茶叶是我国重要的经济作物,对促进农村经济发展和国家解决“三农”问题具有重要的现实意义。多年生叶用植物茶树需肥量大,过量使用化肥,不仅增加成本、污染环境,还会危及茶叶质量安全和销售等,如何减少茶园化肥施用量,提高养分利用率,保障茶园环境友好十分紧迫[1,2]。为实现农作物化肥减施增效,国内外在化肥配制、有机肥替代化肥、新型高效肥料创新、化肥施用限量、施肥技术等方面持续开展研究[3,4]。2015年以来,我国高度重视化肥减施增效,深入开展化肥零增长行动,已提前实现2020年化肥零增长的目标。尤其在水稻、玉米、小麦三大粮食作物这方面的研究及其推广较好,化肥利用率稳步提高[5,6,7]。在茶树方面,已有不少研究表明茶园沟施效果好于撒施[8]、机械开沟施肥效果优于人工开沟施肥[9]、新型肥料减施增效优于传统肥料[10,11]、有机肥替代部分化肥减施增效更好[12,13]。然而,当前我国茶园施肥中依然存在过量施肥、养分比例不当、茶树专用肥占比少、有机养分替代率较低和撒施等问题[14,15]。为此,本研究通过对施茶树专用有机无机复混肥、控释肥、控释肥搭配微生物有机肥与习惯施肥、不施肥进行比较,就不同施肥方式对茶叶产量、品质成分、养分利用率及经济效益进行了分析,旨在为提高茶叶品质、产量,实现茶园化肥减施增效和茶产业绿色发展提供依据和技术支撑。
1 材料与方法
1.1 材料
2017年10月至2018年10月,于贵州省思南县晨曦生态农业专业合作社（SN）茶园开展田间试验。该基地海拔970 m,地理坐标28°1′50″ N,108°9′1″ E,品种为无性系‘福鼎大白茶’,树龄9年。施基肥前试验地的土壤肥力如表1所示,总体肥力较差,尤其缺有机质、氮肥和磷肥。
表1 试验地茶园土壤肥力状况Tab.1 Soil fertility status in experimental tea garden |
| 试验点 Site | pH | 有机质 Organic matter/(g∙kg-1) | 全氮 Total N/ (g∙kg-1) | 全磷 Total P/(g∙kg-1) | 全钾 Total K/(g∙kg-1) | 水解氮 Hydrolyzable N/(mg∙kg-1) | 速效磷 Valid P/(mg∙kg-1) | 速效钾 Valid K/(mg∙kg-1) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SN | 5.03 | 13.63 | 0.85 | 0.36 | 10.08 | 75.80 | 4.03 | 86.20 |
| 优质高产标准 | 4.5~6.0[16] | >20.0[16] | >1.0[16] | >0.6[17] | >10.0[17] | >100.0[16] | >15.0[16] | >80.0[16] |
复合肥（N:P2O5:K2O=15:15:15）、茶树专用复混肥（N:P2O5:K2O=11:5:4,有机质≥20%）、控释肥（N:P2O5:K2O=22:8:12）、微生物有机肥（有机质≥60%,腐植酸≥20%,有效活菌数≥0.40×108/g,总养分含量≥5%,N:P2O5:K2O=2:1:1）、尿素（总氮≥46.4%）。
1.2 方法
1.2.1 试验设计 采用由相同技术模式组成的、随机排列的小区对比模式,共3个小区（重复）,各小区每个技术模式的施肥面积333.5 m2。
本试验共设置5个处理（表2）,对照（CK）一年四季不施肥,施药、锄草、修剪等管理方式同其他技术模式。习惯施肥方式（CF）基肥和追肥均采用行间撒施。施肥新模式1、2、3（T1、T2、T3）为茶树专用有机无机复混肥、控释肥、微生物有机肥替代化肥技术模式。
表2 化肥减施技术模式Tab. 2 Technical mode of reducing fertilizer application |
| 处理 Treatments | 基肥（10—11月） Base fertilizer (October to November) | 追肥 Topdressing | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 肥料类型 | 用量/(kg∙hm-2) | 肥料类型 | 春茶催芽肥/(kg∙hm-2) | 5月份用量/(kg∙hm-2) | 施用方式 | |
| CK | 无 | 0 | 无 | 0 | 0 | 无 |
| CF | 复合肥 | 1500 | 尿素 | 225 | 300 | 行间撒施 |
