有机肥全量替代化肥对茶叶产量和品质、土壤养分及氮素利用的影响

黄尚书，孙永明，江新凤，吴 艳，林小兵，何绍浪，余跑兰，熊 文，雷礼文

(1.江西省红壤研究所，江西 南昌 330046；2.江西省蚕桑茶叶研究所，江西省茶叶质量与安全控制重点实验室，江西 南昌 330043；3.江西农业大学 国土资源与环境学院，江西 南昌 330045)

施肥是茶叶生产的重要环节，对茶叶产量和品质有重要影响[1]。随着经济发展以及人民生活水平的进一步提高，人们对茶叶需求量越来越高[2]。为追求高经济效益，茶园生产中存在单施、偏施化肥等不合理施肥方式[3]，进而引起茶园土壤肥力退化、茶叶产量和质量下降等一系列问题[4]，已成为茶园健康持续发展的制约因素。为此，农业农村部发布了《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》等多种形式的茶园化肥减施增效技术方案，以促进茶产业绿色发展。在此背景下，研究茶园有机肥部分替代甚至全量替代化肥技术，这对于区域茶园科学施肥意义重大。因而，茶叶有机肥培肥技术一直是栽培研究的热点领域。多数研究认为，茶园施用有机肥可有效改良土壤结构、提高土壤肥力、提升茶叶的产量和质量[5-8]，但也研究发现有机肥施用量过高可造成茶叶产量等负面作用[9-10]。目前，本单位茶叶栽培与土肥研究团队在江西开展了茶园有机肥培肥技术研究[11]，为江西茶园有机肥培肥技术的发展提供了重要的支撑作用。但该研究主要针对茶园商品有机肥的应用效果研究，尚未在茶园开展区域惯用有机肥-枯饼的应用效果研究。由于不同有机肥料种类下存在不同的产量反应及培肥效果。因此，有必要在区域内基于该有机肥开展茶园有机培肥技术研究，以明确其应用效果。此外，肥料中氮素投入的环境代价受到广泛关注，但有机培肥技术下对氮素利用的研究主要集中在农田[12-14]，而对茶园有机培肥措施下氮素利用的研究较少，不利于全面理解茶园有机培肥技术的优势和不足。因此，本研究以当地推荐的化肥施用量为对照，开展有机肥施用量对茶叶产量和品质、土壤养分及氮素利用的影响，以期为江西茶园科学合理施肥和茶产业高质量发展提供科学支撑。

1 材料和方法

1.1 试验区域概况

试验区位于江西省蚕桑茶叶研究茶叶试验基地内(N28°22′20″，E116°0′6″)，区域属亚热带季风湿润气候，雨量充沛，四季分明。地形为典型低丘，茶园土壤为第四纪红黏土发育的红壤，土层深厚、肥力中等。在设置定位试验前，该茶园表层(0～30 cm)土壤基本理化性质为：pH值3.80，有机质含量22.70 g/kg、碱解氮57.15 mg/kg、速效磷23.25 mg/kg、速效钾101.83 mg/kg。

1.2 试验设计

供试茶树品种树为福鼎大白，有机肥为当地惯用的油菜枯饼，该枯饼含有机质70.3%，N 5.01%，P2O51.08%，K2O 1.82%。于2017年选择自然生态环境和茶树生长状态基本一致的成龄茶园作为试验地块，以当地推荐化肥施用量(N 300 kg/hm2，P2O560 kg/hm2，K2O 120 kg/hm2)为对照(CK)，设置6个梯度有机肥施用量：3 000(FQ1)，4 500 (FQ2)，6 000 (FQ3)，7 500(FQ4)，9 000(FQ5)，12 000 kg/hm2(FQ6)，其中：FQ3处理与CK养分投入量大致相当，具体见表1。试验采用随机区组设计，3次重复，共21个小区，小区面积45.0 m2(4.5 m×10.0 m)，四周留2行(或3.0 m)作为保护行，各处理化肥及有机肥作为基肥时一次性施入，施肥深度30 cm，试验区杂草控制、病虫害防治等茶园管理方式一致。

