基于土壤地球化學(xué)特征的茶葉種植適宜性評價(jià)分析
——以日照巨峰鎮(zhèn)為例

王程松，王帥，李建，種衍飛，孔凡飛

(1.山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)，山東 青島 266555；2.日照海洋地質(zhì)院士工作站，山東 日照 276800)

0 引言

日照綠茶以獨(dú)具特有的品質(zhì)風(fēng)味，產(chǎn)量連續(xù)多年列全省第一，有“北方第一茶”的美譽(yù)[1]，研究區(qū)巨峰鎮(zhèn)為日照綠茶的主要種植區(qū)。隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工礦業(yè)“三廢”排放量明顯增加，農(nóng)藥、化肥的過量使用等人類活動(dòng)，土壤系統(tǒng)在各種化學(xué)物質(zhì)的沖擊和破壞下變得脆弱，使得區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境受到了很大的影響[2-4]。本次通過對研究區(qū)內(nèi)土壤地球化學(xué)特征分析，研究土壤背景與茶葉品質(zhì)關(guān)系，并對土壤的茶葉宜種性進(jìn)行評價(jià)，劃分了研究區(qū)茶樹適宜種植區(qū)域；為加快發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化的綠色農(nóng)業(yè)，優(yōu)化茶葉種植區(qū)域，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)地球化學(xué)背景特征

通過對研究區(qū)內(nèi)1100件土壤表層樣品的取樣化驗(yàn)，了解研究區(qū)土壤背景，分析土壤中元素地球化學(xué)特征；通過采集50件茶葉樣品，分析茶葉重金屬元素地球化學(xué)特征、營養(yǎng)元素地球化學(xué)特征、健康元素地球化學(xué)特征，為研究土壤背景和影響茶葉生化品質(zhì)，提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.1 土壤元素地球化學(xué)特征

研究區(qū)土壤元素地球化學(xué)背景值與日照市土壤背景值，山東省土壤元素平均值(A層)對比特征見表1。

由表1可知：與日照市土壤背景值對比Hg、Cd、F、V、Zn、Co、I、MgO、pH等元素或指標(biāo)的背景值明顯偏低，其中pH最低；As、Mo、B、S、OrgC的背景值明顯偏高，OrgC最高。其余元素或指標(biāo)與日照土壤背景值基本接近。與全省土壤元素平均值(A層)相比，B、CaO、Cd、Cr、Cu、F、Hg、I、MgO、N、Ni、P、pH、V和Zn等元素或指標(biāo)的背景值明顯偏低，CaO含量最低，為全省均值的29.17%。K2O、Mo、OrgC、Pb、SiO2元素或指標(biāo)的背景值高于全省土壤均值，OrgC含量最高，為全省土壤均值的1.61倍。

注：N單位為10-3、Hg為10-9、Al2O3、CaO、K2O、MgO、OrgC、SiO2、Fe2O3單位為10-2、pH無量綱、其余為10-6。

1.2 茶葉元素地球化學(xué)特征

1.2.1 茶葉重金屬元素地球化學(xué)特征

As、Hg、Pb、Cr、Cd等元素的濃度或在動(dòng)植物體內(nèi)的積累會(huì)對人體造成潛在性的危害等。通過分析重金屬含量特征，一是可以掌握茶葉的質(zhì)量，二是可以表征茶葉生長的土壤中相應(yīng)元素的活性強(qiáng)度及作物的吸收強(qiáng)度。本次采集的研究區(qū)50件茶葉，其中As、Hg、Pb、Cr、Cd含量統(tǒng)計(jì)見表2。

