武夷茶区茶园土壤养分状况及其对茶叶品质成分的影响

周志，刘扬，张黎明，许锐能，孙丽莉，廖红



武夷茶区茶园土壤养分状况及其对茶叶品质成分的影响

周志1，刘扬1，张黎明2，许锐能1，孙丽莉1，廖红1

（1福建农林大学资源与环境学院根系生物学研究中心，福州 350002；2福建农林大学资源与环境学院，福州 350002）

【目的】分析乌龙茶主产区武夷茶园中土壤养分状况及其对茶叶品质成分的影响，为改良茶园养分管理和提升茶叶品质提供理论依据。【方法】本研究在2008年福建省土壤普查数据的基础上，于2015年在武夷3大茶区，（桐木区、岩茶区和洲茶区）随机选取68个茶园，包括桐木区12个、岩茶区32个和洲茶区24个，分别采取茶园0¾20 cm的土壤和一芽三叶的茶青样品。检测土壤pH，有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量等土壤养分指标，同时利用高效液相色谱系统（HPLC）定量测定茶青中的茶氨酸、咖啡碱、芦丁、ECG、EGCG和总儿茶素等6种次级代谢物含量做品质成分分析。【结果】通过对比2008年和2015年的土壤养分指标，发现近年来，武夷茶区土壤酸化严重，部分茶园土壤有效磷含量增加显著。三大茶区中，岩茶区茶园土壤养分状况变化最为明显，其土壤pH、有机质和碱解氮分别下降了0.65、45.29%和49.39%；土壤有效磷含量却大幅度上升，从5.21 mg∙kg-1上升到平均值为245.70 mg∙kg-1，上升幅度超过40倍。说明该区域茶园存在过度施肥的现象。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，发现各次级代谢物的最高含量都有其对应的土壤养分范围。在此基础上，拟合了武夷茶区高品质茶园适宜的土壤养分范围：pH 4.5¾5.0；有机质20¾40g·kg-1；碱解氮60¾100 mg·kg-1；有效磷10¾100 mg·kg-1；速效钾100¾150 mg·kg-1。【结论】综合本研究结果，建议武夷岩茶区和洲茶区在养分管理方面，总体采取有机肥取代部分化肥，适量补氮和钾，严格控制磷肥施用等措施。

土壤养分；茶叶；品质成分；次级代谢物；养分指标；武夷茶区

0 引言

【研究意义】茶是世界三大饮料之首，在人们日常生活中起着十分重要的作用。近年来，全球茶叶种植面积不断扩增，茶叶产量也逐步递增。目前，我国茶园面积和茶叶产量均位居世界第一[1]。随着对健康生活的日益关注，人们对茶叶品质也越来越重视。茶叶的品质与茶树的生长发育息息相关，而土壤是茶树生长发育所需各种养分的主要来源[2]。随着茶树在茶园中种植年限的增加及栽培面积的扩大，茶园土壤健康问题也日益突显[3]。因此，研究茶园中土壤养分状况与茶叶品质的关系，对改良茶园养分管理和提升茶叶品质十分重要。【前人研究进展】福建是我国最大的产茶省份，武夷山既是闽北乌龙茶及红茶的发源地又是主产区，在福建省茶叶中，武夷茶占比很大[4-5]。据报道，茶园土壤养分状况及施肥能够影响茶叶品质成分[6-8]。例如，缺磷影响黄酮类及磷酸化代谢物的合成，而磷过量则会提高苹果酸和草酸等有机酸的含量，影响次生代谢物的合成[7]。适当施用氮肥能够平衡脂类代谢和香气物质合成的关系，提高茶叶品质；过量施氮会降低香气前体物质的合成，影响茶叶品质等[8]。最近，采用代谢组学和转录组学相结合的技术手段研究发现，茶树缺氮积累黄酮类物质，供氮后富集脯氨酸、茶氨酸和谷氨酰胺等氨基酸类物质；供应铵态氮则利于茶氨酸的累积[9]。【本研究切入点】目前，关于武夷茶区茶园土壤养分状况与茶叶品质成分关系的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究主要通过检测武夷茶区不同类型茶园土壤养分指标、茶叶品质成分，分析土壤养分指标与茶叶品质成分之间的关系，为综合管理武夷茶区，维护茶树良好生境、提升茶叶品质及科学施肥提供理论依据。

