有机肥替代化肥对不同生产模式茶园茶叶生产的影响

张峻伟,王志文,季凌飞,郭俊杰,凌宁,郭世伟

(南京农业大学资源与环境科学学院/江苏省固体有机废弃物资源化高技术研究重点实验室,江苏 南京210095)

茶树(CamelliasinensisL.)是我国重要的经济作物。据统计,2017年我国茶树种植面积已经达到300万hm2以上,茶叶产量267万t,产值2 000多亿元[1]。随着区域经济结构的调整和社会的快速发展,我国部分地区茶树种植已经成为农民增收的主导产业[2]。随着茶叶产业的快速发展,农民过于追求产量,导致我国30%左右茶园存在过量施肥问题[3]。长期过量施肥不仅成本增加,肥料利用率降低,也会导致面源污染等环境质量问题,甚至影响茶叶品质[4-7]。

为了进一步促进茶叶产业绿色增长,农业农村部发布了《2020年化肥使用量零增长行动方案》[8]和《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》[9]。在茶园配施有机肥重点在于通过改善茶园土壤环境来改善茶树的生长,达到稳产、提质、减肥的目标[10-11]。有机肥配施化肥虽然可以保证茶树持续的养分供应,但并不能在采茶前快速补充茶树所需养分,限制产量提升。叶面肥作为一种强化作物营养的施肥措施,可以通过叶面吸收的方式弥补根系养分吸收的不足,快速补充养分。研究表明,在茶园喷施叶面肥可以增产50%以上,并能在一定程度上提升茶叶品质[12]。

目前,关于在茶园采用有机肥替代化肥及施用叶面肥的研究很多,但是多集中于单个地区单一生产模式的茶园,忽视了不同地区不同生产模式下有机肥替代化肥及配施叶面肥对茶叶产量和品质的影响。本研究针对我国各地不同生产模式茶园的特点,综合探究生物有机肥替代化肥、商品有机肥替代化肥配施木醋液+氨基酸类叶面肥以及商品有机肥替代化肥配施氨基酸类叶面肥在茶园有机肥替代过程中的可行性,旨在形成具有地区特色的有机肥替代化肥技术模式。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2017年10月在江苏省句容市(采摘单芽制作名优绿茶为主的茶园)、江苏省溧阳市(叶片白化突变品种茶园)、四川省蒲江县(手工采摘单芽与机采相结合制作绿茶为主的茶园)、云南省景洪市大渡岗乡(机采制作普洱茶为主的茶园)和福建省福安市(机采制作绿茶为主的茶园)5个地点展开,以上茶园均于2012年定植,各个地点土壤基础理化性质和气候特征见表1。

表1 各试验点土壤基础理化性质和气候特征Table 1 Soil physical and chemical properties and climate features of experiment sites

1.2 试验材料

生物有机肥(有机质45%,N 3%)、普通商品有机肥(有机碳14.7%,N 1.37%)和氨基酸类叶面肥(氨基酸100 g·L-1,Zn 20 g·L-1)由江苏省江阴市联业生物科技有限公司提供,木醋液+氨基酸类叶面肥(木醋液35%,氨基酸100 g·L-1,Zn 20 g·L-1)由江苏省新南洋绿色科技有限公司提供。茶树品种均选用当地适宜的茶种,句容市为‘龙井长叶’,溧阳市为‘白叶1号’,蒲江县为‘三花1951’,福安市为‘福鼎大白’,大渡岗乡为‘云抗10号’。

1.3 试验设计

试验设5个处理(其中蒲江4个处理,缺少T2处理),每个处理均设置3个重复(其中句容4个重复),随机区组排列。1)CK为不施肥对照处理;2)CF为常规施肥处理(各地常规施肥处理施肥量由全国茶园施肥现状调查确定,见表2);3)T1为生物有机肥替代处理,即在常规施肥处理减量20%化学氮肥的基础上进行生物有机肥替代;4)T2为商品有机肥替代配施木醋液+氨基酸类叶面肥处理,即在常规施肥处理减量20%化学氮肥的基础上进行商品有机肥替代,同时配施木醋液+氨基酸类叶面肥;5)T3为商品有机肥替代配施氨基酸类叶面肥处理,即在常规施肥处理减量20%化学氮肥的基础上进行商品有机肥替代,同时配施氨基酸类叶面肥。句容和溧阳试验点小区面积为37.5 m2,福安试验点小区面积为30 m2,蒲江试验点小区面积为36 m2,大渡岗试验点小区面积为24 m2。