表1 试验设计Tab.1 Experimental design

1.3 测定项目与方法

茶叶产量及产量性状：芽密度(个/m2)：于2019，2020年春茶采摘期，各小区随机选取3个样方，样方面积为0.04 m2(20 cm×20 cm)，调查样方内茶芽数。百芽质量：于2019，2020年春茶采摘期，采摘每小区样方内一芽二叶茶芽，随机选择100个称质量记录百芽质量。产量：分2019，2020年春茶采摘期每小区各批次鲜叶质量之和(kg/hm2)。

茶叶品质指标：水浸出物：参照《GB/T 8305-2013 茶水浸出物测定》进行测定。游离氨基酸：参照《GB/T 8314-2013 茶游离氨基酸总量的测定》进行测定。茶多酚：参照《GB/T 8313-2018 茶叶中茶多酚和儿茶素类含量的检测方法》进行测定。咖啡碱：参照《GB/T 8312-2013 茶咖啡碱测定》进行测定。

土壤养分指标：于2019，2020年6月上旬(春茶采摘后、夏茶追肥施用前)采集0～30 cm土层土壤样品，每小区随机选取3个样点，每个样点按茶行中间(距茶树0.5 m左右)、茶行附近(距茶树0.1 m左右)采集0～30 cm土样，并将同小区各样点0～30 cm土层土样混合，风干、过筛，进行有机质及速效养分含量。其中：土壤pH值采用复合电极测定(土水比1.0∶2.5)，土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化还原滴定法测定，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定，具体测定方法见参考文献[15]。

氮肥偏生产量计算公式[16]：氮肥偏生产力(kg/kg)=施氮后的茶叶产量(kg/hm2)/肥料氮投入量(kg/hm2)，当年土壤表观氮素盈余量计算公式[17]：当年土壤表观氮素盈余量(kg/hm2)=当年氮素投入量(kg/hm2)-当年茶叶产量(kg/hm2)×茶叶含氮量(g/kg)×10-3。经检测，本试验各处理茶叶平均氮含量为1.20 g/kg，不同处理间差异不显著(P>0.05)。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel进行整理，运用SPSS 17.0进行方差分析、显著性检验(LSD法)及Pearson相关性分析，采用Origin 8.1进行图片绘制。

2 结果与分析

2.1 有机肥含量替代化肥对茶叶产量性状、茶叶产量及品质的影响

由表2可知，随着有机肥施用量的增加茶叶产量及产量性状表现出“先增加后略有下降”的趋势，不同施肥处理对百芽质量、发芽密度、鲜叶产量均具有极显著影响(P<0.01)。与CK处理相比，FQ1和FQ2处理显著降低了鲜叶产量、百芽质量和发芽密度(P<0.05)，降幅分别为：7.57%～22.63%，11.58%～32.28%，13.20%～27.37%；在养分投入量相当条件下，施用有机肥(FQ3处理)降低了鲜叶产量、百芽质量和发芽密度，其中：鲜叶产量降幅为5.01%～11.02%，百芽质量降幅为4.32%～4.80%，发芽密度降幅为4.42%～13.87%，2019年鲜叶产量及产量性状和2020年鲜叶产量及百芽质量下降不显著(P>0.05)，仅2020年茶树发芽密度下降显著(P<0.05)。随着有机肥施用量进一步增加鲜叶产量及产量性状也随之增加。与CK相比，FQ4处理增加了茶叶百芽质量和发芽密度，增幅分别为3.79%，16.90%，其中2019年差异显著(P<0.05)，而2020年差异不显著(P>0.05)；FQ5和FQ6处理下鲜叶产量、百芽质量和发芽密度均得到增加，增幅分别为16.14%～32.28%，6.86%～17.05，20.68%～25.55%，其中：FQ5处理下鲜叶产量、百芽质量和发芽密度显著高于CK处理(P<0.05)，而FQ6处理下仅发芽密度显著高于CK处理(P<0.05)。说明养分投入量相当条件下，施用有机肥造成了茶叶鲜叶产量及产量性状不同程度的下降，且有机肥施用量也并不是越高越好。需要说明的是，不同年份间茶叶鲜叶产量及产量性状差异极显著，这与该区域2018年旱情严重导致2019年茶叶减产有关。

