昌宁县茶园土壤养分及肥力质量评价

万人源，周大鹏，杨 恺，和明珠，李金秋，谢 瑾，李家华，杨广容

(1.云南农业大学茶学院 昆明 650201;2.昌宁县农业农村局茶叶技术推广站 云南 昌宁 678100)

【研究意义】土壤是茶树[Camelliasinensis(L.) O.Kuntze.]生长的基质，土壤肥力作为土壤各个指标质量的综合体现，其质量高低对茶树生长发育有重要影响。而土壤养分作为土壤肥力的重要组成要素之一，其丰缺程度将直接影响茶叶的品质和产量[1]。在长期的茶树栽培过程中，为了提高茶叶的品质和产量，茶园化肥和农药的施用量不断增加，造成茶园土壤酸化、肥力下降等问题，严重阻碍了茶叶生产的可持续性[2-3]。因此，对茶园土壤养分质量进行综合评价，可以科学指导茶园精准施肥和土壤改良，对茶叶生产的可持续性发展具有重要意义。【前人研究进展】中国众多学者对各地茶园土壤养分特征进行研究，许燕等[4]研究发现，勐腊县茶园土壤有机质含量丰富，但速效磷和钾素含量水平较低。朱兴正等[5]对芒市茶园土壤养分进行研究发现，芒市茶园土壤潜在酸化严重，有机质、全氮和有效镁锌含量丰富，但土壤速效钾、有效铜和有效锰含量相对较低。高菲菲等[6]对普洱市茶园土壤进行分析研究，结果表明普洱市茶园土壤pH和养分总体适宜茶树生长，但土壤碱解氮和速效钾含量偏低。茶园土壤养分特征研究结果为各地茶园土壤施肥管理和肥力维护提供科学依据，促进茶园测土配方施肥、精准施肥，既降低茶园施肥成本，又增加茶叶产量、提高茶叶品质。关于土壤肥力质量评价的主要方法有基于主成分分析的综合肥力指数法、模型法，基于GIS技术等计算机技术方法、动力学方法、人工神经网络法、生命周期法等[7-8]。刘娟等[9]对勐海县6个乡(镇)茶园土壤进行pH、有机质及氮磷钾三要素的含量测定，采用模糊数学隶属度函数模型，进行土壤肥力综合指数(IFI)评价，进而提出针对性地施肥策略。【本研究切入点】昌宁县位于云南省西部，有悠久的茶叶种植历史，茶叶作为昌宁县的支柱产业，全县茶叶种植面积已超过1.6万hm2，是当地茶农的主要经济收入来源之一[10]。但目前对于昌宁县茶园土壤肥力质量的相关研究较少。【拟解决的关键问题】本研究选取昌宁县境内8个茶叶主产乡(镇)具有代表性的26个茶园，进行土壤样本的养分状况测定分析，并应用模糊数学隶属度函数模型，计算土壤肥力综合指数(IFI)。为全面了解昌宁县茶园土壤养分特征和土壤肥力质量，从而对昌宁县茶园土壤养分状况进行综合评价。研究结果可为昌宁县茶园土壤精准施肥和土壤改良，促进茶叶产量和品质提高提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

昌宁县位于云南省西部，总面积3888 km2，海拔相对高差2267.9 m，地形较为复杂，多高山丘陵。境内拥有多种气候类型。年平均气温14.9 ℃，境内雨量充沛，年平均降水量约为1265 mm。现设14个乡(镇)，总耕地面积2.8万hm2。境内地质年代古老，地貌多样，境内已探明和发现铁、铜、铅等多种金属矿种。地带性土壤有黄壤、红壤、砖红壤、黄棕壤、红土和棕壤6类。非地带性土壤有紫色土、水稻土、石灰土和冲积土4类[10]。

1.2 土壤样品采集

根据昌宁县土地利用情况、茶园面积大小和所处海拔高度，2021年1月分别在昌宁县8个乡(镇)26个茶园样地(表1)，按“S”形五点取样取距茶树施肥沟5～10 cm处0～20 cm混合土壤样品26个，样品充分混合后，四分法反复取舍，保留1 kg左右，混合土样带回实验室，进行土样自然风干，以供土壤农化分析。