表2 常规施肥处理施肥量[5]Table 2 Fertilizer application rate[5] kg·hm-2

试验中氮肥、钾肥按照40%基肥(10—11月)+40%春追肥(3—4月)+20%夏追肥(6—7月)施入,磷肥一次性基施,有机肥按照80%基肥(10—11月)+20%夏追肥(6—7月)施入。试验中所用氮、磷、钾肥分别为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512.5%)和硫酸钾(K2O 52%)。试验中叶面肥于春追肥(3—4月)结束以后稀释3 000倍喷施,共喷施5～6次,于采茶前10 d结束喷施,用量均为75 g·hm-2。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 茶青产量及产量构成相关指标在2019年茶叶采摘期间(句容和溧阳为3—4月采摘半个月;福安、大渡岗和蒲江为3—10月,持续采摘)统计各个试验小区产量、发芽密度和百芽重。根据当地采摘标准(句容采摘单芽,溧阳采摘一芽一叶,蒲江采摘单芽-机采嫩叶,福安和大渡岗均采摘嫩叶),收获各小区鲜叶,称量并计产(计产是以茶青产量为准)。使用0.3 m×0.3 m的方框在试验小区内随机选取3个区域统计芽叶密度,并取其平均值。百芽重为随机在试验小区内摘取100个芽叶称量所得。由于福安和大渡岗试验点为机采茶园,所有芽头在采摘期间均已完全展开,故百芽重和发芽密度未能统计。相关参数计算方式:化学氮肥偏生产力(kg·kg-1)=施氮区茶青产量(干重)/化肥氮用量;氮肥农学利用效率(kg·kg-1)=[施氮区茶青产量(干重)-不施氮区茶青产量(干重)]/化肥氮用量。

1.4.2 茶叶品质指标将采摘的鲜叶烘干制成干茶样,并充分研磨粉碎。按照《酒石酸铁比色法:GB 8313—1987》测定茶多酚,参照《茚三酮比色法:GB 8314—1987》测定氨基酸总量。酚氨比=茶多酚含量/氨基酸含量。

1.4.3 茶叶增收效益评估各地茶园采茶期鲜叶价格由茶厂技术员现场评估。句容:320元·kg-1;溧阳:清明前为250元·kg-1,自4月5日至4月10日每日下降24元·kg-1,由250元·kg-1逐日降至130元·kg-1(叶面肥处理的茶叶为130元·kg-1);福安:清明前后为20元·kg-1,随后6月中旬、8月初及10月初价格均为2元·kg-1;大渡岗:3.5元·kg-1;蒲江:单芽为136元·kg-1,一芽二三叶4月价格为16.4元·kg-1,5月底价格为8.6元·kg-1,6月底价格为5.2元·kg-1,8月初价格为3.2元·kg-1,9月底价格为2元·kg-1。各地茶园所需成本包括人工成本和肥料成本。采摘人工成本:句容、溧阳和蒲江为80元·kg-1;福安和大渡岗为0.5元·kg-1。施肥人工成本:单施化肥试验区需4人·d-1·hm-2,有机无机配施试验区需8人·d-1·hm-2。人工单价:句容、溧阳均为70 元·人-1·d-1,福安为160 元·人-1·d-1,蒲江为130 元·人-1·d-1,大渡岗为130元·人-1·d-1。肥料成本:尿素2 200元·t-1,过磷酸钙750元·t-1,硫酸钾2 850元·t-1,生物有机肥1 900元·t-1,商品有机肥500元·t-1,2种叶面肥均价100元·kg-1。相关参数计算方式:施肥增收效益(万元·hm-2)=施肥增加的产值-成本。

1.5 数据统计

试验数据用Excel 2016软件进行处理,采用SPSS 20.0和Origin 2018软件进行数据统计分析。用LSD法检验处理间的差异显著性(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同有机肥替代化肥处理对茶青产量的影响

