武夷山市茶園土壤有機質(zhì)的空間分布特征

(福建省生態(tài)產(chǎn)業(yè)綠色技術(shù)重點實驗室，武夷學院生態(tài)與資源工程學院，福建 武夷山 354300) (武夷學院土木工程與建筑學院，福建 武夷山 354300) 福建省生態(tài)產(chǎn)業(yè)綠色技術(shù)重點實驗室，武夷學院生態(tài)與資源工程學院，福建武夷山354300

土壤是茶樹賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，對茶樹高質(zhì)、優(yōu)產(chǎn)、高效至關(guān)重要[1]，其中土壤有機質(zhì)(soil organic matter，SOM)是土壤肥力的重要組成部分，是反映茶園土壤熟化程度和肥力水平高低的重要指標[2]，SOM含量的高低直接影響茶樹生長發(fā)育以及茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)。我國優(yōu)質(zhì)名茶產(chǎn)地SOM含量都在20g/kg以上[3]。土壤在形成和演化過程中受多種時空尺度環(huán)境因素(如氣候、土地利用、海拔、地貌地形等)的控制，因此SOM具有復雜的空間變異性和非平穩(wěn)性[4,5]。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，將其與地統(tǒng)計學相結(jié)合的研究方法已經(jīng)成為熱點[6]，趙汝東等[7]、陳琳等[8]、鄧小華等[9]、李枝樺等[10]對農(nóng)田SOM的空間分異特征進行了研究，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到了一定的指導作用。關(guān)于茶園SOM的空間分布已有大量研究[3，11～13]，但目前尚無有關(guān)武夷山市茶園SOM空間分布特征研究的報道。

武夷山市作為我國重要的茶產(chǎn)地，生產(chǎn)的武夷巖茶被贊譽為“茶中之王”，是中國十大名茶之一。武夷巖茶是地理標志保護產(chǎn)品，保護范圍限于《地理標志產(chǎn)品保護規(guī)定》批準的范圍，即福建省武夷山市所轄行政區(qū)域范圍[14]。武夷巖茶獨具神韻,素負盛名,蜚聲中外,主要是源于其優(yōu)異的品質(zhì)[15]。武夷山茶業(yè)在中國的茶葉市場中具有不可或缺的地位，同時也是閩北地區(qū)重要的經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)。為此，以武夷巖茶不同種植區(qū)土壤為研究對象，探討表層土壤(0～20cm) SOM的空間分布特征，一方面可充實武夷巖茶土壤研究的相關(guān)內(nèi)容，另一方面可為武夷巖茶的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)指導。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

圖1 采樣點的分布

通過實地踏查，選擇具有代表性且成片性較好的茶園作為研究區(qū)域。2018年10月14日至11月4日(冬茶采收基本結(jié)束，茶園未施肥之前)在福建省武夷山市境內(nèi)星村鎮(zhèn)、五夫鎮(zhèn)、興田鎮(zhèn)、吳屯鄉(xiāng)、嵐谷鄉(xiāng)、洋莊鄉(xiāng)、武夷學院茶學科教基地、武夷山風景區(qū)(簡稱景區(qū))等茶園種植區(qū)，根據(jù)茶園的種植面積大小布設(shè)采樣點數(shù)量，每個采樣點s形布設(shè)取樣點5個，混合成一個樣品。采樣深度0～20cm，共采集茶園土樣266份(圖1)。同時記錄樣點的植被情況、土壤類型、地形狀況、周圍環(huán)境等信息以及GPS地理坐標，茶園的經(jīng)營管理措施通過咨詢茶農(nóng)獲取。土壤樣品帶回實驗室在揀去石礫、植物根系和大于2mm的碎屑后自然風干，過0.149mm篩后儲藏備用， SOM含量采用重鉻酸鉀容量法測定。

1.2 數(shù)據(jù)處理

采用IBM SPSS Statistics 22.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，運用GS+9.0進行半方差函數(shù)分析，利用ArcGIS 10.5繪制空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 武夷山市茶園SOM含量的描述性統(tǒng)計分析