由表2可知：茶葉對As元素的吸收率較低，對Hg元素的吸收率很高，對Pb元素的吸收率較低，對Cr元素的吸收率偏低，對Cd元素的吸收率較高。

表2 茶葉重金屬地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

注：Hg、Cd單位為10-9，其余為10-6。

1.2.2 茶葉營養(yǎng)元素地球化學(xué)特征

本次選擇微量營養(yǎng)元素Ni、B、Mo、I、Cu、Zn作為茶葉營養(yǎng)元素，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探討在研究區(qū)茶葉中的這6種元素的地球化學(xué)特征。檢測統(tǒng)計(jì)得出研究區(qū)茶葉的Ni、B、Mo、I、Cu、Zn的地球化學(xué)參數(shù)，具體見表3。

表3 茶葉營養(yǎng)元素參數(shù)統(tǒng)計(jì)表 單位：10-6

參數(shù)NiBMoICuZn最大值7.09187.040.9904.829.4033.71最小值1.290.010.0400.014.298.96平均值3.1253.890.6271.166.8216.49中位數(shù)3.0439.340.7800.786.8415.51均方差1.4044.330.3061.201.315.28變異系數(shù)0.450.820.4881.040.190.32根系土值22.0524.6151.12BCF14.1327.7032.26

Ni元素：在本次采集的作物中Ni含量范圍為(1.29～7.09)×10-6；平均含量為3.12×10-6；變異系數(shù)為0.45，數(shù)據(jù)離散程度不均勻。

B元素：在本次采集的作物中B含量范圍為(0.01～187.04)×10-6；平均含量為53.89×10-6；變異系數(shù)為0.82，數(shù)據(jù)離散程度較大。

Mo元素：在本次采集的作物中Mo含量范圍為(0.04～0.99)×10-6；平均含量為0.63×10-6；變異系數(shù)為0.49，數(shù)據(jù)離散程度不均勻。

I元素：在本次采集的作物中I含量范圍為(0.01～4.82)×10-6；平均含量為1.16×10-6；變異系數(shù)為1.04，數(shù)據(jù)離散程度很大。

Cu元素：在本次采集的作物中Cu含量范圍為(4.29～9.40)×10-6；平均含量為6.82×10-6；變異系數(shù)為0.19，數(shù)據(jù)離散程度較小，且其富集系數(shù)為27.7%，即茶葉對土壤中Cu元素的吸收率較高，因此應(yīng)控制土壤Cu元素的含量在合理范圍內(nèi)，以有利于茶葉生長。

Zn元素：在本次采集的作物中Zn含量范圍為(8.96～33.71)×10-6；平均含量為16.49×10-6；變異系數(shù)為0.32，數(shù)據(jù)離散程度不均勻，且其富集系數(shù)為32.26%，即茶葉對土壤中Zn元素的吸收率較高，因此應(yīng)控制土壤Zn元素的含量在合理范圍內(nèi)，以有利于茶葉生長。

1.2.3 茶葉中健康元素地球化學(xué)特征

茶葉中Se、Ge元素的含量水平及特征是反映區(qū)內(nèi)作物質(zhì)量等級(jí)的一個(gè)重要參數(shù)，檢測50件茶葉樣中Se、Ge的含量，結(jié)果計(jì)算統(tǒng)計(jì)見表4。

硒(Se)元素：在本次采集的茶葉中Se含量范圍為(0.004～0.12)×10-6；平均含量為0.03×10-6；變異系數(shù)為1.09，數(shù)據(jù)離散程度較大；吸收系數(shù)為13%，因此可以通過改善土壤中Se元素的含量提高茶葉中Se元素的含量。

鍺(Ge)元素：在本次采集的茶葉中Ge含量范圍為(2.950～6.600)×10-6；平均含量為4.987×10-6；變異系數(shù)為0.191，數(shù)據(jù)離散程度較小。

表4 茶葉健康元素參數(shù)統(tǒng)計(jì)表 單位：10-6

參數(shù)SeGe最大值0.1186.600最小值0.0042.950平均值0.0264.987中位數(shù)0.0194.680均方差0.0210.951變異系數(shù)0.8150.191根系土值0.226BCF11.569

