烏龍茶專用肥的農學、經(jīng)濟和環(huán)境效應評價

黃梓璨，陳曉輝，蘇 達，尹家旭，吳輝煌，吳良泉

（1福建農林大學資源與環(huán)境學院，福州 350002；2福建農林大學國際鎂營養(yǎng)研究所，福州 350002；3福建農林大學農學院，福州 350002；4福建安溪鐵觀音集團股份有限公司，福建泉州 362400）

0 引言

茶葉是中國主要的經(jīng)濟作物之一，在農業(yè)生產(chǎn)中占有很重要的地位。據(jù)統(tǒng)計，2018年中國茶葉種植面積達289.9萬hm2，產(chǎn)量為264萬t[1]，分別占世界的56.0%和41.4%[2]。然而，30%～50%的茶園存在化肥施用過量的問題[3]。近年來，農業(yè)部先后發(fā)布了《2020年化肥使用量零增長行動方案》以及《開展果菜茶有機肥替代化肥行動方案》，旨在促進茶葉生產(chǎn)提質增效、綠色發(fā)展[4-5]。因此，優(yōu)化茶園的施肥管理對實現(xiàn)茶葉可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

中國茶園多分布于南方山地丘陵地區(qū)，以小農戶經(jīng)營為主，農戶之間的施肥習慣差異較大，施肥不足與施肥過量的現(xiàn)象并存。福建茶區(qū)約有65%的茶園氮肥施用量低于245 kg N/hm2，18.9%的茶園氮肥用量處于高值區(qū)間，遠超合理用量(300～450 kg N/hm2)，平均用量達到828 kg N/hm2[6]。地塊間的施肥變異是限制作物產(chǎn)量和肥料利用率的重要因素[7]，通過區(qū)域配肥管理技術，優(yōu)化茶園養(yǎng)分投入，對提高茶葉產(chǎn)量、減少資源消耗、降低環(huán)境代價具有現(xiàn)實意義。前人研究表明，在糧食作物上實施區(qū)域配肥技術，可顯著提高作物產(chǎn)量、肥料利用率和經(jīng)濟效益[8]，同時也解決了施肥管理技術推廣難度大的問題。作物專用肥是根據(jù)特定作物的養(yǎng)分需求規(guī)律，同時結合區(qū)域內土壤養(yǎng)分狀況，將養(yǎng)分元素進行科學配比，供作物專門使用的肥料[9]，有利于實現(xiàn)肥料高效利用，促進作物增產(chǎn)增效，為大面積應用推廣提供有效途徑。然而，之前研究主要集中于農學和經(jīng)濟效益的評估，缺少耦合農學、經(jīng)濟和環(huán)境的綜合評價。特別是在烏龍茶產(chǎn)區(qū)，目前未見有關鐵觀音專用肥綜合評價的研究報道。

安溪作為重點產(chǎn)茶縣，而茶農長期缺乏科學系統(tǒng)的施肥技術指導，施肥普遍不合理，茶園土壤酸化和養(yǎng)分損失日趨嚴重，亟需建立符合茶園養(yǎng)分需求的科學施肥方案。本研究控制氮磷鉀投入，同時補充鎂營養(yǎng)，為茶園減肥增效提供技術思路。同時將鎂添加入復合肥中，研發(fā)了烏龍茶專用肥，實現(xiàn)技術的大面積應用。通過分析對比農民習慣、優(yōu)化施肥以及烏龍茶專用肥對鐵觀音產(chǎn)量、品質、經(jīng)濟效益、養(yǎng)分吸收和環(huán)境代價等方面的影響，為茶葉產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗于2017年12月在安溪縣祥華鄉(xiāng)富多茶廠生產(chǎn)基地進行，該地區(qū)位于東經(jīng)117°36′—118°17′，北緯24°50′—25°26′，平均海拔在700 m 以上，年均溫 19～21℃，年降水量為1400～1800 mm，主要集中在6—8月份，屬于亞熱季風氣候。茶園為平地，平均行距為0.6 m，平均株距為0.4 m，供試土壤為黃紅壤，基本理化性質見表1。

