薛俊鵬，卓座品，劉 揚(yáng)，周 志，黃泓晶，許銳能，郭子龍，孫麗莉，陳志長(zhǎng)，廖 紅

（福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院根系生物學(xué)研究中心，福州 350002）

茶（（L.）O. Kuntze）是世界上最普遍的非酒精飲料作物，屬于山茶科山茶屬，其中，中國(guó)種（var.）包括云南亞種和武夷亞種。巖茶是武夷山最具代表性的茶類，屬于半發(fā)酵型的閩北烏龍茶。武夷巖茶的品質(zhì)具有明顯的地域特性（俗稱：山場(chǎng)），民間根據(jù)茶葉品質(zhì)的高低，大致將武夷山分為三個(gè)茶區(qū)，包括正巖區(qū)、半巖區(qū)和洲茶區(qū)。正巖區(qū)主要是指武夷山景區(qū)內(nèi)“三坑兩澗”的茶園，品質(zhì)最高；半巖區(qū)為九曲溪內(nèi)、“三坑兩澗”外的茶園，品質(zhì)較好；洲茶區(qū)則為景區(qū)外的茶園，品質(zhì)一般。有研究利用超高效液相色譜-四級(jí)桿-飛行時(shí)間質(zhì)譜（UPLC-Q-TOF-MS）分析方法，揭示了武夷巖茶的品質(zhì)是一系列代謝物的綜合效果，并且與產(chǎn)地的密切關(guān)系客觀存在。

不同茶區(qū)的土壤成土母質(zhì)差別很大，其礦質(zhì)養(yǎng)分含量也不同，唐代陸羽在《茶經(jīng)》中提到，不同類型的土壤上種植出來的茶葉等級(jí)不同，表明土壤養(yǎng)分可能影響茶葉的品質(zhì)。通過對(duì)福建省茶葉主產(chǎn)區(qū)武夷山和安溪茶園進(jìn)行調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，茶園的土壤肥力顯著影響茶葉的品質(zhì)，肥力不足或過量均會(huì)導(dǎo)致茶葉的品質(zhì)下降。土壤中氮過高會(huì)顯著降低茶園土壤的酶活性，不利于茶樹養(yǎng)分的吸收轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致茶葉代謝物的累積減少。此外，土壤中的微量元素也會(huì)影響茶葉的生化成分，通過外施微量元素可調(diào)控茶葉的品質(zhì)，銅和鋅肥均可提高茶葉中茶多酚、咖啡堿和游離氨基酸等主要代謝物的含量，施加適量錳能夠降低茶葉中茶多酚的含量。以上研究表明，茶園土壤的養(yǎng)分狀況顯著影響茶葉的品質(zhì)。

同時(shí)，茶青中的礦質(zhì)養(yǎng)分影響代謝物的合成和轉(zhuǎn)化，進(jìn)而決定茶葉的品質(zhì)。通過大量分析安溪與武夷山茶青中代謝物與養(yǎng)分的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)茶青中的氮磷鉀存在一定的比例關(guān)系，養(yǎng)分過高或過低均不利于代謝物的積累，其中對(duì)茶氨酸濃度的影響最大。茶葉中的氮直接參與茶氨酸和兒茶素的代謝，鉀影響著氨基酸與咖啡因的代謝，錳、鈣、鎂則與總糖存在一定關(guān)系。因此，茶青中的礦質(zhì)元素對(duì)茶葉的品質(zhì)形成具有重要影響。本研究根據(jù)武夷山的不同茶葉等級(jí)劃分的傳統(tǒng)區(qū)域（正巖區(qū)、半巖區(qū)、洲茶區(qū)），選取代表性茶園，分析不同產(chǎn)地茶青中礦質(zhì)元素的差異，尋找土壤肥力與茶青養(yǎng)分的關(guān)系，旨在為茶園土壤養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

采樣概況：本研究以武夷山主栽茶樹品種肉桂為主要研究對(duì)象，采樣時(shí)間為2018 年春季，主要采集茶青樣品和茶園對(duì)應(yīng)的土壤樣品。取樣茶園共計(jì)112 個(gè)，涉及武夷山正巖區(qū)、半巖區(qū)和洲茶區(qū)三類茶區(qū)，茶園數(shù)分別為41、21 和50 個(gè)。具體采樣點(diǎn)包括正巖區(qū)：牛欄坑、慧苑坑、倒水坑、流香澗、悟源澗等；半巖區(qū)：巖茶村、乞丐巖、白云巖、一線天、燕子窠等；洲茶區(qū)：興田、黃柏、仙店、歷屯、太廟等（圖1）。

