乌龙茶专用肥的农学、经济和环境效应评价

黄梓璨，陈晓辉，苏 达，尹家旭，吴辉煌，吴良泉

（1福建农林大学资源与环境学院，福州 350002；2福建农林大学国际镁营养研究所，福州 350002；3福建农林大学农学院，福州 350002；4福建安溪铁观音集团股份有限公司，福建泉州 362400）

0 引言

茶叶是中国主要的经济作物之一，在农业生产中占有很重要的地位。据统计，2018年中国茶叶种植面积达289.9万hm2，产量为264万t[1]，分别占世界的56.0%和41.4%[2]。然而，30%～50%的茶园存在化肥施用过量的问题[3]。近年来，农业部先后发布了《2020年化肥使用量零增长行动方案》以及《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》，旨在促进茶叶生产提质增效、绿色发展[4-5]。因此，优化茶园的施肥管理对实现茶叶可持续发展具有重要意义。

中国茶园多分布于南方山地丘陵地区，以小农户经营为主，农户之间的施肥习惯差异较大，施肥不足与施肥过量的现象并存。福建茶区约有65%的茶园氮肥施用量低于245 kg N/hm2，18.9%的茶园氮肥用量处于高值区间，远超合理用量(300～450 kg N/hm2)，平均用量达到828 kg N/hm2[6]。地块间的施肥变异是限制作物产量和肥料利用率的重要因素[7]，通过区域配肥管理技术，优化茶园养分投入，对提高茶叶产量、减少资源消耗、降低环境代价具有现实意义。前人研究表明，在粮食作物上实施区域配肥技术，可显著提高作物产量、肥料利用率和经济效益[8]，同时也解决了施肥管理技术推广难度大的问题。作物专用肥是根据特定作物的养分需求规律，同时结合区域内土壤养分状况，将养分元素进行科学配比，供作物专门使用的肥料[9]，有利于实现肥料高效利用，促进作物增产增效，为大面积应用推广提供有效途径。然而，之前研究主要集中于农学和经济效益的评估，缺少耦合农学、经济和环境的综合评价。特别是在乌龙茶产区，目前未见有关铁观音专用肥综合评价的研究报道。

安溪作为重点产茶县，而茶农长期缺乏科学系统的施肥技术指导，施肥普遍不合理，茶园土壤酸化和养分损失日趋严重，亟需建立符合茶园养分需求的科学施肥方案。本研究控制氮磷钾投入，同时补充镁营养，为茶园减肥增效提供技术思路。同时将镁添加入复合肥中，研发了乌龙茶专用肥，实现技术的大面积应用。通过分析对比农民习惯、优化施肥以及乌龙茶专用肥对铁观音产量、品质、经济效益、养分吸收和环境代价等方面的影响，为茶叶产业的绿色发展提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验于2017年12月在安溪县祥华乡富多茶厂生产基地进行，该地区位于东经117°36′—118°17′，北纬24°50′—25°26′，平均海拔在700 m 以上，年均温 19～21℃，年降水量为1400～1800 mm，主要集中在6—8月份，属于亚热季风气候。茶园为平地，平均行距为0.6 m，平均株距为0.4 m，供试土壤为黄红壤，基本理化性质见表1。

表1 试供土壤基本理化性质

1.2 供试材料和试验设计

供试茶树品种为铁观音，树龄为12年。设置3个施肥处理，分别为农民习惯(farmers’practice,FP)、优化氮磷钾肥用量(optimal N,P and K rates,Opt-NPK)和乌龙茶专用肥(specific fertilizer,SF)。“农户习惯”化肥用量根据本课题组在安溪县铁观音茶叶产区的106户实地调研结果确定，氮、磷、钾用量分别为529 kg N/hm2、238 kg P2O5/hm2、278 kg K2O/hm2。考虑到生产上的大面积应用，通过整理文献数据[10-14]，明确优化氮磷钾肥用量分为300 kg N/hm2、100 kg P2O5/hm2、125 kg K2O/hm2（图1）。优化氮磷钾肥用量处理所用肥料为尿素(46%N)、过磷酸钙(12% P2O5)和硫酸钾(49% K2O)。乌龙茶专用肥处理则是在2处理的基础上添加镁，其用量为35 kg MgO/hm2，按照养分配比并通过团粒法生产了茶叶专用肥（N-P2O5-K2O-MgO为25-8-12-3）。肥料分3次施用，分别为基肥30%（12月24日前后）、春茶追肥20%（3月24日前后）、秋茶追肥50%（8月20日前后），施用方式为撒施。单个小区的面积为20 m2，重复4次，除施肥外的茶园管理措施一致。

图1 铁观音推荐施肥用量整理

1.3 测定项目及方法

1.3.1 产量统计 采用采茶框(33 cm×33 cm)随机取样，并按照一芽三叶的标准采摘完框内新梢，记录茶芽数并称重。每个小区采4框重复，统计每个样方中的茶芽密度和百芽重，以此估算产量。