| T1 | 茶树专用复混肥 | 2250 | 尿素 | 150 | 225 | 沟施 |
| T2 | 控释肥 | 1200 | 尿素 | 0 | 225 | 沟施 |
| T3 | 控释肥 | 600 | 尿素 | 225 | 300 | 沟施 |
| 微生物有机肥 | 1500 | |||||
各处理养分用量如表3所示,相较于CF,T1、T2、T3的化肥减施量分别为32.1%、33.8%、46.0%,氮素减施量分别为10.1%、21.4%、19.8%。
表3 试验地养分用量Tab. 3 Nutrient consumption in experimental tea garden |
| 处理 Treatments | 有机肥 Organic fertilizer/(kg∙hm-2) | 化肥 Chemical fertilitzer/(kg∙hm-2) | 化肥总量 Total chemical fertilitzer/(kg∙hm-2) | 化肥减施量 Chemical fertilitzer reduction/% | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| N | P2O5 | K2O | N | P2O5 | K2O | 总减施量 | N | P | K | ||
| CK | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | ||||
| CF | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 468.6 | 225.0 | 225.0 | 918.6 | ||||
| T1 | 9.0 | 4.5 | 4.5 | 421.5 | 112.5 | 90.0 | 624.0 | 32.1 | 10.1 | 50.0 | 60.0 |
| T2 | 0.0 | 0.0. | 0.0 | 368.4 | 96.0 | 144.0 | 608.4 | 33.8 | 21.4 | 57.3 | 36.0 |
| T3 | 37.5 | 18.8 | 18.8 | 375.6 | 48.0 | 72.0 | 495.6 | 46.0 | 19.8 | 78.7 | 68.0 |
1.2.2 样品采集、处理、检测 春茶采摘一芽二叶,夏秋茶机采,记录产量。春、夏、秋各观测发芽密度1次,调查每点（33.3 cm×33.3 cm）10 cm叶层范围内萌动芽以上的芽梢数。分别取春、夏、秋第1轮茶的一芽二叶,测百芽重。每次计产时,随机称取鲜叶500 g,杀青烘干称重,检测非水分含量（干叶含量）。从每个处理小区机采鲜叶中随机称取150 g鲜叶,按单芽、一芽一叶、一芽二叶、一芽三叶、其他（一芽四叶、对夹叶、单片、破碎芽叶、老叶梗等）进行分类、称重,检测鲜叶机械组成[18]。采摘第1轮春、夏、秋茶的一芽二叶,及时杀青、烘干,制作理化样,分别采用GB 5009.3—2016、GB/T 8305—2013、GB/T 8312— 2013、GB/T 8313—2018和GB/T 8314—2013检测水分、水浸出物、咖啡碱、茶多酚和游离氨基酸含量。采用NY/T 2017—2011检测氮、磷、钾含量。指标检测均为3次重复。
新梢氮、磷、钾素积累量（kg/hm2）=新梢干物质量×新梢含氮、磷、钾量。
新梢氮、磷、钾肥农学效率（kg/kg）=（施氮、磷、钾区新梢产量-不施氮、磷、钾区新梢产量）/氮、磷、钾施用量。
新梢氮、磷、钾的表观回收率（%）=（施氮、磷、钾区新梢氮、磷、钾吸收量-不施氮、磷、钾区新梢氮、磷、钾肥吸收量）/氮、磷、钾施用量。
氮、磷、钾的农学生理效率（kg/kg）=（施氮、磷、钾肥区产量-不施氮、磷、钾区新梢产量）/（施氮、磷、钾肥区新梢氮、磷、钾吸收量-不施氮、磷、钾区新梢氮、磷、钾吸收量）。
根据当地茶叶生产实际情况调研（表4）,统计全年产值、劳动力成本、肥料成本,估算每个模式的经济效益。
表4 经济效益估算依据Tab. 4 Economic profit estimation basis |
| 指标 Index | 单价 Unite price |
|---|---|
| 春茶一芽二叶售价/（元∙kg-1） | 40.00 |
| 春茶一芽二叶采摘费/（元∙kg-1） | 20.00 |
| 夏、秋茶机采茶售价/（元∙kg-1） | 2.00 |
| 夏、秋茶机采茶人工费（包油）/（元∙kg-1） | 0.50 |
| 基肥开沟劳务费/（元∙hm-2） | 1500.00 |