从图1可知:在句容试验点,与CF处理相比,T1处理和2种叶面肥处理(T2、T3处理)茶青增产9%～13%(P>0.05)。在溧阳试验点,与CF处理相比,T1、T2、T3处理分别增产9.3%、31.8%和52.1%(P<0.05)。在福安和大渡岗试验点,与CF处理相比,T2、T3处理增产8%～24%;而T1处理在福安和大渡岗试验点增产效果均不显著。在蒲江试验点,与CF处理相比,T1和T3处理茶青产量下降,但均未达到显著水平。

图1 不同有机肥替代化肥处理对茶青产量的影响Fig.1 Effects of different organic fertilizers instead of chemical fertilizers on tea yieldCK:不施肥对照处理;CF:常规施肥处理;T1:生物有机肥替代处理;T2:商品有机肥替代配施木醋液+氨基酸类叶面肥处理;T3:商品有机肥替代配施氨基酸类叶面肥处理。句容:以采摘单芽制作名优绿茶为主的茶园;溧阳:叶片白化突变品种的茶园;福安和大渡岗:以机器采摘制作大宗茶为主的茶园;蒲江:以手采和机采相结合的方式制作名优绿茶和大宗茶为主的茶园。误差线均由标准误表示。不同小写字母表示不同处理在0.05水平差异显著。下同。CK:Unfertilized control;CF:Denotes farmers’ practice fertilization;T1:Treatment substituted with bio-organic fertilizer;T2:Treatment substitution of chemical fertilizer with organic manure combined wood vinegar and amino acid foliar fertilizer;T3:Treatment substitution of chemical fertilizer with organic manure combined amino acid foliar fertilizer. Jurong:A tea garden focusing on picking single buds to make famous green tea;Liyang:A tea garden of leaf albino mutant;Fu’an and Dadugang:Tea gardens with machine picking and making ordinary tea;Pujiang:A tea garden based on the combination of hand-picked and machine-picked green tea and ordinary tea. Whiskers represent standard errors. Small letters indicated significant difference among treatments at 0.05 level. The same as follows.

如图2所示:在句容试验点,与CF处理相比,T2处理发芽密度显著提高12%,T1和T3处理则无显著差异;与CF处理相比,T1处理百芽重显著下降12%。在溧阳和蒲江试验点,与CF处理相比,T1、T2和T3处理发芽密度和百芽重均无显著差异。综合产量及产量构成分析,与CF处理相比,除蒲江试验点外,T1、T2和T3处理均能在一定程度上提高茶青产量。

图2 不同有机肥替代化肥处理对茶青产量构成的影响Fig.2 Effects of different organic fertilizers instead of chemical fertilizers on the yield composition of tea

2.2 不同有机肥替代化肥处理对茶叶氮肥利用率的影响

如表3所示:与CF处理相比,T1、T2和T3处理均在一定程度上提高了茶叶氮肥利用率。在句容试验点,与CF处理相比,T1、T2和T3处理氮肥偏生产力显著提高60%,氮肥农学利用效率显著提高200%。在溧阳试验点,与CF处理相比,T1、T2和T3处理氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率分别显著提高67%和100%以上。在福安和大渡岗试验点,与CF处理相比,T1、T2和T3处理氮肥偏生产力显著提高51%～103%,氮肥农学利用效率显著提高47%以上,且效果从大到小的处理依次为T2、T3、T1。在蒲江试验点,T1和T3处理在提高氮肥利用率效果上与CF处理相比未达到显著水平。综合各个试验点分析,与CF处理相比,3种有机肥替代模式均能在一定程度上提高氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率。在溧阳、福安和大渡岗试验点2种叶面肥处理要显著优于生物有机肥替代处理。

表3 不同有机肥替代化肥对茶叶氮肥利用率的影响Table 3 Effects of different organic fertilizers instead of chemical fertilizers on nitrogen utilization efficiency of tea kg·kg-1