1.3.2 茶叶养分、品质测定 茶叶鲜样经110℃杀青20min后，降至80℃恒温烘干，粉碎后待测。参照鲁如坤的方法[15]，测定叶片氮、磷、钾、镁、钙浓度。茶粉中的茶多酚和游离氨基酸含量按照国家标准GB/T 8313—2008和GB/T 8314—2013测定。

1.3.3 环境效应评价 基于国际标准ISO 2006a和ISO 2006b[16-17]，采用生命周期评价(LCA)对茶叶生产过程中的环境效应进行评价。本研究仅关注茶鲜叶生产过程中农资和农作阶段产生的环境代价。其中活性氮损失计算公式和参数见文献[18]，温室气体排放效应、酸化效应、富营养化效应计算公式和参数见文献[19]。

单位产量活性氮损失如式(1)所示。

式中，Nr表示单位产量活性氮排放总量，Total RNL表示生产运输阶段的活性氮损失量，将不同项目的投入量与对应的活性氮损失系数（表3）计算乘积后求和可得[20-23]，N2Odirect表示氧化亚氮直接排放量，N2Odirect(kg N/hm2)=2.82%×氮投入量[24]，NH3表示氨挥发量，NH3(kg N/hm2)=11.53%×氮投入量[25]，NO3-表示硝酸盐淋洗损失量，NO3-(kg N/hm2)=13.1%×氮投入量[26,27]，Yield表示茶青产量。

单位产量温室气体效应如式(2)～(3)所示。

式中，GWP表示的单位产量茶叶生产的温室气体排放；Total CO2表示生产运输中产生的CO2，将不同项目的投入量与对应的温室气体排放系数（表3）计算乘积后求和可得；Total N2O表示施用化肥直接产生的N2O以及氨挥发、氮淋洗间接产生的N2O量，单位为kg N/hm2，NH3挥发和NO3-淋洗转化为N2O的间接排放因子的缺省值分别为1%和0.75%[28]，其中N对N2O的转化系数为44/28，N2O转换为等量CO2的系数为298，Yield表示茶青产量。

单位产量酸化效应计算如式(4)所示。

式中，AP表示单位产量茶叶生产的酸化效应，Total SO2表示生产运输中产生的SO2，将不同项目的投入量与对应的酸化效应系数（见表3）计算乘积后求和可得；NH3表示氨挥发量，其中N对NH3的转换系数为17/14，NH3转换为等量SO2的系数为1.88，Yield表示茶青产量。

单位产量富营养化效应计算如式(5)所示。式(5)中，EP表示单位产量茶叶生产的富营养化效应，Total SO2表示生产运输中产生的PO4，将不同项目的投入量与对应的富营养化效应系数（表3）计算乘积后求和可得，NO3-表示淋洗损失量、NH3表示氮挥发量，其中N对NH3的转换系数为17/14，NO3-和NH3转换为等量

表3 农资生产阶段的活性氮损失、温室气体、酸化效应和富营养化效应的排放因子

PO4的富营养化效应系数分别为0.42和0.33；Pinput为磷投入量，0.2%为磷肥排放的富营养化效应系数，Yield表示茶青产量。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2019、SPSS 20软件进行统计分析和制图，最小显著法(LSD)检验试验数据的差异显著性水平(P＜0.05)。

表观平衡计算如式(6)～(9)所示。

式中，春茶茶青价格按6.0元/kg，秋茶茶青价格按12.0元/kg计算；肥料成本中，尿素价格按2.4元/kg，过磷酸钙价格按1.6元/kg，硫酸钾按3.6元/kg，硫酸镁按3.2元/kg，乌龙茶专用肥价格按3.5元/kg计算；单季农药成本为3150元/hm2，单季除草修剪成本为6750元/hm2，单季人工成本为6000元/hm2。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对茶叶产量、产量构成和成本收益的影响

表4 结果表明，与FP处理相比，Opt-NPK处理的茶青产量和百芽重未受影响，茶芽数显著减少5.8%；SF处理与Opt-NPK处理相比，茶青产量小幅增加，茶芽密度显著提高，增幅达到8.7%，百芽重无显著差异；FP与SF处理并无显著差异。进一步分析茶叶季节间差异，认为同一处理的春茶产量以及产量构成均高于秋茶。

表4 不同施肥处理对茶叶产量和经济效益的影响

Opt-NPK处理较FP处理减少了肥料投入，每公顷的成本降低1790元，Opt-NPK处理由于产量降低而导致产值低于FP处理，但纯收入均值未受到显著影响。SF处理较Opt-NPK处理提高了产值和纯收入，但差异未达显著水平，与FP处理产值和纯收入持平。

