廖金梅，黃維，李安生，劉少群，孫彬妹，鄭鵬

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，廣州 510642）

0 引言

施肥是為茶樹提供營養(yǎng)的有效途徑，也是提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素。增施氮肥是提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)的一項(xiàng)重要農(nóng)藝舉措，但不合理的氮肥施用不僅造成茶葉產(chǎn)量、品質(zhì)的下降，同時(shí)也對(duì)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成潛在威脅。本研究主要從茶樹中氮素營養(yǎng)診斷與需求量，氮素對(duì)于茶樹生長以及茶園土壤環(huán)境的影響等方面進(jìn)行總結(jié)，以期為生產(chǎn)上的合理施用氮肥提供理論依據(jù)。

1 茶樹中氮素營養(yǎng)診斷與需求量

1.1 氮素診斷

氮是促進(jìn)植物葉片生長的重要化學(xué)元素，有效檢測(cè)葉片氮含量有利于茶園的精確施肥和養(yǎng)分管理，對(duì)提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要意義。葉綠素儀可快速測(cè)定作物的葉綠素水平，該方法已在水稻、玉米等作物氮素營養(yǎng)診斷中推廣應(yīng)用[1-4]。蘇有健等[5-6]的研究也顯示，SPAD值可以較好地反映茶樹的氮素營養(yǎng)狀況。其他研究發(fā)現(xiàn)，葉片多酚含量與葉片含氮量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，可將多酚含量作為氮素營養(yǎng)狀況診斷的指標(biāo)[7]。

由于傳統(tǒng)作物營養(yǎng)診斷方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，越來越多的學(xué)者研究作物營養(yǎng)診斷的新方法，隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，基于光譜分析技術(shù)的作物營養(yǎng)診斷取得了一定的研究成果。Wang等[8]研究表明LS-SVM模型可以對(duì)不同施氮率和氮狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷，PLSR 模型對(duì)葉片氮含量的預(yù)測(cè)效果較好。Wang 等[9]通過研究得出，可見光和近紅外高光譜成像結(jié)合支持向量機(jī)可以有效識(shí)別茶樹的氮肥水平。Luo等[10]研究表明支持向量機(jī)模型對(duì)氮和茶多酚含量的預(yù)測(cè)效果最好。Wu 等[11]利用高光譜相機(jī)對(duì)茶葉面積指數(shù)和氮含量進(jìn)行檢測(cè)，用傳統(tǒng)化學(xué)方法檢測(cè)葉面積指數(shù)、氮含量和高光譜數(shù)據(jù)建立了較好的估算模型，為茶葉葉面積指數(shù)和氮含量的快速無損檢測(cè)提供了理論依據(jù)。

李孟杰[12]確定了基于L-BFGS 算法的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及L-BFGS-BPNN分段模型為試驗(yàn)中含氮量最優(yōu)診斷模型，并將研究結(jié)果集成于茶樹監(jiān)控平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)了利用茶樹圖像進(jìn)行含氮量診斷的功能。Wa 等[13]使用商用數(shù)碼相機(jī)在可見光光譜范圍內(nèi)使用CIEL*a*b*色彩空間估計(jì)茶葉的葉綠素和氮含量，認(rèn)為Lb*差值簡單指數(shù)、a*b*差值簡單指數(shù)和a*植被指數(shù)可用于茶葉葉片葉綠素和氮含量的估算。

1.2 茶樹正常生長發(fā)育對(duì)氮的需求量

茶樹是一類喜氮的多年生葉用作物，對(duì)采摘嫩度的要求較高且釆摘次數(shù)多，每年通過修剪帶走了大量枝葉，因此其對(duì)氮的需求量較其他作物量大。氮素是茶葉體內(nèi)蛋白質(zhì)、葉綠素、生物堿等的重要成分，是影響茶樹生長和產(chǎn)量形成的重要因素[6]；也是茶樹中含量最高的元素，約占茶樹全株干重的1.5%～2.5%，尤以葉片中的含量最高，特別是分生組織的芽端、根尖和形成層[14]，在新梢中可達(dá)4%～6%，老葉中約為3.5%左右[15]。

