基于文獻計量的中國西南地區茶園土壤養分特征分析

　　摘 要：為探究西南地區茶園土壤養分特征及其影響因素，以文獻計量法對西南地區 4 省(區、市)茶園土壤進行研究，從整體和局部尺度分析了茶園土壤養分在不同空間、海拔、降水、土壤類型差異下的分布狀況及特征。結果表明西南茶區整體表現為有機質、全氮、堿解氮豐富，磷素不足;海拔及降水是西南茶區土壤養分的控制和驅動因子。從典則判別的土壤養分空間分異程度來看，貴州和四川較為相似，西藏和云南分異明顯。不同土壤類型中，棕壤養分指標均達到優質高效高產茶園標準;黃棕壤總磷含量偏低;黃壤速效磷、全磷缺乏;磚紅壤及紅壤土壤酸化明顯，速效磷、速效鉀、全磷缺乏。不同地區間優質高效高產茶園養分達標率：西藏>貴州>云南>四川。西南地區茶園土壤磷素的缺乏，已成為西南茶區發展的限制性養分因子。

　　本文源自中國土壤與肥料 發表時間：2021-02-01《中國土壤與肥料》(雙月刊)創刊于1964年，由中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所、中國植物營養與肥料學會主辦。本刊主要刊登土、肥、水、微生物等方面的新理論、新成果、新技術、新方法、經驗交流、產品信息及國內外最新動態。信息量大，實用性強，適宜農業院校師生，科研、推廣、環保與行政管理部門及肥料生產、經營部門的科技人員、管理干部及廣大農民技術員訂閱。

　　關鍵詞：中國西南地區;茶園;土壤;養分特征

　　茶園土壤養分特征引起的茶葉品質及土壤養分質量問題受到各地區的關注和重視[1]，西南地區域內茶園分布極廣，截至 2019 年我國茶園面積最大的三個省份均分布于西南地區，約占全國茶園總面積的 43.8%[2]，雖然目前對茶園土壤養分的研究較多，但學者多是以省、市、縣行政區域為范圍進行研究，因受制于有限的行政范圍，而不可避免地忽視了自然地帶性范圍下的更為客觀的土壤養分自然規律及屬性特點，從而難以對其進行區別和聯系。基于此本文將具有相似自然地理及氣候屬性的西南地區為整體自然地帶區域進行研究。西南地區屬多山高海拔地區，在為茶產業發展提供生態優勢生產基礎的同時，又受到喀斯特地質條件的限制[3]，區域內地質活動頻繁復雜，進而導致西南地區地質破碎不連續，地層交錯演替發展，地質情況極為復雜，而在此基礎上風化發育而來的土壤多繼承了各地層基巖的理化特性。土壤的發育還受到明顯的海拔梯度、垂直山地氣候和復雜地形地貌等多因素的共同影響，因此這也進一步增加了西南地區土壤養分狀況及類型分布的復雜性。

　　西南地區茶園土壤養分空間差異大，且茶園肥料投入過量，平均可施減化肥量達 32.33%[4]，此前尚未有學者對中國西南茶區土壤養分狀況進行系統研究，故而摸清西南地區茶園土壤養分水平、特征及分布規律，明確限制因子，分析養分差異成因，是科學管理西南茶區土壤肥力、提高土壤質量及茶葉品質的重要依據，同時也為指導西南地區茶產業提質增效及鄉村振興戰略具有現實的生產管理意義。

　　1 材料與方法

　　1.1 數據的獲取

　　以“Tea garden/Soil nutrient/Physical and chemical traits/Southwest of China”，及“茶園、茶產區、西南、云南、貴州、四川、重慶、西藏、土壤養分、土壤肥力、土壤理化性質、養分特征”等為關鍵詞進行組合，分別在 CNKI 中國知網數據庫和 Web of Science 中檢索，不限時段檢索，最后一次檢索時間為 2020 年 2 月 25 日，檢索已公開發表的有關中國西南五省(區、市)茶園土壤養分研究的相關論文 44 篇(表 1)，研究總樣本達 2759 個，涵蓋西南 5 省(區、直轄市)，共涉及 122 個縣(市、區)，其中：云南 14 個縣(市、區);貴州省 28 個縣(市、區);西藏自治區 5 個縣(區);四川省 72+3 個縣(市、區)，因考慮到行政地緣及文獻數量，故將涉及重慶地區的 3 篇文獻納入到四川省合并計算。提取指標包括 pH、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、海拔、降水量。其中，對已明確海拔數據的直接從文獻提取，無海拔數據但已明確經緯度或地名(村級)的，從 LocaSpace Viewer 軟件中導入谷歌地圖圖層數據后，提取樣地范圍平均海拔數據，無海拔數據且樣地范圍過大的，在數據分析時不予以引入。