表1 試供土壤基本理化性質

1.2 供試材料和試驗設計

供試茶樹品種為鐵觀音，樹齡為12年。設置3個施肥處理，分別為農民習慣(farmers’practice,FP)、優(yōu)化氮磷鉀肥用量(optimal N,P and K rates,Opt-NPK)和烏龍茶專用肥(specific fertilizer,SF)?！稗r戶習慣”化肥用量根據(jù)本課題組在安溪縣鐵觀音茶葉產(chǎn)區(qū)的106戶實地調研結果確定，氮、磷、鉀用量分別為529 kg N/hm2、238 kg P2O5/hm2、278 kg K2O/hm2?？紤]到生產(chǎn)上的大面積應用，通過整理文獻數(shù)據(jù)[10-14]，明確優(yōu)化氮磷鉀肥用量分為300 kg N/hm2、100 kg P2O5/hm2、125 kg K2O/hm2（圖1）。優(yōu)化氮磷鉀肥用量處理所用肥料為尿素(46%N)、過磷酸鈣(12% P2O5)和硫酸鉀(49% K2O)。烏龍茶專用肥處理則是在2處理的基礎上添加鎂，其用量為35 kg MgO/hm2，按照養(yǎng)分配比并通過團粒法生產(chǎn)了茶葉專用肥（N-P2O5-K2O-MgO為25-8-12-3）。肥料分3次施用，分別為基肥30%（12月24日前后）、春茶追肥20%（3月24日前后）、秋茶追肥50%（8月20日前后），施用方式為撒施。單個小區(qū)的面積為20 m2，重復4次，除施肥外的茶園管理措施一致。

圖1 鐵觀音推薦施肥用量整理

1.3 測定項目及方法

1.3.1 產(chǎn)量統(tǒng)計 采用采茶框(33 cm×33 cm)隨機取樣，并按照一芽三葉的標準采摘完框內新梢，記錄茶芽數(shù)并稱重。每個小區(qū)采4框重復，統(tǒng)計每個樣方中的茶芽密度和百芽重，以此估算產(chǎn)量。

1.3.2 茶葉養(yǎng)分、品質測定 茶葉鮮樣經(jīng)110℃殺青20min后，降至80℃恒溫烘干，粉碎后待測。參照魯如坤的方法[15]，測定葉片氮、磷、鉀、鎂、鈣濃度。茶粉中的茶多酚和游離氨基酸含量按照國家標準GB/T 8313—2008和GB/T 8314—2013測定。

1.3.3 環(huán)境效應評價 基于國際標準ISO 2006a和ISO 2006b[16-17]，采用生命周期評價(LCA)對茶葉生產(chǎn)過程中的環(huán)境效應進行評價。本研究僅關注茶鮮葉生產(chǎn)過程中農資和農作階段產(chǎn)生的環(huán)境代價。其中活性氮損失計算公式和參數(shù)見文獻[18]，溫室氣體排放效應、酸化效應、富營養(yǎng)化效應計算公式和參數(shù)見文獻[19]。

單位產(chǎn)量活性氮損失如式(1)所示。

式中，Nr表示單位產(chǎn)量活性氮排放總量，Total RNL表示生產(chǎn)運輸階段的活性氮損失量，將不同項目的投入量與對應的活性氮損失系數(shù)（表3）計算乘積后求和可得[20-23]，N2Odirect表示氧化亞氮直接排放量，N2Odirect(kg N/hm2)=2.82%×氮投入量[24]，NH3表示氨揮發(fā)量，NH3(kg N/hm2)=11.53%×氮投入量[25]，NO3-表示硝酸鹽淋洗損失量，NO3-(kg N/hm2)=13.1%×氮投入量[26,27]，Yield表示茶青產(chǎn)量。