圖1 武夷山取樣分布圖Fig.1 Distribution of the sampling spots in the Wuyi Mountain

茶葉樣品的處理：按照當(dāng)?shù)氐牟刹铇?biāo)準(zhǔn)采摘三葉一新（新葉為全開面），樣品采集后24 h 內(nèi)采用熱固樣法固定，105 ℃烘箱加熱30 min，75 ℃烘干至恒重，研磨成粉末后稱樣消解，用于測(cè)定12 種主要礦質(zhì)元素。每個(gè)茶園取10 個(gè)茶青樣品，共計(jì)1 120個(gè)茶青樣品。

茶園土壤的處理：取土前，先清除土壤表層的雜草及落葉；取樣時(shí)，在茶樹滴水緣垂直向下、靠近茶樹根系的部位，使用鉆土器采集0～20 cm 土層的土壤；取土后，土壤攤放于陰涼處風(fēng)干、研磨過篩后，用于檢測(cè)土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分指標(biāo)。每個(gè)茶園取3 個(gè)土壤樣品，共計(jì)336 個(gè)土壤樣品。

1.2 樣品檢測(cè)方法

茶青養(yǎng)分檢測(cè)：濃硫酸-雙氧水消解法消解茶青獲得待測(cè)溶液，使用流動(dòng)分析儀（Skalar，荷蘭）測(cè)定大量元素氮（N）和磷（P）濃度，使用火焰光度計(jì)（410 型，Sherwood，英國(guó)）測(cè)定鉀（K）濃度；硝酸消解法獲得茶葉樣品待測(cè)溶液，使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀ICP-MS7900（Agilent，美國(guó)）檢測(cè)鈣（Ca）、鎂（Mg）、鐵（Fe）、錳（Mn）、硼（B）、鋅（Zn）、銅（Cu）、鉬（Mo）和鎳（Ni）等9 種中微量元素。

土壤肥力檢測(cè)：土壤酸堿度（pH）測(cè)定采用電位法；有機(jī)質(zhì)（OM）測(cè)定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化—容量法；堿解氮（AN）測(cè)定采用堿解擴(kuò)散吸收法；有效磷（AP）測(cè)定采用鉬銻抗比色法；速效鉀（AK）測(cè)定采用乙酸銨浸提—火焰光度法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用 SPSS 19.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA）并選用鄧肯（Duncan）法進(jìn)行多重比較，使用R 語言中的Factoextra 和FactoMineR程序包進(jìn)行主成分分析，RandomForest 程序包進(jìn)行隨機(jī)森林分析，運(yùn)用ggplot2 程序包繪制小提琴圖，corrplot 和RColorBrewer 程序包進(jìn)行皮爾森相關(guān)性分析及可視化。

2 結(jié) 果

2.1 巖茶茶青中主要礦質(zhì)元素差異

對(duì)武夷山112 個(gè)茶園采集的1 120 個(gè)茶青樣品進(jìn)行12 種主要礦質(zhì)元素的測(cè)定分析，發(fā)現(xiàn)茶青中各礦質(zhì)元素的含量差異很大（表1）。大量元素中，氮的含量最高，為23.48 g·kg；鉀和磷次之，分別為14.41 和3.13 g·kg，氮∶磷∶鉀的比例約為（7～8）∶1∶（4～5），表明大量元素中磷的含量相對(duì)較低（表1）。中量元素中，鈣和鎂的含量分別約為磷的 82.0%和57.8%，表明茶樹對(duì)鈣和鎂的需求量較大（表1）。微量元素中，錳的含量最高，達(dá)到了551.77 mg·kg，約為鐵的4.3 倍，但其變異系數(shù)也是所分析元素中最大的，為51.11%，表明茶樹需要大量的錳，且其閾值范圍較廣（表1）。

表1 茶青中礦質(zhì)元素含量Table 1 Contents of mineral elements in tea leaves

2.2 巖茶茶青中形成產(chǎn)地差異的主要貢獻(xiàn)元素

針對(duì)12 種礦質(zhì)元素含量進(jìn)行主成分分析，僅前兩個(gè)主成分就可解釋茶青養(yǎng)分整體差異的 52%（第一主成分和第二主成分可分別解釋差異的38.2%和13.8%）（圖2）。基于第一主成分和第二主成分，不同產(chǎn)地之間的茶青樣品差異較大，尤其是正巖區(qū)與洲茶區(qū)之間，僅存在少許疊加；而半巖區(qū)的茶青樣品之間差異較大，明顯分隔成兩個(gè)部分，其中一部分完全與正巖重疊，另一部分則趨近于洲茶區(qū)（圖2）。上述結(jié)果可以說明正巖區(qū)與洲茶區(qū)的茶青養(yǎng)分含量差異明顯，而半巖茶則介于正巖茶與洲茶之間。