表1 土壤样品信息

1.3 样品测定方法

土壤pH采用2.5∶1.0水土(液土比)用玻璃复合电极法测定; 土壤有机质(Soil organic matter，SOM)：重铬酸钾容量法——外加热法;全氮(Total nitrogen，TN)：浓硫酸—双氧水消煮——凯氏定氮法; 全磷(Total phosphorous，TP)：氢氧化钠熔融——钼锑抗比色法; 全钾(Total potassium，TK)：氢氧化钠熔融——火焰光度法;碱解氮(Available nitrogen，AN)：1 mol/L NaOH碱解扩散法; 速效磷(Olsen-P，AP)： 0.5 mol/L碳酸氢钠溶液浸提——钼蓝比色法;速效钾(Available potassium，AK)：采用乙酸铵浸提——火焰光度法; 有效铁(Available Iion，AI)：0.005 mol/L DTPA-0.01 mol/L CaCl2-0.1mol/L TEA浸提剂(pH 7.3)浸提，ICP-AES测定(LY/T 1262—1999);有效铜(Available Copper，AC)：0.1 mol/LHCl浸提，ICP-AES测定(LY/T1260—1999);有效锌(Available Zine，AZ)：0.1 mol/L HCl浸提，ICP-AES测定(LY/T 1261—1999)；有效锰(Available Manganese，AM)：0.005 mol/L DTPA-0.01 mol/L CaCl2-0.1 mol/L TEA浸提剂(pH 7.3)浸提，ICP-AES测定(NY/T 890—2004)[11]。

1.4 土壤养分单项指标评价

结合国家绿色食品产地环境质量标准(NT/T391—2000) 中茶园土壤的肥力分级标准、优质高产茶区土壤营养诊断指标和第二次土壤普查提出的茶园土壤养分评价标准(表2)[12]，对本研究各茶园土样养分状况，进行丰缺性评价。

表2 茶园土壤养分分级标准

本研究选取pH、SOM、TN、TP、TK、AN、AP、AK、AI、AM、AC、AZ共12项土壤养分指标作为土壤肥力质量评价指标。

1.5 土壤肥力质量评价方法

1.5.1 隶属度函数的确定 常用的隶属度函数有抛物线型和S型两种，根据各评价指标与作物间效应的关系可知，除pH属于抛物线型函数外，其余各指标均属于S型函数[7]。

抛物线型函数：

S型函数:

式中，x表示该养分指标的实测值。

1.5.2 隶属度曲线转折点取值确定 结合前人研究[1，9]与研究区实际生产情况确定隶属度转折点取值如表3所示，求出的各个指标的隶属度值在0.1～1.0，最大值1.0表示该指标能满足茶树生长的最佳状态，因为现实生产中，土壤中不会完全不含某一成分，因此为了符合生产实际，取最小值(0.1)。

表3 隶属度曲线转折点取值

1.5.3 土壤肥力单项指标权重确定 在土壤环境中，各个要素之间相互作用，因此土壤肥力单项指标权重可以由各个要素之间的相关系数来确定。权重系数计算公式为:

式中，vi为第i项指标与其他指标的相关系数平均值。

1.5.4 土壤肥力指标隶属度值计算 根据加法法则，在相互交叉的同类指标间采用加法合成求出土壤肥力的综合性指标IFI值，计算公式为:

IFI=ΣWi×Ni

式中，Wi和Ni分别表示第i种肥力指标所对应的权重系数和其肥力指标隶属度值，IFI值越高表明土壤肥力质量越好。

1.5.5 数据分析 土壤样品各指标测定结果采用软件SPSS 22.0和Excel 2016进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 土壤pH

土壤pH对茶园养分有效性和茶树对营养元素吸收产生极大的影响。由表4可知，26个土壤样品的pH为4.23～5.19，平均值为4.79。不同土壤样本间变异系数为5.22%，为弱变异，表明昌宁县茶园土壤pH空间差异较小。通过与茶园土壤分级标准进行比较，除勐统镇为Ⅱ级土壤水平外，其余乡(镇)均达到Ⅰ级土壤水平。