　　1.2 數據處理與分析

　　因不同學者撰寫論文時各指標參數單位的表示不統一，且少部分學者在土壤取樣的表層土深度不一，因此本研究將數據重新整理。對于采樣深度統一選用“0～20cm”作為土壤表層樣本;對于缺失值的處理，按統計學方法缺失值小于 10%的以所屬地平均值替代，缺失數據大于 10%的，在進行 SPSS 數據分析時以成對或成列個案進行排除;對于平均值統計，以加權平均值進行統計計算;因數據并未較好從正態分布，指標存在方差不齊性情況，因此本研究的相關性分析將采用斯皮爾曼(Spearman)方法，多重比較將采用蓋姆斯豪厄爾(Games-Howell)。本研究數據以 Excel 2019 進行存儲，SPSS 25 進行數據分析，Origin 2019 進行圖形繪制。

　　依據中華人民共和國農業行業執行標準《綠色農產品產地質量標準》[5]、《茶葉產地環境技術條件》(NY/T853-2004)[6]中茶園土壤肥力分級標準，及優質高效高產茶園的土壤營養診斷指標[7]，整合出茶園土壤養分分級標準(表 2)，以便對中國西南地區茶園進行土壤養分等級劃分。

　　2 結果與分析

　　2.1 西南地區茶園海拔及土壤養分狀況

　　對中國西南地區茶園土壤的養分狀況統計(表 3)，表明茶園土壤 pH 平均水平為 4.59，有機質達 30.54g·kg-1，高于 I 級及優質高效高產茶園的肥力標準;堿解氮、速效磷和速效鉀平均水平分別為 142.37、12.87 和 84.67mg·kg-1，其中堿解氮平均水平高于 I 級及優質高效高產茶園肥力標準;全氮、全磷和全鉀的平均含量分別為 1.38、0.51 和 8.19g·kg-1，其中全氮平均水平達到 I 級及優質高效高產茶園肥力標準。從變異程度來看，pH 變異程度最低屬弱變異外，其余均屬于中等變異，變異程度表現為速效磷>全鉀>全氮>有機質>堿解氮>全磷> 速效鉀>pH。

　　2.2 茶園土壤養分及自然狀況

　　以西南各地優質高效高產茶園養分達標情況來看(表 4)，西藏茶園土壤平均達標率最高 61.18%;貴州居于其次 49.94%;云南為 49.84%，與貴州相當;四川 40.15%。由表 5 可知地區間養分指標表現出不同程度差異顯著。除西藏外，云南、貴州、四川均存在土壤酸化趨勢，尤以四川最為明顯;各省(區)茶園土壤有機質含量較高，整體表現充足;速效養分中各地堿解氮含量充足，但速效磷和速效鉀含量缺乏;全量養分中全磷的缺乏最為突出。西南茶區海拔高且垂直差異大，海拔及年均降水量在各省(區)間互為極顯著差異。

　　由表 5 可知，西藏茶園土壤 pH>貴州>云南>四川，其中貴州和云南達到優質高效高產茶園標準。貴州和云南間差異不顯著(P<0.01)，但兩者與四川、西藏互呈極顯著差異，說明除西藏外西南各地區茶園土壤 pH 整體變化較為穩定，但四川茶園存在較為突出的土壤酸化情況。西南茶區有機質均處于較高水平，均達到優質高效高產茶園標準。具體表現為：西藏(39.14g·kg-1)≈云南(39.03g·kg-1)>貴州(28.4g·kg-1)>四川(25.77g·kg-1)，西藏和云南間不呈顯著性差異，但與貴州和四川分別呈極顯著差異。