表2 不同处理对茶叶产量及产量性状的影响Tab.2 Effects of different treatments on yield and yield characters of tea

分析不同处理下的茶叶品质发现(表3)，不同处理对水浸出物、茶多酚和氨基酚含量存在显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)影响。与CK相比，仅FQ6处理显著提高了茶叶水浸出物含量(P<0.05)，其他处理不同程度降低或提高了茶叶水浸出物含量，但差异不显著(P>0.05)，养分投入量相当条件下施用量有机肥(FQ3处理)提高了水浸出物含量，平均提高1.74%；随着有机肥施用量的增加水浸出物含量呈现一定递增趋势，其中：FQ6处理显著增加了茶叶水浸出物含量(P<0.05)，平均提高4.65%。与CK相比，不同有机肥施用量一定程度提高了茶叶咖啡碱含量(P>0.05)，增幅0.57%～4.75%。与CK相比，仅2020年FQ1处理显著降低了茶叶茶多酚含量(P<0.05)。茶叶氨基酸含量与水浸出物及茶多酚呈现大致规律，随着有机肥施用量的增加而增加；与CK相比，2019年仅FQ5和FQ6处理显著提高了茶叶氨基酸含量(P<0.05)，而2020年不同处理间茶叶氨基酸含量差异不显著(P>0.05)。分析茶叶酚氨比发现，与CK相比，施用有机肥均降低了茶叶酚氨比(下降0.42%～10.45%)，其中2020年FQ3处理茶叶酚氨比降低显著(P<0.05)。

2.2 有机肥含量替代化肥对土壤养分的影响

不同处理下的0～30 cm土层土壤养分含量如表4所示。由表可知，不同处理对0～30 cm土层土壤养分存在极显著影响(P<0.01)。与CK相比，除FQ1处理，其他处理均显著增加了土壤有机质含量(P<0.05)，平均增加49.10%；施用有机肥处理均提高了0～30 cm土层土壤pH值(提高0.01～0.53个单位)；施用有机肥显著提高了0～30 cm土层土壤碱解氮含量(P<0.05)，且提升效果随有机肥用量的增加而增加，增幅43.78%～167.89%。与CK相比，2019，2020年FQ1和FQ6处理均显著降低或增加了0～30 cm土层土壤有效磷含量(P<0.05)，其中：FQ1平均降低29.00%，FQ6平均增加39.75%；此外，与CK相比，2019年FQ5处理也显著了土有效磷含量(P<0.05)，增加22.24%；与CK相比，FQ1处理显著降低了0～30 cm土壤速效钾含量(P<0.05)，其他处理均显著增加了0～30 cm土层土壤速效钾含量(P<0.05)，平均增加31.62%。可见，施用有机肥可明显缓解茶园土壤酸化状况、提高茶园土壤碱解氮含量，在养分投入量下施用有机肥还可提高茶园土壤有机质和速效钾含量，但对土壤有效磷的提升效果相对较差。

表3 不同处理对茶叶品质的影响Tab.3 Effects of different treatments on tea quality

表4 不同处理对0～30 cm土层土壤养分的影响Tab.4 Effects of different treatments on soil nutrients in 0-30 cm soil layer

2.3 有机肥含量替代化肥对茶园土壤氮素盈余量和氮肥偏生产力的影响

如表5所示，不同处理下土壤氮素盈余量变化幅度较大(6.70～395.10 kg/hm2)，占氮肥施用量的4.46%～65.85%。与CK，FQ1和FQ2处理降低了茶园土壤氮素盈余量，降幅27.07%～94.70%，但2020年FQ2处理与CK差异不显著(P<0.05)；FQ4、FQ5和FQ6处理显著增加了茶园土壤氮素盈余量(P<0.05)，增幅为23.14%～276.03%。不同处理下氮肥偏生产力为11.38～31.84 kg/kg；与CK相比，2019，2020年FQ1显著增加了氮肥偏生产力(P<0.05，增加53.49%)，FQ2处理仅2019年显著增加氮肥偏生产力(P<0.05，增加17.88%)，而FQ6处理则显著降低了氮肥偏生产力(P<0.05，降低41.20%)，FQ5仅在2019年显著降低了氮肥偏生产力(P<0.05，降低15.45%)；在等氮量投入下，有机肥全量替代化肥(FQ3)的氮肥偏生产力低于单施化肥(CK)，平均低8.03%。

