基于文献计量的中国西南地区茶园土壤养分特征分析

　　摘 要：为探究西南地区茶园土壤养分特征及其影响因素，以文献计量法对西南地区 4 省(区、市)茶园土壤进行研究，从整体和局部尺度分析了茶园土壤养分在不同空间、海拔、降水、土壤类型差异下的分布状况及特征。结果表明西南茶区整体表现为有机质、全氮、碱解氮丰富，磷素不足;海拔及降水是西南茶区土壤养分的控制和驱动因子。从典则判别的土壤养分空间分异程度来看，贵州和四川较为相似，西藏和云南分异明显。不同土壤类型中，棕壤养分指标均达到优质高效高产茶园标准;黄棕壤总磷含量偏低;黄壤速效磷、全磷缺乏;砖红壤及红壤土壤酸化明显，速效磷、速效钾、全磷缺乏。不同地区间优质高效高产茶园养分达标率：西藏>贵州>云南>四川。西南地区茶园土壤磷素的缺乏，已成为西南茶区发展的限制性养分因子。

　　本文源自中国土壤与肥料 发表时间：2021-02-01《中国土壤与肥料》(双月刊)创刊于1964年，由中国农业科学院农业资源与农业区划研究所、中国植物营养与肥料学会主办。本刊主要刊登土、肥、水、微生物等方面的新理论、新成果、新技术、新方法、经验交流、产品信息及国内外最新动态。信息量大，实用性强，适宜农业院校师生，科研、推广、环保与行政管理部门及肥料生产、经营部门的科技人员、管理干部及广大农民技术员订阅。

　　关键词：中国西南地区;茶园;土壤;养分特征

　　茶园土壤养分特征引起的茶叶品质及土壤养分质量问题受到各地区的关注和重视[1]，西南地区域内茶园分布极广，截至 2019 年我国茶园面积最大的三个省份均分布于西南地区，约占全国茶园总面积的 43.8%[2]，虽然目前对茶园土壤养分的研究较多，但学者多是以省、市、县行政区域为范围进行研究，因受制于有限的行政范围，而不可避免地忽视了自然地带性范围下的更为客观的土壤养分自然规律及属性特点，从而难以对其进行区别和联系。基于此本文将具有相似自然地理及气候属性的西南地区为整体自然地带区域进行研究。西南地区属多山高海拔地区，在为茶产业发展提供生态优势生产基础的同时，又受到喀斯特地质条件的限制[3]，区域内地质活动频繁复杂，进而导致西南地区地质破碎不连续，地层交错演替发展，地质情况极为复杂，而在此基础上风化发育而来的土壤多继承了各地层基岩的理化特性。土壤的发育还受到明显的海拔梯度、垂直山地气候和复杂地形地貌等多因素的共同影响，因此这也进一步增加了西南地区土壤养分状况及类型分布的复杂性。

　　西南地区茶园土壤养分空间差异大，且茶园肥料投入过量，平均可施减化肥量达 32.33%[4]，此前尚未有学者对中国西南茶区土壤养分状况进行系统研究，故而摸清西南地区茶园土壤养分水平、特征及分布规律，明确限制因子，分析养分差异成因，是科学管理西南茶区土壤肥力、提高土壤质量及茶叶品质的重要依据，同时也为指导西南地区茶产业提质增效及乡村振兴战略具有现实的生产管理意义。

　　1 材料与方法

　　1.1 数据的获取

　　以“Tea garden/Soil nutrient/Physical and chemical traits/Southwest of China”，及“茶园、茶产区、西南、云南、贵州、四川、重庆、西藏、土壤养分、土壤肥力、土壤理化性质、养分特征”等为关键词进行组合，分别在 CNKI 中国知网数据库和 Web of Science 中检索，不限时段检索，最后一次检索时间为 2020 年 2 月 25 日，检索已公开发表的有关中国西南五省(区、市)茶园土壤养分研究的相关论文 44 篇(表 1)，研究总样本达 2759 个，涵盖西南 5 省(区、直辖市)，共涉及 122 个县(市、区)，其中：云南 14 个县(市、区);贵州省 28 个县(市、区);西藏自治区 5 个县(区);四川省 72+3 个县(市、区)，因考虑到行政地缘及文献数量，故将涉及重庆地区的 3 篇文献纳入到四川省合并计算。提取指标包括 pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾、海拔、降水量。其中，对已明确海拔数据的直接从文献提取，无海拔数据但已明确经纬度或地名(村级)的，从 LocaSpace Viewer 软件中导入谷歌地图图层数据后，提取样地范围平均海拔数据，无海拔数据且样地范围过大的，在数据分析时不予以引入。