圖2 茶青中礦質(zhì)元素的主成分分析Fig. 2 Principal component analysis（PCA）of the mineral elements in tea leaves

為了篩選形成產(chǎn)地差異的主要貢獻(xiàn)元素，以產(chǎn)地作為分類依據(jù)進(jìn)行隨機(jī)森林分析，得到每個(gè)元素的平均精度下降值（mean decrease accuracy）和平均基尼指數(shù)降低值（mean decrease Gini）。結(jié)果顯示磷的平均精度下降值和平均基尼指數(shù)降低值均為最高，銅和氮次之，表明對(duì)產(chǎn)地差異貢獻(xiàn)最大的三種礦質(zhì)元素依次為磷、銅和氮（圖3）。因此，在分析的12 種礦質(zhì)元素中，這三種元素可能對(duì)不同產(chǎn)地茶葉的品質(zhì)差異起到主要貢獻(xiàn)。

圖3 不同產(chǎn)地茶青中礦質(zhì)元素的隨機(jī)森林分析Fig. 3 Random forest analysis of the mineral elements in tea leaves relative to area

同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)磷、銅、氮含量在正巖區(qū)、半巖區(qū)以及洲茶區(qū)之間確實(shí)存在著顯著差異（圖4）。正巖區(qū)茶青中這三種元素的含量總體低于洲茶，表明高品質(zhì)的正巖茶中含有較低含量的磷、銅、氮；而半巖茶居于正巖茶與洲茶之間，半巖茶中的磷和氮含量與正巖茶無顯著差異，銅則與洲茶無差異（圖4）。以上結(jié)果表明，茶青中過高的磷、銅、氮含量可能不利于高品質(zhì)茶葉的形成。

圖4 不同產(chǎn)地茶青中磷、銅、氮的含量Fig. 4 Contents of P，Cu and N in the tea leaves relative to area

2.3 土壤肥力對(duì)茶青中主要貢獻(xiàn)元素的影響

為了探究土壤肥力與茶青養(yǎng)分的關(guān)系，本研究將土壤肥力（pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀）與茶青礦質(zhì)元素含量（磷、銅和氮）進(jìn)行皮爾森相關(guān)性分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤pH 與有效磷、速效鉀不相關(guān)，而與有機(jī)質(zhì)、堿解氮呈很弱的負(fù)相關(guān)，表明茶園土壤酸堿度與土壤養(yǎng)分關(guān)系不明顯；土壤速效鉀分別與堿解氮、有效磷的關(guān)系較為密切，這可能與茶農(nóng)施用等配比氮磷鉀肥的習(xí)慣有關(guān)（圖5）。茶青中，磷與氮含量呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)，說明茶葉中磷和氮的吸收存在協(xié)同效應(yīng)（圖5）。而就土壤與茶青的關(guān)系而言，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值最高為0.11，表明二者幾乎不相關(guān)，即土壤肥力對(duì)茶青中主要貢獻(xiàn)元素磷、銅、氮的水平影響不明顯（圖5）。

圖5 土壤肥力與茶青中磷、銅和氮含量的關(guān)系Fig. 5 Relationships between soil fertility and contents of P，Cu and N in the tea leaves