　　速效態養分中以堿解氮含量最為豐富，含量大小依次為：西藏>云南>貴州>四川，平均含量均超過優質高效高產茶園堿解氮標準，優質高效高產茶園達標率在 75%以上;速效磷含量除西藏較高外，云貴川三省平均含量僅達 II 級茶園標準，優質高效高產茶園達標率較低，西藏 66.67%>云南 23.53%>四川 18.18%>貴州 13.16%，可見西南茶區速效磷含量缺乏較為嚴重;速效鉀含量表現不足，各地均處于 II 級茶園標準，整體的優質高效高產茶園達標率情況較速效磷稍好。由此可見，土壤速效磷是限制西南地區茶業高效優質發展的一大因素。

　　土壤全氮以云南(2.03mg·kg-1)和西藏(1.77mg·kg-1)達到優質高效高產茶園標準，四川(1.28mg·kg-1)和貴州(1.26mg·kg-1)達 I 級茶園標準;各省(區)茶園土壤全磷僅達到 II 級茶園標準;對于土壤全鉀，以西藏、貴州達到優質高效高產茶園標準，整體優質高效高產茶園達標率較高。綜上，西南地區茶園土壤全氮含量整體較為充足，全磷缺乏全鉀偏低，全磷及速效磷的缺乏是西南地區高效優質茶園的重要限制因素。

　　西南地區茶園海拔分布中，西藏平均海拔最高為 2058.22m>云南 1501.75m>四川 998.09m>貴州 990.83m，其中四川和貴州海拔差異不明顯，但分別與西藏和云南呈極顯著差異，西藏和云南間也互為極顯著差異;茶園海拔分布上，總體呈現出 1000、1500、2000m 左右的三級分布梯度;而從變幅來看，4 個地區的變幅均在 700 米以上，其中貴州和西藏茶園海拔變幅甚至超過 1200m，由此可見西南茶區垂直海拔差異的復雜狀況。各省(區)降水量互為極顯著差異，平均降水量表現為四川>云南>貴州>西藏，即呈現出從東至西先增大后減小的降水趨勢。

　　2.3 土壤養分的典則判別分析

　　典則判別分析亦稱 Fisher 判別分析(Fisher Discriminant Analysis，FDA)，是根據線性 Fisher 函數值進行判別，其基本思路是投影，針對 P 維空間中的某點 x=(x1，x2，„，xp)，尋找一個能使它降為一維數值的線性函數 y(x)=ΣCjxj，然后應用這個線性函數把 P 維空間中的已知類別總體以及求知類別歸屬的樣本都變換為一維數據，再根據其間的親疏程度把未知歸屬的樣本點判定其類別歸[8]。為探究土壤養分在各地間差異及聯系，將西南不同植茶區的 8 項土壤養分指標進行典則判別分析，根據不同地區間的養分特征構造典則判別函數得分圖，圖 1(a)顯示了不同地區間的典則判別得分情況，可看出貴州和四川判別得分的組質心距離較近，區域重疊程度高，即土壤養分特征整體較為相似，進而導致判別信息的互疊程度高。而將海拔和降水量引入典則判別后，各地區判別函數得分在空間上可較明顯的分離開來(圖 1b)，其中西藏、云南分別與其它地區的空間互疊程度低，說明其在西南茶區中養分特征明顯，而貴州和四川雖仍有部分互疊區域，但組質心距離已明顯分離。綜上可知，貴州和四川茶園土壤養分分異程度偏低，西藏與云南在得分空間中分離程度較好，養分特征明顯;而海拔和降水對土壤養分特征有較大影響，可將西南茶區土壤養分特征進一步區分開來。