2 研究區(qū)土壤背景與茶葉品質(zhì)研究

2.1 茶葉生化成分含量分析

影響茶葉味道和口感的主要因素有茶葉中的游離氨基酸、茶多酚、類黃酮和水浸出物等生化成分的含量有關(guān)。據(jù)農(nóng)業(yè)部茶葉質(zhì)量監(jiān)督檢測中心和姚國坤等資料，中國茶葉水浸出物一般含量為35%～40%，咖啡堿為3%～5%，茶多酚為20%～35%，游離氨基酸為1%～4%。一般而言茶葉中游離氨基酸、茶多酚、咖啡堿和水浸出物含量與茶葉品質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)茶葉中有益元素豐富，重金屬元素含量較低對茶葉品質(zhì)有利[5]。

本次主要選取巨峰鎮(zhèn)6處茶園50件樣品進(jìn)行研究，對其生化成分進(jìn)行檢測。茶葉各類生化成分的檢測須按照一定的茶葉檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，各生化成分檢測的結(jié)果見表5。

表5 茶葉樣品生化成分檢測結(jié)果表

本研究所檢測的6個(gè)樣品的茶葉水浸出物的含量均高于35%，高于最低標(biāo)準(zhǔn)，說明巨峰鎮(zhèn)的生態(tài)環(huán)境，有利于茶樹光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化和次級(jí)代謝產(chǎn)物的積累，從而使茶葉內(nèi)含物豐富，茶湯的濃度增加，有利于品質(zhì)的提高[6]。茶多酚含量均處于14%～18%之間。黃酮含量均(70～100)×10-6之間。游離氨基酸的含量均1%～4%之間，說明茶葉品質(zhì)是比較好的。對檢測結(jié)果進(jìn)一步分析可以看出，茶園之間、茶樹品種之間游離氨基酸含量相差不大。通過酚氨比確定茶葉品質(zhì)。

酚氨比=茶多酚含量(%)/游離氨基酸含量(%)[7]，從茶葉種植區(qū)來看，6個(gè)樣本中酚氨比值基本呈現(xiàn)尚家莊村>費(fèi)家官莊村>山峪村>孟家官莊村>丁家林村>水洪溝村。

2.2 土壤有效養(yǎng)分元素對茶葉品質(zhì)的影響

選用相關(guān)系數(shù)法對研究區(qū)土壤有效成分與茶葉中的7種生化成分進(jìn)行聚類分析比較，結(jié)果能夠很好的體現(xiàn)出各分析指標(biāo)的相聚與分散特征。研究區(qū)土壤有效成分與茶葉生化成分的相關(guān)關(guān)系見表6，利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件采用系統(tǒng)聚類法對茶葉生化成分和土壤有效營養(yǎng)成分進(jìn)行R型聚類分析得到聚類分析樹狀圖(見圖1)。

由聚類分析樹狀圖可以分出以下幾類：

游離氨基酸——有效Mo、Cu、Zn、Fe、有機(jī)質(zhì)； 茶多酚，水浸出物，類黃酮——有效Mn； 有效B。

表6 茶葉生化成分與土壤有效成分相關(guān)系數(shù)表

圖1 聚類分析樹狀圖

由相關(guān)系數(shù)表、聚類分析樹狀圖可知：

當(dāng)土壤中有效Mo、Cu、Zn、Fe以及有機(jī)質(zhì)含量較多時(shí)，茶葉中的游離氨基酸就會(huì)高[8]，其相關(guān)性較高，尤其是有效鐵與游離氨基酸的相關(guān)性為0.97。游離氨基酸是決定茶葉品質(zhì)的重要因子，含量越高，茶湯味感越鮮爽[9]。

當(dāng)土壤中有效Mn含量較多時(shí)，茶多酚，水浸出物，類黃酮就會(huì)高，其相關(guān)性較高，尤其是水浸出物和有效Mn相關(guān)性為0.77，茶葉水浸出物和類黃酮含量越高，說明茶葉內(nèi)含物豐富，茶葉的品質(zhì)就越好，對人體越有益處。茶多酚的含量在20%～24%以內(nèi)仍維持茶湯濃度、醇度和鮮爽度的和諧統(tǒng)一[10-11]。