2.2 土壤有机质

由表4可知，昌宁县茶园土壤有机质含量在26.35～84.70 g/kg，平均值为58.48 g/kg，变异系数为30.29%，为中等变异。8个乡(镇)茶园土壤有机质含量均高于Ⅰ级标准，昌宁县境内各个茶园土壤有机质含量较高，有利于茶树发育生长。

2.3 土壤氮素

昌宁县8个乡(镇)茶园土壤样本全氮含量为0.56～3.55 g/kg(表4)，平均值为1.63 g/kg，变异系数为41.48%，为高度变异，不同乡(镇)间土壤全氮含量水平差异较大。除勐统镇为Ⅱ级土壤标准外，其余7个乡(镇)茶园土壤全氮含量均超过Ⅰ级茶园土壤标准。总体上看来，昌宁县茶园土壤全氮含量较为丰富。

土壤碱解氮是茶树生长过程中能被有效利用的部分。本研究茶园土壤中碱解氮的含量为70.29～212.63 mg/kg，平均值为136.40 mg/kg，与茶园土壤养分分级标准(表2) 进行对比，昌宁县8个乡(镇)茶园土壤碱解氮含量均达到Ⅰ级土壤标准，其中大田坝乡茶园土壤碱解氮含量最高，均值为158.73 mg/kg。更戛乡茶园土壤碱解氮含量最低。不同样本间变异系数为27.50%，从总体上看，昌宁县各乡(镇)茶园土壤碱解氮含量丰富，可以满足茶树的生长发育。

2.4 土壤磷素

昌宁县8个乡(镇)茶园土壤样本全磷含量为0.26～0.97 g/kg，平均值为0.55 g/kg。对比茶园土壤养分分级标准，除鸡飞乡和勐统镇为Ⅲ级土壤标准外，其余6个乡(镇)均达到Ⅱ级土壤标准。不同茶园土壤间变异系数为36.25%。

由表4可知，昌宁县茶园土壤速效磷含量为0.40～48.04 mg/kg，平均值为7.53 mg/kg。不同样本间变异系数为160.81%，表明昌宁县茶园土壤速效磷水平空间差异极大。对比茶园土壤养分分级标准，温泉乡茶园土壤速效磷含量达到Ⅰ级标准，翁堵乡达到Ⅱ级标准，其余乡(镇)均只达到Ⅲ级标准。其中速效磷含量最低的为漭水镇，均值仅为0.71 mg/kg。从总体上看，昌宁县各个乡(镇)间茶园土壤速效磷含量差异较大，且部分乡(镇)茶园土壤速效磷出现亏缺，应合理增大磷肥施用量。

表4 昌宁县茶园土壤主要养分

2.5 土壤钾素

由表4可知，昌宁县8个乡(镇)茶园土壤全钾含量为5.83～12.34 g/kg，平均值为9.17 g/kg，8个乡(镇)茶园土壤全钾含量均达到Ⅱ级标准，其中大田坝乡、鸡飞乡、温泉乡和勐统镇达到了Ⅰ级土壤标准，总体来看，昌宁县茶园土壤全钾含量处于中等水平。不同茶园土壤全钾含量变异系数为17.68%。

8个乡(镇)茶园土壤速效钾含量为4.68～71.65 mg/kg，平均值为21.44 mg/kg。不同乡(镇)茶园土壤样本间变异系数为80.93%，属于强变异，表明昌宁县茶园土壤速效钾水平空间变异幅度较大。8个乡(镇)茶园土壤速效钾含量均只达到Ⅲ级土壤标准，含量最低的为鸡飞乡，含量均值仅为5.63 mg/kg。表明昌宁县境内茶园土壤速效钾较为缺乏。