從SOM含量的描述性統(tǒng)計(見表1)可以看出，武夷山市不同種植區(qū)茶園SOM的平均含量大小表現(xiàn)為興田鎮(zhèn)(50.98g/kg)>武夷學院(43.45g/kg)>洋莊鄉(xiāng)(39.44g/kg)>星村鎮(zhèn)(37.55g/kg)>嵐谷鄉(xiāng)(35.08g/kg)>武夷山風景區(qū)(32.91g/kg)>吳屯鄉(xiāng)(32.57g/kg)>五夫鎮(zhèn)(28.64g/kg)。依據(jù)全國第2次土壤普查的土壤有機質(zhì)分級標準[16]，武夷山市不同茶園SOM含量在五級及以上每個等級基本均有分布，在三級及以上分布的比例較大。興田鎮(zhèn)和武夷學院茶園SOM含量一、二級偏多，占到樣本總數(shù)85%以上，而五夫鎮(zhèn)的一、二級僅占到樣本總數(shù)36%，導致平均值較低，其他茶園的分布相對較為分散。從平均值來看，興田鎮(zhèn)和武夷學院茶園SOM含量處于一級(極高)水平，五夫鎮(zhèn)的處于三級(中等偏上)水平，其余茶園的處于二級(高)水平，而整個武夷山市的茶園土壤SOM含量(37.24g/kg)處于二級(高)水平。武夷山市的不同茶園土壤0～20cm表層SOM含量約92%達到國家綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標準(NY/T 391—2013)中園地土壤的肥力Ⅰ級標準(>20g/kg)，約98%達高產(chǎn)茶園的標準(>15g/kg)。

變異系數(shù)(CV)反映樣本數(shù)據(jù)的離散程度，一般情況下，CV≤10%為較弱空間變異性，10%

表1 武夷山市茶園SOM含量描述性統(tǒng)計結(jié)果

2.2 武夷山市茶園SOM含量與其他地區(qū)的差異性分析

武夷山市不同種植區(qū)茶園SOM含量及變異系數(shù)(見表1)與江浙地區(qū)不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)[3]的較為接近，土壤有機質(zhì)都屬于中等變異。

武夷山市茶園SOM含量的平均值為37.24g/kg，浙江省松陽縣、江西省南昌縣、湖北省秭歸縣和云南省景洪市的平均值為17.17～31.51g/kg[18～21]，而陜西省商南縣的平均值僅為5.79g/kg[1]，相比而言，武夷山市茶園SOM含量相對較高。武夷山市茶園SOM含量的變異系數(shù)為37.69%，與浙江省松陽縣、江西省南昌縣、湖北省秭歸縣和云南省景洪市都屬于中等變異，而陜西省商南縣的變異系數(shù)為9.93%，屬于弱變異性。

2.3 半方差函數(shù)的擬合

半方差函數(shù)的計算一般要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)或近似正態(tài)分布[22～25]。茶園SOM含量的數(shù)據(jù)K-S檢驗(P<0.05，2-tailed)結(jié)果顯示，將武夷山市8個種植區(qū)數(shù)據(jù)對數(shù)轉(zhuǎn)換后均符合正態(tài)分布。通過GS+9.0對武夷山市不同種植區(qū)茶園的SOM含量數(shù)據(jù)進行半方差函數(shù)分析，擬合參數(shù)詳見表2。武夷山市不同種植區(qū)茶園SOM含量的擬合模型不同：武夷山風景區(qū)、吳屯鎮(zhèn)和興田鎮(zhèn)為球形模型，嵐谷鄉(xiāng)為線性模型，五夫鎮(zhèn)、星村鎮(zhèn)和洋莊鄉(xiāng)為高斯模型，武夷學院為指數(shù)模型。

表2 半方差函數(shù)擬合參數(shù)