| 追肥开沟劳务费/（元∙hm-2） | 1125.00 |
| 尿素/（元∙t-1） | 2500.00 |
| 控释肥/（元∙t-1） | 4250.00 |
| 微生物有机肥/（元∙t-1） | 3300.00 |
| 茶叶专用复混肥/（元∙t-1） | 2000.00 |
| 3个15复合肥/（元∙t-1） | 3750.00 |
| 其他成本（含管理费）/（元∙hm-2） | 7500.00 |
1.3 数据处理
化肥减施量以CF为对照。利用SPSS 20.0软件对相关试验数据进行方差、LSD多重比较分析[21]。
2 结果与分析
2.1 发芽密度和一芽二叶百芽干重
如图1A所示,春茶发芽密度为T3>T1> T2>CF>CK,夏、秋茶发芽密度为T3>T1>CF> T2>CK。T3的春、夏、秋发芽密度显著大于其他处理。
图1 5个处理的春、夏、秋季发芽密度（A）和一芽二叶百芽干重（B）图柱上同一季节不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。 Fig. 1 Budding density (A) and dry weight per 100 buds (B) for five treatments in spring, summer and autumn Different lowercase letters on the bar of the same season indicate significant difference between treatments (P<0.05). |
图1B显示,春夏茶T2、T3、CF的一芽二叶百芽干重显著大于CK,秋茶除了T3,一芽二叶百芽干重都显著大于CK。春、夏、秋茶的一芽二叶百芽干重,在T1、T2、T3、CF之间无显著差异。
2.2 鲜叶、干茶产量与机采鲜叶机械组成
图2 5个处理的春、夏、秋季茶鲜叶产量（A）、鲜叶非水分含量（B）和干茶叶产量（C）图柱上同一季节不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。 Fig. 2 Yield of fresh tea leaves (A), non water content of fresh tea leaves (B) and yield of dry tea leaves (C) from five treatments in spring, summer and autumn Different lowercase letters on the bar of the same season indicate significant difference between treatments (P<0.05). |
机采鲜叶机械组成如表5所示,总体来看,所有处理的一芽四叶、对夹叶、单片、破碎芽叶、老叶梗等占的比列较高,机采效果差,所采鲜叶适制大宗茶,T1和T3的机采效果略好于其他处理。
表5 5个处理的夏秋机采茶每100 g鲜叶机械组成Tab. 5 Mechanical composition per 100 g fresh leaves from machine picked tea from five treatments in summer and autumn g |
| 茶季 Tea season | 处理 Treatments | 独芽 Bud | 一芽一叶 A bud and a leaf | 一芽二叶 A bud and two leaves | 一芽三叶 A bud and three leaves | 其他 Others |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 夏茶 | CK | 1.1±0.1a | 1.5±0.1a | 7.3±0.7b | 7.9±0.7c | 82.2±7.9a |
| CF | 1.2±0.1a | 2.7±0.2a | 11.9±1.0a | 16.5±1.6ab | 67.7±6.2b | |
| T1 | 1.5±0.1a | 4.5±0.3a | 11.7±1.0a | 13.7±1.2b | 68.6±6.5b | |
| T2 | 1.6±0.1a | 1.8±0.1a | 10.3±0.9a | 19.4±1.8a | 66.9±6.3b | |
| T3 | 1.8±0.1a | 2.5±0.2a | 9.8±0.9a | 13.3±1.2b | 72.6±6.9b | |