2.6 茶园土壤有效性微量元素

由表5可知，昌宁县8个乡(镇)茶园土壤样本有效铁含量为42.00～204.00 mg/kg，平均值为95.62 mg/kg。变异系数为42.18%，各个乡(镇)茶园土壤样本有效铁含量差异较大。对比茶园土壤养分分级标准(表2)，昌宁县8个乡(镇)茶园土壤样本有效铁含量均达到Ⅰ级土壤标准，且远高于临界值4.5 mg/kg，表明昌宁县各个茶叶主要种植区土壤有效铁含量极其丰富。

昌宁县茶园土壤样本有效锰含量为0.62～18.96 mg/kg,平均值为5.55 mg/kg，各样本间变异系数为87.35%，属于强变异，各个乡(镇)茶园土壤有效锰含量差异较大。对比茶园土壤养分分级标准，8个乡(镇)茶园土壤样本有效锰均值低于15 mg/kg，属于Ⅲ级土壤标准。

昌宁县茶园土壤样本有效铜含量为0.18～2.78 mg/kg，平均值为0.95 mg/kg。除翁堵乡和更戛乡茶园土壤有效铜含量大于1.0 mg/kg，达到Ⅱ级土壤标准外，其余6个乡(镇)茶园土壤有效铜含量均低于1.0 mg/kg。从总体上看，昌宁县茶园土壤有效铜属于较为缺乏的水平。变异系数为65.50%，属于强变异，说明整个昌宁县茶园土壤中有效铜空间分布不均匀，各茶园间差异较大。

昌宁县茶园土壤有效锌含量为0.92～6.22 mg/kg，平均值为2.33 mg/kg，属于Ⅰ级土壤标准。8个乡(镇)茶园土壤样本中，漭水镇、大田坝乡、田园镇，翁堵乡和温泉乡茶园土壤有效锌含量均高于2.0 mg/kg，达到Ⅰ级土壤标准，而鸡飞乡、更戛乡和勐统镇3个乡(镇)茶园土壤有效锌含量也高于0.5 mg/kg，属于Ⅱ级土壤标准。从整体来看，昌宁茶园土壤有效锌含量较为丰富。各取样点间茶园土壤有效锌含量变异系数为57.35%，各茶园土壤有效锌含量有较大差异。

2.7 茶园土壤肥力质量评价

根据本研究中茶园土壤12项指标(表4～5)，各要素间的相关系数如表6所示，表7为各个肥力单项指标的权重系数。

表5 土壤有效微量元素含量

表6 土壤肥力质量指标间相关性分析

表7 土壤肥力单项指标权重取值

根据IFI计算结果，将本研究茶园土壤的肥力综合指数(IFI) 划分为4个等级见表8。

表8 土壤肥力综合评价标准

由表9可知，昌宁县茶园土壤肥力综合指数为0.268～0.857，平均值为0.485，总体处于中等水平。各乡(镇)茶园土壤肥力指数依次为翁堵乡>更戛乡>温泉乡>大田坝乡>漭水镇>田园镇>勐统镇>鸡飞乡。对比IFI分级标准(表8)，除翁堵乡、更戛乡和温泉乡的IFI大于0.50，属于Ⅱ级土壤标准外，其余5个乡(镇)均小于0.50，属于Ⅲ级茶园土壤。不同乡(镇)间变异系数为15.40%，为弱变异，表明昌宁县各主要茶叶种植乡(镇)茶园总体土壤肥力质量差异较小。

表9 土壤肥力质量综合指数

将土壤肥力综合指数与各养分指标间进行Pearson相关性分析(表10)，AN、SOM、有效铁与IFI呈显著相关，TN、TP、AP、AK、有效锰、有效铜、有效锌与IFI呈极显著相关。表明以上指标对土壤肥力质量影响较大。