茶樹的整個(gè)生長發(fā)育周期都需要不斷地吸收氮素，氮素施用量直接關(guān)系到茶樹各器官的發(fā)育，成齡茶園每年需要施用300～450 kg/hm2的氮肥才能滿足茶樹對(duì)氮素的正常需求[16]。在不同月份，茶樹各部位對(duì)氮的需求存在一定的差異，根對(duì)氮素的需求主要集中在9—11 月，7—11 月則是莖對(duì)氮素需求的主要時(shí)段，在此期間，根和莖對(duì)氮素的需求量占全年總吸收氮的60%～70%，葉片對(duì)氮素的需求主要集中在4—9 月，占全年的80%～90%，春季是葉片生長最旺盛的季節(jié)，在此期間需要吸收大量的氮素，其氮素年需求量約相當(dāng)于根和莖的年需求量的總和[17]。

2 氮對(duì)茶樹生長發(fā)育的影響

2.1 氮對(duì)茶樹生理特性的影響

土壤氮素過多或缺乏都不利于茶葉的產(chǎn)生。適量施氮可以增加茶樹葉片中葉綠素的含量，其光合能力、頂芽和側(cè)芽的萌發(fā)數(shù)量、正常芽葉的數(shù)量和比例也相應(yīng)提高。茶樹是喜氮作物，土壤氮素可從多方面影響茶葉產(chǎn)量，包括促進(jìn)細(xì)胞分裂和蛋白質(zhì)的形成；提高其葉綠素含量；增進(jìn)茶芽萌發(fā)和新梢伸長，芽多葉大且嫩度高、節(jié)間長，新梢輪次增加，采摘期延長，從而提高茶葉產(chǎn)量[18]。

施氮可明顯改善茶樹的發(fā)芽密度，顯著提高茶樹的百芽重，明顯增加茶樹的鮮葉重量[19]，且隨著氮肥用量的增加，發(fā)芽密度呈遞增趨勢(shì)；百芽重呈先增后降的趨勢(shì)，當(dāng)施肥量超過一定數(shù)量后，百芽重不再增加，反而有所下降[20-21]。此外，施氮還可提高葉片和植株的干重[22]。施氮也可促進(jìn)茶樹根系的發(fā)育，Huang等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在高溫下施氮顯著促進(jìn)了茶樹幼苗根系干生物量、根系總長度、根系平均直徑。缺氮對(duì)茶樹植株生長存在負(fù)面影響，具體表現(xiàn)為樹體長勢(shì)較弱，芽細(xì)葉小，葉色枯黃且葉片容易提前掉落[24]；生物量積累受損，葉綠素含量降低[25]。此外，缺氮使茶樹株高顯著降低，節(jié)間縮短；與對(duì)照相比，缺氮處理的葉片失綠現(xiàn)象從下部向上部發(fā)展，褪綠葉的表面積比對(duì)照葉??；缺氮誘導(dǎo)根褐變初生根和側(cè)根均較暗，根活力弱于對(duì)照[26]。施用不同形態(tài)的氮素對(duì)茶樹的影響也會(huì)有所不同。施用NO3-的植株葉片呈淡黃色，生長速度遠(yuǎn)慢于接受NH4+或NH4++NO3-的植株。單獨(dú)供應(yīng)時(shí)，NH4+的吸收速度比NO3-快2～3.4 倍，同時(shí)供應(yīng)時(shí)快6～16 倍。茶樹能很好地適應(yīng)富含NH4+的環(huán)境，表現(xiàn)為根系對(duì)NH4+的同化能力強(qiáng)，植株生長不良與NO3-吸收效率低下有關(guān)[27]。

2.2 氮對(duì)茶樹代謝過程的影響

氮既是構(gòu)成植物有機(jī)體的結(jié)構(gòu)物質(zhì)，也是植物生理代謝過程中起催化作用的物質(zhì)[24]，同時(shí)促進(jìn)與光合作用有關(guān)組分及蛋白質(zhì)等的合成[25,28]。