2.3 不同有机肥替代模式对茶叶品质相关指标的影响

从图3可知:在句容试验点,与CF处理相比,3种有机肥替代模式(T1、T2、T3处理)在茶多酚和氨基酸含量上并无显著变化。在溧阳试验点,与CF处理相比,T3处理茶叶中氨基酸含量显著降低10%,同时2种叶面肥处理(T2、T3处理)茶叶酚氨比提高了6%和8%,但未达到显著水平。在福安和大渡岗试验点,与CF处理相比,T1和T2处理并未显著改变茶叶中酚氨比。在福安试验点,与CF处理相比,T3处理茶叶中酚氨比显著提高了44%;在大渡岗试验点,与CF处理相比,T3处理茶叶中酚氨比显著降低了25%。在蒲江试验点T3与CF处理相比茶叶中氨基酸含量显著提高了26%,但2种有机肥替代模式(T1和T3处理)与CF处理相比酚氨比无显著变化。综合各个地点分析发现,与CF处理相比,除福安T3处理,3种有机肥替代模式均在一定程度上保证了茶叶品质。

图3 不同有机肥替代化肥处理对茶叶中氨基酸、茶多酚含量及酚氨比的影响Fig.3 Effects of different organic fertilizers instead of chemical fertilizers on amino acids content,tea polyphenol content and phenol-ammonia ratio in tea

2.4 不同有机肥替代化肥处理对茶叶增收效益的影响

从表4可知:在句容试验点,与CF处理相比,T2和T3处理经济效益分别提高了1%和5%,但未达到显著差异。在溧阳试验点,与CF处理相比,T2和T3处理经济效益分别降低67%和59%。在福安和大渡岗试验点,与CF处理相比,T1处理经济效益分别降低7%和33%(P<0.05)。T2处理在福安和大渡岗试验点经济效益分别提高23%和3%,而T3处理在福安试验点经济效益显著提高21%。在蒲江试验点,T3处理与CF处理相比经济效益无显著变化,但T1处理经济效益降低36%。综合分析发现,在以制作绿茶为主的茶园,叶面肥处理增收效果优于生物有机肥替代处理;在叶片白化突变品种茶园生物有机肥替代处理增收效果最佳。

表4 不同有机肥替代化肥处理茶叶增收效益评估Table 4 Evaluation of the benefit of different organic fertilizers instead of chemical fertilizers in tea 万元·hm-2

3 讨论

3.1 不同有机肥替代化肥处理对茶青产量和氮肥利用率的影响

有机肥的施入不仅可以协调土壤养分的平衡供应,还可以在一定程度上活化土壤中的难溶性养分,改善作物营养,提高养分利用率和作物产量,减少化肥用量[13-15]。本研究结果显示,与常规施肥相比除蒲江和大渡岗试验点生物有机肥替代处理外,其他地点3种有机肥替代模式下茶叶均增产5%以上。且在试验茶园(蒲江除外)3种有机肥替代模式与常规施肥相比可以使氮肥偏生产力提高50%以上,同时可使氮肥农学利用效率提高47%以上。研究表明在茶园施用有机肥可以改良土壤的物理化学结构,改善作物的根系生长环境并促进根系生长,提升作物对养分的吸收及提高土壤微生物对养分循环的贡献,进而提高作物产量及养分利用率[10,16-17]。然而,有机肥中养分释放缓慢,难以快速补充茶树春季新梢形成和萌发生长所需的养分。通过叶面追肥的方式既可以快速补充春季茶树所需的养分,又可以避免养分损失。喷施叶面肥可以增加发芽密度,提高百芽重和产量[18]。本研究中,配施叶面肥处理与不喷施叶面肥处理相比,在各个地点(除蒲江)均增产2%～39%。其中2种叶面肥在手工采摘制作名优茶的茶园(句容、溧阳)与机采茶园(福安、大渡岗)效果不同。在句容和溧阳茶园,与T2处理相比,T3处理分别增产2%和16%。在福安和大渡岗茶园,与T3处理相比,T2处理分别增产2%和4%。丰明晓等[19]研究表明木醋液具有类似IAA调节植物叶片生长、抑制侧芽生长的效果。在句容和溧阳喷施木醋液+氨基酸类叶面肥可能抑制侧芽生长,因此增产效果较氨基酸类叶面肥差。毛凯伦[20]研究表明,适宜浓度的木醋液可以增加烤烟的叶面积。机采茶园喷施叶面肥时芽头均已萌发,喷施木醋液+氨基酸类叶面肥刺激叶片生长,因此增产效果要优于仅喷施氨基酸类叶面肥。