表10 土壤肥力综合指数与各指标间相关性

3 讨 论

3.1 茶园土壤pH和有机质对氮磷钾等养分有效性的影响

茶树具有适宜酸性或微酸性(pH 4.0～6.5)土壤的特性，但土壤的过度酸化会抑制茶树生长，从而影响茶叶产量与品质，随着茶树种植年限的增加，茶园土壤会逐渐酸化[13]。当茶园土壤pH低于4.0时，会使土壤有效微量元素流失，茶树生长发育缓慢[14]。在本研究中，所有茶园土壤pH均高于4.0且低于5.5，大部分茶园土壤pH有利于茶树生长，部分茶园土壤pH较低，但未低于4.0，不会对茶树生长产生不利影响。昌宁县茶园土壤有机质含量均高于20 g/kg，有机质含量丰富，完全能满足茶树的正常生长发育，各取样点间变异系数为30.29%，这与李友勇等[15]关于云南省台地茶园有机质平均含量和变异范围的研究结果相似。

土壤氮磷钾元素不仅会对茶树生长产生影响，还会影响茶树氨基酸、茶多酚、咖啡碱等内含物质的含量和抗逆性，从而影响茶叶品质[16]。昌宁县茶园土壤全氮含量较为丰富，平均值为1.63 g/kg，且碱解氮含量为70.29～212.63 mg/kg，可以满足茶树生长需要，并且碱解氮与有机质和全氮之间存在显著正相关。茶园土壤缺磷会促使茶树根际分泌大量有机酸，从而导致茶园土壤进一步酸化[17]。昌宁县茶园土壤全磷含量总体属于中等水平，并且全磷含量与有效铁、铜和锌含量呈显著正相关，这可能是由于土壤中铁、铜和锌等元素含量较高，对磷产生了固定作用[18]，并导致部分茶园土壤速效磷亏缺和高度空间变异，此外，速效磷含量与全氮、速效钾、有效锰和锌呈显著正相关。钾参与了茶树生长过程中的各种生化过程，还参与植物体内水分调节，提高茶树的抗旱能力[19]。本研究中，昌宁县茶园土壤全钾含量平均值高达9.17 g/kg，总体处于丰富水平，但速效钾偏低平均值仅为21.44 mg/kg，非常不利于茶树生长发育。并且速效钾与有机质和有效锌含量为显著正相关。可能是由于钾是归还率较高的元素，茶园土壤酸性环境加速土壤中速效钾的转化利用，使得茶园土壤中速效钾含量不断下降。由此可知，昌宁县茶园应该及时追施化学钾肥，补充速效钾，并增加有机肥施用，增加土壤保肥能力。

3.2 茶园土壤有效性元素铁铜锌锰对茶树生长状况的影响

铁是叶绿素合成和许多酶组成的必需元素，当茶园土壤缺铁会造成茶树叶片失绿，光合作用效率降低，而严重影响茶叶产量与品质[20]。昌宁县茶园土壤有效铁含量高达42.00～204.00 mg/kg，远高于Ⅰ级土壤标准(4.5 mg/kg)，可满足茶树生长发育，但当土壤中铁元素过量时，会对茶叶品质产生负面影响。因此，在实际生产中，应适当控制土壤有效铁含量，避免茶树中毒而生长不良。

铜锌锰是茶树生长发育必需的矿质元素，不仅影响茶叶产量，而且作为茶叶加工中的生化反应催化剂，其含量的高低将对茶叶的风味和汤色产生影响[21]。茶树作为聚锰植物，芽叶中锰的含量在300～400 mg/kg，甚至可达1000 mg/kg以上。大量研究表明，土壤是茶叶中铜、锌、锰的主要来源[21-23]。本研究中茶园土壤有效铜锰含量总体较为缺乏，但有效锌含量丰富。尽管本研究中土壤有效铜和锰仅与土壤磷素含量呈显著相关，但有效锌与土壤有机质、氮磷钾及有效铜均具有显著正相关。研究表明，有机质含量对铜锌锰的有效量有明显的影响，增加土壤有机质有利于土壤铜锌锰等元素的活化，提高其生物有效量[24]。因此在实际生产中，可通过增施有机肥或适量施入含铜和锰的肥料，从而整体改良茶树生存生态，改良土壤肥力。但另一方面，茶园土壤酸化对铜、锰等金属元素具有较大的活化能力，且铜锌锰微量元素摄入过量也会对人体造成一定危害。因此，在茶园施用含金属微量元素的肥料时，应根据实际生产情况按需按量施用。

