復(fù)配調(diào)理劑對(duì)茶園土壤質(zhì)量和茶葉品質(zhì)的改良效果

趙 涵，方宏達(dá)，曹英蘭，葉 欣，楊祖潔

(1.集美大學(xué)海洋食品與生物工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.集美大學(xué)港口與海岸工程學(xué)院，福建 廈門 361021；3.中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所，福建 廈門 361021；4.中科同恒環(huán)境科技有限公司，福建 廈門 361021)

0 引言

土壤質(zhì)量是影響茶樹生長和茶葉品質(zhì)的主要因素之一。由于茶樹長時(shí)間種植[1]、茶樹自身性質(zhì)[2-3]、人為活動(dòng)[4]、環(huán)境因素[5]和過度施肥等原因，部分茶園土壤出現(xiàn)酸化、重金屬污染和肥力不均等問題。土壤酸化使茶樹根尖生長受抑制，影響茶樹生長和茶葉品質(zhì)。茶葉重金屬污染影響食品安全，危害人體健康。肥力不均影響茶葉品質(zhì)，如氮肥過量會(huì)降低茶葉香氣前體物質(zhì)的合成[6]，缺磷肥影響茶葉黃酮類物質(zhì)的合成[7]等。這些問題嚴(yán)重影響了茶葉的品質(zhì)，制約茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

對(duì)于存在土壤問題的茶園，土壤改良是提升茶葉品質(zhì)最直接、最有效的方法。土壤改良不僅要考慮修復(fù)效果，還需兼顧經(jīng)濟(jì)效益。所以，目前的改良劑已從傳統(tǒng)的堿性礦物[5,8]轉(zhuǎn)變?yōu)檫x用廉價(jià)易得的工業(yè)副產(chǎn)品[9-10]、有機(jī)物料[11-12]等材料。其中，由農(nóng)業(yè)廢棄物制成的生物炭可增加土壤的持水和保肥性能，增加土壤中有機(jī)質(zhì)的含量[13]；由廢棄牡蠣殼制成的牡蠣殼粉可以提高土壤pH值[14]，改善土壤根系通氣和排水能力，再輔以從高氮磷廢水中回收的鳥糞石緩釋肥[15]，可有效提升土壤磷、鎂含量，平衡土壤肥力，提高作物產(chǎn)量[16]。

然而，施加單一的土壤調(diào)理劑難以解決茶園土壤存在的復(fù)合問題。因此，本文嘗試使用生物炭、牡蠣殼粉和鳥糞石為原料復(fù)配成土壤調(diào)理劑，考察其在土壤改良和茶葉品質(zhì)提升方面的性能，為副產(chǎn)物的加工再利用、茶園土壤改良和茶葉品質(zhì)提升提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

生物炭購于鄭州竹林活性炭開發(fā)公司，牡蠣殼粉來源于漳浦縣國民貝殼加工廠，鳥糞石由中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所提供。3種材料的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試材料基本理化性質(zhì)

1.2 儀器設(shè)備

pH211C型酸度計(jì)，意大利哈納；7000DV型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，美國珀金埃爾默儀器；UV-5200型紫外-可見分光光度計(jì),上海元析儀器有限公司；AR224CN型電子天平，奧豪斯儀器有限公司；ZQTY-70型恒溫振蕩培養(yǎng)箱，上海知楚儀器有限公司；H2-16K型臺(tái)式高速離心機(jī)，湖南可成儀器設(shè)備有限公司；HH- 4型數(shù)顯恒溫水浴鍋，上海梅香儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地位于福建省華安縣某茶園，地理坐標(biāo)為25°00′29.55″'N，117°39′44.98″E，海拔(637.90±1.90)m，屬南亞熱帶與中亞地帶過渡段氣候，年降雨量為1 700 mm，年平均氣溫為20.9 ℃，全年無霜期357 d，土壤為磚紅壤。試驗(yàn)田茶樹品種為鐵觀音，樹齡5 a。