單位產(chǎn)量溫室氣體效應如式(2)～(3)所示。

式中，GWP表示的單位產(chǎn)量茶葉生產(chǎn)的溫室氣體排放；Total CO2表示生產(chǎn)運輸中產(chǎn)生的CO2，將不同項目的投入量與對應的溫室氣體排放系數(shù)（表3）計算乘積后求和可得；Total N2O表示施用化肥直接產(chǎn)生的N2O以及氨揮發(fā)、氮淋洗間接產(chǎn)生的N2O量，單位為kg N/hm2，NH3揮發(fā)和NO3-淋洗轉化為N2O的間接排放因子的缺省值分別為1%和0.75%[28]，其中N對N2O的轉化系數(shù)為44/28，N2O轉換為等量CO2的系數(shù)為298，Yield表示茶青產(chǎn)量。

單位產(chǎn)量酸化效應計算如式(4)所示。

式中，AP表示單位產(chǎn)量茶葉生產(chǎn)的酸化效應，Total SO2表示生產(chǎn)運輸中產(chǎn)生的SO2，將不同項目的投入量與對應的酸化效應系數(shù)（見表3）計算乘積后求和可得；NH3表示氨揮發(fā)量，其中N對NH3的轉換系數(shù)為17/14，NH3轉換為等量SO2的系數(shù)為1.88，Yield表示茶青產(chǎn)量。

單位產(chǎn)量富營養(yǎng)化效應計算如式(5)所示。式(5)中，EP表示單位產(chǎn)量茶葉生產(chǎn)的富營養(yǎng)化效應，Total SO2表示生產(chǎn)運輸中產(chǎn)生的PO4，將不同項目的投入量與對應的富營養(yǎng)化效應系數(shù)（表3）計算乘積后求和可得，NO3-表示淋洗損失量、NH3表示氮揮發(fā)量，其中N對NH3的轉換系數(shù)為17/14，NO3-和NH3轉換為等量

表3 農資生產(chǎn)階段的活性氮損失、溫室氣體、酸化效應和富營養(yǎng)化效應的排放因子

PO4的富營養(yǎng)化效應系數(shù)分別為0.42和0.33；Pinput為磷投入量，0.2%為磷肥排放的富營養(yǎng)化效應系數(shù)，Yield表示茶青產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2019、SPSS 20軟件進行統(tǒng)計分析和制圖，最小顯著法(LSD)檢驗試驗數(shù)據(jù)的差異顯著性水平(P＜0.05)。

表觀平衡計算如式(6)～(9)所示。

式中，春茶茶青價格按6.0元/kg，秋茶茶青價格按12.0元/kg計算；肥料成本中，尿素價格按2.4元/kg，過磷酸鈣價格按1.6元/kg，硫酸鉀按3.6元/kg，硫酸鎂按3.2元/kg，烏龍茶專用肥價格按3.5元/kg計算；單季農藥成本為3150元/hm2，單季除草修剪成本為6750元/hm2，單季人工成本為6000元/hm2。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對茶葉產(chǎn)量、產(chǎn)量構成和成本收益的影響

表4 結果表明，與FP處理相比，Opt-NPK處理的茶青產(chǎn)量和百芽重未受影響，茶芽數(shù)顯著減少5.8%；SF處理與Opt-NPK處理相比，茶青產(chǎn)量小幅增加，茶芽密度顯著提高，增幅達到8.7%，百芽重無顯著差異；FP與SF處理并無顯著差異。進一步分析茶葉季節(jié)間差異，認為同一處理的春茶產(chǎn)量以及產(chǎn)量構成均高于秋茶。

表4 不同施肥處理對茶葉產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的影響

Opt-NPK處理較FP處理減少了肥料投入，每公頃的成本降低1790元，Opt-NPK處理由于產(chǎn)量降低而導致產(chǎn)值低于FP處理，但純收入均值未受到顯著影響。SF處理較Opt-NPK處理提高了產(chǎn)值和純收入，但差異未達顯著水平，與FP處理產(chǎn)值和純收入持平。