　　1.2 数据处理与分析

　　因不同学者撰写论文时各指标参数单位的表示不统一，且少部分学者在土壤取样的表层土深度不一，因此本研究将数据重新整理。对于采样深度统一选用“0～20cm”作为土壤表层样本;对于缺失值的处理，按统计学方法缺失值小于 10%的以所属地平均值替代，缺失数据大于 10%的，在进行 SPSS 数据分析时以成对或成列个案进行排除;对于平均值统计，以加权平均值进行统计计算;因数据并未较好从正态分布，指标存在方差不齐性情况，因此本研究的相关性分析将采用斯皮尔曼(Spearman)方法，多重比较将采用盖姆斯豪厄尔(Games-Howell)。本研究数据以 Excel 2019 进行存储，SPSS 25 进行数据分析，Origin 2019 进行图形绘制。

　　依据中华人民共和国农业行业执行标准《绿色农产品产地质量标准》[5]、《茶叶产地环境技术条件》(NY/T853-2004)[6]中茶园土壤肥力分级标准，及优质高效高产茶园的土壤营养诊断指标[7]，整合出茶园土壤养分分级标准(表 2)，以便对中国西南地区茶园进行土壤养分等级划分。

　　2 结果与分析

　　2.1 西南地区茶园海拔及土壤养分状况

　　对中国西南地区茶园土壤的养分状况统计(表 3)，表明茶园土壤 pH 平均水平为 4.59，有机质达 30.54g·kg-1，高于 I 级及优质高效高产茶园的肥力标准;碱解氮、速效磷和速效钾平均水平分别为 142.37、12.87 和 84.67mg·kg-1，其中碱解氮平均水平高于 I 级及优质高效高产茶园肥力标准;全氮、全磷和全钾的平均含量分别为 1.38、0.51 和 8.19g·kg-1，其中全氮平均水平达到 I 级及优质高效高产茶园肥力标准。从变异程度来看，pH 变异程度最低属弱变异外，其余均属于中等变异，变异程度表现为速效磷>全钾>全氮>有机质>碱解氮>全磷> 速效钾>pH。

　　2.2 茶园土壤养分及自然状况

　　以西南各地优质高效高产茶园养分达标情况来看(表 4)，西藏茶园土壤平均达标率最高 61.18%;贵州居于其次 49.94%;云南为 49.84%，与贵州相当;四川 40.15%。由表 5 可知地区间养分指标表现出不同程度差异显著。除西藏外，云南、贵州、四川均存在土壤酸化趋势，尤以四川最为明显;各省(区)茶园土壤有机质含量较高，整体表现充足;速效养分中各地碱解氮含量充足，但速效磷和速效钾含量缺乏;全量养分中全磷的缺乏最为突出。西南茶区海拔高且垂直差异大，海拔及年均降水量在各省(区)间互为极显著差异。

　　由表 5 可知，西藏茶园土壤 pH>贵州>云南>四川，其中贵州和云南达到优质高效高产茶园标准。贵州和云南间差异不显著(P<0.01)，但两者与四川、西藏互呈极显著差异，说明除西藏外西南各地区茶园土壤 pH 整体变化较为稳定，但四川茶园存在较为突出的土壤酸化情况。西南茶区有机质均处于较高水平，均达到优质高效高产茶园标准。具体表现为：西藏(39.14g·kg-1)≈云南(39.03g·kg-1)>贵州(28.4g·kg-1)>四川(25.77g·kg-1)，西藏和云南间不呈显著性差异，但与贵州和四川分别呈极显著差异。

