复配调理剂对茶园土壤质量和茶叶品质的改良效果

赵 涵，方宏达，曹英兰，叶 欣，杨祖洁

(1.集美大学海洋食品与生物工程学院，福建 厦门 361021；2.集美大学港口与海岸工程学院，福建 厦门 361021；3.中国科学院城市环境研究所，福建 厦门 361021；4.中科同恒环境科技有限公司，福建 厦门 361021)

0 引言

土壤质量是影响茶树生长和茶叶品质的主要因素之一。由于茶树长时间种植[1]、茶树自身性质[2-3]、人为活动[4]、环境因素[5]和过度施肥等原因，部分茶园土壤出现酸化、重金属污染和肥力不均等问题。土壤酸化使茶树根尖生长受抑制，影响茶树生长和茶叶品质。茶叶重金属污染影响食品安全，危害人体健康。肥力不均影响茶叶品质，如氮肥过量会降低茶叶香气前体物质的合成[6]，缺磷肥影响茶叶黄酮类物质的合成[7]等。这些问题严重影响了茶叶的品质，制约茶产业的发展。

对于存在土壤问题的茶园，土壤改良是提升茶叶品质最直接、最有效的方法。土壤改良不仅要考虑修复效果，还需兼顾经济效益。所以，目前的改良剂已从传统的碱性矿物[5,8]转变为选用廉价易得的工业副产品[9-10]、有机物料[11-12]等材料。其中，由农业废弃物制成的生物炭可增加土壤的持水和保肥性能，增加土壤中有机质的含量[13]；由废弃牡蛎壳制成的牡蛎壳粉可以提高土壤pH值[14]，改善土壤根系通气和排水能力，再辅以从高氮磷废水中回收的鸟粪石缓释肥[15]，可有效提升土壤磷、镁含量，平衡土壤肥力，提高作物产量[16]。

然而，施加单一的土壤调理剂难以解决茶园土壤存在的复合问题。因此，本文尝试使用生物炭、牡蛎壳粉和鸟粪石为原料复配成土壤调理剂，考察其在土壤改良和茶叶品质提升方面的性能，为副产物的加工再利用、茶园土壤改良和茶叶品质提升提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

生物炭购于郑州竹林活性炭开发公司，牡蛎壳粉来源于漳浦县国民贝壳加工厂，鸟粪石由中国科学院城市环境研究所提供。3种材料的基本理化性质见表1。

表1 供试材料基本理化性质

1.2 仪器设备

pH211C型酸度计，意大利哈纳；7000DV型电感耦合等离子体发射光谱仪，美国珀金埃尔默仪器；UV-5200型紫外-可见分光光度计,上海元析仪器有限公司；AR224CN型电子天平，奥豪斯仪器有限公司；ZQTY-70型恒温振荡培养箱，上海知楚仪器有限公司；H2-16K型台式高速离心机，湖南可成仪器设备有限公司；HH- 4型数显恒温水浴锅，上海梅香仪器有限公司。

1.3 试验设计

试验地位于福建省华安县某茶园，地理坐标为25°00′29.55″'N，117°39′44.98″E，海拔(637.90±1.90)m，属南亚热带与中亚地带过渡段气候，年降雨量为1 700 mm，年平均气温为20.9 ℃，全年无霜期357 d，土壤为砖红壤。试验田茶树品种为铁观音，树龄5 a。

以课题组前期试验得出的调理剂最优配方(50%生物炭+25%牡蛎壳粉+25%鸟粪石)开展大田试验。选择12块土壤情况相当、茶树长势均一的试验田地，每块田地面积20 m2，间隔2 m。设置4种不同的调理剂施用剂量：不施加土壤调理剂(CK)，1 500 kg/hm2(T1)，3 000 kg/hm2(T2)，4 500 kg/hm2(T3)。每种处理设置3块田地作为重复，各处理序号随机排布见图1。调理剂的施加方式为沟施，沟深控制在10～15 cm，所开沟距茶树约10～15 cm。试验期间，每块地的施肥和日常管理均按照当地茶农的种植习惯进行。肥料为有机肥，施加量为1 500 kg/(hm2·a)。2020年1月9日采集土样测试背景值。采样后施加调理剂，待5月茶叶采摘时再次采集土样和茶叶，分析测试相关指标。

1.4 实验方法

1.4.1 土壤采集及测定

按照梅花式布点法进行土壤样品采集，每个点采集0～20 cm深度的土壤1 kg，去除树枝、碎叶和石块等杂物，将5个点位的土壤混匀后平均分成4份，舍弃其中的2份，剩下2份装入袋中，做好标记，带回实验室。土壤采集后，置于室内阴凉通风处自然风干，期间将大土块细分，并除去树枝、碎叶等杂物，过10目尼龙网筛备用。

土壤pH值测定采用电位法；有机质测定采用重铬酸钾氧化-外加热法；碱解氮测定采用氢氧化钠扩散法；有效磷测定采用NH4F-HCI浸提法[17]；速效钾测定采用乙酸铵浸提法。