本研究为了验证3种有机肥替代方案在全国范围内的可行性,在我国主要茶区选取5个不同生产模式的典型茶园,且其种植的茶树均为当地种植面积较大且适应当地环境的品种。各个试验点地理位置、土壤环境、茶树种类等均存在差异,虽然均可在保证产量和品质的基础上完成减少施肥的目标,但是各地点有机肥替代效果存在显著差异。在蒲江试验点3种有机肥替代模式与常规施肥相比存在减产风险,这是由于四川茶园土壤pH值与其他试验点相比较低。王小治等[21]研究表明施用有机肥在改善土壤酸度的同时,提高了茶园土壤硝化势,本研究中施用有机肥使土壤中铵态氮含量降低了14%～23%。蒲江茶树品种‘三花1951’为当地选育品种,适应当地土壤生长环境,有机肥替代比例过大可能造成土壤环境的改变,进而出现减产风险。综上,在句容、溧阳、大渡岗和福安试验点,通过使用生物有机肥替代和有机肥替代配施叶面肥等措施可以在保证产量的同时减少36%化肥氮素的投入,并提高氮肥利用率,而在蒲江试验点应注重有机肥替代的比例,比例过大存在减产的风险。

3.2 不同有机肥替代化肥处理对茶叶品质及经济效益的影响

酚氨比(茶叶中茶多酚含量与氨基酸含量的比值)是茶叶品质中最重要的指标之一,酚氨比越低,茶叶品质越好。在茶园施用有机肥,可以改善茶园土壤养分的平衡供应,促进茶树生长,提高茶叶内含物质,提升茶叶品质[3,10,22]。本研究中,3种有机肥替代模式与常规施肥相比在一定程度上提升了茶叶品质。由于生物有机肥价格是普通商品有机肥的4倍,生物有机肥的施用会导致肥料成本上升。叶面肥施用成本较低,增产效果明显,因此本研究中在句容、福安、蒲江和大渡岗试验点2种叶面肥处理(蒲江只有1种)经济效益高于生物有机肥替代处理,且福安试验点效果最佳,这与吴全聪等[23]研究结果相似。不施肥对照处理因无肥料成本导致经济效益较高,然而在各个试验点(除大渡岗)与常规施肥处理相比,对照处理茶叶中酚氨比提高12%以上,降低了茶叶品质,因此合理施肥是高品质茶园生产的关键。在茶叶中所有代谢物(品质成分)的形成均离不开土壤养分的供应[24]。在长期施肥不足的情况下,茶树的生长受到严重抑制,茶叶中游离氨基酸含量也明显降低[25]。只有在适当的养分投入情况下,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[26]。

溧阳试验茶园属于叶片白化突变品种,故其采摘的叶片中叶绿素含量也是评价茶叶品质及价格的重要指标之一。王孝娣等[27]研究表明喷施氨基酸类叶面肥可以促进桃树叶片叶绿素的合成,提高净光合速率。本研究结果也表明,在溧阳突变白化品种茶园,与常规施肥相比,喷施木醋液+氨基酸类叶面肥和氨基酸类叶面肥使叶片中总叶绿素含量分别提高10.8%和14.1%,茶叶叶片变绿从而导致经济效益严重下降。因此在叶片白化突变茶园不适宜喷施叶面肥。

综上所述,综合产量、品质和效益等因素,在5个典型茶园使用有机肥替代化肥均可在保证产量和品质的基础上实现减少36%化学氮肥的投入,但针对不同的茶园生产模式最佳的替代模式也不同。在句容以制作名优绿茶为主的茶园使用商品有机肥替代并配施氨基酸类叶面肥效果最佳,与常规施肥相比经济效益提高了5%。在溧阳叶片白化突变品种的茶园不推荐使用叶面肥,使用生物有机肥替代效果最佳。在大渡岗和福安机采茶园使用商品有机肥替代并配施木醋液+氨基酸类叶面肥分别使经济效益提高3%和23%。在蒲江等肥料投入较大的地区应当适当减少有机肥替代无机肥的比例。

致谢:江苏省农业科学院杨亦扬研究员、胡振民研究员,江苏省句容市茶博园宋建国主任,溧阳市天目源茶厂王建平技术员,福建省茶叶研究所吴志丹研究员,四川省农业科学院曾祥忠研究员,四川省蒲江县同心农业生产合作社罗琼书记,云南省农业科学院付立波研究员在试验过程中提供指导与帮助,谨致谢意。