以課題組前期試驗(yàn)得出的調(diào)理劑最優(yōu)配方(50%生物炭+25%牡蠣殼粉+25%鳥糞石)開展大田試驗(yàn)。選擇12塊土壤情況相當(dāng)、茶樹長勢(shì)均一的試驗(yàn)田地，每塊田地面積20 m2，間隔2 m。設(shè)置4種不同的調(diào)理劑施用劑量：不施加土壤調(diào)理劑(CK)，1 500 kg/hm2(T1)，3 000 kg/hm2(T2)，4 500 kg/hm2(T3)。每種處理設(shè)置3塊田地作為重復(fù)，各處理序號(hào)隨機(jī)排布見圖1。調(diào)理劑的施加方式為溝施，溝深控制在10～15 cm，所開溝距茶樹約10～15 cm。試驗(yàn)期間，每塊地的施肥和日常管理均按照當(dāng)?shù)夭柁r(nóng)的種植習(xí)慣進(jìn)行。肥料為有機(jī)肥，施加量為1 500 kg/(hm2·a)。2020年1月9日采集土樣測(cè)試背景值。采樣后施加調(diào)理劑，待5月茶葉采摘時(shí)再次采集土樣和茶葉，分析測(cè)試相關(guān)指標(biāo)。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 土壤采集及測(cè)定

按照梅花式布點(diǎn)法進(jìn)行土壤樣品采集，每個(gè)點(diǎn)采集0～20 cm深度的土壤1 kg，去除樹枝、碎葉和石塊等雜物，將5個(gè)點(diǎn)位的土壤混勻后平均分成4份，舍棄其中的2份，剩下2份裝入袋中，做好標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室。土壤采集后，置于室內(nèi)陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，期間將大土塊細(xì)分，并除去樹枝、碎葉等雜物，過10目尼龍網(wǎng)篩備用。

土壤pH值測(cè)定采用電位法；有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；堿解氮測(cè)定采用氫氧化鈉擴(kuò)散法；有效磷測(cè)定采用NH4F-HCI浸提法[17]；速效鉀測(cè)定采用乙酸銨浸提法。

1.4.2 茶葉采集及測(cè)定

2020年5月進(jìn)行茶葉采摘工作。每塊試驗(yàn)茶葉地采摘茶葉300 g，采摘葉樣為茶樹的“一芽三葉”，茶葉采摘后低溫運(yùn)輸保存，運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室當(dāng)天進(jìn)行蒸青和殺青，所得樣品進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

茶多酚的測(cè)定采用福林酚法；游離氨基酸的測(cè)定采用茚三酮法；水浸出物測(cè)定采用茶水浸出物法；茶葉重金屬含量測(cè)定參考NY 659—2003規(guī)定的方法。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用MS Office 2018系列軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 24.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Origin 2017進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同施用量調(diào)理劑對(duì)茶園土壤肥力的影響

2.1.1 對(duì)土壤pH值的影響

土壤pH值影響土壤的化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，土壤酸化程度加重會(huì)導(dǎo)致重金屬活化、鹽基離子淋失和土壤微生物種群失衡等，影響茶樹的生長。圖2為不同施用量調(diào)理劑對(duì)茶園土壤pH值的影響情況，可見，與CK組相比，T1、T2和T3處理組的土壤pH值分別增加了12.20%，19.07%，27.72%，存在顯著差異(P<0.05)。

2.1.2 對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

土壤有機(jī)質(zhì)主要來源于動(dòng)植物的殘?bào)w，是土壤重要的構(gòu)成組分和植物營養(yǎng)來源之一，與土壤微生物的生長和土壤結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。圖3給出了不同施用量調(diào)理劑對(duì)茶園土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響情況，可見，與CK組相比，T1、T2和T3處理組的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別增加了19.32%，31.07%，42.90%，T2、T3組與CK組存在顯著差異(P<0.05)。

有機(jī)碳是有機(jī)質(zhì)含量的一個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[22]。已有報(bào)道指出,添加生物炭可以增加土壤的有機(jī)碳含量[23-24]，生物炭含碳豐富(>60%)[25]，生物炭施入土壤后可以直接增加土壤的碳庫存，促進(jìn)土壤微生物對(duì)其進(jìn)行分解，從而提高土壤有機(jī)碳含量。另外，生物炭和牡蠣殼粉能增加土壤的持水能力，降低土壤容重[26]，適宜土壤微生物的生長繁殖，有利于土壤微生物數(shù)量的增加，提高土壤生物的活性[27]。此外，土壤pH值影響微生物的結(jié)構(gòu)和活性，土壤酸化嚴(yán)重，有利于真菌的繁殖，但抑制細(xì)菌和放線菌[28]。施加復(fù)配調(diào)理劑后，土壤pH值提高，有利于細(xì)菌生長繁殖，提高生物活性，從而提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量。同時(shí)，生物炭還可以吸持有機(jī)肥中的有機(jī)質(zhì)[29]，提高有機(jī)肥的利用率。綜上所述，復(fù)配調(diào)理劑除自帶碳素增加土壤有機(jī)質(zhì)含量外，還可以改善土壤微生物的環(huán)境，提高土壤生物的活性和微生物數(shù)量，從而提高土壤肥力。