1.4.2 茶叶采集及测定

2020年5月进行茶叶采摘工作。每块试验茶叶地采摘茶叶300 g，采摘叶样为茶树的“一芽三叶”，茶叶采摘后低温运输保存，运至实验室当天进行蒸青和杀青，所得样品进行后续实验测试。

茶多酚的测定采用福林酚法；游离氨基酸的测定采用茚三酮法；水浸出物测定采用茶水浸出物法；茶叶重金属含量测定参考NY 659—2003规定的方法。

1.5 数据处理

采用MS Office 2018系列软件进行数据处理，SPSS 24.0进行统计分析，Origin 2017进行作图。

2 结果与讨论

2.1 不同施用量调理剂对茶园土壤肥力的影响

2.1.1 对土壤pH值的影响

土壤pH值影响土壤的化学和生物学性质，土壤酸化程度加重会导致重金属活化、盐基离子淋失和土壤微生物种群失衡等，影响茶树的生长。图2为不同施用量调理剂对茶园土壤pH值的影响情况，可见，与CK组相比，T1、T2和T3处理组的土壤pH值分别增加了12.20%，19.07%，27.72%，存在显著差异(P<0.05)。

2.1.2 对土壤有机质含量的影响

土壤有机质主要来源于动植物的残体，是土壤重要的构成组分和植物营养来源之一，与土壤微生物的生长和土壤结构密切相关。图3给出了不同施用量调理剂对茶园土壤有机质含量的影响情况，可见，与CK组相比，T1、T2和T3处理组的土壤有机质含量分别增加了19.32%，31.07%，42.90%，T2、T3组与CK组存在显著差异(P<0.05)。

有机碳是有机质含量的一个评价标准[22]。已有报道指出,添加生物炭可以增加土壤的有机碳含量[23-24]，生物炭含碳丰富(>60%)[25]，生物炭施入土壤后可以直接增加土壤的碳库存，促进土壤微生物对其进行分解，从而提高土壤有机碳含量。另外，生物炭和牡蛎壳粉能增加土壤的持水能力，降低土壤容重[26]，适宜土壤微生物的生长繁殖，有利于土壤微生物数量的增加，提高土壤生物的活性[27]。此外，土壤pH值影响微生物的结构和活性，土壤酸化严重，有利于真菌的繁殖，但抑制细菌和放线菌[28]。施加复配调理剂后，土壤pH值提高，有利于细菌生长繁殖，提高生物活性，从而提高土壤的有机质含量。同时，生物炭还可以吸持有机肥中的有机质[29]，提高有机肥的利用率。综上所述，复配调理剂除自带碳素增加土壤有机质含量外，还可以改善土壤微生物的环境，提高土壤生物的活性和微生物数量，从而提高土壤肥力。

2.1.3 对土壤碱解氮含量的影响

图4给出了不同施用量调理剂对茶园土壤碱解氮含量的影响情况，可见，与第一次采样的初始值相比，CK、T1、T2和T3处理组的碱解氮含量分别增加了21.09，23.57，19.42，21.29 mg/kg。

实验结果表明，施加土壤调理剂对茶园土壤碱解氮含量影响较小，甚至可以降低其含量，黄连喜等[30]和刘涛等[31]也得到类似结论。这可能是因为生物炭中含有丰富的碳，施加复配调理剂后，土壤中的碳含量增加，未能及时补充氮肥，使C/N比值增加，促进土壤微生物对氮的固定[32]。此外，土壤碱解氮含量会随着土壤pH值升高而降低[33]。

2.1.4 对土壤有效磷含量的影响

图5给出了不同施用量调理剂对茶园土壤有效磷含量的影响情况，可见，与第一次采样的初始值相比，CK、T1、T2和T3处理组的有效磷含量分别增加了12.73，22.82，25.31，39.18 mg/kg，3个处理组均与CK组存在显著差异(P<0.05)，但相互之间差异性不显著。

2.1.5 对土壤速效钾含量的影响

图6给出了不同施用量调理剂对茶园土壤速效钾含量的影响情况，可见,与第一次采样的初始值相比，CK、T1、T2和T3处理组的速效钾含量分别增加了33.72，86.23，86.47，108.04 mg/kg，3个处理组均与CK组存在显著差异(P<0.05)。

T1、T2和T3处理组速效钾增加的原因与施加复配调理剂有关。首先，生物炭自身含有钾[38]，且多为交换性钾，施加在土壤中可及时释放，被植物吸收[39]。其次，牡蛎壳粉、生物炭和鸟粪石可以提高土壤阳离子交换量，增强土壤对K+的吸附能力。最后，3种材料可以提高土壤的pH值，当OH-增加时，土壤表面负电荷增加，可以吸附更多的K+。同时，3种材料还可以降低土壤中的Al3+，使更多的K+可以进入层间穴位，从而减少K+的淋失，提高土壤中速效钾的含量。