3 討 論

3.1 武夷巖茶品質(zhì)與茶青養(yǎng)分的相關(guān)性

武夷山的茶葉根據(jù)產(chǎn)地所在區(qū)域劃分為正巖區(qū)（高品質(zhì)）、半巖區(qū)（中等品質(zhì)）和洲茶區(qū)（一般品質(zhì)）。本研究在三個(gè)不同品質(zhì)區(qū)域分別選取代表性茶園（圖1），分析不同產(chǎn)地茶青中礦質(zhì)元素的差異。通過主成分分析方法，發(fā)現(xiàn)正巖區(qū)與洲茶區(qū)的茶青養(yǎng)分含量差異明顯（圖2）；此外，利用隨機(jī)森林分析方法中的平均精度下降值和平均基尼指數(shù)降低值作為判斷指標(biāo)，來反映變量對(duì)決策樹節(jié)點(diǎn)純度的影響。一般而言，兩個(gè)指標(biāo)的數(shù)值越大，代表該變量在分類中的重要性越大。從圖3 結(jié)果可發(fā)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)地差異貢獻(xiàn)最大的三種礦質(zhì)元素，其中就包括大量元素氮和磷。氮和磷是茶樹生長(zhǎng)發(fā)育過程中需求量較大的兩個(gè)礦質(zhì)元素。Sun 等在對(duì)福建武夷山與安溪的茶葉樣品進(jìn)行養(yǎng)分測(cè)定后，認(rèn)為茶青中氮磷比例范圍為6∶1～13∶1，磷含量顯著低于氮。本研究發(fā)現(xiàn)，武夷山肉桂茶青樣品的總體氮磷比例較為恒定，約為7.5∶1（表1），符合前期研究比例范圍。進(jìn)一步對(duì)武夷山不同品質(zhì)茶區(qū)洲茶區(qū)、半巖區(qū)和正巖區(qū)的茶青樣品進(jìn)行分析后，得出這三個(gè)區(qū)域的氮磷比例分別為6.8∶1、7.7∶1 和8.0∶1，雖較為相近，但存在一定的趨勢(shì)，隨著品質(zhì)的提高而逐漸增大，即高品質(zhì)的茶青中磷與氮的比例較低；并且，正巖茶青中的氮和磷含量均顯著低于洲茶茶青，分別為洲茶的86.8%與74.2%（圖4）。綜合以上研究得出，高品質(zhì)的茶青中磷與氮的含量及其比例均較低。

3.2 土壤肥力與茶青礦質(zhì)元素的關(guān)系

植物的養(yǎng)分主要通過根系從土壤中吸收獲得，通常情況下，土壤養(yǎng)分狀況能夠影響植物體內(nèi)的養(yǎng)分，比如，高磷處理能夠分別提高柱花草與大豆中全磷或可溶性磷的含量。因此，本研究對(duì)土壤主要肥力指標(biāo)與茶青中對(duì)產(chǎn)地差異貢獻(xiàn)最大的三種礦質(zhì)元素進(jìn)行皮爾森相關(guān)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤肥力對(duì)茶青中主要貢獻(xiàn)元素磷、銅、氮的水平影響并不明顯（圖5）。周志等研究發(fā)現(xiàn)，相比洲茶區(qū)土壤，正巖區(qū)土壤為高磷低氮；同樣地，早在20 年前，姚月明認(rèn)為正巖茶園土壤的磷較洲茶區(qū)高，而氮要低；然而，品質(zhì)更優(yōu)的名巖區(qū)土壤中的銅含量較品質(zhì)一般的丹巖區(qū)低。本研究中正巖區(qū)茶青中的磷、銅、氮含量均低于洲茶區(qū)（圖4），說明土壤肥力部分影響茶青的礦質(zhì)元素組成，但不是決定因素。

武夷巖茶中的礦質(zhì)養(yǎng)分與土壤養(yǎng)分的關(guān)系形成可能受兩個(gè)因素的影響，一是茶樹自身的養(yǎng)分需求，即不同茶區(qū)的茶樹品種對(duì)礦質(zhì)養(yǎng)分的需求存在差異。孫威江等研究發(fā)現(xiàn)，不同產(chǎn)區(qū)的武夷巖茶鮮葉中營(yíng)養(yǎng)元素存在顯著差異，這與本身的土壤營(yíng)養(yǎng)環(huán)境之間并不存在很好的相關(guān)性。因此，植物對(duì)養(yǎng)分的吸收和需求以植物自身的響應(yīng)為判斷標(biāo)準(zhǔn)，土壤狀況僅能作為參考。二是不同巖區(qū)的地理環(huán)境差異。武夷山作為中國(guó)著名的風(fēng)景旅游區(qū)，具有典型的丹霞地貌特征。與洲茶區(qū)相比，位于武夷山核心地段的正巖區(qū)，具有降水量多，濕度大，霧日長(zhǎng)等氣候特點(diǎn)，這些因素將綜合影響茶樹中離子組和代謝組的變化，并最終形成其獨(dú)特的口感和品質(zhì)。

4 結(jié) 論

不同產(chǎn)地的茶青中12 種主要礦質(zhì)元素存在一定的差異，尤其是磷、銅和氮元素，對(duì)不同巖區(qū)茶青中礦質(zhì)元素的整體差異貢獻(xiàn)最大，且均在正巖區(qū)茶青中濃度最低，洲茶中最高，而土壤肥力5 項(xiàng)指標(biāo)（pH、堿解氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)）與茶青養(yǎng)分的累積相關(guān)性較弱。