3.3 土壤肥力的综合指数(IFI) 在茶园土壤肥力质量评价上的应用前景

本研究选取了昌宁县主要的茶叶种植乡(镇)26个代表性茶园，通过土壤肥力质量综合指数(IFI)法，对与茶树生长发育、茶叶产量和品质密切相关的12项茶园土壤肥力因子指标与土壤肥力质量之间的关系数量化，能够避免了评价过程中人为主观因素的干扰，能对土壤肥力质量进行客观、有效的评价。从表8看，根据IFI评价方法获得的昌宁县茶园土壤的肥力综合评价标准(Ⅰ～Ⅳ级的IFI值分别为IFI≥0.75、0.50≤IFI<0.75、0.25≤IFI<0.50、IFI<0.25)，与柳书俊等[25]对湄潭茶园土壤养分特征及肥力质量评价中分级标准相近，但与刘娟等[9]对勐海县茶园土壤肥力质量评价的IFI指数与等级的划分标准(Ⅰ～Ⅳ级的IFI值分别为IFI≥0.70、0.60≤IFI<0.70、0.50≤IFI<0.60、IFI<0.50)差异较大，主要原因首先是参与评价指标数目及其导致的各指标权重不同，其次是各区域的茶园土壤单项肥力指标之间确实也存在明显差别。

章明奎等[26]研究表明，土壤肥力指标与耕地的利用方式、采样时间和养分输出或积累阶段等有密切的关系。本研究昌宁县茶园土壤肥力综合指数(IFI) 为0.268～0.857，平均值为0.485，但根据其分级标准(表8)与评价结果表明，昌宁县茶园土壤总体处于中等偏上水平，与茶园土壤主要养分标准和茶园土壤单项肥力指标分级标准相吻合，即12个因子中除速效钾和有效铜与锰外，其他指标均处于较高标准并且整体空间变异幅度较小。另外，本研究的各茶园土壤肥力综合指数与12项指标间相关性分析表明，除了pH和全钾外，其余各项指标与土壤肥力综合指数(IFI)均呈显著相关，可能与昌宁县茶园土壤的pH比较适宜(4.23～5.19)和总钾水平较高(5.83～12.34 g/kg)，且二者的变异空间均较低(变异系数分别为5.22%和17.68%)有关，但也进一步证实本研究选取评价指标与茶园土壤肥力质量关系密切。总之，本研究表明，采用茶园土壤主要养分为指标，通过模糊数学模型和隶属度函数计算土壤肥力的综合指数(IFI)对茶园土壤肥力质量评价是可行的。

4 结 论

昌宁县茶园土壤pH为4.23～5.19，平均值为4.79，整体适宜茶树生长发育，并且空间变异幅度较小。有机质含量丰富，为26.35～84.70 g/kg，平均值为58.48 g/kg，处于中等变异范围。昌宁县茶园土壤全氮和碱解氮含量分别为0.56～3.55 g/kg和70.29～212.63 mg/kg，全磷和速效磷含量为0.26～0.97 g/kg和0.40～48.04 mg/kg，全钾和速效钾含量为5.83～12.34 g/kg和4.68～71.65 mg/kg。8个乡(镇)的茶园土壤全氮、碱解氮含量丰富，全钾、全磷含量处于中上水平，但是速效钾含量偏低，部分茶园土壤速效磷含量水平也较低。昌宁县各乡(镇)茶园土壤有效铁含量极为丰富，微量元素有效锌含量较为适宜，但有效锰和铜含量相对偏低。 昌宁县茶园土壤肥力质量综合指数(IFI)为0.268～0.857，除翁堵乡、更戛乡和温泉乡茶园土壤肥力质量为Ⅱ级外，其余乡(镇)茶园土壤肥力质量等级为Ⅲ级，整体处于中等偏上水平。除土壤pH和全钾外，其余各项指标与茶园土壤肥力综合指数(IFI)均具有较强的相关性。