| 秋茶 | CK | 0.8±0.1a | 1.2±0.1c | 10.6±0.9a | 10.3±1.0c | 77.1±7.1a |
| CF | 0.6±0.1a | 1.8±0.1bc | 7.1±0.6c | 12.2±1.1bc | 78.3±7.4a | |
| T1 | 0.8±0.1a | 2.1±0.2b | 8.4±0.7b | 17.8±1.6a | 70.9±6.2b | |
| T2 | 0.9±0.1a | 2.4±0.2b | 7.3±0.6c | 12.4±1.1bc | 77.0±7.1a | |
| T3 | 1.2±0.1a | 4.6±0.4a | 9.3±0.8ab | 14.7±1.3ab | 70.2±6.3b |
注：同列同一季节不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。 | |
Note: Different lowercase letters in the same column of the same season indicate significant difference (P<0.05). |
2.3 生化成分差异
图3 5个处理的春、夏、秋季一芽二叶干茶水分含量（A）、水浸出物（B）、茶多酚含量（C）、游离氨基酸含量（D）、咖啡碱含量（E）和酚氨比（F）图柱上同一季节不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。 Fig. 3 Water content (A), water extracts (B), tea polyphenols content (C), free amino acids content (D), caffeine content (E), and tea polyphenols to free amino acids (F) of one bud and two dry leaves from five treatments in spring, summer and autumn Different lowercase letters on the bar of the same season indicate significant difference between treatments (P<0.05). |
2.4 5个处理对新梢全氮、磷、钾素积累量的影响
施肥处理的茶树春、夏、秋季新梢氮和磷含量显著高于CK（图4A,B）。春季,T1、T3的新梢氮含量显著高于T2,不显著高于CF;夏、秋季,CF、T1、T2、T3新梢氮含量无显著差异（图4A）。春季T1、T2、T3新梢磷含量不显著高于CF;夏季CF的磷含量显著高于T2、T3,与T1无显著差异;秋季T2、T3的磷含量显著高于CF、T1（图4B）。春季,T1钾含量显著低于其他处理;夏季CF、T1的钾含量显著高于CK、T2,与T3无显著差异;秋季CK钾含量显著低于施肥处理,T3钾含量显著高于CF、T1,与T2无显著差异（图4C）。综合来看,施肥能有效增加茶树新梢对氮、磷、钾的积累量,T3模式更能促进氮、钾素的吸收。
图4 5个处理的春、夏、秋季新梢全氮（A）、磷（B）、钾（C）含量图柱上同一季节不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。 Fig. 4 Total N (A), P (B) and K (C) content of fresh shoots for five treatments in spring, summer and autumn Different lowercase letters on the bar of the same season indicate significant difference between treatments (P<0.05). |
2.5 5个处理对新梢年均氮、磷、钾素吸收量及其表观回收率、农学效率、农学生理效率的影响
如表6所示,CK的新梢全年氮素吸收量显著低于其他处理,T1、T2、T3的新梢全年氮素吸收量显著高于CF。T2、T3的氮素表观回收率和农学效率优于CF、T1。各处理间氮素农学生理效率无显著差异。结果表明施肥能够显著提高茶树新梢全年氮素吸收量,T1、T2、T3的氮素利用率优于CF,T3效果更好。
表6 5个处理的新梢年氮、磷、钾素吸收量及其利用率Tab. 6 Annual N, P and K uptake amount and utilization efficiency in new shoots under five treatments |
