武夷山茶葉品質(zhì)與土壤地球化學(xué)背景特征關(guān)系探討

黃炎 陳國光 李雪平

摘要： 為了探討武夷巖茶主產(chǎn)區(qū)茶葉品質(zhì)與土壤地球化學(xué)背景的關(guān)系，采用符合正態(tài)分布的茶葉及土壤數(shù)據(jù)開展茶多酚、咖啡堿和氨基酸含量與土壤理化指標的相關(guān)分析，建立回歸預(yù)測模型，探討不同地質(zhì)背景對茶葉品質(zhì)的影響。武夷巖茶主產(chǎn)區(qū)茶葉的茶多酚與土壤pH值呈正相關(guān)，與土壤Ni呈負相關(guān)，咖啡堿與土壤Cu含量呈正相關(guān)，氨基酸與土壤pH值和K含量呈正相關(guān)，說明土壤pH值的提高有利于茶多酚、氨基酸的積累，K和Cu分別促進氨基酸和咖啡堿的合成，Ni對茶多酚積累具有抑制作用。不同地質(zhì)背景茶葉品質(zhì)狀況表現(xiàn)為紅層區(qū)>沖洪積區(qū)>變質(zhì)巖區(qū)>細砂巖區(qū)。

關(guān)鍵詞： 茶葉;品質(zhì)成分;土壤元素;相關(guān)分析;回歸分析

中圖分類號：S5711;S1536

文獻標識碼：A

文章編號：20961871（2020）0216611

武夷巖茶產(chǎn)于福建省武夷山市，具有獨特的“巖韻”特征，被譽為“茶中之王”。近些年來，種茶帶來的巨大經(jīng)濟效益導(dǎo)致武夷山茶園過度開發(fā)，產(chǎn)出茶葉的品質(zhì)良莠不齊，環(huán)境遭受破壞，因此，急需提出科學(xué)合理的指導(dǎo)措施提高茶葉品質(zhì)，維護良好的茶園土壤生態(tài)環(huán)境。茶葉品質(zhì)是多種成分的綜合表現(xiàn)，其中茶多酚、氨基酸和咖啡堿是影響茶葉品質(zhì)的主要因子[1]，且與茶葉品質(zhì)呈顯著正相關(guān)[2]。目前，關(guān)于茶葉品質(zhì)與土壤地球化學(xué)背景關(guān)系的研究主要集中在土壤N、P、K等養(yǎng)分元素對茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)的作用[38]，對其它常量及微量元素的綜合影響研究較少，且武夷山茶葉品質(zhì)成分與土壤地球化學(xué)指標間的量化關(guān)系和指標適宜范圍有待進一步明確。本文以“福建省資源環(huán)境承載能力綜合調(diào)查評價”項目為基礎(chǔ)，采用相關(guān)分析及回歸分析方法，探討影響武夷巖茶茶葉品質(zhì)的土壤理化因子及地球化學(xué)特征，建立茶葉品質(zhì)地球化學(xué)適宜模型，并提出各因子的適宜范圍，對不同地質(zhì)背景下茶葉品質(zhì)特征進行討論，為改進茶園管理、提高茶葉品質(zhì)和維護良好生態(tài)環(huán)境提供參考。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省武夷山市西部，包括九曲溪流域中下游地區(qū)及武夷山風(fēng)景區(qū)。武夷山市屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，冬短夏長，日照充足，雨量充沛。東部、西部和北部群山環(huán)抱，峰巒疊嶂，中南部較平坦，為山地丘陵區(qū)。研究區(qū)土地利用類型主要有水田、旱地、林地和果園等，果園主要為茶園，集中位于星村鎮(zhèn)和武夷山風(fēng)景區(qū)東北部。土壤類型主要為紅壤、黃壤、水稻土、酸性紫色土和酸性粗骨土，其中酸性紫色土和酸性粗骨土集中分布在武夷山風(fēng)景區(qū)。