半方差函數(shù)的塊金值主要反映實驗誤差和小于實際取樣尺度引起的變異等隨機部分引起的空間變異程度，基臺值主要反映包括隨機變異和結(jié)構(gòu)變異在內(nèi)的總體的變異程度[26]，而基底效應(yīng)(塊基比)，即塊金值與基臺值之比，表示由隨機部分引起的空間變異性占總體變異的比例[27]。通常塊基比小于0.25時，結(jié)構(gòu)因子引起的空間變異占比較高，介于0.25～0.75時，表示空間變異受結(jié)構(gòu)因子的影響為中等；大于0.75時，則是隨機因子引起的空間變異所占比例較高[28,29]。

由表4可知，洋莊鄉(xiāng)的塊基比為0.0345，遠小于0.25，具有強烈的空間相關(guān)性，在一定程度上反映洋莊鄉(xiāng)的茶園SOM含量受土壤類型、成土母質(zhì)、地形條件、氣候等環(huán)境作用的結(jié)構(gòu)性因素引起的空間自相關(guān)變異性占到總變異的 95%以上；嵐谷鄉(xiāng)的塊基比為1，大于0.75，說明嵐谷鄉(xiāng)的茶園SOM空間相關(guān)性較弱，且空間變異的來源受采樣、檢測、施肥、耕作措施、種植制度等隨機因素引起的空間變異較大。武夷山市其他6個種植區(qū)的塊基比為0.25～0.75，具有中等的空間相關(guān)性。

變程是半方差達到基臺值時相應(yīng)的距離，代表SOM的自相關(guān)范圍，SOM在變程范圍內(nèi)具有空間自相關(guān)性,在變程范圍外則沒有。武夷山市8個研究區(qū)的茶園SOM變程由大到小依次為星村鎮(zhèn)>武夷山風景區(qū)>武夷學院>五夫鎮(zhèn)>吳屯鄉(xiāng)>興田鎮(zhèn)>嵐谷鄉(xiāng)>洋莊鄉(xiāng)(見表2)，說明影響不同種植區(qū)茶園SOM含量的過程作用在不同的尺度上[30]。

2.4 武夷山市茶園SOM空間分布特征

圖2 武夷山市茶園SOM含量的空間分布

武夷山市茶園SOM的空間分布[31～33]如圖2所示，SOM含量極高(大于40g/kg)的地方主要集中在南部的興田鎮(zhèn)和中部的武夷學院，西北部SOM含量中等，東部SOM含量相對較低。經(jīng)調(diào)查走訪發(fā)現(xiàn)，地處東部的嵐谷鄉(xiāng)、吳屯鄉(xiāng)和五夫鎮(zhèn)的茶產(chǎn)業(yè)在當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所占的比重較小，在茶產(chǎn)業(yè)中的投入相對較少，致使東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)茶園SOM含量較低。

南部的興田鎮(zhèn)近幾年對茶產(chǎn)業(yè)的投入逐年增加，可能是茶園SOM含量高值區(qū)多分布在南部興田鎮(zhèn)的原因之一。武夷學院的茶學科教基地面積相對較小且茶園分布比較集中，園內(nèi)布設(shè)水土流失綜合治理的坡改梯工程，部分茶園套種烏桕、丹桂、花石榴等，套種模式下植物、落葉等殘體積累更多，有利于有機質(zhì)的積累；同時在梯壁和梯埂種植麥冬、白花葛、紫葉酢醬草等可有效防止水土流失，從而防止有機質(zhì)缺失，提升了茶園的環(huán)境質(zhì)量，提高了SOM含量。西部的星村鎮(zhèn)是中國烏龍茶和紅茶的發(fā)源地，是“福建產(chǎn)茶明星鄉(xiāng)鎮(zhèn)”，有“武夷巖茶第一鎮(zhèn)”之稱，其茶園多屬于大型茶場和大承包戶的茶園，由于大規(guī)模種植的大型茶場種植施肥和經(jīng)營管理比較科學有效且投入較多，茶園SOM含量相對較高。武夷山風景區(qū)是武夷巖茶正巖產(chǎn)區(qū)，武夷山正巖茶園面積有限，資源珍貴，正巖茶園的產(chǎn)區(qū)較為零散，產(chǎn)區(qū)內(nèi)道路崎嶇，交通不便，有的茶園因此減少了有機肥施用數(shù)量，結(jié)果導致景區(qū)內(nèi)茶園土壤SOM含量相對較低。