土壤中有效Fe含量與酚氨比呈較大的負(fù)相關(guān)，即土壤鐵含量越高，酚氨比越小，茶葉品質(zhì)越優(yōu)。

2.3 茶樹中元素與土壤元素的相關(guān)性

進(jìn)行相關(guān)分析選取的元素有As、Hg、Pb、Cr、Cd、Cu、Zn、Ni、Se，應(yīng)用SPSS軟件通過對茶樹根、莖、葉含量與土壤中的含量對比與相關(guān)系數(shù)計(jì)算，分析了土壤中各重金屬元素的含量與茶樹元素含量的相關(guān)性，所得的茶樹各部位與土壤之間以及茶樹各部位之間的相關(guān)系數(shù)如表7。

由此得知As元素在土壤和茶樹的根之間以及茶樹的莖與葉之間呈明顯負(fù)相關(guān)，土壤與茶樹的莖之間呈明顯的正相關(guān)；Hg元素在土壤和茶樹的根之間呈明顯的負(fù)相關(guān)，在茶樹的根和葉之間呈明顯的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.906；茶樹的根、莖、葉與土壤中Pb元素的含量沒有明顯的相關(guān)性，茶樹的根與葉之間呈明顯的負(fù)相關(guān)，茶樹的莖與葉之間呈明顯的正相關(guān)；茶樹的根、莖、葉與土壤中Cr元素的含量有正相關(guān)性，茶樹的根與葉，莖與葉之間的正相關(guān)性也非常顯著，特別是莖與葉部位，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.994，顯著性極高。說明Cr元素的土壤污染會(huì)對茶葉產(chǎn)生明顯的影響，必須予以高度重視；茶樹的根、莖、葉與土壤中Cd元素的含量有正相關(guān)性，該元素在茶樹的根與葉之間呈負(fù)相關(guān)，在莖與葉之間呈明顯的正相關(guān)；Cu元素僅在土壤和茶樹的莖之間呈明顯的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.955；茶樹的根、莖與土壤中Zn含量呈正相關(guān)，特別是土壤與茶樹的莖之間，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.883。土壤與葉之間，以及茶樹的各部分之間呈負(fù)相關(guān)性；Ni元素在土壤與茶樹的莖之間、茶樹的根與葉之間呈明顯的正相關(guān)，茶樹的莖與葉之間呈明顯的負(fù)相關(guān)；茶樹的根、莖與土壤中Se元素以及茶樹的根與葉之間呈明顯的負(fù)相關(guān)，茶樹的莖與葉之間呈明顯的正相關(guān)[12]。

表7 茶樹各部位與土壤以及茶樹各部位之間的相關(guān)系數(shù)

相關(guān)系數(shù)土壤與根土壤與莖土壤與葉根與葉莖與葉As0.7910.7120.1560.0190.764Hg0.850.4460.0130.9060.469Pb0.2040.1260.0090.9770.934Cr0.9290.9350.2150.5050.994Cd0.1690.4350.0990.50.759Cu0.4810.9550.0360.0020.21Zn0.3340.8830.3720.4670.825Ni0.0640.9380.1160.9220.944Se0.8140.9930.1620.9560.752

2.4 茶樹中重金屬元素的分布情況

通過研究各種元素在茶樹植株中的分布狀況，我們可以總結(jié)出各元素在茶樹中的分布規(guī)律，本次研究對As、Hg、Pb、Cr、Cd、Cu、Zn這7種主要元素在茶植株的含量分布情況進(jìn)行研究(圖2)。

由圖可知，As元素在茶樹的莖中分布最高，在葉中含量最低。Hg元素在茶樹的根中分布明顯最高，在莖中含量最低。Pb元素在茶樹的莖中分布最高，在根中含量最低。Cr元素在茶樹的葉中含量最低，在根和莖中含量相當(dāng)。Cd元素在茶樹的根中含量最高，在葉中含量最低。Cu元素在茶樹的葉中含量明顯最低，在根和莖中含量相當(dāng)。Zn元素在茶樹的莖中含量最高，在葉中含量最低。