研究區(qū)地層從元古界到第四系均有出露。早元古代麻源群大金山巖組（Pt1d）以黑云母片巖為主，麻源群南山組（Pt1n）主要為黑云斜長變粒巖;中元古代交溪組（Pt2j）主要為黑云二長變粒巖;中—晚元古代萬全群杜潭組（Pt23dt）主要為黑云斜長變粒巖;晚三疊世焦坑組（T3j）主要為灰黑色細砂巖、粉砂巖;早侏羅世梨山組（J1l）主要為灰色砂巖、粉砂巖;晚侏羅世南園組（J3n）主要為灰色熔結(jié)凝灰?guī)r;晚侏羅世坂頭組（J3b）主要為灰色泥巖、頁巖;早白堊世寨下組（K1z）主要為紫紅色流紋巖，夾凝灰質(zhì)砂礫巖;晚白堊世沙縣組（K2s）主要為紫紅色粉砂巖、泥巖夾砂礫巖;晚白堊世崇安組（K2c）主要為紫紅色厚層狀礫巖、砂礫巖夾粉砂巖;第四系（Q）主要為耕植土、黏土、粗砂、卵石等?；◢弾r出露于九曲溪流域西北部，主要為燕山早期黑云母花崗巖（圖1）。

2材料與方法

21樣品采集與處理

2015年9月—2016年12月，在武夷山市星村鎮(zhèn)黃村、曹墩、朝陽及武夷山風(fēng)景區(qū)共采集26件茶葉樣品和根系土壤樣品。

（1）茶葉樣品采集方法。按照烏龍茶傳統(tǒng)采茶標準，采集茶鮮葉樣（形成駐芽，中開面二、三葉）制成混合樣，同一采樣點多植株樣品組合成1個茶鮮葉樣品，每件樣品重1～15 kg。

（2）根系土壤樣品采集方法。采集茶葉樣品的同時，在茶葉采樣點進行土壤采樣。土壤樣品以根系層（0～40 cm）為主，先用鐵鍬挖坑，然后用竹片去除與金屬采樣器接觸的土壤，再采集樣品重約1 kg，并作點位標記。

22樣品檢測及方法

土壤樣品分析測試在福建省121地質(zhì)大隊化驗測試中心完成，分析測試項目、分析方法及檢出限如表1所示。

測試結(jié)果的準確度、精密度和報出率均滿足《DZ/T 0130—2006地質(zhì)礦產(chǎn)實驗室測試質(zhì)量管理規(guī)范》[9]、《DZ/T 0011—91地球化學(xué)普查規(guī)范比例尺1∶50 000》[10]和《DD2005—03生態(tài)地球化學(xué)評價樣品分析技術(shù)要求》[11]規(guī)定。

茶葉鮮葉樣品測試工作在安溪縣茶葉科學(xué)研究所和農(nóng)業(yè)部茶葉質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心完成，分析測試項目包括茶多酚、咖啡堿和氨基酸。茶多酚檢測方法參照《GB/T 8313—2008 茶葉中茶多酚和兒茶素類含量的檢測方法》[12]，咖啡堿檢測方法參照《GB/T 8312—2013 茶 咖啡堿測定》[13]，氨基酸檢測方法參照《GB/T 8314—2013 茶 游離氨基酸總量的測定》[14]。

23數(shù)據(jù)處理與方法

運用數(shù)據(jù)偏度和峰度判斷是否符合正態(tài)性檢驗條件，將滿足正態(tài)分布和對數(shù)正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進行Pearson相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)通常用r表示，計算公式為

t統(tǒng)計量服從n-2個自由度的t分布，通過查閱t分布臨界值表進行顯著性判斷，滿足t檢驗說明變量之間存在相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)有意義。

在探討茶葉成分和土壤元素指標相關(guān)性的基礎(chǔ)上，將具有相關(guān)性的指標進行線性回歸分析，建立線性回歸模型，公式為

構(gòu)建出回歸方程模型后，再對其進行假設(shè)檢驗。

1. 擬合優(yōu)度檢驗。決定系數(shù)R2反應(yīng)回歸方程整體擬合度，能表達因變量與自變量之間的總體關(guān)系，方程式為

該方法是通過檢查指定的解釋變量被回歸方程中其它解釋變量所解釋的程度來檢測多重共線性，每個解釋變量中均存在1個VIF值，方差膨脹因子越高，自變量之間的線性關(guān)系越強，多重共線性的影響越嚴重。若VIF<10，認為共線性不嚴重，符合要求;若VIF≥10，說明共線性嚴重，需采取其他方法解決問題。通過上述檢驗構(gòu)建的回歸方程才具有意義。Pearson相關(guān)性分析和線性回歸分析通過SPSS 220軟件實現(xiàn)，選擇合理的自變量構(gòu)建茶葉品質(zhì)地球化學(xué)適宜模型。