茶樹中的氨基酸主要在根中合成并運(yùn)輸?shù)叫律疑?，氮水平和形態(tài)與茶樹根和葉的氨基酸含量變化密切相關(guān)[29-31]。Wang等[32-33]研究發(fā)現(xiàn)，茶氨酸合成途徑中編碼酶的基因，如CsAlaDC、CsGDH和CsGOGATs，在轉(zhuǎn)錄和/或蛋白水平上受缺氮抑制；CsGDH、CsAlaDC、CsAspAT、CsSDH、CsPAL、CsSHMT與相應(yīng)途徑中氨基酸含量的變化高度相關(guān)。Lin等[34-35]研究結(jié)果表明，在低氮條件下，參與TCA 循環(huán)的有機(jī)酸減少，與氮代謝有關(guān)的氨基酸也急劇減少；在氮素充足條件下，茶氨酸含量與谷氨酸、丙氨酸、精氨酸、纈氨酸和天冬氨酸的含量呈顯著正相關(guān)，而谷氨酸、丙氨酸、精氨酸和天冬氨酸與茶氨酸前體密切相關(guān)。推測(cè)茶氨酸不僅在根中合成，在芽中也有合成。隨著茶氨酸含量的動(dòng)態(tài)變化，參與茶氨酸合成的酶活性也在不斷變化。然而，在不同的組織和不同的氮水平下，大多數(shù)情況下酶的活性譜是不同的。茶氨酸含量與GOGAT活性的相關(guān)性始終為正相關(guān)，在氮充足條件下，以地上部最大，而在缺氮條件下，根系的相關(guān)性最大。在缺氮條件下，GDH 與GOGAT 活性及茶氨酸含量呈顯著正相關(guān)?？傊璋彼岬暮铣稍诜肿铀缴鲜芟嚓P(guān)基因、miRNAs 和蛋白質(zhì)的協(xié)同調(diào)控，并與合成位點(diǎn)、酶活性及其他相關(guān)氨基酸水平等諸多因素有關(guān)。

黃酮類化合物和相關(guān)黃酮類化合物是茶葉中發(fā)現(xiàn)的最重要的多酚化合物[36]，許多黃酮醇衍生物（如楊梅素、槲皮素和山奈酚）通過與糖分子（例如葡萄糖、半乳糖和蘆丁糖）的相互作用進(jìn)行糖基化以形成穩(wěn)定的黃酮醇糖苷(FGs)[37]。黃酮類黃酮醇及其糖基化衍生物廣泛分布于茶樹中，決定著茶葉品質(zhì)的優(yōu)劣。Dong 等[38]的研究結(jié)果表明，正常的氮水平通過基因調(diào)控和底物碳水化合物的積累促進(jìn)黃酮醇糖苷的生物合成，而異常的氮水平具有抑制作用，特別是過量的氮；Yang等[39]的研究也表明過量施氮會(huì)降低兒茶素的含量，氮利用效率與茶樹芽中的總酚含量呈顯著負(fù)相關(guān)，總酚含量隨著有效氮的增加而顯著降低。在低氮供應(yīng)條件下，幼苗和根系中參與黃酮合成的大多數(shù)基因的表達(dá)顯著上調(diào)。Wang 等[32]研究表明，在類黃酮代謝途徑中，CsPALs、CsCHss、CsDFR、CsANSs和CsANR的上調(diào)可能導(dǎo)致了無氮條件下根系中類黃酮積累的增加。而高氮條件下幼芽中CG、ECG和EC含量的降低幅度大于低氮條件下。與高氮相比，在低氮條件下幼枝的表達(dá)顯著上調(diào)，說明高氮條件下類黃酮合成相關(guān)基因的表達(dá)受到抑制。此外，不同代謝支系產(chǎn)生的黃酮類成分還受地上部供氮的調(diào)節(jié)，如ECG 含量與槲皮素-3-O-鼠李糖苷、槲皮素-3-O-半乳糖苷含量呈負(fù)相關(guān)[35]。