2.2 不同施肥处理对茶叶养分吸收的影响

总体而言FP处理、Opt-NPK处理和SF处理新梢氮、磷、钾养分浓度并无显著差异。进一步比较不同茶季间差异发现，SF处理较Opt-NPK处理春茶新梢氮浓度提高6.7%，达显著差异水平（表5）。总体而言FP处理、Opt-NPK处理和SF处理新梢氮、磷、钾带走量并无显著差异。进一步比较不同茶季间的差异发现，同一处理的春茶新梢养分带走量高于秋茶，同一茶季中，各处理的新梢氮、磷、钾带走量无显著差异（表6）。

表5 不同处理对茶叶氮磷钾养分浓度的影响 g/kg

表6 不同处理对茶叶氮磷钾养分带走量的影响 kg/hm2

2.3 不同施肥处理对肥料偏生产力及养分平衡的影响

与FP处理相比，Opt-NPK处理和SF处理的氮、磷、钾肥偏生产力显著提高，其中Opt-NPK处理的氮、磷、钾肥偏生产力分别提高了64.0%、112.1%、106.8%；SF处理较Opt-NPK处理进一步提升，氮、磷、钾肥偏生产力分别达到20.5、61.4、49.1 kg/kg。比较不同茶季间差异发现，春茶时期的氮、磷、钾肥料偏生产力更高（表7）。

基于肥料用量、新梢养分带走量计算不同处理的土壤养分收支平衡，结果（表7）显示，FP处理的氮、磷、钾养分收支皆表现为盈余状态，表观盈余量分别达到235.1 kg N/hm2、110.5 kg P2O5/hm2和115.6 kg K2O/hm2，与FP处理相比，Opt-NPK处理的氮、磷、钾表观盈余量显著降低，降幅分别达到48.0%、58.0%、65.8%，SF处理的养分表观盈余量与Opt-NPK处理整体接近，仅氮素表观盈余量小幅降低，分别为120.3 kg N/hm2、46.4 kg P2O5/hm2和 39.5 kg K2O/hm2。

表7 不同施肥处理对肥料偏生产力及养分表观平衡的影响

2.4 不同施肥处理对茶叶品质的影响

不同施肥处理的茶叶品质结果如表8所示，各处理间的茶多酚含量均值、游离氨基酸总量均值以及酚氨比均值差异不显著。进一步比较不同茶季间差异发现，春、秋茶季各处理间的茶多酚含量、游离氨基酸总量及酚氨比无显著差异。

表8 不同施肥处理对茶叶品质的影响

2.5 不同施肥处理对环境代价的影响

减少肥料投入显著降低了环境代价，Opt-NPK处理的活性氮损失、温室气体效应、酸化效应和富营养化效应较FP处理分别降低了37.6%、36.1%、37.5%、37.7%；SF处理的活性氮损失、温室气体效应、酸化效应、富营养化效应较FP处理分别降低了42.4%、41.0%、42.3%、42.5%，与Opt-NPK处理相比，单位产量环境代价进一步下降。比较不同茶季间的差异发现，秋茶生产上产生的环境代价更高，以习惯处理为例，秋季鲜叶生产过程中产生的活性氮损失、温室气体效应、酸化效应、富营养化效应较春季分别提高了66.2%、70.1%、66.3%、66.2%（图2）。

图2 不同施肥处理对单位产量茶叶生产过程中活性氮损失(A)、温室气体排放(B)、酸化效应(C)和富营养化效应(D)

3 结论

四季田间试验结果表明，与农民习惯施肥相比，减量施肥不影响茶叶的产量、品质、养分吸收和经济效益，同时降低了肥料成本，同时减少了环境代价，兼具平衡营养、经济环保的特点，施用乌龙茶专用肥补充了镁素，相比于Opt-NPK，提高了茶芽数，促进对氮素的吸收，同时专用肥产品简化了技术、提高了操作性，便于进行大面积推广，具有广阔的应用前景。

4 讨论

施肥是保证土壤养分供应充足，维持茶叶高产的必要措施。本课题组开展的大量的农户调查表明，FP处理的氮、磷和钾肥用量分为529 kg N/hm2，238 kg P2O5/hm2和278 kg K2O/hm2，而周年采摘的茶叶氮、磷和钾养分带走量分别只有65 kg N/hm2、17.8 kg P2O5/hm2和62.2 kg K2O/hm2，表明当前FP处理的养分投入远远超出茶树的需求量，单季平均表观盈余量达到235.1kgN/hm2、110.5 kg P2O5/hm2、115.6 kg K2O/hm2（表7）。本研究中的Opt-NPK处理减少50%的化肥总投入量（其中N减少43%，P2O5减少58%，K2O减少64%），2年的结果显示茶青产量并未受到明显的影响（表4）。同时，Opt-NPK处理的氮、磷、钾养分表观盈余较FP处理分别减少了48.0%、58.0%、65.8%，肥料偏生产力也较FP处理显著提高，表明Opt-NPK处理的肥料用量已可满足茶叶生产需求。此外，本研究结果也显示，减肥后茶树对氮、磷、钾养分的带走量并没有差异，进一步说明基于农户经验管理过多的肥料投入是没必要的。尽管如此，本研究的Opt-NPK处理依然表现养分盈余的状况，前人研究显示，成龄茶树地上部（含采摘、修剪、落叶3个环节）周年养分带走量可达到145 kg N/hm2、22.9 kg P2O5/hm2和41.0 kg K2O/hm2[29]，而本研究仅考虑了采摘环节，但即便是按尤雪琴的结果，仍盈余43.6 kg N/hm2、31.4 kg P2O5/hm2和27.6 kg K2O/hm2。关于氮磷钾肥的优化用量有待进一步研究。