總結(jié)可知：As、Cr、Cu、Zn四種元素在茶樹中的分布狀況為：莖>根>葉；Hg元素在茶樹中的分布狀況為：根>葉>莖；Pb元素在茶樹中的分布狀況：莖>葉>根；Cd元素在茶樹中的分布狀況為：根>莖>葉。

圖2 7種元素在茶葉植株中含量分布情況

3 茶葉種植適宜性評價(jià)分析

基于上述土壤地球化學(xué)背景，以及對茶葉品質(zhì)與土壤地球化學(xué)的關(guān)系分析，綜合選擇3項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)，土壤pH指標(biāo)主要是說明植物生長適宜性；土壤肥力指標(biāo)重點(diǎn)說明茶葉品質(zhì)；土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)主反應(yīng)茶葉對重金屬元素的吸收。文章首先對單項(xiàng)影響因子進(jìn)行等級(jí)評價(jià)，并按照適宜性等級(jí)賦值；最后對3項(xiàng)評價(jià)因子權(quán)重后綜合評價(jià)[13-15]。

本次采用的權(quán)重確定法為變異系數(shù)法。由于各項(xiàng)參評因子的量綱不同，不能直接進(jìn)行比較，所以需要用各項(xiàng)評價(jià)因子的變異系數(shù)來衡量各因子取值的差異程度[19]。

在采用變異系數(shù)法確定因子權(quán)重的基礎(chǔ)上，選取土壤肥力、土壤pH、土壤環(huán)境3項(xiàng)評價(jià)因子的權(quán)重值，將研究區(qū)劃定為茶樹種植的最適宜區(qū)，一般適宜區(qū)，不適宜種植區(qū)(圖3)。

1—最適宜；2一般適宜；3—不適宜；4—非農(nóng)用地圖3 茶葉種植適宜性分區(qū)圖

4 結(jié)論

(1)通過對研究區(qū)土壤及茶葉地球化學(xué)特征分析，發(fā)現(xiàn)茶葉對Hg、Cd元素的吸收率較高，對As、Pb、Cr吸收率較低，宜重點(diǎn)控制土壤中Hg、Cd含量；在營養(yǎng)元素方面，茶葉對土壤中Cu、Zn的吸收率較高，宜控制土壤Cu、Zn素的含量在合理范圍內(nèi)，有利于茶葉生長；在健康元素方面，茶葉對Se吸收系數(shù)較高，可以通過改善土壤中Se元素的含量提高茶葉中Se元素的含量。

(2)茶葉品質(zhì)受土壤背景影響，土壤中有效Mo、Cu、Zn、Fe以及有機(jī)質(zhì)含量與茶葉中的游離氨基酸相關(guān)性較高，有效鐵與游離氨基酸的相關(guān)性最高；土壤中有效Mn含量與水浸出物、類黃酮相關(guān)性較高，其中水浸出物和有效Mn相關(guān)性最高；發(fā)現(xiàn)土壤中有效Fe含量與酚氨比呈較大的負(fù)相關(guān)；分析土壤元素與茶樹葉相關(guān)性均較低，但對于Ni、Hg，茶樹根與葉相關(guān)系數(shù)大于0.9。

(3)基于對研究區(qū)內(nèi)土壤地球化學(xué)背景與茶葉品質(zhì)的研究，對研究區(qū)內(nèi)茶葉種植適宜性評價(jià)，圈定最適宜區(qū)面積約為4720hm2，一般適宜面積約為7793hm2；不適宜區(qū)面積約為3480hm2；然而，茶葉種植適宜性還受地形坡度，陽光照射，風(fēng)速，灌溉條件等影響，需進(jìn)一步進(jìn)行適宜性分析探討。