1 材料与方法

试验于2015—2017年，在福建农林大学根系生物学研究中心进行。

1.1 样品采集与处理

运用ArcGIS 10.0软件，以及2008年农业部测土配方施肥项目样点分析资料[10]，建立武夷山市耕地1﹕50 000土地利用—土壤类型空间数据库，样点数为3 671个（图1-A）。

2015年7¾8月对武夷山3大茶区的68个不同茶园的茶青与土壤样品进行采集。采样点位置为（图1-B）：岩茶区（32个样点）：水帘洞、慧苑坑、飞来峰、悟源涧、马头岩、大坑口、牛栏坑、章堂涧、流香涧、朝阳、曹墩、星村、洲头、黄柏村、樟树村、南乾村、泉头、九龙等；洲茶区（24个样点）：仙店、南岸、城村等；桐木区（12个样点）：庙湾、百花坑、关坪、江墩、桥下、华光庙等。选取2008年样点分布图中与2015年相同位置的土壤样点进行综合比较。

茶青采集方法：按照乌龙茶传统采茶标准一芽三叶采集茶青，每株采集50 g左右鲜叶。用热固样法固样，即将样品迅速放入烘箱，在105℃烘15 min后，再在75℃烘至恒重[11]。

土壤采样方法：沿采摘茶青的茶树边沿垂直投影取样，适当剔除地面的杂物后，用土钻采集0¾20 cm层土壤，混匀后形成土样。土样在室内自然风干后，参照《土壤农化分析》的方法[12]，将待测土样过2 mm筛，用于测定土壤pH、碱解氮、有效磷及速效钾；过0.149 mm筛，用于测定土壤有机质。

1.2 样品检测与方法

土壤养分指标测定参照《土壤农化分析》的方法[12]。pH：电位法测定（土﹕水=1﹕2.5，质量比）；有机质（soil organic matter，SOM）：高温外热重铬酸钾氧化-容量法；碱解氮（alkaline nitrogen，AN）：1 mmol∙L-1NaOH碱解扩散法；有效磷（available phosphorus，AP）：BrayⅠ提取-钼蓝比色法；速效钾（available potassium，AK）：乙酸铵浸提-火焰光度法。

茶叶品质成分测定：样品前处理参照国标GB/T8303¾2002[13]和国标GB/T 8313¾2008[14]。采用美国Agilent 1260型高效液相色谱系统（HPLC）定量检测6个茶青次级代谢物作为茶叶品质因子，包括茶氨酸、咖啡碱、芦丁、总儿茶素和2种多酚类单体物质（表儿茶素没食子酸酯（ECG）、表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG））等。

1.3 数据分析与处理

所有数据按需要分别进行-检验、单因素方差分析和多重比较（SPSS 22.0）。通过基于Boundary Line分析的关键因子影响程度定量分析法（简称：边界线法）[15-16]，对茶园土壤养分指标与茶青次级代谢物含量进行影响程度的定量分析。旨在从复杂的多因素中孤立出某一个土壤养分指标，分析该指标对某个茶叶品质成分的限制程度，从而找到每种品质成分对应的土壤养分限制因子。