茶樹葉片中的脂質(zhì)被認(rèn)為是產(chǎn)生風(fēng)味和香氣化合物的原因[40-41]。(Z)-3-己烯醇和(E)-2-己烯醛有助于綠茶的新鮮和香氣，是在茶葉制造過程中形成的游離脂肪酸的氧化產(chǎn)物。己烯醛和己烯酚可以作為形成其他化合物的前體，這些化合物在制作茶葉時(shí)會(huì)產(chǎn)生香氣；因此，作為己烯醛/己烯酚生物合成的前體，茶樹中脂質(zhì)的變化將進(jìn)一步影響產(chǎn)生香氣的化合物的形成，從而影響茶葉的最終質(zhì)量。有研究表明[42]，適當(dāng)施用氮肥可以平衡脂質(zhì)代謝和風(fēng)味/香氣來源化合物的形成，有助于提高茶葉的質(zhì)量。此外，過量的氮肥會(huì)增加茶香的前體物質(zhì)，從而導(dǎo)致青草味，惡化茶葉的香氣質(zhì)量。

2.3 氮對(duì)茶葉品質(zhì)的影響

茶葉中許多含氮成分直接影響著茶葉的色澤、香氣和滋味，如帶甜醇香的甘氨酸及鮮爽味的茶氨酸，增加氮肥用量可明顯提高茶葉中蛋白質(zhì)和氨基酸的含量。在生產(chǎn)過程中合理控制氮肥的施用既能夠促進(jìn)茶樹的生長發(fā)育，還能提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)、葉綠素含量、光合速率等[43-46]；反之則降低茶葉的產(chǎn)量及品質(zhì)[16,47-48]。丁磊[49]發(fā)現(xiàn)在單施氮肥的情況下，與對(duì)照組相比其蛋白質(zhì)含量提高了20.5%，氨基酸含量增加了1.12 倍。此外，氮肥對(duì)茶葉的干物質(zhì)產(chǎn)量和品質(zhì)均有顯著的影響，合理的氮肥用量可顯著提高茶葉中的游離氨基酸、咖啡堿和水浸出物含量，降低茶多酚含量[6,23,50]。低氮處理則會(huì)降低綠茶中總游離氨基酸、茶氨酸、谷氨酸和部分揮發(fā)性香氣化合物的含量，進(jìn)而提升茶多酚和兒茶素含量[23]。

2.4 施氮對(duì)茶樹抗性的影響

當(dāng)前對(duì)于施氮對(duì)茶樹抗性的研究報(bào)道相對(duì)較少。Eric等[51]采用高光譜成像技術(shù)對(duì)不同低溫和氮濃度茶葉的凍損傷處理進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，氮通過抑制冷凍溫度引起的破壞而提高植物的耐寒性。

Sudoi等[52]發(fā)現(xiàn)氮肥的年施用量在150～200 kg/hm2(N:P:K:S=25:5:5:5)之間時(shí)，可誘導(dǎo)對(duì)紅裂隙螨感染的耐受性，隨著氮肥用量的增加，螨蟲的危害癥狀下降，年施氮肥超過400 kg/hm2可促進(jìn)茶螨的生長。葉片組織中氮含量與土壤施氮量呈正相關(guān)，并與葉片上螨蟲數(shù)量有關(guān)，螨感染引起的損傷癥狀隨著氮肥的增加而減少。也有研究表明，不同施氮量下螨類數(shù)量存在差異，年施氮量在0～300 kg/hm2時(shí)為高侵染期，150～225 kg/hm2時(shí)為低侵染期[53]。隨著施氮量的增加，綠葉揮發(fā)物含量增加，部分芳香化合物和萜類化合物含量降低，大多數(shù)芳香類和萜類化合物是螨蟲的驅(qū)避劑，年施用量在150～225 kg/hm2之間含量最高，而螨蟲的侵?jǐn)_最低。

3 施氮對(duì)茶園土壤環(huán)境的影響

3.1 施氮對(duì)土壤pH、養(yǎng)分的影響

茶樹是一類喜酸性土壤的葉用作物，適宜生長在pH 4.5～5.5 左右的土壤環(huán)境中。土壤pH 的變化直接影響著土壤養(yǎng)分的有效性、吸收、利用以及微生物的種類和數(shù)量，從而間接影響茶葉的生產(chǎn)和品質(zhì)。而氮肥的施用則會(huì)顯著降低土壤的pH，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[45,54-55]。