2.1.3 對(duì)土壤堿解氮含量的影響

圖4給出了不同施用量調(diào)理劑對(duì)茶園土壤堿解氮含量的影響情況，可見，與第一次采樣的初始值相比，CK、T1、T2和T3處理組的堿解氮含量分別增加了21.09，23.57，19.42，21.29 mg/kg。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，施加土壤調(diào)理劑對(duì)茶園土壤堿解氮含量影響較小，甚至可以降低其含量，黃連喜等[30]和劉濤等[31]也得到類似結(jié)論。這可能是因?yàn)樯锾恐泻胸S富的碳，施加復(fù)配調(diào)理劑后，土壤中的碳含量增加，未能及時(shí)補(bǔ)充氮肥，使C/N比值增加，促進(jìn)土壤微生物對(duì)氮的固定[32]。此外，土壤堿解氮含量會(huì)隨著土壤pH值升高而降低[33]。

2.1.4 對(duì)土壤有效磷含量的影響

圖5給出了不同施用量調(diào)理劑對(duì)茶園土壤有效磷含量的影響情況，可見，與第一次采樣的初始值相比，CK、T1、T2和T3處理組的有效磷含量分別增加了12.73，22.82，25.31，39.18 mg/kg，3個(gè)處理組均與CK組存在顯著差異(P<0.05)，但相互之間差異性不顯著。

2.1.5 對(duì)土壤速效鉀含量的影響

圖6給出了不同施用量調(diào)理劑對(duì)茶園土壤速效鉀含量的影響情況，可見,與第一次采樣的初始值相比，CK、T1、T2和T3處理組的速效鉀含量分別增加了33.72，86.23，86.47，108.04 mg/kg，3個(gè)處理組均與CK組存在顯著差異(P<0.05)。

T1、T2和T3處理組速效鉀增加的原因與施加復(fù)配調(diào)理劑有關(guān)。首先，生物炭自身含有鉀[38]，且多為交換性鉀，施加在土壤中可及時(shí)釋放，被植物吸收[39]。其次，牡蠣殼粉、生物炭和鳥糞石可以提高土壤陽離子交換量，增強(qiáng)土壤對(duì)K+的吸附能力。最后，3種材料可以提高土壤的pH值，當(dāng)OH-增加時(shí)，土壤表面負(fù)電荷增加，可以吸附更多的K+。同時(shí)，3種材料還可以降低土壤中的Al3+，使更多的K+可以進(jìn)入層間穴位，從而減少K+的淋失，提高土壤中速效鉀的含量。

2.2 不同施加量調(diào)理劑對(duì)茶葉品質(zhì)的影響

2.2.1 對(duì)茶葉水浸出物含量的影響

水浸出物是指茶葉中可被沸水浸出的物質(zhì)，包括茶多酚、咖啡堿、氨基酸、水溶性果膠、可溶糖、維生素、色素、無機(jī)鹽和可溶蛋白等成分。水浸出物的含量是評(píng)價(jià)茶葉品質(zhì)的指標(biāo)之一，水浸出物與茶葉品質(zhì)呈正相關(guān)。

圖7是不同施加量調(diào)理劑對(duì)茶葉水浸出物影響的結(jié)果。由圖7可知，與不施加調(diào)理劑的CK組相比，施加調(diào)理劑的3個(gè)處理組均可提高茶葉的水浸出物。和CK組相比，T1、T2和T3組的水浸出物分別增加了0.92%,1.52%,1.99%，3個(gè)處理組均與CK組存在顯著差異(P<0.05)。因此，施加調(diào)理劑可以增加茶葉的水浸出物含量，當(dāng)施加量為4 500 kg/hm2時(shí)，茶葉的水浸出物含量最高。

2.2.2 對(duì)茶葉茶多酚含量的影響

圖8是不同施加量調(diào)理劑對(duì)茶葉茶多酚含量影響的結(jié)果，可見，和CK組相比，T1、T2和T3組的茶多酚含量分別降低了8.76%,2.19%,5.31%，3個(gè)處理組除T2外均與CK組存在顯著差異(P<0.05)。因此，施加調(diào)理劑會(huì)降低茶葉茶多酚的含量。