图1 2008年（A）和2015年（B）土壤样点分布图

表1 2008年武夷山耕地土壤样点养分状况的统计特征

图中红色“☆”表示2015年采样点位置

2 结果

2.1 武夷山土壤基本养分状况

从表1和图2-A可以看出，2008年武夷山耕地土壤总体为酸性（pH平均为4.7），部分区域土壤酸性非常严重，如兴田镇大部分土壤pH＜4.0；而岚谷乡及武夷岩茶区等地，土壤酸性较弱，pH介于5.5¾6.0（图2-A）。2008年武夷山土壤有机质、碱解氮、有效磷及速效钾等含量的变异较大，特别是有效磷含量的变异最大，变异系数为98.99%（表1）。其中，兴田镇耕地土壤的有机质、碱解氮和速效钾的含量都比较高，大部分土壤有机质＞50 g∙kg-1、碱解氮＞250 mg∙kg-1、速效钾＞150 mg∙kg-1；而桐木区土壤有机质、碱解氮和速效钾的含量都比较低，大部分土壤有机质＜20 g∙kg-1、碱解氮＜100 mg∙kg-1、速效钾＜12 mg∙kg-1（图2-B—E）。武夷岩茶区，大部分土壤有效磷含量极低（＜2.2 mg∙kg-1）（图2-D）。

2015年武夷山茶园土壤分析结果表明（图3），在岩茶、洲茶和桐木3个茶区中，桐木区茶园土壤的pH、有机质和碱解氮含量最高，分别为4.94、52.65 g·kg-1和139.53 mg·kg-1；洲茶区土壤的有效磷含量最高，为411.04 mg·kg-1，分别比岩茶区和桐木区土壤的有效磷含量高出67.29%和15倍。岩茶区土壤的速效钾含量最高，为183.27 mg·kg-1，分别高于洲茶区和桐木区24.24%和108.75%。

与2008年相比，2015年武夷茶区茶园土壤养分变化十分显著，并且不同区域、不同指标的变化也不尽相同（图3）。首先，岩茶区除有效钾外，其余4个土壤养分指标的变化均为显著。与2008年相比，2015年岩茶区土壤pH、有机质和碱解氮分别下降了0.65、45.29%和49.39%；而其土壤有效磷含量却大幅度上升，从5.21 mg·kg-1上升到平均值为245.70 mg·kg-1，上升幅度超过40倍。洲茶区有机质、碱解氮和有效钾分别下降了53.67%、65.13%和23.56%；有效磷含量极显著增加，从70.03 mg·kg-1上升到411.04 mg·kg-1，增幅近5倍。相对于岩茶区和洲茶区，桐木区土壤养分变化较小，并且变化趋势相反。表现为pH和有效磷相对稳定，有机质、碱解氮和有效钾显著上升，分别上升了159.90%、130.82%和736.32%。

*表示同一区域不同年份间t检验差异显著（P＜0.05），方柱上不同字母表示同一年份不同区域差异显著（P＜0.05，小写字母为2008年，大写字母为2015年） *: significantly different between 2008 and 2015 (P＜0.05, t-test). Different letters above bars denote significant differences among different regions at the same year (P＜0.05, lowercase letters: 2008; capital letters: 2015)

2.2 武夷山茶园土壤养分指标与茶青次级代谢物含量的关系

通过边界线分析，发现所测定的5个土壤养分指标（pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾）均可影响茶青次级代谢物的含量。任何一个土壤指标过高或过低均会降低茶青次级代谢物的含量；并且，不同土壤养分指标对不同茶青次级代谢物的影响有所不同（图4）。

土壤酸碱度（pH）对茶叶品质的有显著影响，土壤pH过高或过低均显著降低茶叶品质。除芦丁外，所测的茶青次级代谢物的含量在土壤pH为4.5时最高；而芦丁含量在土壤pH为5.0时最高（图4）。茶青中ECG、EGCG、茶氨酸、芦丁的含量均随土壤有机质含量的增加呈现先增加到最高值，再急剧降低的趋势。其中，ECG的含量在土壤有机质含量为30 g·kg-1时最高；EGCE、茶氨酸和芦丁的含量在土壤有机质含量为40 g·kg-1时最高；咖啡碱和儿茶素的含量随土壤有机质含量的增加持续降低（图4）。土壤碱解氮对茶叶品质指标的影响与有机质类似，均为先增后减。除茶氨酸外，所测的大部分茶青代谢物含量在碱解氮为60 mg·kg-1时最大，超过100 mg·kg-1时急剧下降（图4）。