| 指标 Index | 处理Treatments | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| CK | CF | T1 | T2 | T3 | ||
| N吸收量/(kg∙hm-2) | 74.3±7.1c | 118.0±10.9b | 139.8±12.8a | 138.5±13.1a | 142.5±13.9a | |
| N表观回收率/% | 0.0 | 9.3±0.8c | 15.5±1.4b | 17.4±1.6ab | 18.1±1.8a | |
| N农学效率/(kg∙kg-1) | 0.0 | 2.0±0.2c | 3.2±0.3b | 4.0±0.3ab | 4.4±0.4a | |
| N农学生理效率/(kg∙kg-1) | 0.0 | 21.8±1.9a | 20.6±1.9a | 22.9±2.0a | 24.4±2.2a | |
| P吸收量/(kg∙hm-2) | 6.5±0.5c | 10.2±0.9b | 12.0±1.1a | 11.3±1.0ab | 12.0±1.0a | |
| P表观回收率/% | 0.0 | 3.8±0.3c | 11.1±1.1b | 11.6±1.1b | 26.2±2.3a | |
| P农学效率/(kg∙kg-1) | 0.0 | 9.7±0.9c | 27.5±2.5b | 35.1±3.2b | 79.4±7.2a | |
| P农学生理效率/(kg∙kg-1) | 0.0 | 258.5±24.8b | 247.4±24.3b | 303.5±29.7a | 302.6±28.6a | |
| K吸收量/(kg∙hm-2) | 36.1±3.1b | 56.5±4.9a | 58.0±5.2a | 57.0±5.4a | 63.5±5.9a | |
| K表观回收率/% | 0.0 | 10.9±0.9d | 29.3±2.6b | 17.4±1.5c | 45.7±3.8a | |
| K农学效率/(kg∙kg-1) | 0.0 | 5.1±0.4d | 18.1±1.7b | 12.3±1.0c | 27.8±2.6a | |
| K农学生理效率/(kg∙kg-1) | 0.0 | 47.0±4.1c | 61.8±5.8b | 70.6±6.3a | 60.8±5.7b | |
注：同行不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。 | |
Note: Different lowercase letters in the same row indicate significant difference (P<0.05). |
2.6 不同处理的经济效益分析
从表7可以看出,CF、T1、T2、T3的全年茶叶产值和纯收入显著高于CK,T1、T2、T3的全年茶叶产值和纯收入显著高于CF。T1、T2、T3的年纯收入分别为6.36、6.27、6.40万元/hm2,无显著差异,T3的经济效益略优。相较于CF年 纯收入4.88万元/hm2,T1、T2、T3的每年每公顷纯收入分别增收1.48、1.39、1.52万元。
表7 5个处理的茶园年经济效益 |
| 处理 Treatments | 产值 The output value | 成本Cost | 纯收入 Net income | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 春茶 | 夏茶 | 秋茶 | 全年 | 劳动力 | 肥料 | ||
| CK | 7.20±0.51c | 1.00±0.11c | 0.12±0.01d | 8.32±0.78c | 4.63±0.41c | 0.00 | 3.69±0.34c |
| CF | 10.23±0.96b | 1.41±0.12b | 0.20±0.01c | 11.84±1.01b | 6.26±0.59b | 0.70±0.05a | 4.88±0.41b |
| T1 | 13.05±1.31a | 1.71±0.15a | 0.29±0.02b | 15.05±1.32a | 8.15±0.78a | 0.54±0.04b | 6.36±0.57a |
| T2 | 12.88±1.12a | 1.56±0.12ab | 0.32±0.03b | 14.76±1.41a | 7.92±0.72a | 0.57±0.03b | 6.27±0.56a |