茶多酚在感官評(píng)價(jià)中主要為澀味，當(dāng)茶多酚含量在20%以內(nèi)時(shí)，與茶湯滋味呈正相關(guān)；當(dāng)茶多酚含量大于24%時(shí)，茶湯苦澀味加重，鮮醇風(fēng)味降低，茶湯滋味受到影響。在本研究中，CK組的茶葉茶多酚含量最高為268.59 mg/g，T1處理組的茶葉茶多酚含量最低為245.06 mg/g，均大于24%，可能與茶樹的品種有關(guān)。萬青等[40]研究發(fā)現(xiàn),在茶園施加生物炭會(huì)降低茶葉茶多酚的含量，與本研究所得結(jié)果一致。綜上所述，施加復(fù)配調(diào)理劑可以降低茶葉茶多酚含量，進(jìn)而減輕茶湯的苦澀滋味。

2.2.3 對(duì)茶葉游離氨基酸含量的影響

圖9是不同施加量調(diào)理劑對(duì)茶葉游離氨基酸含量影響的結(jié)果，可見，和CK組相比，T1、T2和T3組的游離氨基酸含量分別增加了8.61%，3.59%，0.24%，3個(gè)處理組中，只有T1組與CK組存在顯著差異(P<0.05)。因此，施加調(diào)理劑會(huì)增加茶葉游離氨基酸的含量，當(dāng)施加量為1 500 kg/hm2時(shí)，茶葉的游離氨基酸含量最高。

游離氨基酸主要為茶湯提供甜鮮味，其含量與茶葉品質(zhì)呈正相關(guān)。游離氨基酸的含量與土壤中氮肥水平有一定關(guān)系。朱旭君等[41]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有機(jī)肥施加占比為50%～75%時(shí)，施加氮肥可以顯著提高茶葉游離氨基酸的含量。在本實(shí)驗(yàn)3個(gè)處理組中，T1組的茶葉游離氨基酸含量最高，而T2、T3組與CK組的茶葉游離氨基酸含量不存在顯著差異(P>0.05)?？赡苁且?yàn)門2和T3組的生物炭施加量更多，土壤中有機(jī)質(zhì)含量增加，但沒有及時(shí)補(bǔ)充氮肥，土壤中C/N比變大，更多的氮被微生物固定，可供茶樹吸收的氮減少，導(dǎo)致T2和T3組的茶葉游離氨基酸含量降低。

2.2.4 對(duì)茶葉酚氨比的影響

酚氨比是茶葉中茶多酚和氨基酸的比值，是衡量茶葉實(shí)質(zhì)性的一個(gè)參數(shù)。酚氨比還能反映茶葉的品質(zhì)，酚氨比小，則茶湯鮮香，品質(zhì)越高[42]。

圖10是不同施加量調(diào)理劑對(duì)茶葉酚氨比影響的結(jié)果，可見，和CK組相比，T1、T2和T3組的酚氨比分別降低了15.89%，5.45%，5.45%，3個(gè)處理組均與CK組存在顯著差異(P<0.05)。其中，T2和T3組的酚氨比相同，T1組的酚氨比小于T2和T3組，且差異性顯著(P<0.05)。因此，施加調(diào)理劑會(huì)降低茶葉的酚氨比，當(dāng)施加量為1 500 kg/hm2時(shí)，茶葉的酚氨比最低。

2.2.5 茶葉重金屬殘留量

茶葉中重金屬殘留量如表2所示，可見，各組茶葉中的Cd、Cr、Pb和As含量無顯著差異，均未超出殘留限值，說明施用調(diào)理劑不會(huì)影響茶葉的安全性。

表2 茶葉重金屬含量

3 結(jié)論

生物炭基土壤調(diào)理劑可有效修復(fù)茶園土壤，提高土壤pH值和有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀含量，改善土壤肥力，更適宜茶樹的生長。施加調(diào)理劑后，茶葉水浸出物和游離氨基酸含量增加，茶多酚含量降低，酚氨比下降，且Cd、Cr、As和Pb含量在殘留限量規(guī)定范圍內(nèi)。綜合土壤改良效果、茶葉品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益考慮，推薦施加量為1 500 kg/hm2。