　　速效态养分中以碱解氮含量最为丰富，含量大小依次为：西藏>云南>贵州>四川，平均含量均超过优质高效高产茶园碱解氮标准，优质高效高产茶园达标率在 75%以上;速效磷含量除西藏较高外，云贵川三省平均含量仅达 II 级茶园标准，优质高效高产茶园达标率较低，西藏 66.67%>云南 23.53%>四川 18.18%>贵州 13.16%，可见西南茶区速效磷含量缺乏较为严重;速效钾含量表现不足，各地均处于 II 级茶园标准，整体的优质高效高产茶园达标率情况较速效磷稍好。由此可见，土壤速效磷是限制西南地区茶业高效优质发展的一大因素。

　　土壤全氮以云南(2.03mg·kg-1)和西藏(1.77mg·kg-1)达到优质高效高产茶园标准，四川(1.28mg·kg-1)和贵州(1.26mg·kg-1)达 I 级茶园标准;各省(区)茶园土壤全磷仅达到 II 级茶园标准;对于土壤全钾，以西藏、贵州达到优质高效高产茶园标准，整体优质高效高产茶园达标率较高。综上，西南地区茶园土壤全氮含量整体较为充足，全磷缺乏全钾偏低，全磷及速效磷的缺乏是西南地区高效优质茶园的重要限制因素。

　　西南地区茶园海拔分布中，西藏平均海拔最高为 2058.22m>云南 1501.75m>四川 998.09m>贵州 990.83m，其中四川和贵州海拔差异不明显，但分别与西藏和云南呈极显著差异，西藏和云南间也互为极显著差异;茶园海拔分布上，总体呈现出 1000、1500、2000m 左右的三级分布梯度;而从变幅来看，4 个地区的变幅均在 700 米以上，其中贵州和西藏茶园海拔变幅甚至超过 1200m，由此可见西南茶区垂直海拔差异的复杂状况。各省(区)降水量互为极显著差异，平均降水量表现为四川>云南>贵州>西藏，即呈现出从东至西先增大后减小的降水趋势。

　　2.3 土壤养分的典则判别分析

　　典则判别分析亦称 Fisher 判别分析(Fisher Discriminant Analysis，FDA)，是根据线性 Fisher 函数值进行判别，其基本思路是投影，针对 P 维空间中的某点 x=(x1，x2，„，xp)，寻找一个能使它降为一维数值的线性函数 y(x)=ΣCjxj，然后应用这个线性函数把 P 维空间中的已知类别总体以及求知类别归属的样本都变换为一维数据，再根据其间的亲疏程度把未知归属的样本点判定其类别归[8]。为探究土壤养分在各地间差异及联系，将西南不同植茶区的 8 项土壤养分指标进行典则判别分析，根据不同地区间的养分特征构造典则判别函数得分图，图 1(a)显示了不同地区间的典则判别得分情况，可看出贵州和四川判别得分的组质心距离较近，区域重叠程度高，即土壤养分特征整体较为相似，进而导致判别信息的互叠程度高。而将海拔和降水量引入典则判别后，各地区判别函数得分在空间上可较明显的分离开来(图 1b)，其中西藏、云南分别与其它地区的空间互叠程度低，说明其在西南茶区中养分特征明显，而贵州和四川虽仍有部分互叠区域，但组质心距离已明显分离。综上可知，贵州和四川茶园土壤养分分异程度偏低，西藏与云南在得分空间中分离程度较好，养分特征明显;而海拔和降水对土壤养分特征有较大影响，可将西南茶区土壤养分特征进一步区分开来。

