得到太赫兹脉冲的振幅和相位信息，进行频域谱的处理分析，可获得大量的物理和化学信息，这对于分析和探索物质结构、实现THz波段的实际应用具有十分重要的价值[12,13]。本文选择湄潭核桃坝茶园土壤和茶海土壤进行取样，在分析茶园土壤养分的基础上进行土壤的太赫兹光谱检测，以期为茶园土壤的检测尝试新的方法。

1 土壤采集与制备

采样时根据茶园的面积和地形，随机选取20个样点，用取土钻钻取10cm深的土壤，混匀所有采样点的土样后，用四分法弃取土样至0.5kg左右。土样经风干、磨碎后分别过60目和200目筛备用，其中60目土壤用于土壤养分及pH值测试，200目土壤用于太赫兹光谱测试。

2 试验仪器及方法

2.1 土壤养分分析测定方法

土壤pH值用pH-2C精密酸度计测定；土壤养分用智能型土壤肥料养分速测仪CSF-V8-AC测定。

2.2 土壤样品的压片制备及THz光谱测量

以220mg/片、2.5t压力为土壤样品压片的最佳制备参数[14]。实验中的透射式太赫兹系统示意图如图1所示，飞秒光纤激光器（=1570nm，Pav=280mW，脉宽28fs，重复频率80MHz）发出的激光聚焦在光电导天线上产生THz波。该系统的有效带宽为0.15～3THz，动态范围60dB。整个实验过程中，太赫兹光路部分充满干燥空气，使得空气湿度保持在4%以下，并且温度保持在22℃±0.5℃[15]。

图1 透射式THz-TDS系统

透射式THz-TDS系统可以同时得到太赫兹波穿过样品后电场的振幅和相位信息，之后进行傅里叶变换，可将参考信号和样品信号的时域信息转换成频域谱，进而获得相关的光学参数，如吸收系数和折射率。参考提取光学常数的模型[16,17]进行计算，得到样品折射率n（）和吸收系数（）的计算公式，其中A（）和（）分别为样品信号和参考信号的振幅模的比值和相位差。

3 结果与分析

3.1 茶园土壤的养分分析

表1 茶园土壤养分含量测定结果

由表1可以看出，两类茶园土壤都存在不同程度的酸化，其中茶海茶园土壤比核桃坝茶园土壤酸化更为严重，这与化肥的连续大量施用直接相关[11]，茶海茶园的氨态氮、速效磷、速效钾含量显著高于核桃坝茶园，这归因于茶海茶园的施肥主要以大量的NPK复合肥和尿素为主。本研究验证了长期大量施用尿素等氮肥是茶园土壤酸化的一个重要原因。茶海茶园应合理控制氮肥的施用量，必要时可采用施用生物质炭来调节茶园土壤的酸碱度。

3.2 茶园土壤的THz光谱分析

图2是两种茶园土壤的THz时域光谱图，其中Reference表示THz波直接通过相对湿度为3.6%的干燥空气的参考信号，THz波通过土壤后携带了土壤信息。图2表明，土壤信号相对于参考信号有很大程度的衰减，这可归因于土壤样品对THz波的吸收和散射；由于土壤样品对THz波的折射率比空气大，从图2可以看出，两种土壤样品信号较参考信号都有一定的时间延迟，核桃坝茶园土壤信号较茶海土壤信号也有一定的时间延迟。

茶园土壤在THz波段的折射率和吸收系数依据公式（1）和（2）可计算得出。茶园土壤在0.2～1.4THz范围内的折射率谱见图3，图4是它的吸收系数谱。分析折射率谱线发现，在有效频谱0.2～1.4THz范围内，两种茶园土壤的折射率变化幅度在2.09～2.2之间，其中核桃坝茶园土壤折射率变化幅度在2.09～2.16之间，茶海茶园土壤折射率变化幅度在2.17～2.18之间，波动较小。而从吸收谱线可以看出，在1.2～1.4THz范围内，两种茶园土壤都有三个明显的强吸收峰，在0.9～1.1 THz范围内，只有核桃坝茶园土壤显示出三个明显的强吸收峰。随着频率的增加，土壤样品的吸收谱基线呈现上升的趋势，原因可能是样品散射或样品厚度造成的无结构吸收。比较图3和图4可以发现：每个吸收峰的出现都被折射率的相应变化所证实，这与Kramers-Kronig方程[18]保持一致，表明样品呈反常色散。

图2 茶园土壤的THz时域光谱图

图3 茶园土壤的折射率谱

图4 茶园土壤吸收系数谱

4 结语

茶园土壤的太赫兹光谱特性是土壤中多因子作用的综合结果。土壤的养分状况明显地影响到土壤太赫兹光谱的吸收系数和折射率。两种土壤养分存在显著性的差异，且折射率谱和吸收光谱也有对应的变化，具体表现在化肥施用量少、酸化程度较轻、速效养分低的核桃坝茶园土壤的吸收光谱有更多的吸收峰，折射率变化幅度更大，具体的机理问题有待进一步深入探讨。快速、无损的太赫兹技术可望发展成为一种实用的茶园土壤测量方法，通过研究可以得出不同茶园土壤的折射率和吸收系数，尤其在有机茶园的建设方面，可以作为不同土壤区分鉴别的指标。

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（责任编辑：朱彬）

Research on Nutrition and Terahertz Spectroscopy in Two Kinds of Tea Garden Soil in Meitan of Guizhou

WANG Jia-zhen1,HUANG Da-can2,ZHANG Bao-cheng1,LV Chao-yan1,MEN He-hua1
(1.School of Biological and Agricultural Science and Technology,Zunyi Normal College,Zunyi 563006,China;2.Guizhou Sipingjun Tea Co.Ltd,Meitan 564100,China)

Difference of pH，amino acid condition nitrogen，rapidly available phosphorus and potassium of two kinds of tea garden soil are studied in the lab.There is a direct relationship between soil acidification and continual application of chemical fertilizers.The change of refractive index and absorption coefficient of soil in Hetaoba tea garden are sharper than that of Chahai’due to low input chemical fertilizer.The mechanism of Thz spectroscopy respond to soil nutrition has to be further explored.The nondestructive testing of tea garden soil could be achieved by using the spectroscopy,which could be widely applied in tea garden research.

Terahertz;refractive index;absorption coefficient;soil nutrition

S155.4+5；S571.1

A

1009-3583（2017）-0111-03

2016-12-13

教育部留学回国人员科研启动基金（2015-1098）；贵州省教育厅产学研合作示范基地项目（2015-344）；贵州省科技厅社会发展重点项目（2015-3004）；遵义师范学院博士启动基金（2014-11）

王加真，男，甘肃景泰人，遵义师范学院生物与农业科技学院副教授，博士，主要从事茶学、生态学研究。