不同节水灌溉模式对白茶品质及茶园土壤重金属含量的影响

陈 康，王会全,2，陈竞楠

(1.福建农业职业技术学院园艺园林学院，福建 福清 350000；2.福建农林大学园艺学院，福州 350000)

白茶是一种轻发酵茶，其香气清鲜、滋味鲜醇，属于我国特有茶类[1,2]。白茶品种目前有贡眉、白毫银针和白牡丹等[3]。研究表明白茶具有较好的调节免疫、抗氧化抗突变和降低血脂的功能，进而推动了白茶的市场扩张，同时推进了白茶的科学研究和生产工艺创新[4]。

白茶化学品质指标包括茶多酚、水浸出物、氨基酸和可溶糖等，优化白茶品质是提高白茶产值的有效途径。另一方面，绿色食品茶叶生产标准(NY/T 288-2012)对优质白茶中铅、铜等重金属含量有严格限制。如何提升白茶中化学品质指标含量、降低茶叶重金属累积，是名特优白茶栽培过程中需要考虑的重要问题。水分是重金属等污染元素在土壤中运移转化的载体[5,6]，同时也是白茶品质形成的关键影响因子。已有研究表明[7,8]，节水灌溉措施通过调控土壤pH值、氧化还原电位等对土壤重金属赋存形态和存在形式产生影响，适度的灌溉调控加速土壤溶解性有机碳增加，必然导致稻田土壤重金属赋存形态及其有效性的改变。此外，节水灌溉技术能明显增加茶叶中各种生化成分，其中较地面灌溉茶园水浸出物增加0.32%～0.54%、茶多酚增加0.31%～0.88%、氨基酸增加0.10%～0.22%、儿茶素增加1.7～1.9 mg/kg、咖啡因增加0.23%～0.36%[9]。

过去喷灌、滴灌等节水灌溉措施主要应用于平原栽培区，随着灌溉技术的进步，先进灌溉设施设备目前已经能满足丘陵地区灌溉需求[10]。然而，综合考虑茶叶品质效益和生态环境效益的节水灌溉模式、灌溉水量、灌水制度如何确立仍需要进一步研究。本研究设计不同节水灌溉方式和不同土壤水分下限，观测不同处理下白茶化学品质指标，监测不同灌溉方式对茶园土壤重金属累积的影响，通过投影寻踪分类模型决策，对白茶灌溉方案进行综合评价，以期为提升优质白茶配套栽培水平提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验区位于福建省福鼎市磻溪镇，属于中亚热带季风气候区，海洋性季风气候明显，四季分明，雨量适宜。试验区多年平均降雨量1 578 mm，年平均温度18.5 ℃，相对湿度80%，无霜期227 d。试验茶叶品种为12年生白茶树，土壤为典型福建地区红壤土，pH 5.6，土壤容重1.42 g/cm3，孔隙度45.3%，有机质含量2.1%，速效氮含量42 mg/kg，速效磷含量11.4 mg/kg，速效钾含量58 mg/kg。

1.2 试验设计

试验时间为2018年7月-2019年6月，试验区总面积0.4 hm2。试验设计喷灌和滴灌2种节水灌溉方式，及65%、75%和85%共3种相对土壤含水率的灌水下限，即共有6个处理，每个处理占地15 m×15 m，各处理均重复3次。喷灌选用PY130型喷头，压力0.25 MPa。滴灌管选择滴头滴灌管，滴头间距30 cm，内径8 mm，滴灌工作压力0.25 MPa。滴灌和喷灌的干管均沿丘陵等高线布置，支管垂直于干管，毛管与支管垂直并双向输水。白茶于3月底陆续采摘。试验期间滴灌处理累积灌水量分别为93、109和165 mm，喷灌处理灌水量为102，121和188 mm。

1.3 测定指标

试验前将水分传感器(HYTS-414C，广西慧云信息技术有限公司)横向埋于茶树主根区即40 cm土层深度，与之相连的绝缘导线露出土面，测定时连接传感器与数据采集器读取数据。此外，在试验前与试验中用麻花土钻采集3次主根区土壤样品，土样置入铝盒中放入烘箱，105 ℃烘干至恒重，称量后计算土壤质量含水率。质量含水率用于核准传感器测定结果，及时发现传感器测定误差。