2.2 不同施肥處理對茶葉養(yǎng)分吸收的影響

總體而言FP處理、Opt-NPK處理和SF處理新梢氮、磷、鉀養(yǎng)分濃度并無顯著差異。進一步比較不同茶季間差異發(fā)現(xiàn)，SF處理較Opt-NPK處理春茶新梢氮濃度提高6.7%，達顯著差異水平（表5）?？傮w而言FP處理、Opt-NPK處理和SF處理新梢氮、磷、鉀帶走量并無顯著差異。進一步比較不同茶季間的差異發(fā)現(xiàn)，同一處理的春茶新梢養(yǎng)分帶走量高于秋茶，同一茶季中，各處理的新梢氮、磷、鉀帶走量無顯著差異（表6）。

表5 不同處理對茶葉氮磷鉀養(yǎng)分濃度的影響 g/kg

表6 不同處理對茶葉氮磷鉀養(yǎng)分帶走量的影響 kg/hm2

2.3 不同施肥處理對肥料偏生產(chǎn)力及養(yǎng)分平衡的影響

與FP處理相比，Opt-NPK處理和SF處理的氮、磷、鉀肥偏生產(chǎn)力顯著提高，其中Opt-NPK處理的氮、磷、鉀肥偏生產(chǎn)力分別提高了64.0%、112.1%、106.8%；SF處理較Opt-NPK處理進一步提升，氮、磷、鉀肥偏生產(chǎn)力分別達到20.5、61.4、49.1 kg/kg。比較不同茶季間差異發(fā)現(xiàn)，春茶時期的氮、磷、鉀肥料偏生產(chǎn)力更高（表7）。

基于肥料用量、新梢養(yǎng)分帶走量計算不同處理的土壤養(yǎng)分收支平衡，結果（表7）顯示，F(xiàn)P處理的氮、磷、鉀養(yǎng)分收支皆表現(xiàn)為盈余狀態(tài)，表觀盈余量分別達到235.1 kg N/hm2、110.5 kg P2O5/hm2和115.6 kg K2O/hm2，與FP處理相比，Opt-NPK處理的氮、磷、鉀表觀盈余量顯著降低，降幅分別達到48.0%、58.0%、65.8%，SF處理的養(yǎng)分表觀盈余量與Opt-NPK處理整體接近，僅氮素表觀盈余量小幅降低，分別為120.3 kg N/hm2、46.4 kg P2O5/hm2和 39.5 kg K2O/hm2。

表7 不同施肥處理對肥料偏生產(chǎn)力及養(yǎng)分表觀平衡的影響

2.4 不同施肥處理對茶葉品質的影響

不同施肥處理的茶葉品質結果如表8所示，各處理間的茶多酚含量均值、游離氨基酸總量均值以及酚氨比均值差異不顯著。進一步比較不同茶季間差異發(fā)現(xiàn)，春、秋茶季各處理間的茶多酚含量、游離氨基酸總量及酚氨比無顯著差異。

表8 不同施肥處理對茶葉品質的影響

2.5 不同施肥處理對環(huán)境代價的影響

減少肥料投入顯著降低了環(huán)境代價，Opt-NPK處理的活性氮損失、溫室氣體效應、酸化效應和富營養(yǎng)化效應較FP處理分別降低了37.6%、36.1%、37.5%、37.7%；SF處理的活性氮損失、溫室氣體效應、酸化效應、富營養(yǎng)化效應較FP處理分別降低了42.4%、41.0%、42.3%、42.5%，與Opt-NPK處理相比，單位產(chǎn)量環(huán)境代價進一步下降。比較不同茶季間的差異發(fā)現(xiàn)，秋茶生產(chǎn)上產(chǎn)生的環(huán)境代價更高，以習慣處理為例，秋季鮮葉生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的活性氮損失、溫室氣體效應、酸化效應、富營養(yǎng)化效應較春季分別提高了66.2%、70.1%、66.3%、66.2%（圖2）。