| T3 | 13.30±1.29a | 1.78±0.13a | 0.40±0.05a | 15.48±1.46a | 8.33±0.67a | 0.75±0.06a | 6.40±0.59a |
注：同列不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。 | |
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05). |
3 讨论
茶树新梢中氮、磷、钾的含量分别可达4%~ 7%、0.3%~1%、2%~3%,需求养分较大,尤其是氮[22]。本研究表明施肥处理（CF、T1、T2、T3）的茶园茶叶产量、品质和经济效益显著优于不施肥处理（CK）。习惯施肥（CF）主要采用撒施,肥料易于挥发和淋失,土壤易于板结,降低茶树抗旱性。相较于CF,本研究采用开沟施肥的T1、T2、T3化肥减施量分别为32.1%、33.8%、46.0%,T1、T2、T3全年干叶产量显著高于CF,T1和T3的机采效果略好于CF,4个处里间的绿茶品质差异不大,T1、T2、T3化肥利用率优于CF。这与刘声传等[11,12]、马立锋等[23]、杨浩瑜等[24]的研究结论一致,再次表明,相较于撒施,即使在减少一定量化肥用量的情况下,茶园沟施的综合效果更好。
确定茶园氮、磷和钾基准配比和用量基准,是实现茶园化肥减施增效的重要前提[15]。贵州茶园主要施用等养分比例的高浓度复合肥（N:P2O5:K2O=15:15:15或17:17:17）,不符合茶树叶片养分需求,磷、钾养分过量,浪费肥料[25]。农业农村部发布《2018年果菜茶有机肥替代化肥技术指导意见》,要求茶园施用的复合肥N:P2O5:K2O=18:8:12或相近配方。经过多年研究,阮建云等[15]提出了不同生产方式茶园的氮、磷和钾基准配比和用量基准,对于大宗茶混合生产方式茶园（春茶名优茶、夏秋茶大宗茶）,每年氮300~450 kg/hm2（400~450 kg/hm2效果好,不超过450 kg/hm2）,磷（P2O5）、钾（K2O）分别为60~90 kg/hm2（不超过150 kg/hm2）和60~ 120 kg/hm2（不超过150 kg/hm2）。这也是本研究CF施用等养分比例的高浓度复合肥,导致综合效益差的原因。本研究的T1施用的茶树专用复混肥N:P2O5:K2O=11:5:4,磷养分含量略高,钾养分略低,也许改成N:P2O5:K2O=11:4:5,效果更好。茶树新梢的镁含量为干重的0.12%~ 0.3%,施镁肥可增产9%~38%,提高茶叶品质[26]。阮建云等[15]建议茶园每年施镁（MgO）40~60 kg/hm2,其团队研制的茶树专用肥（N:P2O5:K2O:MgO=18:8:12:2）效果好,已在浙江推广。本研究的施肥模式,若是补上镁肥,效果也许更好。
有机肥替代化肥技术是实现茶园化肥“零增长”的重要技术之一,施用有机肥不仅可以提高茶叶品质,还可改善土壤理化性质[29,30,31,32]。我国主要茶区进行的有机肥替代化肥试验显示,以有机肥替代化肥氮的30%效果最好[29,33]。有机肥搭配化肥施用时,有机肥养分含量一般为总施肥量养分含量的20%~30%[29]。农业农村部发布《2018年果菜茶有机肥替代化肥技术指导意见》,要求大宗绿茶茶园每年基肥施商品畜禽粪有机肥3000~4500 kg/hm2、茶树专用肥（N:P2O5:K2O=18:8:12或相近配方）450~750 kg/hm2。在本研究中,T1的酚氨比低于CF,这可能与该技术模式的氮素含量较高有关,但其产量、化肥利用率低于T2、T3,经济效益低于T3,表明该茶树专用肥的有机无机配比还有待改善,也许增加有机质含量、降低化肥含量效果更好。此外,本研究T3的产量、化肥利用率、经济效益最好,但存在酚氨比略高于CF的现象,这可能与该模式的有机肥替代率偏低,需增加有机肥施用量有关,若每公顷增施1500 kg,其品质、产量可能更好,但成本增加不少,其综合效益有待进一步研究。
本研究从氮、磷和钾基准配比和用量、调整肥料结构、有机肥替代部分化肥、改进施肥方式方面,综合研究了不同施肥技术对茶园产量、品质、化肥利用率、经济效益的影响,初步认为茶树专用肥（T1）、控释肥配施有机肥（T3）的化肥减施效果较好,尤以T3模式效果更好。但还存在着茶树专用肥的氮、磷和钾配比不当,茶树专用肥的有机肥及其有机质含量偏低,T3模式有机肥替代比例偏低,以及所有施肥模式缺乏镁肥等缺陷,还需进一步深入研究。