貴州湄潭兩種茶園土壤養(yǎng)分狀況及太赫茲光譜特征分析

王加真，黃大燦，張寶成，呂朝燕，孟和華

（1.遵義師范學院生物與農(nóng)業(yè)科技學院，貴州遵義563006；2.貴州四品君茶業(yè)有限公司，貴州湄潭564100）

貴州湄潭兩種茶園土壤養(yǎng)分狀況及太赫茲光譜特征分析

王加真1，黃大燦2，張寶成1，呂朝燕1，孟和華1

（1.遵義師范學院生物與農(nóng)業(yè)科技學院，貴州遵義563006；2.貴州四品君茶業(yè)有限公司，貴州湄潭564100）

對貴州湄潭兩種茶園土壤養(yǎng)分進行了測試，測試結(jié)果表明：兩種茶園土壤的pH值、氨態(tài)氮、速效磷、速效鉀差異顯著，揭示了茶園土壤酸化與長期連續(xù)的化學肥料施用直接相關。使用太赫茲時域光譜技術分析了兩種茶園土壤的折射率譜和吸收光譜，發(fā)現(xiàn)在化肥施用量較少的核桃壩茶園土壤的吸收光譜中有更多的吸收峰，折射率變化幅度更大，具體的機理有待進一步探討。研究認為快速、無損的太赫茲時域光譜技術在茶園研究領域有廣泛的應用前景。

太赫茲時域光譜；折射率；吸收系數(shù)；土壤養(yǎng)分

茶樹[Camelliasinensis(L.)O.Kuntze]是我國重要的經(jīng)濟作物，貴州是茶葉主產(chǎn)區(qū)之一，其境內(nèi)適宜茶樹生長的酸性黃壤廣泛分布[1]，低緯度、高海拔、寡日照的最佳生長條件使得貴州綠茶秀甲天下。截止2016年底，貴州省茶園面積達47萬hm2，連續(xù)三年位居全國第一，成為中國高品質(zhì)綠茶的重要原產(chǎn)地。湄潭縣茶葉種植歷史悠久，2016年全縣投產(chǎn)面積3萬hm2，是貴州重要的產(chǎn)茶縣，出產(chǎn)的“湄潭翠芽”、“遵義紅”享譽中國，該縣的核桃壩村從上世紀60年代開始發(fā)展茶產(chǎn)業(yè)，被譽為“中國西部生態(tài)茶葉第一村”；永興萬畝茶海是世界上連片面積最大的茶園。氮、磷、鉀是茶樹生長必需的三種元素，在茶園施肥管理中，大量化學肥料，尤其是氮肥的長期施用，導致茶園土壤中氮、磷、鉀及其它營養(yǎng)元素之間比例失調(diào)，造成肥效下降、土壤狀況惡化、茶葉品質(zhì)下降的情況[2]。化學肥料特別是氮肥的施用直接或間接地導致了土壤的酸化[3-7]。氮肥施入土壤后，因硝化作用釋放的質(zhì)子是引起土壤酸化的主要原因[8,9],有報道稱每年向1hm2土壤中施入500kg的氮將產(chǎn)生32.5kmol的H+[10]，這直接導致了土壤的酸化[11]。

太赫茲光譜技術是近幾十年來國際前沿領域的研究熱點之一，通過研究不同物質(zhì)對THz波譜的響應信號，得到太赫茲脈沖的振幅和相位信息，進行頻域譜的處理分析，可獲得大量的物理和化學信息，這對于分析和探索物質(zhì)結(jié)構、實現(xiàn)THz波段的實際應用具有十分重要的價值[12,13]。本文選擇湄潭核桃壩茶園土壤和茶海土壤進行取樣，在分析茶園土壤養(yǎng)分的基礎上進行土壤的太赫茲光譜檢測，以期為茶園土壤的檢測嘗試新的方法。

1 土壤采集與制備

采樣時根據(jù)茶園的面積和地形，隨機選取20個樣點，用取土鉆鉆取10cm深的土壤，混勻所有采樣點的土樣后，用四分法棄取土樣至0.5kg左右。土樣經(jīng)風干、磨碎后分別過60目和200目篩備用，其中60目土壤用于土壤養(yǎng)分及pH值測試，200目土壤用于太赫茲光譜測試。

2 試驗儀器及方法

2.1 土壤養(yǎng)分分析測定方法

土壤pH值用pH-2C精密酸度計測定；土壤養(yǎng)分用智能型土壤肥料養(yǎng)分速測儀CSF-V8-AC測定。

2.2 土壤樣品的壓片制備及THz光譜測量

以220mg/片、2.5t壓力為土壤樣品壓片的最佳制備參數(shù)[14]。實驗中的透射式太赫茲系統(tǒng)示意圖如圖1所示，飛秒光纖激光器（=1570nm，Pav=280mW，脈寬28fs，重復頻率80MHz）發(fā)出的激光聚焦在光電導天線上產(chǎn)生THz波。該系統(tǒng)的有效帶寬為0.15～3THz，動態(tài)范圍60dB。整個實驗過程中，太赫茲光路部分充滿干燥空氣，使得空氣濕度保持在4%以下，并且溫度保持在22℃±0.5℃[15]。

圖1 透射式THz-TDS系統(tǒng)

透射式THz-TDS系統(tǒng)可以同時得到太赫茲波穿過樣品后電場的振幅和相位信息，之后進行傅里葉變換，可將參考信號和樣品信號的時域信息轉(zhuǎn)換成頻域譜，進而獲得相關的光學參數(shù)，如吸收系數(shù)和折射率。參考提取光學常數(shù)的模型[16,17]進行計算，得到樣品折射率n（）和吸收系數(shù)（）的計算公式，其中A（）和（）分別為樣品信號和參考信號的振幅模的比值和相位差。

3 結(jié)果與分析

3.1 茶園土壤的養(yǎng)分分析

表1 茶園土壤養(yǎng)分含量測定結(jié)果

由表1可以看出，兩類茶園土壤都存在不同程度的酸化，其中茶海茶園土壤比核桃壩茶園土壤酸化更為嚴重，這與化肥的連續(xù)大量施用直接相關[11]，茶海茶園的氨態(tài)氮、速效磷、速效鉀含量顯著高于核桃壩茶園，這歸因于茶海茶園的施肥主要以大量的NPK復合肥和尿素為主。本研究驗證了長期大量施用尿素等氮肥是茶園土壤酸化的一個重要原因。茶海茶園應合理控制氮肥的施用量，必要時可采用施用生物質(zhì)炭來調(diào)節(jié)茶園土壤的酸堿度。

3.2 茶園土壤的THz光譜分析

圖2是兩種茶園土壤的THz時域光譜圖，其中Reference表示THz波直接通過相對濕度為3.6%的干燥空氣的參考信號，THz波通過土壤后攜帶了土壤信息。圖2表明，土壤信號相對于參考信號有很大程度的衰減，這可歸因于土壤樣品對THz波的吸收和散射；由于土壤樣品對THz波的折射率比空氣大，從圖2可以看出，兩種土壤樣品信號較參考信號都有一定的時間延遲，核桃壩茶園土壤信號較茶海土壤信號也有一定的時間延遲。

茶園土壤在THz波段的折射率和吸收系數(shù)依據(jù)公式（1）和（2）可計算得出。茶園土壤在0.2～1.4THz范圍內(nèi)的折射率譜見圖3，圖4是它的吸收系數(shù)譜。分析折射率譜線發(fā)現(xiàn)，在有效頻譜0.2～1.4THz范圍內(nèi)，兩種茶園土壤的折射率變化幅度在2.09～2.2之間，其中核桃壩茶園土壤折射率變化幅度在2.09～2.16之間，茶海茶園土壤折射率變化幅度在2.17～2.18之間，波動較小。而從吸收譜線可以看出，在1.2～1.4THz范圍內(nèi)，兩種茶園土壤都有三個明顯的強吸收峰，在0.9～1.1 THz范圍內(nèi)，只有核桃壩茶園土壤顯示出三個明顯的強吸收峰。隨著頻率的增加，土壤樣品的吸收譜基線呈現(xiàn)上升的趨勢，原因可能是樣品散射或樣品厚度造成的無結(jié)構吸收。比較圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)：每個吸收峰的出現(xiàn)都被折射率的相應變化所證實，這與Kramers-Kronig方程[18]保持一致，表明樣品呈反常色散。

圖2 茶園土壤的THz時域光譜圖

圖3 茶園土壤的折射率譜

圖4 茶園土壤吸收系數(shù)譜

4 結(jié)語

茶園土壤的太赫茲光譜特性是土壤中多因子作用的綜合結(jié)果。土壤的養(yǎng)分狀況明顯地影響到土壤太赫茲光譜的吸收系數(shù)和折射率。兩種土壤養(yǎng)分存在顯著性的差異，且折射率譜和吸收光譜也有對應的變化，具體表現(xiàn)在化肥施用量少、酸化程度較輕、速效養(yǎng)分低的核桃壩茶園土壤的吸收光譜有更多的吸收峰，折射率變化幅度更大，具體的機理問題有待進一步深入探討?？焖佟o損的太赫茲技術可望發(fā)展成為一種實用的茶園土壤測量方法，通過研究可以得出不同茶園土壤的折射率和吸收系數(shù)，尤其在有機茶園的建設方面，可以作為不同土壤區(qū)分鑒別的指標。

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（責任編輯：朱彬）

Research on Nutrition and Terahertz Spectroscopy in Two Kinds of Tea Garden Soil in Meitan of Guizhou

WANG Jia-zhen1,HUANG Da-can2,ZHANG Bao-cheng1,LV Chao-yan1,MEN He-hua1
(1.School of Biological and Agricultural Science and Technology,Zunyi Normal College,Zunyi 563006,China;2.Guizhou Sipingjun Tea Co.Ltd,Meitan 564100,China)

Difference of pH，amino acid condition nitrogen，rapidly available phosphorus and potassium of two kinds of tea garden soil are studied in the lab.There is a direct relationship between soil acidification and continual application of chemical fertilizers.The change of refractive index and absorption coefficient of soil in Hetaoba tea garden are sharper than that of Chahai’due to low input chemical fertilizer.The mechanism of Thz spectroscopy respond to soil nutrition has to be further explored.The nondestructive testing of tea garden soil could be achieved by using the spectroscopy,which could be widely applied in tea garden research.

Terahertz;refractive index;absorption coefficient;soil nutrition

S155.4+5；S571.1

A

1009-3583（2017）-0111-03

2016-12-13

教育部留學回國人員科研啟動基金（2015-1098）；貴州省教育廳產(chǎn)學研合作示范基地項目（2015-344）；貴州省科技廳社會發(fā)展重點項目（2015-3004）；遵義師范學院博士啟動基金（2014-11）

王加真，男，甘肅景泰人，遵義師范學院生物與農(nóng)業(yè)科技學院副教授，博士，主要從事茶學、生態(tài)學研究。