　　2.4 不同海拔及降水條件下的土壤養分特征

　　海拔對西南地區茶園土壤養分影響較大(表 6)，除與全鉀無相關性外，與其余養分均存在極顯著正相關關系，其中海拔與有機質關系最為密切，其次分別為全氮、全磷、pH、速效磷、堿解氮、速效鉀。總體上西南茶區土壤 pH 值隨海拔的上升而增大(圖 2)，土壤 pH 在<1000、1000~1200、1200~1600 及 1600m 以上地區間差異顯著。有機質含量隨海拔在一定范圍內的上升而增大，隨后又開始下降，其中在<1000~1400m 段內隨海拔升高而呈顯著性增大，并在 1200~1400m 達到最高，此后在 1400~1800m 間雖有下降趨勢但差異不顯著，而>1800m 后有機質含量顯著性下降。這可能是不同海拔氣溫差異導致的，高海拔地區較低海拔地區氣溫低，更利于有機質的積累，但 1800m 以上地區，過低的溫度可能使得微生物活動、土壤酶活性等土壤生物化學反應速率大大降低，分解合成有機質的能力也隨之降低。全氮和堿解氮隨海拔的變化趨勢相似，全氮整體上在 1000~1800m 內隨海拔增高而增大，并在 1600~1800m 地區含量達到最高，隨后隨著海拔增高而迅速降低;而堿解氮在 1400m 以下地區隨海拔增高而增大，并于 1200~1400m 含量達到最高值，而后顯著下降，但因為全氮在 1600~1800m 激增到最大值，使得堿解氮又在此有明顯的增高趨勢，此后隨全氮含量的迅速降低而顯著下降。全磷和速效磷含量隨海拔的變化趨勢相似，二者在>1000~1400m 范圍內總體上隨海拔升高而不斷積累，但均在 1400~1600m 地區顯著性降低，而后兩者均隨著海拔升高而繼續累積，且速效磷在>1800m 地區較之前呈極顯著性增長，這可能是速效磷在高海拔地區較低的土壤溫度下不容易損失，而保持了較高的磷素有效性。全鉀和速效鉀在不同海拔其趨勢不完全相同，全鉀及速效鉀含量在>1200m 內均表現平穩，而在 1200~1600m 范圍內全鉀隨海拔升高而降低，速效鉀隨海拔升高而增大，1600~1800m 范圍內兩者均顯著性增大，并同時達到最高水平，之后又隨海拔增高而平穩下降，這可能是因為全鉀與土壤礦物組成有關，加之西南地區地質破碎活動頻繁，各地層交替演化發展，即含鉀礦物在海拔分布上無明顯特征，而速效鉀易受到降水影響，降水量大 K +易流失。

　　本研究顯示(表 7)降水量極顯著地影響了西南地區茶園土壤養分，其中降水量與土壤全鉀、pH、速效鉀、堿解氮、速效磷、全磷為極顯著負相關，與有機質、全氮為極顯著正相關，在 95%置信區間下，西南茶區茶園土壤 pH 與降水量回歸關系如圖 3，隨著降雨量的遞增，土壤 pH 整體呈現遞減趨勢，回歸 R 2 表明此回歸方程解釋了 29.6%的土壤 pH 方差變異。結合表 5 茶園土壤 pH 值及年均降雨量分析，兩指標在西南地區的大小排序完全相反，具體表現如下。西藏年均降水量為 1021mm，對應回歸曲線中趨勢線斜率最大段，說明西藏地區土壤 pH 受到降雨的影響最為明顯;貴州年均降水量為 1249mm，對應回歸曲線中趨勢線最平穩段，說明降雨對貴州土壤 pH 影響較小，這可能是適宜的海拔高度對 pH 的正向效應低抵消了由降雨帶來的負向效應;而云南和四川年均降水量分別為 1460 和 1523mm，分別對應回歸曲線中趨勢線下降的次末段和最末段，說明降雨對四川和云南茶園土壤 pH 有明顯影響。

　　西南地區茶園主要土壤分布有較為明顯的地帶性特征，由南到北主要以磚紅壤及紅壤黃壤-黃棕壤分布，由西到東主要以棕壤-黃棕壤-黃壤分布。圖 4 顯示，不同土壤類型下的土壤 pH 以棕壤、黃棕壤較高，pH 均在 5.0 以上;黃壤較為居中 pH 在 4.79 左右，而紅壤、磚紅壤最低，pH 均低于 4.4;有機質以磚紅壤、棕壤最高，有機質含量均超過 60g·kg-1，其次是紅壤、黃壤、黃棕壤，平均含量均在 20~40g·kg-1 間。堿解氮含量以棕壤、磚紅壤、紅壤較高，含量超過 200mg·kg-1，而黃壤、黃棕壤較低，但也在 100mg·kg-1 以上;速效磷以黃棕壤、棕壤較高，而磚紅壤、黃壤、棕壤較低，均在 20mg·kg-1 以下;速效鉀以黃棕壤、棕壤較高均超過 100mg·kg-1，而黃壤、磚紅壤、紅壤較低。全氮以棕壤、磚紅壤、紅壤含量較高超過 1.5g·kg-1，而黃壤、黃棕壤稍低;全磷以棕壤較高，其余均偏低;全鉀除磚紅壤較低外，其余土壤類型均較高且超過 10mg·kg-1。