土壤營養(yǎng)成分的豐富程度直接反映了土壤質(zhì)量的健康狀況，影響著整個(gè)土壤生態(tài)系統(tǒng)的物流及能量的循環(huán)，是土壤肥力的要素之一。適量施氮促進(jìn)了茶樹根際土壤的堿解氮、速效磷、速效鉀及有機(jī)質(zhì)含量的提升[56]。Huang 等[24]研究表明，在高溫條件下，施氮顯著促進(jìn)了土壤總氮、速效氮和微生物量氮。程博一等[57]研究表明，在溝施覆膜的情況下，土壤表層及深層的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀含量都得到了不同程度的提升。此外，氮的用量和形態(tài)還影響著土壤中鎂、氟、水溶性氟、交換性氟的含量，適量施氮能夠促進(jìn)茶樹對(duì)鎂的吸收，過高則會(huì)產(chǎn)生抑制效果[58]。施用銨態(tài)氮和硝態(tài)氮可增加土壤溶液中氟的含量，酰胺態(tài)氮?jiǎng)t反之；氮、磷、鉀配施時(shí)，隨著施肥時(shí)間的增加，土壤溶液中氟含量增加[59-60]；茶園土壤水溶性氟含量與施氮量呈中度正相關(guān)，交換性氟含量與施氮量呈中度或高度負(fù)相關(guān)[61]。

3.2 施氮對(duì)土壤微生物的影響

土壤微生物是土壤質(zhì)量的要素之一，其數(shù)量在一定程度上代表了土壤的肥力水平，不同施肥量、施肥方式、持續(xù)時(shí)間等對(duì)土壤微生物量的影響有所不同。適當(dāng)?shù)牡视昧靠梢栽黾硬铇涓H土壤的細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量以及微生物總量，改善土壤微生物群落的多樣性[56]。過量施氮對(duì)土壤細(xì)菌群落產(chǎn)生負(fù)面影響，包括多樣性降低、群落功能減弱和群落穩(wěn)定性降低[50]；與常規(guī)施肥相比，減氮處理后茶園土壤中的細(xì)菌群落多樣性較多、豐度較高[62]。Yang等[55]的研究表明，茶園連續(xù)施氮12 年顯著降低了土壤真菌群落多樣性并改變了該群落的組成。

可見，施用適量的氮肥不僅有利于調(diào)節(jié)茶園土壤微生物數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)及多樣性、土壤中有效態(tài)養(yǎng)分含量，也有利于保持良好的茶園土壤生態(tài)環(huán)境，并促進(jìn)茶園綠色發(fā)展。

4 總結(jié)與展望

氮素是茶樹生長所需的重要元素，在所有生命體中起著極其重要的作用，是茶樹體中除碳、氫、氧外含量最多的元素。在茶樹生長發(fā)育過程中，需及時(shí)獲取其氮營養(yǎng)水平情況，根據(jù)茶樹對(duì)養(yǎng)分的需求規(guī)律、土壤供肥狀況調(diào)整施肥策略，合理施用氮肥，在增產(chǎn)提質(zhì)的同時(shí)節(jié)約資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境。當(dāng)前中國存在36%的茶園過量施肥、80%的茶園氮磷鉀比例不符合茶葉對(duì)養(yǎng)分的需求等情況，導(dǎo)致養(yǎng)分利用率低，造成肥料浪費(fèi)，同時(shí)對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響。如何精準(zhǔn)把控氮肥的施用量，提高其利用效率，減少其在土壤中的損失，并解決因此造成的環(huán)境問題，是農(nóng)業(yè)面源污染防治、推進(jìn)生態(tài)環(huán)境綜合治理的重要舉措，今后可加強(qiáng)茶園土壤氮素?fù)p失及氮素高效利用方向的研究，進(jìn)一步明確茶園氮素淋溶揮發(fā)、地表徑流和氮排放量等去向及其影響因素，提升養(yǎng)分利用效率、削減農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷。