有機(jī)肥對(duì)茶園土壤性狀及茶葉品質(zhì)的影響

趙曉楠， 李玉紅， 蘆阿虔， 王 巖

(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州 450001)

河南省信陽(yáng)市浉河區(qū)浉河港是信陽(yáng)毛尖的主要產(chǎn)地，隨著集約化生產(chǎn)水平的提高，人們大量施用化肥以期獲得高產(chǎn)和高效益，勢(shì)必會(huì)對(duì)茶園土壤的理化性狀、生物學(xué)性狀和生產(chǎn)性狀產(chǎn)生不利影響，也不可避免地影響到信陽(yáng)市茶葉生產(chǎn)的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。土壤肥力是土壤的核心，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，培肥是維持農(nóng)業(yè)土壤肥力水平最重要的措施之一[1]。相關(guān)研究表明，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能夠提高土壤養(yǎng)分[2]。蔣仁成等研究表明，施用有機(jī)肥能夠提高土壤中全效養(yǎng)分的含量[3]。張鵬等通過(guò)連續(xù)4年試驗(yàn)表明，隨著施肥量的增加，各施肥處理土壤全量和速效養(yǎng)分的含量較對(duì)照處理均有顯著提高[4]。田小明等通過(guò)連續(xù)3年的溫室盆栽試驗(yàn)表明，隨著有機(jī)肥施用量的增加和施肥年限的延長(zhǎng)，土樣速效養(yǎng)分和微生物數(shù)量均隨之增加，原始土壤有機(jī)質(zhì)含量越低，施肥較不施肥的增加幅度越大[5]。以往的研究側(cè)重于不同的施肥方法、肥料種類及栽培措施對(duì)茶園土壤進(jìn)行改善等方面，但在改良茶園土壤的同時(shí)，鮮有對(duì)茶葉品質(zhì)和產(chǎn)量影響的相關(guān)研究，而且前人對(duì)茶園土壤微生物區(qū)系的研究，大多僅限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可培養(yǎng)的微生物， 而在基因水平上的研究尚未可見(jiàn)。

為此本試驗(yàn)選取信陽(yáng)市浉河港3個(gè)不同生態(tài)環(huán)境的茶園為研究對(duì)象，通過(guò)增施不同量有機(jī)肥來(lái)調(diào)節(jié)土壤理化性狀和微生物區(qū)系，進(jìn)一步探究施用有機(jī)肥對(duì)茶葉品質(zhì)和產(chǎn)量的影響，以期為該地茶園構(gòu)建科學(xué)合理的施肥制度，實(shí)現(xiàn)信陽(yáng)市茶葉生產(chǎn)健康可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)從2012年開(kāi)始，在河南省信陽(yáng)市浉河區(qū)浉河港進(jìn)行，選取不同生態(tài)條件的3個(gè)茶園作為試驗(yàn)田：試驗(yàn)田A為白廟村白廟組茶園；試驗(yàn)田B為林場(chǎng)村八里坡茶園；試驗(yàn)田C為黑龍?zhí)赌巷L(fēng)岈茶園。3個(gè)供試茶園的生境狀況見(jiàn)表1，茶園土壤原始養(yǎng)分狀況見(jiàn)表2。每塊試驗(yàn)田分別設(shè)置3個(gè)處理：不施肥(CK)、有機(jī)肥1 500 kg/hm2(T1)和有機(jī)肥 3 000 kg/hm2(T2)。試驗(yàn)用有機(jī)肥的有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量：有機(jī)質(zhì)含量>45%，N+P2O5+K2O含量>7%，分別于2012年12月、2013年12月和2014年12月進(jìn)行表面撒施，茶園按當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行田間管理。

表1 供試茶園生境狀況

1.2 樣品采集

樣品采集分別于2013年、2014年、2015年和2016年清明節(jié)前后進(jìn)行，此時(shí)茶樹(shù)剛剛冒出嫩芽，生長(zhǎng)速度較為緩慢，是春茶品質(zhì)最好的時(shí)期。

表2 供試茶園原始土壤養(yǎng)分含量

土壤樣品采集：采用五點(diǎn)取樣法取0～20 cm土層的土樣，將編號(hào)的土壤樣品在托盤上依次攤開(kāi)，先剔除土樣中較大的根和石子等雜物，再將土樣中較大的土塊捏碎，混合均勻后每個(gè)土壤樣品取出100 g左右放入4 ℃冰箱貯存，用于測(cè)定可培養(yǎng)土壤微生物數(shù)量，并取適量土壤裝于15 mL離心管中在-80 ℃條件下保存，用于土壤微生物測(cè)序。剩余的土樣于托盤中自然風(fēng)干后磨細(xì)，分別過(guò)不同粒徑篩子后備用，以測(cè)定土壤理化性狀等指標(biāo)。

新鮮茶葉樣品采集：土壤樣品采集的同時(shí)，對(duì)各處理茶園鮮葉一并采摘，采取標(biāo)準(zhǔn)為一芽?jī)扇~，采摘當(dāng)天對(duì)所采鮮葉于135 ℃，殺青5 min，然后置80 ℃直至烘干，以測(cè)定茶葉品質(zhì)。由于2015年所采茶葉樣品因雨天導(dǎo)致腐爛，故缺少該年度茶葉品質(zhì)測(cè)定結(jié)果。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤理化性狀測(cè)定方法 土壤pH值測(cè)定采用 SPM-10數(shù)字式pH計(jì)測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀-油浴法，土壤全氮量測(cè)定采用凱氏定氮法，堿解氮含量測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法，土壤速效鉀含量測(cè)定采用乙酸銨提取-火焰光度法[6]。

1.3.2 土壤微生物培養(yǎng)與計(jì)數(shù)[7-8]土樣經(jīng)梯度稀釋，采用固體平板混勻澆筑法進(jìn)行計(jì)數(shù)。細(xì)菌培養(yǎng)采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，真菌培養(yǎng)采用孟加拉紅培養(yǎng)基，放線菌培養(yǎng)采用高氏號(hào)合成培養(yǎng)基。

1.3.3 土壤微生物區(qū)系測(cè)定 土壤微生物區(qū)系采用高通量測(cè)序技術(shù)，細(xì)菌用16S rDNA為標(biāo)記基因，測(cè)定委托生工生物工程(上海)股份有限公司進(jìn)行。

1.3.4 茶葉品質(zhì)測(cè)定方法 茶葉水浸出物含量測(cè)定采用沸水回流提取茶葉中可溶性物質(zhì)的方法[9]，茶葉中咖啡堿含量測(cè)定采用紫外分光光度法[10]，茶多酚含量測(cè)定采用分光光度法[11]，游離氨基酸含量測(cè)定采用茚三酮比色法[12]。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2016與SPSS 17.0軟件進(jìn)行處理與統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤理化性狀的影響

2.1.1 不同處理對(duì)土壤pH值的影響 從圖1可以看出，pH值整體偏低，施用有機(jī)肥未對(duì)土壤pH值造成太大影響。因此可通過(guò)施用堿性肥料或堿性物質(zhì)如石灰、白云石粉或生物質(zhì)碳等，逐步調(diào)節(jié)茶園土壤pH值，創(chuàng)造一個(gè)茶樹(shù)生長(zhǎng)適宜的pH范圍，對(duì)于提高茶葉品質(zhì)具有重要意義。

2.1.2 不同處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響 從圖2可以看出，增施有機(jī)肥有助于提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量，而且隨施肥量和施肥年限的增加，有機(jī)質(zhì)含量總體有所增加，特別是施肥量為3 000 kg/hm2的處理有機(jī)質(zhì)含量增幅更為明顯。

2.1.3 不同處理對(duì)土壤全氮含量和堿解氮含量的影響 從圖3可以看出，增施有機(jī)肥有利于提高土壤中全氮含量，其中T2處理土壤全氮含量增加幅度最大。由圖4可知，施用有機(jī)肥同樣有利于土壤中堿解氮含量的提高，而且隨著施肥量的增加，土壤中堿解氮含量增加更為明顯。對(duì)于A茶園，與對(duì)照相比，T1處理連續(xù)4年土壤堿解氮含量分別增加108.6%、33.2%、57.6%和88.7%，平均增加72.0%；T2處理土壤堿解氮量含量分別增加120.4%、86.7%、68.7%和69.2%，平均增加86.3%。對(duì)B茶園，與對(duì)照相比，T1處理土壤堿解氮量含量平均增加8.2%；T2處理比對(duì)照平均增加25.1%。C茶園T1處理土壤堿解氮量含量比對(duì)照平均增加36.9%；T2處理比對(duì)照平均增加70.9%。3個(gè)供試茶園中A茶園的原始?jí)A解氮量是最低的，含量為116.78 mg/kg，而A茶園的增加量最多，T1處理比對(duì)照平均增加72.0%，T2處理比對(duì)照平均增加86.3%。說(shuō)明土壤中堿解氮含量越低，施用有機(jī)肥對(duì)提高土壤堿解氮的效果越明顯。

2.1.4 不同處理對(duì)土壤速效磷含量的影響 由圖5可以看出，對(duì)于茶園A，試驗(yàn)開(kāi)始當(dāng)年土壤速效磷含量的平均值已達(dá)到354.48 mg/kg，處于極高水平。說(shuō)明本茶園在近年施用過(guò)大量的磷肥，并且由于磷在土壤中的遷移性差，因而蓄積在土壤的表層，施用有機(jī)肥除第1年和第2年T2處理土壤速效磷含量有少量提高以外，后2年土壤速效磷含量均有所降低。對(duì)于茶園B和C來(lái)講，試驗(yàn)開(kāi)始當(dāng)年土壤速效磷含量分別為7.9 mg/kg和14.6 mg/kg，遠(yuǎn)低于茶園A，施用有機(jī)肥3年后，土壤速效磷含量明顯提高。2015年和2016年茶園B中T1處理分別較對(duì)照增加77.4%和84.4%；T2處理分別較對(duì)照增加71.5%和209.5%；2015年和2016年茶園C中T1處理分別較對(duì)照增加160.4%和24.1%；T2處理分別較對(duì)照增加 51.4%、42.7%。這表明有機(jī)肥對(duì)土壤速效磷含量具有明顯的蓄積和調(diào)控作用。

2.1.5 不同處理對(duì)土壤中速效鉀含量的影響 從圖6可以看出，茶園A中2013年對(duì)照土壤速效鉀含量為64.8 mg/kg，施用有機(jī)肥后土壤有效鉀含量有所增加，并且前3年土壤速效鉀含量隨施肥量和施肥年限而增加，2015年達(dá)到最高。2015年T1處理土壤速效鉀含量相比對(duì)照增加21.3%，T2處理相比對(duì)照增加74.4%；2016年T2處理速效鉀含量有所下降，但降幅不大，其含量仍高于高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)茶園要求的速效鉀含量。茶園B中，T1處理對(duì)土壤有效鉀含量影響不大，T2處理與對(duì)照相比速效鉀平均增加14.8%。施用有機(jī)肥顯著提高了茶園C中土壤速效鉀含量，與對(duì)照相比，T1處理較對(duì)照平均增加17.8%，T2處理較對(duì)照平均增加14.6%。由此可見(jiàn)，施用有機(jī)肥在一定程度上也增加了土壤中速效鉀含量，并且土壤肥力越低，增加效果越顯著。

2.2 不同處理對(duì)土壤微生物數(shù)量及區(qū)系的影響

2.2.1 不同處理對(duì)茶園土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量的影響 各處理不同年份土壤細(xì)菌和真菌的測(cè)定結(jié)果如圖7、圖8所示。施用有機(jī)肥在一定程度上增加了土壤細(xì)菌和真菌的數(shù)量，且隨著施肥年限的增加，土壤中細(xì)菌、真菌的數(shù)量也隨之增加。2016年土壤中的微生物數(shù)量與對(duì)照相比均有顯著提高，對(duì)于茶園A來(lái)講， 連續(xù)4年試驗(yàn)后，T1處理細(xì)菌數(shù)量相比于對(duì)照增加55.3%，真菌數(shù)量增加148.3%；T2處理細(xì)菌數(shù)量增加0.9%，真菌數(shù)量增加85%。從表3可以看出，施用有機(jī)肥對(duì)土壤中放線菌的數(shù)量無(wú)明顯影響。

表3 不同處理對(duì)茶園土壤可培養(yǎng)放線菌數(shù)量的影響

2.2.2 不同處理對(duì)茶園土壤微生物區(qū)系的影響 環(huán)境中的微生物只有1%可用傳統(tǒng)的平板計(jì)數(shù)法分離培養(yǎng)[13]，這樣往往會(huì)低估土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)組成，并且無(wú)法詳細(xì)描述出土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成的差異，所以這種方法并不適合微生物群落結(jié)構(gòu)的分析。高通量測(cè)序解決了不可培養(yǎng)這個(gè)問(wèn)題，能夠準(zhǔn)確地反映土壤中微生物群落的組成。

不同處理茶園土壤細(xì)菌屬水平上的群落結(jié)構(gòu)組分如圖9所示，結(jié)果表明，不同處理的茶園土壤所含優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬的種類和數(shù)量都有所差異，且不同細(xì)菌屬所占的比例也各不相同。以茶園B來(lái)講，對(duì)照土壤樣品所測(cè)細(xì)菌屬中排行前5的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬的種類及其所含的數(shù)量分別為未命名(unclassified)共2 385個(gè)，占總個(gè)數(shù)的15.96%；Gp1共1 021個(gè)，占總個(gè)數(shù)的6.83%；鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas)共740個(gè)，所占比例為4.95%；Gp3共402個(gè)，所占比例為2.69%；Gp6共388個(gè)，所占比例為2.6%；芽單胞菌屬(Gemmatimonas)共384個(gè)，所占比例為2.57%。T1處理土壤中排前5的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬的種類及其所含數(shù)量分別為未命名(unclassified)共1 238個(gè)，占總個(gè)數(shù)的14.52%；沙雷氏菌屬(Serratia)共357個(gè)，所占比例為4.19%；黃色桿菌屬(Xanthobacter)共298個(gè)，所占比例為 3.49%；桿菌屬(Bacillus)共282個(gè)，所占比例為3.31%；食酸菌屬(Acidovorax)共278個(gè)，所占比例為3.26%；綠膿桿菌屬(Pseudomonas)共237個(gè)，所占比例為2.78%。T2處理土壤中排前5的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬的種類及其所含數(shù)量分別為未命名(unclassified)共1615個(gè)，占總個(gè)數(shù)的16.7%；綠膿桿菌屬(Pseudomonas)共284個(gè)，所占比例為2.94%；Gp4共269個(gè)，所占比例為2.78%；Gp1共236個(gè)，所占比例為2.44%；乳酸桿菌屬(Lactobacillus)共234個(gè)，所占比例為2.42%；黃色桿菌屬(Xanthobacter)共226個(gè)，所占比例為2.34%。

2.3 不同處理對(duì)茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

2.3.1 不同處理對(duì)茶葉產(chǎn)量的影響 為明確連續(xù)施肥4年對(duì)茶葉產(chǎn)量的影響，2016年對(duì)不同處理茶園的茶葉百芽頭質(zhì)量和茶葉產(chǎn)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，C茶園因茶農(nóng)未計(jì)算產(chǎn)量，故缺少該茶園產(chǎn)量數(shù)據(jù)。茶葉百芽頭質(zhì)量能反應(yīng)茶樹(shù)長(zhǎng)勢(shì)、茶葉飽滿度和茶葉產(chǎn)量等，從表4以看出，施肥增加了茶葉的百芽頭質(zhì)量和茶葉產(chǎn)量，但是百芽頭質(zhì)量的增加效果不如產(chǎn)量的增加效果明顯。如茶園A，與對(duì)照產(chǎn)量相比，T1增加了44.1%，T2增加了193.5%；而與對(duì)照百芽頭質(zhì)量相比，T1和T2平均增加了6.5%。

表4 不同處理對(duì)茶葉產(chǎn)量的影響

2.3.2 不同處理對(duì)茶葉品質(zhì)的影響 由表5可以看出，水溶物含量、茶多酚含量和咖啡堿含量處理間并無(wú)明顯變化規(guī)律。總體而言，施肥處理氨基酸含量與不施肥處理相比有所增加。 茶葉中咖啡堿最適含量一般在2%～4%，2013年3個(gè)茶園測(cè)定結(jié)果中茶葉咖啡堿的含量均大于4%，而含量過(guò)高會(huì)造成茶湯偏澀，2014年測(cè)定結(jié)果有所降低，2016年咖啡堿含量均已在2%～4%。高品質(zhì)茶葉中氨基酸含量大于3%，從表中可以看出，2013年氨基酸含量除茶園A的T2處理以外，其余均小于3%，增施有機(jī)肥后，2014年和2016年測(cè)定結(jié)果均大于3%，以T2處理增加略高一些。茶葉中茶多酚的含量一般在20%～25%，而試驗(yàn)中茶園茶多酚含量均小于20%，但隨著有機(jī)肥的施入，茶葉中茶多酚含量均有不同程度的提高。