　　從養分整體狀況來說，棕壤最好，其次是黃棕壤，再次是黃壤、磚紅壤和紅壤。具體表現為，棕壤的養分全面豐富，指標均達到優質高效高產茶園標準;黃棕壤除總磷略有偏低外，整體養分較為均衡;黃壤速效磷、全磷較為缺乏;紅壤、磚紅壤有機質、堿解氮、全氮養分含量豐富，但其土壤酸化明顯，且速效磷、速效鉀、全磷較為缺乏。

　　3 結論與討論

　　3.1 茶園土壤養分特征及影響因素

　　西南地區茶園土壤養分狀況整體較好，以含氮類養分如有機質、堿解氮、全氮的含量較為豐富，平均含量均達到優質高效高產茶園標準;速效鉀及全鉀含量略有不足，速效態磷及全磷含量缺乏;西南茶區土壤 pH 平均水平符合優質高效高產茶園標準，但域內土壤仍有不同程度的酸化趨勢，除 pH 為弱變異外，其余指標均為中等變異，此結果與李瑋等[9]、任艷芳等[10]、楊廣容等[11]的研究結果與本研究基本一致。

　　海拔的垂直山地氣候對西南茶區土壤養分影響較大。通過對不同海拔茶園土壤分析可知，隨著海拔的上升土壤 pH 值也逐漸升高，這可能是高海拔寒冷環境下土壤微生物活動及酶活性低，根部有機酸等分泌物相應減少，由此可看出海拔因素在一定程度上控制了土壤酸化的發生，這與姜哲浩[12]、林小兵[13]的研究結果一致。本研究顯示養分隨海拔變化趨勢明顯，養分在 1800m 以下地區整體上隨海拔升高而積累，而在 1800m 以上地區，除了速效磷顯著增多外，其余養分含量均明顯下降。這可能是 1800m 以上高海拔高寒地區土壤 pH 較高，間接影響了土壤固磷過程，使磷不易發生沉淀和吸附反應，降低對磷的固定作用，增大了磷的有效性[14]，且超 1800m 以上地區主要集中在降水量較少的西藏，而較少的降水量可能難以形成地表徑流對土壤顆粒形成侵蝕，或淋溶影響小，進而保持了速效磷較高的活性[15]。整體上西南茶區相較于常年高溫多雨的福建、江西等地區茶園土壤有機質、堿解氮、全氮含量較高[13,16-17]，受到高海拔低溫影響，不利于有機質的礦化，土壤中微生物及土壤酶的生物化學活動較低海拔地區程度低，故而對有機質能量消耗少。

　　降水量對土壤養分及 pH 存在不同程度的影響。西南地區速效鉀速效磷含量低，尤其以速效磷缺乏突出，僅 20.83%達到優質高效高產茶園速效磷標準。有研究顯示降水量形成的地表徑流對養分輸出影響明顯，對全鉀、全氮及全磷明顯[15]。土壤中磷素以淋溶形式損失的量與以地表徑流和土壤侵蝕形式損失的量相當或者更大，土壤磷素滲漏遷移也可能是磷流失的一條重要途徑[18]。而結合西南茶區的實際狀況，除西藏降水量偏少且植茶區基本屬于河谷谷底或臺地外，云南、貴州、四川三地年均降水量豐富且茶園多為坡地，因此更易于造成磷素流失，而鉀在水溶液中溶解性較高，膠體性低，也易隨地表徑流而流失[19]。此外，本研究顯示降水量也明顯的影響了土壤酸化的過程，這與張馭航[20]研究一致。