乌龙茶专用肥是根据铁观音茶树的需肥规律，同时结合铁观音茶园普遍缺镁的现状，在复合肥中添加镁，以匹配当前茶园的养分需求，是在Opt-NPK处理的基础上设计而成。乌龙茶专用肥的应用效果显示，与Opt-NPK处理相比，可进一步提高茶青产量，显著增加茶芽数目（表4），表明在缺镁茶园中添加镁，对茶叶增产起一定作用。并且根据侯玲利[30]的研究显示，在茶园施用镁肥还能提高茶叶的叶片厚度以及着叶数。乌龙茶专用肥的应用还促进了茶树对氮素的吸收利用，提高了新梢氮浓度和氮带走量（表5～6），在春茶时期效果显著，与徐洋、郎漫研究结果一致[31-32]。镁与氮关系密切，参与植物体内诸多的氮代谢过程，如促进谷氨酸合成谷氨酰胺[32]、提高硝酸还原酶的活性水平[33]，缺镁时甚至会导致氮素代谢降低，遗传物质的合成过程受阻[34]。

茶叶品质评价体系中，茶多酚和游离氨基酸是主要滋味物质，常作为评估茶叶品质的重要指标[35]。养分管理对茶叶品质的影响效果显著[36-38]。本研究中，减肥后对茶多酚、氨基酸含量影响不显著，表明当前地力状况下，减肥不会对茶叶品质产生影响，而SF处理氨基酸含量与减肥处理差异不显著（表8）。推测这可能与不同茶类采摘标准差异有关，前人研究施肥效应对茶叶品质的影响主要建立在绿茶茶类的基础上，其采摘部位与乌龙茶存在较大差异，通常绿茶采摘要求为新梢的一芽一叶到一芽二叶，而乌龙茶采摘要求为已驻芽的展开新梢一芽三叶，这也造成采摘部位的叶片成熟度存在较大差异，芽叶中的氨基酸含量较成熟叶更高，不同叶位中氨基酸含量存在较大差异[39]，因此关于施肥投入对茶多酚和氨基酸的影响有待进一步研究。

比较不同施肥处理下茶叶生产中环境效应的差异是评判和指导茶园科学施肥的重要依据。在农民习惯施肥的养分投入下，单位产量茶叶产生温室气体排放量、酸化效应和富营养化效应分别为1098.6 kg CO2eq/t、13.2 kg SO2eq/t和4.4 kg PO4eq/t，应用乌龙茶专用肥以及减肥措施后，各项环境效应指标下降28%以上（图2），低于台湾生产等量乌龙茶产生的温室气体排放量和富营养化效应7500 kg CO2eq/t和32.5 kg PO4eq/t，但仍然高于伊朗生产等量茶青产生的环境代价442 kg CO2eq/t、1.83 kg SO2eq/t和0.64 PO4eq/t[40-41]，造成差异主要与肥料投入差异有关，Chiu研究显示，台湾乌龙茶的茶青生产阶段，每公顷投入氮、磷、钾肥分别为749 kg N、126 kg P2O5和118 kg K2O，氮肥投入比本研究FP处理高41.3%，肥料总投入接近，远超SF和Opt-NPK处理，而伊朗在鲜叶的生产阶段的肥料投入比SF、Opt-NPK处理的肥料投入更低，每公顷氮投入为354 kg N，磷投入为66 kg P2O5，无钾肥投入，由此可见降低肥料投入，尤其是氮肥投入是减少茶叶生产体系环境影响的重要途径。本研究中，秋季生产过程产生的环境代价更高，是春季生产的1.6～1.7倍，这主要是由于秋茶产量较低，但肥料投入量与春茶相似，甚至更高。与FP处理相比，SF、Opt-NPK处理减少了肥料投入，降低了生产成本，但产量并未因此受到影响，各处理的经济效益接近，同时SF、Opt-NPK处理显著减少了环境代价，符合茶园减排、绿色发展的生产观念。