图中绿色和红色圆点分别表示不同茶园土壤养分对应茶青中次级代谢物含量的实际值和拟合边界值

此外，几乎所有茶青代谢物含量在土壤有效磷较低时都比较高，大部分是在低于150 mg·kg-1时最大。其中，土壤有效磷越低，EGCG、ECG和咖啡碱含量越高；茶氨酸和芦丁在土壤有效磷低于10 mg·kg-1含量较低（图4）。土壤速效钾含量过高或过低，均显著影响茶叶品质。对咖啡碱而言，土壤速效钾为100 mg·kg-1时，其含量最高；对ECG、EGCG和芦丁来说，土壤速效钾为130 mg·kg-1时，含量最高；茶氨酸和总儿茶素则是在土壤速效钾为150 mg·kg-1时，含量最高（图4）。

2.3 茶园土壤养分对茶青次级代谢物含量影响的比较分析

通过边界线分析方法，发现不同土壤养分指标对茶叶品质成分的影响比重有所不同（图5）。其中，碱解氮对总儿茶素、芦丁和EGCG的影响最大，比例分别为25.63%、32.92%和29.11%。土壤有效磷对咖啡碱和茶氨酸含量的影响最大，比例分别为31.90%和38.89%。土壤有机质对ECG含量影响最大，比例为32.72%。

图5 武夷茶园土壤养分对茶青中次级代谢物含量影响的比较分析

3 讨论

3.1 近年来武夷茶区局部土壤酸化严重、存在过量施肥等问题

通过比较2008和2015年来武夷茶区土壤养分指标，可以发现，近年来武夷茶区土壤酸化严重。究其原因，可能是由于近年来岩茶价格飙升，茶农为追求产量，大量施肥、特别是大量施用氮肥所致。Guo等[17]通过长期定位试验研究发现，长期施用大量氮肥是引起土壤酸化的主要原因。而张永利[18]和朱旭君[19]的研究也表明，大量施肥，特别是大量施用氮肥，对茶园土壤酸化影响很大。因此，虽然茶园施肥能在一定程度上增加产量，但过量施肥会造成茶园土壤pH降低，出现酸化现象[20]。

武夷山地处亚热带地区，其茶园土壤大部分为火山石或花岗岩发育的酸性红黄壤[21]。热带亚热带地区的酸性红黄壤，由于常年高温多雨、土壤淋溶严重，并且土壤中铁、锰及铝等离子含量较高，土壤有效磷含量较低[22]。因此，2008年各茶区土壤有效磷含量均较低。本研究发现，与2008年相比，不到10年时间，大部分茶园土壤有效磷含量上升显著。此外，在岩茶区和洲茶区大量采收茶青，加上该区域常年高温多雨，土壤淋失严重、肥力耗竭过度，造成有机质和碱解氮均显著下降。而土壤速效钾含量变化不显著，可能还是由于一方面施用了大量钾肥，另一方面土壤钾的淋失损失比氮少，并且茶叶收获所带走的钾量也远低于氮所致。

从笔者课题组所做的农户调查来看，武夷茶区茶农对施肥量、肥料种类及养分含量缺乏规范管理。因桐木区茶园位于国家自然保区内，不允许大量施用化肥。本研究发现桐木区茶园土壤有效磷的变化不显著，进一步验证了在酸性低磷土壤上，如果没有高浓度化肥的投入，土壤有效磷含量不可能大幅度上升。综上所述，笔者认为武夷茶区自2008年以来，茶园施肥量明显增加。其中以岩茶区茶园施肥增加最为显著，造成岩茶区茶园土壤pH急剧下降、有效磷大幅度增加。