试验开始前，用麻花土钻采集0～20、20～40 cm土层土样测定土壤主要重金属指标，每个处理随机选择3个采样点，采样点位于茶树根际。试验结束后，原位采集0～20、20～40 cm土层土样，用于测定茶园土壤重金属。主要检测指标包括铬、砷、镉、汞、铜和铅，采用美国Perkin Elmer公司生产的NexION300X电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)进行测定。

收获时各处理鲜茶制成干茶，用于测定品质指标。其中水浸出物根据《GB/T 8305-2013茶水浸出物测定》；游离氨基酸总量根据《GB/T 8305-2013茶 游离氨基酸总量的测定》；茶多酚和儿茶素根据《GB/T 8305-2013茶叶中茶多酚和儿茶素的检测方法》测定。

1.4 数据分析

数据分析采用SPSS17.0软件，依据Duncan's multiple range test进行显著性分析[11,12]。

2 结果与分析

2.1 茶树主根区土壤含水率动态变化

图1所示为茶树主根区土壤含水率动态变化。图1中可看出，土壤体积含水率在首年7月-8月出现了较大幅度下降，因灌溉回升后，在首年10月至次年1月均较为平稳。采摘前期(次年2-3月)土壤含水率相对稳定。不同控水下限以85%土壤含水率较高，在喷灌处理中尤为明显。喷灌条件下85%控水下限整个测定期均处于较高水平，9月28日测定峰值达到23.2%。

图1 不同节水灌溉处理茶叶主根区(40 cm)位置土壤含水率动态变化(65%、75%和85%表示土壤控水下限)Fig.1 The dynamic changes of soil water content at the location of the main root zone (40 cm) of tea leaves under different water-saving irrigation treatments (65%,75% and 85% represent the soil water control limit)

2.2 不同节水灌溉模式对白茶品质的影响

水浸出物是茶汤的关键呈味物质，其多寡决定了茶汤口感的厚薄和浓强[1]。不同处理水浸出物浓度如表1所示，表1中可看出，滴灌条件下不同控水下限白茶水浸出物浓度的差异并不显著(p>0.05)；喷灌下以75%控水下限水浸出物浓度最高，达到47.6%。总体上，喷灌提升水浸出物浓度的效果优于滴灌，提升幅度为1.5%～12.5%。

表1 不同灌溉方式下茶叶品质指标含量 %Tab.1 Tea quality index content under different irrigation methods

多酚类物质略带苦涩且有一定刺激性，其重要组分儿茶素是形成茶叶品质的重要化学物质[13]。研究表明[14]，白茶儿茶素含量仅次于绿茶，因此形成了白茶滋味醇和的独特口感。表1可看出，茶多酚和儿茶素均匀喷灌条件下75%控水下限处于较高水平，分别达到14.2%和12.5%，但喷灌条件不同控水下限之间白茶茶多酚和儿茶素含量差异并不显著(p>0.05)。相比滴灌处理，喷灌处理可使得茶多酚和儿茶素含量分别提升0.7%～4.6%和1.1%～4.2%。

氨基酸呈鲜甜滋味，有利于提升茶汤的鲜爽程度同时可在一定程度上缓解苦涩味[1，15]。本研究中，氨基酸含量以喷灌75%控水下限显著高于其他各处理(p<0.05)，达到6.66%。同时，在相同控水下限下，喷灌处理白茶游离氨基酸含量高于滴灌，提升幅度为0.8%～6.5%。总体上看，喷灌处理对白茶品质形成的促进效果优于滴灌，但各品质指标含量的提升幅度并不明显，可见白茶加工后的品质趋稳。

2.3 不同节水灌溉模式对茶园土壤重金属含量的影响

一般认为，土壤铬和铅污染通过食物链对人体导致非致癌风险，而镉极易导致致癌风险[16-18]。表2所示为不同灌溉方式下耕层土壤(0～20和20～40 cm)土壤重金属含量。表中可看出，茶园土壤重金属主要富集在表层，6种重金属元素在剖面上的分布基本均呈现0～20 cm含量高于20～40 cm的规律。

表2 不同灌溉方式下重金属含量 mg/kgTab.2 Heavy metal content under different irrigation methods