2.2 不同施加量调理剂对茶叶品质的影响

2.2.1 对茶叶水浸出物含量的影响

水浸出物是指茶叶中可被沸水浸出的物质，包括茶多酚、咖啡碱、氨基酸、水溶性果胶、可溶糖、维生素、色素、无机盐和可溶蛋白等成分。水浸出物的含量是评价茶叶品质的指标之一，水浸出物与茶叶品质呈正相关。

图7是不同施加量调理剂对茶叶水浸出物影响的结果。由图7可知，与不施加调理剂的CK组相比，施加调理剂的3个处理组均可提高茶叶的水浸出物。和CK组相比，T1、T2和T3组的水浸出物分别增加了0.92%,1.52%,1.99%，3个处理组均与CK组存在显著差异(P<0.05)。因此，施加调理剂可以增加茶叶的水浸出物含量，当施加量为4 500 kg/hm2时，茶叶的水浸出物含量最高。

2.2.2 对茶叶茶多酚含量的影响

图8是不同施加量调理剂对茶叶茶多酚含量影响的结果，可见，和CK组相比，T1、T2和T3组的茶多酚含量分别降低了8.76%,2.19%,5.31%，3个处理组除T2外均与CK组存在显著差异(P<0.05)。因此，施加调理剂会降低茶叶茶多酚的含量。

茶多酚在感官评价中主要为涩味，当茶多酚含量在20%以内时，与茶汤滋味呈正相关；当茶多酚含量大于24%时，茶汤苦涩味加重，鲜醇风味降低，茶汤滋味受到影响。在本研究中，CK组的茶叶茶多酚含量最高为268.59 mg/g，T1处理组的茶叶茶多酚含量最低为245.06 mg/g，均大于24%，可能与茶树的品种有关。万青等[40]研究发现,在茶园施加生物炭会降低茶叶茶多酚的含量，与本研究所得结果一致。综上所述，施加复配调理剂可以降低茶叶茶多酚含量，进而减轻茶汤的苦涩滋味。

2.2.3 对茶叶游离氨基酸含量的影响

图9是不同施加量调理剂对茶叶游离氨基酸含量影响的结果，可见，和CK组相比，T1、T2和T3组的游离氨基酸含量分别增加了8.61%，3.59%，0.24%，3个处理组中，只有T1组与CK组存在显著差异(P<0.05)。因此，施加调理剂会增加茶叶游离氨基酸的含量，当施加量为1 500 kg/hm2时，茶叶的游离氨基酸含量最高。

游离氨基酸主要为茶汤提供甜鲜味，其含量与茶叶品质呈正相关。游离氨基酸的含量与土壤中氮肥水平有一定关系。朱旭君等[41]研究发现，当有机肥施加占比为50%～75%时，施加氮肥可以显著提高茶叶游离氨基酸的含量。在本实验3个处理组中，T1组的茶叶游离氨基酸含量最高，而T2、T3组与CK组的茶叶游离氨基酸含量不存在显著差异(P>0.05)。可能是因为T2和T3组的生物炭施加量更多，土壤中有机质含量增加，但没有及时补充氮肥，土壤中C/N比变大，更多的氮被微生物固定，可供茶树吸收的氮减少，导致T2和T3组的茶叶游离氨基酸含量降低。

2.2.4 对茶叶酚氨比的影响

酚氨比是茶叶中茶多酚和氨基酸的比值，是衡量茶叶实质性的一个参数。酚氨比还能反映茶叶的品质，酚氨比小，则茶汤鲜香，品质越高[42]。

图10是不同施加量调理剂对茶叶酚氨比影响的结果，可见，和CK组相比，T1、T2和T3组的酚氨比分别降低了15.89%，5.45%，5.45%，3个处理组均与CK组存在显著差异(P<0.05)。其中，T2和T3组的酚氨比相同，T1组的酚氨比小于T2和T3组，且差异性显著(P<0.05)。因此，施加调理剂会降低茶叶的酚氨比，当施加量为1 500 kg/hm2时，茶叶的酚氨比最低。

2.2.5 茶叶重金属残留量

茶叶中重金属残留量如表2所示，可见，各组茶叶中的Cd、Cr、Pb和As含量无显著差异，均未超出残留限值，说明施用调理剂不会影响茶叶的安全性。

表2 茶叶重金属含量

3 结论

生物炭基土壤调理剂可有效修复茶园土壤，提高土壤pH值和有机质、有效磷和速效钾含量，改善土壤肥力，更适宜茶树的生长。施加调理剂后，茶叶水浸出物和游离氨基酸含量增加，茶多酚含量降低，酚氨比下降，且Cd、Cr、As和Pb含量在残留限量规定范围内。综合土壤改良效果、茶叶品质和经济效益考虑，推荐施加量为1 500 kg/hm2。