3.2 合理的土壤养分状况，利于茶叶品质的提高

茶氨酸、咖啡碱、芦丁、总儿茶素和多酚类单体物质（ECG、EGCG）是茶叶中重要的品质成分，其含量的多少直接决定茶叶品质的好坏[23-24]。然而，所有代谢物（品质成分）的形成均离不开土壤养分的供应[25]。茶树对土壤酸碱度的适应范围较广，一般认为茶树最适pH为4.5¾5.5[26]，这与本研究的结果有差异。本研究发现，土壤pH超过5.0时，大部分次级代谢物含量急剧下降，说明茶树还是典型的喜酸作物[27]。但是土壤pH过低也不利于茶叶中品质成分的积累，维持茶园土壤合理的酸碱度，对茶叶品质十分重要。

土壤肥力的丰缺程度，可以通过土壤有机质含量的多少来判断[28]。一般认为，土壤有机质含量越高，茶园土壤的肥力越高、茶叶的品质越好。因此，在实际生产中，存在盲目施用有机肥的情况。本研究发现，土壤有机质含量过高并不有利于茶叶中次级代谢产物的积累。大部分次级代谢物的含量，在有机质高于40 g·kg-1时急剧下降，说明有机质含量高的茶园并不意味着是高品质茶园。目前，除桐木区外，武夷茶区大部分土壤有机质低于40 g·kg-1，并且该地区常年高温多雨，土壤有机质矿化速度较快。因此，武夷岩茶和洲茶区适当补充有机质仍然十分重要。

有效氮、磷、钾的含量在一定范围内时，才有利于茶叶中次级代谢产物的积累，从而达到最优的茶叶品质。茶叶中组成蛋白质和氨基酸的主要元素是氮，茶树的生长发育以及产量和品质都与氮息息相关[29]。为确保土壤肥力，每年需要向土壤中添加大量的氮素[30]。但是过量施氮会导致土壤酸化，降低茶叶品质。本研究发现，土壤碱解氮含量在60¾100 mg·kg-1时所测的茶叶品质最好。茶园土壤中适宜的有效磷含量对提升茶叶的香气和滋味有着十分明显的作用[31-32]。本研究所测的茶青样品中，6个次级代谢物含量大部分在土壤有效磷150 mg·kg-1以下最高，超过200 mg·kg-1急剧下降。说明茶园土壤养分管理中，“控磷”十分重要。在茶树体内，钾的含量仅次于氮，钾对增强茶树的抗逆性有着十分显著的作用[33-34]。岩茶区茶园土壤中速效钾含量在3种茶园中含量最高，这可能与岩茶园处于丹霞地貌，紫色砂砾岩风化的土壤含钾量高有关。洲茶茶园土壤中速效钾含量仅次于岩茶区茶园，这极有可能是由于施用大量钾含量高的肥料引起。桐木区茶园近年来土壤有效钾上升而有效磷相对稳定，可能与该区域禁止大量施用化肥，茶农习惯施用草木灰等含钾量高的有机物料有关，具体原因还有待进一步探究。

3.3 武夷茶区高品质茶园适宜土壤养分范围及养分管理措施

从图5可见，本研究所测定的各项土壤养分指标，对不同茶叶品质成分的影响有所不同。茶叶品质是一个综合性状，每个品质成分对品质的贡献不一样，并不是越高越好。例如EGCG是公认的植物源抗癌物质[35]，但EGCG含量过高，茶叶的涩味增加，影响口感。咖啡碱含量过低，影响滋味[36]；过高，则茶汤变苦。并且不同消费群体，对品质的要求不同，迄今仍缺乏公认的、优先考虑的品质指标。因此，针对不同的品质成分，重点关注的土壤养分指标也有所不同。例如，针对茶叶保健功能，重点关注对EGCG和芦丁含量影响最大的碱解氮；针对茶叶滋味，重点在于对茶氨酸和咖啡碱影响大的土壤有效磷的变化。对总品质影响最大的ECG而言，土壤有机质的含量更为重要。以上说明高品质茶园土壤养分均衡供应十分重要。