3茶葉成分與土壤地球化學(xué)特征關(guān)系

31茶葉成分與土壤地球化學(xué)特征

研究區(qū)26件茶葉品種以肉桂和水仙為主，采樣地點均位于丘陵地區(qū)，土壤類型為紅壤、黃壤及酸性紫色土，質(zhì)地主要為砂土，少部分為砂壤和黏壤。對茶葉和土壤樣品各指標進行數(shù)學(xué)統(tǒng)計（表2）。

對應(yīng)的根系土壤元素指標中，有機質(zhì)含量平均值為253%，低于福建省背景值和全國背景值，土壤pH值平均值為473，與福建省土壤背景值差異不大，低于全國背景值。土壤全鉀（表2中為K）含量平均值為198%，高于福建省背景值，略高于全國背景值。土壤Mn、Ca、Mg、Ni平均值比福建省背景值高，低于全國背景值，土壤Zn、B、Cu平均值均高于福建和全國背景值，說明研究區(qū)土壤層中Zn、B、Cu豐度較高，Se含量為045×10-6，高于全國背景值但低于福建省背景值，土壤Mo含量平均值低于福建省和全國背景值。

分析茶葉成分及土壤理化指標分布特征，判斷數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布。由于樣本數(shù)量（n=26）較少，因此采用偏度和峰度進行正態(tài)性檢驗，在原數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上取自然對數(shù)納入統(tǒng)計量中，統(tǒng)計各指標的偏度系數(shù)和峰度系數(shù)及其標準誤差，計算Z值（表3）。

在正態(tài)性檢驗中，一般用Z值檢驗變量的正態(tài)性。查閱標準正態(tài)分布Z值表可知，當(dāng)置信區(qū)間為95%時，對應(yīng)的Z值臨界值為196，即當(dāng)偏度和峰度Z值絕對值<196時，認為變量服從正態(tài)分布。由表3可知，服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)指標有咖啡堿、氨基酸和土壤有機質(zhì)、pH值、N、Se。服從對數(shù)正態(tài)分布的數(shù)據(jù)指標有茶多酚、P、K、有效P、速效K、Mn、Zn、B、Mo、Ca、Mg、Cu、Ni。

32茶葉成分與土壤理化指標相關(guān)性

土壤理化性質(zhì)對茶葉成分具有顯著影響，是決定茶葉品質(zhì)的基礎(chǔ)。根據(jù)正態(tài)性檢驗結(jié)果，將服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布的指標進行pearson相關(guān)性分析（表4）。

由表4可知，茶葉鮮葉中茶多酚與土壤pH值、K、有效P、速效K和Ca呈顯著正相關(guān)，與土壤中Se、Cu、Ni呈顯著負相關(guān)。其中，Ni的對數(shù)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)絕對值最大，相關(guān)系數(shù)為-0673;咖啡堿與土壤中P、Mn、Zn、Se、Mo、Cu、Ni呈顯著正相關(guān)，Zn和Cu的對數(shù)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)分別為0617和0627;氨基酸與土壤pH值、K、Ca呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0612、0639、0533，說明茶葉中的化學(xué)成分與土壤中多項指標具有較強的相關(guān)性。

33茶葉回歸預(yù)測模型

為進一步研究茶葉各化學(xué)成分與土壤中各指標之間的相關(guān)性，將相關(guān)性分析中呈顯著或極顯著土壤理化指標進行線性回歸分析，建立適宜模型。

331茶多酚

因變量選擇茶多酚對數(shù)值，自變量選擇土壤pH值和Se原始值以及土壤K、有效P、速效K、Ca、Cu、Ni的對數(shù)值，通過SPSS軟件實現(xiàn)計算，回歸結(jié)果如表5所示?；貧w方程F=17849，顯著性為0000（p<005），通過F檢驗。

由表5可知，通過t檢驗的指標為ln（Ni）和pH值，顯著性值分別為0001和0006，均明顯<005，認為該兩項自變量對因變量存在顯著影響。變量VIF值均為1101，<5，說明自變量之間無共線性問題，得出的回歸方程為

其中，偏回歸系數(shù)β1為0703，β2為-0488，常數(shù)項為-0682。茶多酚標準化殘差正態(tài)PP圖如圖2所示。數(shù)據(jù)基本沿對角線及兩側(cè)分布，說明殘差基本符合正態(tài)分布，回歸方程擬合較好。