　　2.4 不同海拔及降水条件下的土壤养分特征

　　海拔对西南地区茶园土壤养分影响较大(表 6)，除与全钾无相关性外，与其余养分均存在极显著正相关关系，其中海拔与有机质关系最为密切，其次分别为全氮、全磷、pH、速效磷、碱解氮、速效钾。总体上西南茶区土壤 pH 值随海拔的上升而增大(图 2)，土壤 pH 在<1000、1000~1200、1200~1600 及 1600m 以上地区间差异显著。有机质含量随海拔在一定范围内的上升而增大，随后又开始下降，其中在<1000~1400m 段内随海拔升高而呈显著性增大，并在 1200~1400m 达到最高，此后在 1400~1800m 间虽有下降趋势但差异不显著，而>1800m 后有机质含量显著性下降。这可能是不同海拔气温差异导致的，高海拔地区较低海拔地区气温低，更利于有机质的积累，但 1800m 以上地区，过低的温度可能使得微生物活动、土壤酶活性等土壤生物化学反应速率大大降低，分解合成有机质的能力也随之降低。全氮和碱解氮随海拔的变化趋势相似，全氮整体上在 1000~1800m 内随海拔增高而增大，并在 1600~1800m 地区含量达到最高，随后随着海拔增高而迅速降低;而碱解氮在 1400m 以下地区随海拔增高而增大，并于 1200~1400m 含量达到最高值，而后显著下降，但因为全氮在 1600~1800m 激增到最大值，使得碱解氮又在此有明显的增高趋势，此后随全氮含量的迅速降低而显著下降。全磷和速效磷含量随海拔的变化趋势相似，二者在>1000~1400m 范围内总体上随海拔升高而不断积累，但均在 1400~1600m 地区显著性降低，而后两者均随着海拔升高而继续累积，且速效磷在>1800m 地区较之前呈极显著性增长，这可能是速效磷在高海拔地区较低的土壤温度下不容易损失，而保持了较高的磷素有效性。全钾和速效钾在不同海拔其趋势不完全相同，全钾及速效钾含量在>1200m 内均表现平稳，而在 1200~1600m 范围内全钾随海拔升高而降低，速效钾随海拔升高而增大，1600~1800m 范围内两者均显著性增大，并同时达到最高水平，之后又随海拔增高而平稳下降，这可能是因为全钾与土壤矿物组成有关，加之西南地区地质破碎活动频繁，各地层交替演化发展，即含钾矿物在海拔分布上无明显特征，而速效钾易受到降水影响，降水量大 K +易流失。

　　本研究显示(表 7)降水量极显著地影响了西南地区茶园土壤养分，其中降水量与土壤全钾、pH、速效钾、碱解氮、速效磷、全磷为极显著负相关，与有机质、全氮为极显著正相关，在 95%置信区间下，西南茶区茶园土壤 pH 与降水量回归关系如图 3，随着降雨量的递增，土壤 pH 整体呈现递减趋势，回归 R 2 表明此回归方程解释了 29.6%的土壤 pH 方差变异。结合表 5 茶园土壤 pH 值及年均降雨量分析，两指标在西南地区的大小排序完全相反，具体表现如下。西藏年均降水量为 1021mm，对应回归曲线中趋势线斜率最大段，说明西藏地区土壤 pH 受到降雨的影响最为明显;贵州年均降水量为 1249mm，对应回归曲线中趋势线最平稳段，说明降雨对贵州土壤 pH 影响较小，这可能是适宜的海拔高度对 pH 的正向效应低抵消了由降雨带来的负向效应;而云南和四川年均降水量分别为 1460 和 1523mm，分别对应回归曲线中趋势线下降的次末段和最末段，说明降雨对四川和云南茶园土壤 pH 有明显影响。

　　西南地区茶园主要土壤分布有较为明显的地带性特征，由南到北主要以砖红壤及红壤黄壤-黄棕壤分布，由西到东主要以棕壤-黄棕壤-黄壤分布。图 4 显示，不同土壤类型下的土壤 pH 以棕壤、黄棕壤较高，pH 均在 5.0 以上;黄壤较为居中 pH 在 4.79 左右，而红壤、砖红壤最低，pH 均低于 4.4;有机质以砖红壤、棕壤最高，有机质含量均超过 60g·kg-1，其次是红壤、黄壤、黄棕壤，平均含量均在 20~40g·kg-1 间。碱解氮含量以棕壤、砖红壤、红壤较高，含量超过 200mg·kg-1，而黄壤、黄棕壤较低，但也在 100mg·kg-1 以上;速效磷以黄棕壤、棕壤较高，而砖红壤、黄壤、棕壤较低，均在 20mg·kg-1 以下;速效钾以黄棕壤、棕壤较高均超过 100mg·kg-1，而黄壤、砖红壤、红壤较低。全氮以棕壤、砖红壤、红壤含量较高超过 1.5g·kg-1，而黄壤、黄棕壤稍低;全磷以棕壤较高，其余均偏低;全钾除砖红壤较低外，其余土壤类型均较高且超过 10mg·kg-1。