表5 不同处理对氮素盈余量和氮肥偏生产力的影响Tab.5 Effects of different treatments on nitrogen surplus and nitrogen partial productivity

分析2019，2020年氮素盈余量、氮肥偏生产力与氮肥施用量的关系发现(图1)，氮素盈余量与氮肥施用量呈显著线性关系(y=0.786x-115.04，P<0.01)，根据氮素盈余量与氮肥施用量的线性关系可知，要维持茶园土壤氮素表观平衡(即盈余量为0)时，理论氮肥施用量约为146 kg/hm2(不考虑氮肥损失)；随着氮施用量的加，氮肥偏生产力下降趋势，两者呈幂函数关系(y=635.28x-0.605，P<0.01)。进一步分析氮肥偏生产力(y)与氮素盈余量(x)的关系表明，两者呈对数函数关系(y=-4.53ln(x)+41.179，P<0.01)，即：随着氮素盈余量的增加，茶园氮肥偏生产力均下降。

图1 氮素盈余量、氮肥偏生产力与氮肥施用量的关系Fig.1 Relationship between nitrogen surplus，nitrogen partial productivity and nitrogen application rate

2.4 有机肥的最佳施用量及其与氮素利用的矛盾

根据2 a试验茶叶鲜叶产量，应用线性加平台模型拟合每年有机肥最佳施用量(图2)，结果表明茶园每年有机肥最佳施用量为8 739.55～9 169.95 kg/hm2，相应平台鲜叶产量为7 085.00(2019年)，8 413.33 kg/hm2(2020年)。根据前面对氮素利用的计算分析，在最佳有机肥施用量时(8 739.55～9 169.95 kg/hm2)，氮素盈余量为228.42～245.34 kg/hm2，氮肥偏生产力为15.59～16.05 kg/kg。说明茶园施用有机肥时，若过分追求茶叶产量可导致土壤氮素过量盈余，使氮肥偏生产力水平较低，并增加环境污染的风险。

图2 线性加平台模型拟合有机肥最佳施用量Fig.2 The best application rate of organic fertilizer fitted by linear plus platform model

3 讨论与结论

诸多研究表明[6，18-19]，茶园施用有机肥可有效改良土壤物理化学性质，进而提升茶叶的产量，但单施有机肥也可能会对茶园产生不利的影响[2]。吴志丹等[11]在茶园施用不同比例猪粪有机肥时发现，25%～50%有机肥配施75%～50%化肥处理较好，单施有机肥使茶叶产量下降18.77%；林永锋等[20]的研究结果表明，有机肥和氮肥、磷肥、钾肥施用量对茶叶产量均有显著影响，有机肥与化肥施用量存在协同促进作用。分析不同处理下的茶叶产量发现，等养分投入下施用有机肥的茶叶产量比单施化肥下降了5.01%～11.02%，说明在本研究中在等养分投入下施用有机肥造成茶园一定程度减产，原因可能：一是有机肥全量替代化肥下肥料养分释施缓慢，导致对春季茶叶产量的贡献相对较低，造成春季茶叶产量减产；二是茶叶是喜铵态植物，施用有机肥在改善土壤酸度的同时，提高了茶园土壤销化势[21]，降低了土壤铵态氮的含量。相关研究显示[22-24]，有机肥在茶园土壤中的施用有利于提高茶叶品质，因有机肥来源广泛以及施用比例的不同，可能会对茶叶品质的影响产生差异[2]。本研究表明：与单施化肥相比，等养分(或更多)投入下施用有机肥提高了茶叶水浸出物、咖啡碱和氨基酸含量，降低了茶叶的酚氨比，有利于茶叶品质的提高，与上述结研究基本一致；茶多酚含量随着有机肥施用量的增加而增加，但等养分投入下有机肥的施用一定程度降低了茶叶茶多酚含量，这可能与有机肥改变土壤pH值进而影响茶叶茶多酚含量有关[25]，具体原因有待深入研究。整体而言，等养分投入下有机肥的施用可提高茶叶品质，但造成了一定程度的减产。由于茶园实施有机无机配施可促进养分的平衡供给[11]，相比于有机肥全量替代化肥，可能对春茶有更好的增产效果，并且可以维持有机肥对茶叶品质的提升效果。因此，可以进一步开展茶园有机无机配施技术研究，以更好地促进该区域茶园提质增效。