構(gòu)建的回歸方程擬合度R2=0608，說明土壤pH值、Ni對茶葉茶多酚含量變化的解釋度為608%，茶多酚對數(shù)實際值與擬合值關(guān)系圖（圖3）顯示，數(shù)據(jù)總體沿對角線分布，回歸效果較好。

332咖啡堿

因變量選擇咖啡堿原始值，自變量選擇土壤Se原始值與土壤P、Mn、Zn、Mo、Cu、Ni的對數(shù)值進行回歸分析，回歸結(jié)果如表6所示。回歸方程F=15582，顯著性值為0001（p<005），符合F檢驗。

333氨基酸

因變量選擇氨基酸原始值，自變量選擇土壤pH值原始值和土壤K、Ca對數(shù)值進行線性回歸分析，結(jié)果如表7所示，回歸方程F=12790，顯著性值為0000（p<005），符合F檢驗。

由表7可知，通過t檢驗的指標有l(wèi)n（K）和pH值，顯著性值分別為0012和0025。共線性檢驗中，各變量VIF值均為1312，<5，說明自變量之間無共線性問題，得出的回歸方程如下：

構(gòu)建的回歸方程擬合度R2=0527，說明土壤pH值及K含量對茶葉氨基酸含量變化的解釋度為527%，氨基酸擬合值與實際值散點圖如圖7所示，數(shù)據(jù)總體沿對角線分布，回歸效果較好。

4結(jié)果分析

41武夷山茶葉品質(zhì)影響因素

根據(jù)相關(guān)性分析及回歸分析結(jié)果，影響研究區(qū)茶葉主要化學(xué)成分含量的主要因子為土壤pH值、K、Cu和Ni，且土壤P、有效P、速效K、Mn、Zn、Se、Mo和Ca與各組分存在一定相關(guān)關(guān)系。

茶樹是典型的喜酸作物，適宜的土壤pH值范圍為45～60[20]，酸性過低將影響茶樹正常生長[21]。本次研究認為，土壤pH值對茶葉品質(zhì)成分具有顯著影響，根據(jù)回歸分析結(jié)果，當(dāng)土壤pH值為40～55時，土壤pH值的提高有利于茶葉中茶多酚、氨基酸的物質(zhì)積累，與前人研究結(jié)果基本一致[2223]，且土壤酸化將降低土壤肥力，提高重金屬活性[24]，適當(dāng)增加土壤pH值能有效抑制土壤重金屬活性，降低土壤重金屬污染風(fēng)險[25]。因此，土壤pH值為50～55時最適宜茶葉生長。

土壤K能有效促進茶葉氨基酸的合成[26]，K能夠增強酶活性，促進光合作用[3]，提高茶樹抗逆性[4]。在一定范圍內(nèi)，隨著土壤K含量增高，茶葉中氨基酸含量增加，可提升茶葉品質(zhì)[1，2728]。根據(jù)回歸方程可知，當(dāng)土壤pH值為50～55的適宜區(qū)間時，土壤K含量為131%～276%，茶葉氨基酸含量為2%～4%，對茶葉品質(zhì)的提高具有良好的促進作用。

Cu是茶樹必需的微量元素之一。本次研究發(fā)現(xiàn)，在一定含量范圍內(nèi)，土壤Cu能夠促進茶葉中咖啡堿的積累。茶葉本身對Cu具有較強富集能力[29]， Cu在呼吸作用、線粒體的新陳代謝等方面具有重要影響，Cu含量過高將對植物生長發(fā)育具有阻礙作用[4，36]。依據(jù)建立的回歸模型，當(dāng)土壤Cu含量為（951～13380）×10-6時，茶葉中咖啡堿含量處于3%～4%的適宜區(qū)間，茶葉品質(zhì)可得到良好提升[2728，32]。

土壤Ni主要來源于成土母質(zhì)。本次研究表明，茶葉中茶多酚含量與土壤中Ni含量呈負相關(guān)，說明土壤Ni對茶葉茶多酚的累積有較強的抑制作用。研究表明，適量的Ni對植物物質(zhì)積累及生長具有促進作用，但過量的Ni則會對生物體產(chǎn)生毒害[33]，因此，適當(dāng)降低土壤中Ni含量，既能保證茶樹正常生長，也有利于茶葉中茶多酚的合成及茶葉品質(zhì)的提高[30]。從建立的回歸模型可知，當(dāng)土壤pH值為50～55的適宜區(qū)間時，土壤Ni含量應(yīng)保持在（085～097）×10-6，茶葉中茶多酚可達到20%～25%的適宜范圍，有利于茶葉品質(zhì)提升。