　　从养分整体状况来说，棕壤最好，其次是黄棕壤，再次是黄壤、砖红壤和红壤。具体表现为，棕壤的养分全面丰富，指标均达到优质高效高产茶园标准;黄棕壤除总磷略有偏低外，整体养分较为均衡;黄壤速效磷、全磷较为缺乏;红壤、砖红壤有机质、碱解氮、全氮养分含量丰富，但其土壤酸化明显，且速效磷、速效钾、全磷较为缺乏。

　　3 结论与讨论

　　3.1 茶园土壤养分特征及影响因素

　　西南地区茶园土壤养分状况整体较好，以含氮类养分如有机质、碱解氮、全氮的含量较为丰富，平均含量均达到优质高效高产茶园标准;速效钾及全钾含量略有不足，速效态磷及全磷含量缺乏;西南茶区土壤 pH 平均水平符合优质高效高产茶园标准，但域内土壤仍有不同程度的酸化趋势，除 pH 为弱变异外，其余指标均为中等变异，此结果与李玮等[9]、任艳芳等[10]、杨广容等[11]的研究结果与本研究基本一致。

　　海拔的垂直山地气候对西南茶区土壤养分影响较大。通过对不同海拔茶园土壤分析可知，随着海拔的上升土壤 pH 值也逐渐升高，这可能是高海拔寒冷环境下土壤微生物活动及酶活性低，根部有机酸等分泌物相应减少，由此可看出海拔因素在一定程度上控制了土壤酸化的发生，这与姜哲浩[12]、林小兵[13]的研究结果一致。本研究显示养分随海拔变化趋势明显，养分在 1800m 以下地区整体上随海拔升高而积累，而在 1800m 以上地区，除了速效磷显著增多外，其余养分含量均明显下降。这可能是 1800m 以上高海拔高寒地区土壤 pH 较高，间接影响了土壤固磷过程，使磷不易发生沉淀和吸附反应，降低对磷的固定作用，增大了磷的有效性[14]，且超 1800m 以上地区主要集中在降水量较少的西藏，而较少的降水量可能难以形成地表径流对土壤颗粒形成侵蚀，或淋溶影响小，进而保持了速效磷较高的活性[15]。整体上西南茶区相较于常年高温多雨的福建、江西等地区茶园土壤有机质、碱解氮、全氮含量较高[13,16-17]，受到高海拔低温影响，不利于有机质的矿化，土壤中微生物及土壤酶的生物化学活动较低海拔地区程度低，故而对有机质能量消耗少。

　　降水量对土壤养分及 pH 存在不同程度的影响。西南地区速效钾速效磷含量低，尤其以速效磷缺乏突出，仅 20.83%达到优质高效高产茶园速效磷标准。有研究显示降水量形成的地表径流对养分输出影响明显，对全钾、全氮及全磷明显[15]。土壤中磷素以淋溶形式损失的量与以地表径流和土壤侵蚀形式损失的量相当或者更大，土壤磷素渗漏迁移也可能是磷流失的一条重要途径[18]。而结合西南茶区的实际状况，除西藏降水量偏少且植茶区基本属于河谷谷底或台地外，云南、贵州、四川三地年均降水量丰富且茶园多为坡地，因此更易于造成磷素流失，而钾在水溶液中溶解性较高，胶体性低，也易随地表径流而流失[19]。此外，本研究显示降水量也明显的影响了土壤酸化的过程，这与张驭航[20]研究一致。