　　不同土壤類型的養分特征。棕壤及黃棕壤養分較為全面;黃壤缺乏速效磷、速效鉀和全磷;紅壤、磚紅壤酸化嚴重，全量及速效態磷鉀較缺乏，但其有機質、堿解氮、全氮含量豐富，這與江西省茶區紅壤肥力整體低下的表現不同[13]，可能是由于西南地區紅壤主要分布在云南西南部，該地區海拔較高降水量大，平均海拔達 1500m 以上氣溫較低，對有機質消耗較低，且古茶樹分布較廣，隨著年限的延長枯枝落葉形成的有機質、堿解氮、全氮不斷積累，而磷鉀素在降水量較為豐富的作用下，其淋失及徑流損失作用較海拔帶來的積累效應可能更為明顯。

　　其它因素對茶園土壤養分的影響。研究表明，土壤全鉀全磷主要受到成土母質或基巖所影響[21]，這可一定程度上說明西南茶區全鉀在不同海拔下無明顯規律的現象。在較低 pH 及較高溫度下，土壤礦物表面吸附的磷可轉化形成含磷的表面沉淀，造成礦物溶解轉化以及磷生物有效性的進一步降低[22]，這為本研究中得到的速效磷在 1800m 以上地區相較低海拔茶區含量顯著性增多的結果提供了解釋。速效鉀雖可通過凋落物及腐殖質分解輸出一定的數量，但茶樹中的多酚會抑制土壤微生物和土壤酶活性，結合西南茶區高海拔的冷涼氣候特點，使得分解釋放進程更為緩慢。從施肥管理來說，可能長期受到氮肥增產的影響而重施尿素類氮肥，進而導致尿素在酸性條件下水解出較多的 NH4+，過量的 NH4+與 K +競爭吸附點位，加劇了土壤 K +的淋失[23];此外有研究顯示，管理措施相對于對土壤氮磷鉀等養分的影響更大[24,25]，因此科學的施肥管理也是影響著土壤養分的重要因素。

　　3.2 西南地區茶園養分管理

　　根據我國茶園施肥現狀的研究顯示[2]，貴州存在過量施磷、四川過量施氮、云南施鉀不足的現象，而本研究表明，貴州茶園土壤磷素實際上仍然缺乏、四川土壤酸化嚴重(pH=4.3)、云南缺磷缺鉀。結合此分析可知，貴州茶園磷素供給充足但實際仍表現缺磷的狀況，說明磷素在貴州茶園的利用率極低;而四川氮肥的過量投入和豐富的降水量可能是導致茶園土壤極酸化的原因;云南與貴州情況類似，存在磷素利用率低的情況，此外還存在鉀肥投入不足的情況。

　　綜合西南地區茶園土壤養分豐缺特征及肥料利用率情況，認為目前西南茶園養分管理的首要目標并非是對限制性養分進行施肥補充，而應當先從以下幾方面入手。一是要調整優化土壤 pH，如利用石灰等土壤改良劑提升至適宜 pH，形成養分平衡的基礎環境，對于氮肥應慎施或少施;二是提高磷鉀肥利用率，目前多數農戶因勞力及工時成本，習慣使用等比例通用復合肥多量少次施入[2]，而容易造成無效供給和養分淋失，惡化土壤環境及養分供給能力，應按區域土壤養分差異，定制茶樹的專用配方肥，并遵循有機無機肥配合施入的原則[26]，以增強磷、鉀在土壤中的遷移。此外肥料施用應按茶樹生長期分次施用，從而在整體上提高西南茶區磷鉀素養分利用效率，減少土壤質量惡化;三是提升茶園管理措施，如增加茶園綠肥套種面積，土層覆蓋枯枝落葉等方式，減少強降水造成的土壤徑流及下淋溶導致的養分流失。基于以上三點為，貴州和云南需適當提高土壤 pH 防止土壤過酸化，其中貴州應注意適當提高土壤有機質，適當加強有機磷肥的施入;云南除磷肥外還需適量加強鉀肥的施入;四川茶園土壤酸化嚴重，應將調升土壤 pH 作為茶園管理的重點靶向目標,同時適量增加有機磷鉀肥的施用，并可種植綠肥壓青還田以改善土壤物理及養分狀況;而西藏地區可不施或少施鉀肥，適量增施磷肥，但受制于地質環境原因，且土體中夾雜了大量石塊石礫[27]，應采取措施提高區域茶樹宜植性。