此外，土壤中其它元素對茶葉品質(zhì)也具有一定影響。土壤P等養(yǎng)分元素可提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)，缺P將降低茶葉中茶多酚的含量[34]。土壤Mn與茶葉中咖啡堿呈一定正相關(guān)，茶葉對Mn以“主動吸收”為主[35]，是茶葉生成葉綠素和多種酶的關(guān)鍵[9]。Zn與茶葉中咖啡堿含量呈顯著正相關(guān)，對茶葉品質(zhì)具有促進作用[3，3637]。根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果，土壤Se對茶葉中茶多酚累積可能存在抑制作用，但有利于咖啡堿的合成， Se與部分重金屬元素可能具有相同來源[38]，因此，需注意Se含量高的地區(qū)是否存在重金屬元素污染的風(fēng)險。Ca與茶多酚和氨基酸呈極顯著正相關(guān)，土壤中Ca含量對土壤pH值具有重要影響，隨著土壤中的Ca含量提高，土壤pH值也增大，可提高茶葉品質(zhì)[3940]，但Ca含量不應(yīng)太高，否則會降低茶葉中水浸出物、咖啡堿和茶多酚含量，降低茶葉品質(zhì)[3]。

42不同地質(zhì)背景茶葉種植的適宜性

不同的地質(zhì)背景是構(gòu)成土壤理化性質(zhì)的基礎(chǔ)。研究區(qū)26件樣品中，11件位于變質(zhì)巖區(qū)，巖性主要為黑云斜長變粒巖，5件位于焦坑組細砂巖地區(qū)，5件位于第四紀沖洪積區(qū)，5件位于白堊紀紅層區(qū)，巖性主要為砂礫巖，根據(jù)回歸結(jié)果，對土壤pH值、K、Cu和Ni進行統(tǒng)計（表8）。

土壤pH值最適宜區(qū)間為50～55， 適宜區(qū)間為45～50。由表8可知，不同地質(zhì)背景的土壤pH值適宜性表現(xiàn)為砂礫巖區(qū)>沖洪積區(qū)>變粒巖區(qū)>細砂巖區(qū)，需注意防止土壤進一步酸化。土壤K最適宜區(qū)間為131%～276%，不同地質(zhì)背景土壤K適宜性表現(xiàn)為變粒巖區(qū)>砂礫巖區(qū)>細砂巖區(qū)>沖洪積區(qū)。土壤Cu適宜區(qū)間為（951～13380）×10-6，各地層發(fā)育的土壤均處于適宜范圍內(nèi)，但砂礫巖區(qū)土壤Cu偏低，不利于茶葉咖啡堿物質(zhì)積累。土壤Ni最適宜區(qū)間為（085～097）×10-6，不同地質(zhì)背景土壤Ni適宜性表現(xiàn)為砂礫巖區(qū)>沖洪積區(qū)>細砂巖區(qū)>變粒巖區(qū)。

綜上所述，不同地質(zhì)背景茶葉種植適宜性為紅層區(qū)>沖洪積區(qū)>變質(zhì)巖區(qū)>細砂巖區(qū)。以砂礫巖為代表的紅層區(qū)最適宜高品質(zhì)茶葉種植，其次為沖洪積區(qū)，兩類地質(zhì)背景下生長的茶葉茶多酚和氨基酸含量高，咖啡堿含量較低。以黑云斜長變粒巖為主的變質(zhì)巖區(qū)茶葉僅咖啡堿含量較高，且土壤存在Cu含量過高的風(fēng)險。在細砂巖區(qū)種植的茶葉中茶多酚、咖啡堿、氨基酸含量均偏低，茶葉品質(zhì)相對不高。各個地區(qū)土壤Ni含量均偏高，對茶葉茶多酚含量積累以及茶葉品質(zhì)的提升具有一定抑制作用。

5結(jié)論

（1）影響武夷山茶葉品質(zhì)的土壤因子主要為pH值、K、Cu和Ni?？傮w看，研究區(qū)土壤pH值偏低，K和Cu含量處于適宜范圍，Ni含量偏高，通過提高土壤pH值、降低土壤Ni含量，可在一定程度上改善茶葉品質(zhì)。

（2）不同地質(zhì)背景下的武夷山茶葉種植適宜性表現(xiàn)為紅層區(qū)>沖洪積區(qū)>變質(zhì)巖區(qū)>細砂巖區(qū)。

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