　　不同土壤类型的养分特征。棕壤及黄棕壤养分较为全面;黄壤缺乏速效磷、速效钾和全磷;红壤、砖红壤酸化严重，全量及速效态磷钾较缺乏，但其有机质、碱解氮、全氮含量丰富，这与江西省茶区红壤肥力整体低下的表现不同[13]，可能是由于西南地区红壤主要分布在云南西南部，该地区海拔较高降水量大，平均海拔达 1500m 以上气温较低，对有机质消耗较低，且古茶树分布较广，随着年限的延长枯枝落叶形成的有机质、碱解氮、全氮不断积累，而磷钾素在降水量较为丰富的作用下，其淋失及径流损失作用较海拔带来的积累效应可能更为明显。

　　其它因素对茶园土壤养分的影响。研究表明，土壤全钾全磷主要受到成土母质或基岩所影响[21]，这可一定程度上说明西南茶区全钾在不同海拔下无明显规律的现象。在较低 pH 及较高温度下，土壤矿物表面吸附的磷可转化形成含磷的表面沉淀，造成矿物溶解转化以及磷生物有效性的进一步降低[22]，这为本研究中得到的速效磷在 1800m 以上地区相较低海拔茶区含量显著性增多的结果提供了解释。速效钾虽可通过凋落物及腐殖质分解输出一定的数量，但茶树中的多酚会抑制土壤微生物和土壤酶活性，结合西南茶区高海拔的冷凉气候特点，使得分解释放进程更为缓慢。从施肥管理来说，可能长期受到氮肥增产的影响而重施尿素类氮肥，进而导致尿素在酸性条件下水解出较多的 NH4+，过量的 NH4+与 K +竞争吸附点位，加剧了土壤 K +的淋失[23];此外有研究显示，管理措施相对于对土壤氮磷钾等养分的影响更大[24,25]，因此科学的施肥管理也是影响着土壤养分的重要因素。

　　3.2 西南地区茶园养分管理

　　根据我国茶园施肥现状的研究显示[2]，贵州存在过量施磷、四川过量施氮、云南施钾不足的现象，而本研究表明，贵州茶园土壤磷素实际上仍然缺乏、四川土壤酸化严重(pH=4.3)、云南缺磷缺钾。结合此分析可知，贵州茶园磷素供给充足但实际仍表现缺磷的状况，说明磷素在贵州茶园的利用率极低;而四川氮肥的过量投入和丰富的降水量可能是导致茶园土壤极酸化的原因;云南与贵州情况类似，存在磷素利用率低的情况，此外还存在钾肥投入不足的情况。

　　综合西南地区茶园土壤养分丰缺特征及肥料利用率情况，认为目前西南茶园养分管理的首要目标并非是对限制性养分进行施肥补充，而应当先从以下几方面入手。一是要调整优化土壤 pH，如利用石灰等土壤改良剂提升至适宜 pH，形成养分平衡的基础环境，对于氮肥应慎施或少施;二是提高磷钾肥利用率，目前多数农户因劳力及工时成本，习惯使用等比例通用复合肥多量少次施入[2]，而容易造成无效供给和养分淋失，恶化土壤环境及养分供给能力，应按区域土壤养分差异，定制茶树的专用配方肥，并遵循有机无机肥配合施入的原则[26]，以增强磷、钾在土壤中的迁移。此外肥料施用应按茶树生长期分次施用，从而在整体上提高西南茶区磷钾素养分利用效率，减少土壤质量恶化;三是提升茶园管理措施，如增加茶园绿肥套种面积，土层覆盖枯枝落叶等方式，减少强降水造成的土壤径流及下淋溶导致的养分流失。基于以上三点为，贵州和云南需适当提高土壤 pH 防止土壤过酸化，其中贵州应注意适当提高土壤有机质，适当加强有机磷肥的施入;云南除磷肥外还需适量加强钾肥的施入;四川茶园土壤酸化严重，应将调升土壤 pH 作为茶园管理的重点靶向目标,同时适量增加有机磷钾肥的施用，并可种植绿肥压青还田以改善土壤物理及养分状况;而西藏地区可不施或少施钾肥，适量增施磷肥，但受制于地质环境原因，且土体中夹杂了大量石块石砾[27]，应采取措施提高区域茶树宜植性。