相同灌溉方式下，控水下限越低，土壤重金属含量越高(个别处理除外)。滴灌后，0～20 cm土层土壤重金属含量随控水下限的升高而降低(汞元素除外)；20～40 cm土层重金属分布规律与0～20 cm类似。喷灌后，除镉和汞外，以65%控水下限土壤重金属含量处于最高水平，75%次之，85%最低，各控水下限之间镉和汞元素含量的差异并不显著(p>0.05)。无论是0～20 cm还是20～40 cm土层，滴灌后土壤重金属含量的降低幅度总体上均高于喷灌，这可能由于滴灌局部湿润土壤效果好，部分可溶态重金属离子纵向迁移相比喷灌处理更为明显，因此降低幅度更大，而喷灌处理灌水均匀度高于滴灌，重金属离子更容易存在横向迁移的情况。

不难发现，灌溉后0～20和20～40 cm土层土壤各重金属含量总体上均有所下降，在总量不变的情况下，本研究认为灌溉水对土壤重金属有一定的淋洗作用，主要重金属元素存在向40 cm以下土层迁移的趋势。此外，有研究表明，较高的灌水量能够提高有机质和重金属离子结合能力，使重金属离子向结合态转化，减少其在植物中的累积[7]。高灌水量形成的土壤环境呈现还原态，镉等金属离子易形成硫化镉沉淀，从而降低了重金属离子的生物有效性[14]。综上，在土壤重金属含量较高的白茶栽培区，可以通过适当提高灌溉量的方法来降低重金属污染风险。

2.4 基于高优白茶品质和低重金属残留的节水灌溉模式综合评价

节水灌溉策略的评估涉及多目标和多指标，主观决策存在一定局限性[19]。为了使得评价结果更为科学、可靠，本研究采用投影寻踪分类模型对不同节水灌溉模式进行综合评价。投影寻踪是分析和处理高维数据的方法，1974年，Friedman和Tukey第一次命名投影寻踪为Projection Pursuit[20]。目前，投影寻踪在灌溉[21]、排水[22]等水利方案制定中有广泛应用。其建模步骤如下[23,24]：

(1)

(2)对评价矩阵X*进行无量纲化处理。本研究中，白茶节水灌溉方案的评价指标可分为两种性质相反的种类，即“收益性”指标和“损失性”指标。对于“收益性”指标来说，指标值越大越好，具体指本研究中的品质元素指标；对于“损失性”指标来说，指标值越小越好，如本研究中土壤重金属指标。

对于品质元素指标：

(2)

对于重金属元素指标：

(3)

矩阵X*经过归一化处理后，可转化为矩阵X：

(4)

(3)线性投影。线性投影的实质是将较高维度的指标数据投影到较低维度的子空间。本研究假设一维线性的投影方向为单位向量是a，那么将矩阵X投影至a上的一维投影特征值zi为：

(5)

(4)构造投影目标函数。构造投影目标函数时，投影点的分布越密集，效果越好，凝聚成点团为最佳状态。而对于点团来说，不同点团之间越分散越好。即，在构造投影目标函数时应使得多元数据分布的类间距离和类内密度尽可能达到最大。那么，投影目标函数可按如下公式求得：

Q(a)=SzDz

(6)

式中：Q(a)为投影目标函数，SZ为投影特征值zi的标准差(类间距离)；DZ为投影特征值zi的局部密度(类内密度)。

(7)

式中：E(z) 为序列zi的均值。

(8)

rik=|ri-rk|

式中：R为局部密度的窗口半径；i，k= 1,2,3,…,n表示样本容量。

(5)优化投影目标函数。投影方向a若是存在差异，投影指标函数Q(a)也会随之发生变化。最佳的投影方向a*必须能在最大程度上呈现原始数据的结构特征。因此，采用目标函数最大化法对投影目标函数进行优化：

maxQ(a)=SzDz

(9)

(10)

|a(j)|≤1

(11)

图2 不同灌溉方案下的投影值Fig.2 Projected values under different irrigation schemes

3 结 论

根据上述分析，可得以下结论。

(1)喷灌处理对白茶品质形成的促进效果优于滴灌，以75%控水下限的白茶品质最优。

(2)在相同控水条件下，滴灌在剖面尺度上对重金属的消减效果优于喷灌。

(3)投影寻踪分类模型分析结果表明，滴灌65%控水下限和喷灌75%控水下限的综合评价结果较优，其中喷灌75%控水下限节水灌溉方案的投影值达到1.821，该灌溉模式下白茶水浸出物、游离氨基酸、茶多酚和儿茶素含量分别为47.6%、6.66%、14.2%和12.5%，主根区土层(20～40 cm)6种重金属离子总体呈降低趋势。

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