由于富含多种有机质及丰富的矿质营养元素，有机肥的应用可在一定程度上提高茶园土壤养分的生物有效性[26]。本研究结果显示，有机肥全量替代化肥可提高茶园0～30 cm土层土壤碱解氮含量，在等养分投入下有机肥全量替代化肥还可提高茶园0～30 cm土层土壤有机质和速效钾含量，这与相关研究结论一致[2，11，27-28]。但在等养分投入下，施用有机肥略微降低了0～30 cm土层土壤有效磷含量，这可能与施用有机肥提高了土壤有机质含量，造成有机阴离子与磷酸根竞争表面专性吸附位点、腐殖质土壤胶体表面形成保护膜减少对磷酸根的吸附以及有机质分解产生的CO2增加磷盐的溶解度，造成土壤固磷作用减弱有关。本研究结果还显示，有机肥全量替代化肥下0～30 cm土层土壤pH值比单施化肥高0.01～0.53个单位，说明施用有机肥可增加土壤对酸的缓冲性能，进而缓解茶园土壤酸化状况[29]。此外，茶树是喜酸植物，一般要求茶园pH值为4.0～6.5，高产优质茶园土壤最适pH值在5.0～6.5[30]，受茶树分泌有机酸和不合理施肥等因素的影响，我国茶园土壤普遍酸化严重，严重影响茶叶生产[31-32]。本研究中2019，2020年的样点中，茶园0～30 cm土层土壤pH值为3.76～4.30，pH值小于4.0的样本数占47.62%，区域茶园土壤酸化状况不容乐观，还需要进一步开展茶园土壤酸化改良技术的研究。

分析氮素盈余量及氮肥偏生产力发现，茶园土壤氮素盈余量随着氮肥施用量的增加而增加，而氮肥偏生产力随着施氮量的增加而降低，这与前人研究结论基本一致[33-34]。根据氮素盈余量与氮肥施用量的线性关系可知，要维持茶园土壤氮素平衡时，理论氮肥施用量约为146 kg/hm2，由于我国茶园氮肥损失约为52.6%[34]。因此，在考虑氮肥损失的情况下，本研究区域氮肥施用量约为300 kg/hm2，这与专家推荐的氮肥投入量基本一致。同时，在此氮肥施用水平下可使土壤氮素表观盈余量较小及保持较高的氮肥偏生产力，并保证茶树的氮肥需求[35]。基于茶叶产量应用线性加平台模型计算了本试验条件下最佳有机肥施用量(8 739.55～9 169.95 kg/hm2)，为区域茶园有机肥全量替代化肥提供了参考，但在最佳有机肥施用量下，氮肥投入为436～458 kg/hm2，氮素盈余量228.42～245.34 kg/hm2(占氮肥施用量的53%左右)，不利于提高氮肥利用效率，进一步增加了环境污染的风险。

综上，本研究以推荐的化肥施用量为对照，分析了不同有机肥施用量对茶叶品质和产量、土壤养分及氮素利用的影响，揭示了茶叶施用有机肥(枯饼)在提升茶叶品质、改善土壤养分方面的有利效果。然而，在本试验条件下，养分投入量相当时施用有机肥造成一程度的减产，使得需要进一步增加有机肥的施用量来获得更高的产量，造成的氮肥利用效率下降和氮素盈余量过大，增加了环境污染的风险。因此，从氮素利用角度考虑，茶园实施有机培肥时，不应过分追求茶叶产量，可适应降低有机肥施用量以控制氮的投入。