圖2 不同施肥處理對單位產(chǎn)量茶葉生產(chǎn)過程中活性氮損失(A)、溫室氣體排放(B)、酸化效應(C)和富營養(yǎng)化效應(D)

3 結論

四季田間試驗結果表明，與農民習慣施肥相比，減量施肥不影響茶葉的產(chǎn)量、品質、養(yǎng)分吸收和經(jīng)濟效益，同時降低了肥料成本，同時減少了環(huán)境代價，兼具平衡營養(yǎng)、經(jīng)濟環(huán)保的特點，施用烏龍茶專用肥補充了鎂素，相比于Opt-NPK，提高了茶芽數(shù)，促進對氮素的吸收，同時專用肥產(chǎn)品簡化了技術、提高了操作性，便于進行大面積推廣，具有廣闊的應用前景。

4 討論

施肥是保證土壤養(yǎng)分供應充足，維持茶葉高產(chǎn)的必要措施。本課題組開展的大量的農戶調查表明，F(xiàn)P處理的氮、磷和鉀肥用量分為529 kg N/hm2，238 kg P2O5/hm2和278 kg K2O/hm2，而周年采摘的茶葉氮、磷和鉀養(yǎng)分帶走量分別只有65 kg N/hm2、17.8 kg P2O5/hm2和62.2 kg K2O/hm2，表明當前FP處理的養(yǎng)分投入遠遠超出茶樹的需求量，單季平均表觀盈余量達到235.1kgN/hm2、110.5 kg P2O5/hm2、115.6 kg K2O/hm2（表7）。本研究中的Opt-NPK處理減少50%的化肥總投入量（其中N減少43%，P2O5減少58%，K2O減少64%），2年的結果顯示茶青產(chǎn)量并未受到明顯的影響（表4）。同時，Opt-NPK處理的氮、磷、鉀養(yǎng)分表觀盈余較FP處理分別減少了48.0%、58.0%、65.8%，肥料偏生產(chǎn)力也較FP處理顯著提高，表明Opt-NPK處理的肥料用量已可滿足茶葉生產(chǎn)需求。此外，本研究結果也顯示，減肥后茶樹對氮、磷、鉀養(yǎng)分的帶走量并沒有差異，進一步說明基于農戶經(jīng)驗管理過多的肥料投入是沒必要的。盡管如此，本研究的Opt-NPK處理依然表現(xiàn)養(yǎng)分盈余的狀況，前人研究顯示，成齡茶樹地上部（含采摘、修剪、落葉3個環(huán)節(jié)）周年養(yǎng)分帶走量可達到145 kg N/hm2、22.9 kg P2O5/hm2和41.0 kg K2O/hm2[29]，而本研究僅考慮了采摘環(huán)節(jié)，但即便是按尤雪琴的結果，仍盈余43.6 kg N/hm2、31.4 kg P2O5/hm2和27.6 kg K2O/hm2。關于氮磷鉀肥的優(yōu)化用量有待進一步研究。

烏龍茶專用肥是根據(jù)鐵觀音茶樹的需肥規(guī)律，同時結合鐵觀音茶園普遍缺鎂的現(xiàn)狀，在復合肥中添加鎂，以匹配當前茶園的養(yǎng)分需求，是在Opt-NPK處理的基礎上設計而成。烏龍茶專用肥的應用效果顯示，與Opt-NPK處理相比，可進一步提高茶青產(chǎn)量，顯著增加茶芽數(shù)目（表4），表明在缺鎂茶園中添加鎂，對茶葉增產(chǎn)起一定作用。并且根據(jù)侯玲利[30]的研究顯示，在茶園施用鎂肥還能提高茶葉的葉片厚度以及著葉數(shù)。烏龍茶專用肥的應用還促進了茶樹對氮素的吸收利用，提高了新梢氮濃度和氮帶走量（表5～6），在春茶時期效果顯著，與徐洋、郎漫研究結果一致[31-32]。鎂與氮關系密切，參與植物體內諸多的氮代謝過程，如促進谷氨酸合成谷氨酰胺[32]、提高硝酸還原酶的活性水平[33]，缺鎂時甚至會導致氮素代謝降低，遺傳物質的合成過程受阻[34]。