3 討論與結(jié)論

3.1 不同處理對(duì)土壤理化性狀的影響

茶樹(shù)是喜酸性作物，能在pH值3.2～6.8的土壤中生長(zhǎng)，但其最適宜pH值范圍是4.5～5.5[14]。當(dāng)pH值小于4.0時(shí)，將影響茶樹(shù)的正常生長(zhǎng)和茶葉品質(zhì)。大量研究表明，信陽(yáng)市茶園土壤存在酸化的趨勢(shì)[15-17]。本研究結(jié)果表明，施用有機(jī)肥對(duì)茶園土壤pH值沒(méi)有明顯的影響，供試土壤pH值普遍偏低。

土壤有機(jī)質(zhì)含量和質(zhì)量是土壤肥力的重要指標(biāo)。茶園土壤有機(jī)質(zhì)的含量水平不僅直接關(guān)系到土壤的理化性質(zhì)，也關(guān)系到茶樹(shù)生長(zhǎng)、茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)。氮元素是茶樹(shù)生長(zhǎng)所需的主要營(yíng)養(yǎng)元素，氮素過(guò)低時(shí)，茶樹(shù)體內(nèi)蛋白質(zhì)、葉綠素及核酸的合成受到影響，新梢伸長(zhǎng)緩慢，大面積出現(xiàn)對(duì)夾葉，萌發(fā)輪次減少，單位面積上的芽頭數(shù)量減少，因此直接影響茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)[18]。土壤中速效鉀含量相對(duì)豐富，對(duì)于提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)具有顯著作用，通常情況下高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)茶園土壤速效鉀含量應(yīng)大于100 mg/kg[19]。施用有機(jī)肥對(duì)茶園土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、堿解氮含量和速效鉀含量的影響和前人的研究結(jié)果[3-4]相同，隨著施肥量和施肥年限的增加，土壤中這幾種養(yǎng)分的含量也隨之增加。

3.2 不同處理對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

土壤微生物是土壤生命活體的主要組成部分，是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分[20-21]。土壤微生物在促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解、土壤礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)循環(huán)、維持和提高土壤肥力等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[22]。本研究結(jié)果表明，施用有機(jī)肥與不施肥相比，土壤中細(xì)菌和真菌的數(shù)量都有一定的增加，微生物群落結(jié)構(gòu)也有一定的改變。

3.3 不同處理對(duì)茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

國(guó)內(nèi)外的很多研究均表明施用有機(jī)肥可以提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)。日本施肥試驗(yàn)表明，增施有機(jī)肥能改善茶葉的湯色、香氣、滋潤(rùn)和增加水浸出物[23]。國(guó)內(nèi)研究也證實(shí)了施用有機(jī)肥能夠明顯提高茶鮮葉內(nèi)含物，改善茶葉品質(zhì)[24]。本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果類似，連續(xù)施用有機(jī)肥可以提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)。

總之，本研究連續(xù)4年的有機(jī)肥田間試驗(yàn)可以說(shuō)明，施用有機(jī)肥對(duì)茶園土壤pH值無(wú)明顯影響。隨著施肥量和施肥年限的增加，不同施肥量處理的土壤養(yǎng)分均有不同程度的提高，尤其是有機(jī)質(zhì)和全氮含量增幅較大，且茶園土壤養(yǎng)分含量越低，施用有機(jī)肥后該養(yǎng)分的增加幅度越大。施肥使微生物數(shù)量增加，增加了土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。施用有機(jī)肥可增加茶葉產(chǎn)量和茶葉水溶物含量、氨基酸含量和茶多酚含量，降低咖啡堿含量，提高茶葉品質(zhì)。

表5 不同處理對(duì)茶葉品質(zhì)的影響