然而，没有一个次级代谢物对品质因子有决定性的作用，并且各因子间也可相互转化[37]，应对所有参数进行综合考虑。

4 结论

近年来，武夷茶区存在局部土壤酸化明显、施肥不合理的现象。建议武夷岩茶和洲茶区在养分管理方面，总体采取有机肥取代部分化肥，适量补氮和钾，严格控制磷肥施用等措施。建议武夷茶区高品质茶园适宜的土壤养分范围为：pH 4.5¾5.0；有机质20¾40 g·kg-1；碱解氮60¾100 mg·kg-1；有效磷10¾100 mg·kg-1；速效钾100¾150 mg·kg-1。

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Soil Nutrient Status in Wuyi Tea Region and Its Effects on Tea Quality-Related Constituents

ZHOU Zhi1, LIU Yang1, ZHANG LiMing2, XU RuiNeng1, SUN LiLi1, LIAO Hong1

(1Root Biology Center, College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002;2College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002)

【Objective】The objective of this research was to study the relationship between soil nutrient status and tea quality in Wuyi Tea Region, the main production area of Oolong tea, so as to provide theoretical basis for improving nutrient management in tea plantation and subsequent tea quality. 【Method】 Based on the soil survey data from Fujian Province in 2008, 68 tea plantations from three main tea production areas, including 12, 32 and 24 tea plantations from Tongmu, Rock tea and Zhou tea area, respectively, were randomly selected in Wuyi Tea Region in 2015. Soil samples from 0-20 cm top soil layer and one-tip-three-leaf tissue samples were collected from each tea plantation. Five soil nutrient indexes, including pH value, soil organic matter (SOM), alkaline nitrogen (AN), available phosphorus (AP) and available potassium (AK) concentrations in the top 0-20cm soils, and the concentrations of 6 secondary metabolites as quality factors in the fresh tea leaves (theanine, caffeine, rutin, ECG, EGCG and total catechins) were quantitatively measured by High Performance Liquid Chromatography (HPLC). 【Result】Comparative analysis of soil nutrient indexes in 2008 and 2015 showed that soils throughout the Wuyi Tea Region were severely acidified, and those in a number of locations there were dramatic increased in AP over that time span. Among the three main tea production areas, soil nutrient status in Rock tea area was most significantly changed, which pH value, SOM and AN concentrations were reduced 0.65, 45.29% and 49.39%, respectively. While its AP was largely increased from 5.21 mg∙kg-1to 245.70 mg∙kg-1with over 40 times increase, indicating that excessive fertilization existed in the tea plantationsof this region.Soil nutrient status significantly affected tea quality, with each quality factor being uniquely affected by particular soil nutrient indexes. The results from the marginal effect analysis revealed that the highest concentration of each secondary metabolite was associated with a corresponding suitable range for each soil nutrient index. Based on these associations, we proposed the suitable soil nutrient ranges for high-quality tea plantations in the Wuyi Tea Region were as follows: pH, 4.5-5.0; SOM, 20-40 g·kg-1; AN, 60-100 mg·kg-1; AP, 10-100 mg·kg-1; and AK, 100-150 mg·kg-1. 【Conclusion】Taken together, we suggested that the overall nutrient management in the areas of Rock tea and Zhou tea of Wuyi Tea Region were as follows: partially replace chemical fertilizers with organic fertilizers, properly supplement nitrogen and potassium, while strictly control phosphorus fertilization.

soil nutrient; tea; quality components; secondary metabolites; nutrient index; Wuyitea region

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.012

2018-11-25；

2018-01-22

农业部“茶树根系养分高效改良及应用创新团队”项目

周志，E-mail：2456850435@qq.com。通信作者廖红，E-mail：hliao@fafu.edu.cn

（责任编辑 赵伶俐）