茶葉品質評價體系中，茶多酚和游離氨基酸是主要滋味物質，常作為評估茶葉品質的重要指標[35]。養(yǎng)分管理對茶葉品質的影響效果顯著[36-38]。本研究中，減肥后對茶多酚、氨基酸含量影響不顯著，表明當前地力狀況下，減肥不會對茶葉品質產(chǎn)生影響，而SF處理氨基酸含量與減肥處理差異不顯著（表8）。推測這可能與不同茶類采摘標準差異有關，前人研究施肥效應對茶葉品質的影響主要建立在綠茶茶類的基礎上，其采摘部位與烏龍茶存在較大差異，通常綠茶采摘要求為新梢的一芽一葉到一芽二葉，而烏龍茶采摘要求為已駐芽的展開新梢一芽三葉，這也造成采摘部位的葉片成熟度存在較大差異，芽葉中的氨基酸含量較成熟葉更高，不同葉位中氨基酸含量存在較大差異[39]，因此關于施肥投入對茶多酚和氨基酸的影響有待進一步研究。

比較不同施肥處理下茶葉生產(chǎn)中環(huán)境效應的差異是評判和指導茶園科學施肥的重要依據(jù)。在農民習慣施肥的養(yǎng)分投入下，單位產(chǎn)量茶葉產(chǎn)生溫室氣體排放量、酸化效應和富營養(yǎng)化效應分別為1098.6 kg CO2eq/t、13.2 kg SO2eq/t和4.4 kg PO4eq/t，應用烏龍茶專用肥以及減肥措施后，各項環(huán)境效應指標下降28%以上（圖2），低于臺灣生產(chǎn)等量烏龍茶產(chǎn)生的溫室氣體排放量和富營養(yǎng)化效應7500 kg CO2eq/t和32.5 kg PO4eq/t，但仍然高于伊朗生產(chǎn)等量茶青產(chǎn)生的環(huán)境代價442 kg CO2eq/t、1.83 kg SO2eq/t和0.64 PO4eq/t[40-41]，造成差異主要與肥料投入差異有關，Chiu研究顯示，臺灣烏龍茶的茶青生產(chǎn)階段，每公頃投入氮、磷、鉀肥分別為749 kg N、126 kg P2O5和118 kg K2O，氮肥投入比本研究FP處理高41.3%，肥料總投入接近，遠超SF和Opt-NPK處理，而伊朗在鮮葉的生產(chǎn)階段的肥料投入比SF、Opt-NPK處理的肥料投入更低，每公頃氮投入為354 kg N，磷投入為66 kg P2O5，無鉀肥投入，由此可見降低肥料投入，尤其是氮肥投入是減少茶葉生產(chǎn)體系環(huán)境影響的重要途徑。本研究中，秋季生產(chǎn)過程產(chǎn)生的環(huán)境代價更高，是春季生產(chǎn)的1.6～1.7倍，這主要是由于秋茶產(chǎn)量較低，但肥料投入量與春茶相似，甚至更高。與FP處理相比，SF、Opt-NPK處理減少了肥料投入，降低了生產(chǎn)成本，但產(chǎn)量并未因此受到影響，各處理的經(jīng)濟效益接近，同時SF、Opt-NPK處理顯著減少了環(huán)境代價，符合茶園減排、綠色發(fā)展的生產(chǎn)觀念。