圖3 武夷山市茶園SOM含量與海拔的關(guān)系

全市茶園SOM含量大于40g/kg的采樣點占34%，30～40g/kg的占33%，20～30g/kg的占25%，小于20g/kg的僅占8%，因此武夷山市茶園SOM含量處于整體偏高的狀況。

2.5 武夷山市茶園SOM含量與海拔高度的相關(guān)性分析

地形差異是造成SOM含量差異的主要因素之一，對采樣區(qū)域的平均海拔與SOM的平均含量進行相關(guān)性分析，如圖3所示。由圖3可知，茶園SOM含量與取樣點的海拔高度的呈一定的負相關(guān)，但差異不顯著，這與楊如興等[34]、王軍等[35]、張建杰等[36]的研究結(jié)果一致，但與王宗明等[37]、李超等[38]、張偉等[39]的結(jié)論不一致，這可能與研究區(qū)域茶園的地理氣候、生態(tài)環(huán)境、土壤特點及培肥措施等不同有關(guān)。長期或大量施用化肥會導致土壤和茶葉的鮮葉質(zhì)量下降并可能進一步造成環(huán)境污染。將化肥與有機肥配合施用，在有效增加土壤肥力的同時可以保持土壤質(zhì)量。武夷山部分茶企從提升茶葉質(zhì)量和保護環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，對茶園土壤只施用有機肥。但在高海拔區(qū)域，由于交通原因?qū)е率┯糜袡C肥的成本可能會大大增加，因此有的茶園減少了有機肥的施用量，這可能是分布在較高海拔區(qū)域的茶園SOM含量有下降趨勢的原因之一。

3 結(jié)論

1)武夷山市8個種植區(qū)茶園SOM的平均含量大小表現(xiàn)為興田鎮(zhèn)(50.98g/kg)>武夷學院(43.45g/kg)>洋莊鄉(xiāng)(39.44g/kg)>星村鎮(zhèn)(37.55g/kg)>嵐谷鄉(xiāng)(35.08g/kg)>武夷山風景區(qū)(32.91g/kg)>吳屯鄉(xiāng)(32.57g/kg)>五夫鎮(zhèn)(28.64g/kg)。武夷山市茶園SOM的平均含量(37.24g/kg)處于二級(高)水平(全國第二次土壤普查的土壤有機質(zhì)分級標準)。其中約92%的樣品達到國家綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標準(NY/T 391—2013)中園地土壤的肥力Ⅰ級標準(>20g/kg)，約98%達高產(chǎn)茶園的標準(>15g/kg)。

2)武夷山市茶園SOM含量的變異系數(shù)介于22.75%～48.70%之間，屬于中等空間變異。不同茶園SOM數(shù)據(jù)對數(shù)轉(zhuǎn)換后均符合正態(tài)分布，武夷山風景區(qū)、吳屯鎮(zhèn)和興田鎮(zhèn)茶園SOM空間分布為球形模型，嵐谷鄉(xiāng)為線性模型，五夫鎮(zhèn)、星村鎮(zhèn)和洋莊鄉(xiāng)為高斯模型，武夷學院為指數(shù)模型。武夷山風景區(qū)、武夷學院和星村鎮(zhèn)茶園SOM空間自相關(guān)距離較大，分別為 2.172、2.11、 2.58km，其他種植區(qū)茶園SOM空間自相關(guān)距離相對較小。洋莊鄉(xiāng)的塊基比為0.0345，具有強烈的空間相關(guān)性，表明其空間變異受結(jié)構(gòu)性因素影響較大；嵐谷鄉(xiāng)的塊基比為1，空間相關(guān)性較弱，說明受隨機因素引起的空間變異較大，其他6個種植區(qū)的塊基比為0.25～0.75，具有中等的空間相關(guān)性。

3)武夷山市茶園SOM含量極高(大于40g/kg)的地方主要集中在南部的興田鎮(zhèn)和中部的武夷學院，其次是西部，東部相對較低。茶園SOM含量與取樣點的海拔高度呈一定的負相關(guān)，但差異不顯著。