全 文 ：核 农 学 报 2011，25(2):0308 ～ 0312
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
收稿日期:2010-09-16 接受日期:2011-01-18
基金项目:国家自然科学基金(40871099)
作者简介:冯海强(1982 －)，男，浙江乐清人，硕士，研究方向为茶园生态环境与茶叶品质。Tel:0571 － 88982380
通讯作者:王校常(1964 －)，男，浙江新苍人，博士，研究方向为茶园生态环境与茶叶品质。E-mail:xcwang@ zju. edu. cn
文章编号:1000-8551(2011)02-0308-05
利用15 N自然丰度法鉴别有机茶的可行性分析
冯海强1，2 潘志强1，2 于翠平1，2 王校常1
(1. 浙江大学茶叶研究所，浙江 杭州 310058;2. 浙江大学茶叶研究所 /农业部园艺植物生长发育与品质重点开放实验室，浙江 杭州 310058)
摘 要:由于缺少相应的检测技术，市场上常有用无公害农产品充当有机农产品销售的情况发生。有机
茶在我国是最大的有机认证产品，同样面临这一问题，导致有机茶无法实现现质优价。根据 δ15 N 在土
壤、肥料及植物领域的最新研究结果及平衡原理，结合有机茶生产肥料使用要求，本文提出了一种鉴别
有机茶是否施用过化肥的最新方法———δ15 N 分析法，并对其原理及可行性作了详细的分析说明。
关键词:δ15 N;有机茶;化肥;判别真伪
FEASIBILITY ANALYSIS OF ORGANIC TEA AUTHENTICATION
USING 15N NATURAL ABUNDANCE METHOD
FENG Hui-qiang1，2 PAN Zhi-qiang1，2 YU Cui-ping1，2 WANG Xiao-chang1
(1. Institute of Tea Science，Zhejiang University，Hangzhou，Zhejiang 310058;
2. Key Lab of Horticultural Plant Growth Development and Biotechnology，Ministry
of Agriculture / Institute of Tea Science，Zhejiang University，Hangzhou，Zhejiang 310058)
Abstract:Organic agricultural products were always adulterated by pollutant-free agricultural products in market because
of lacking of available authentication technique. Organic tea was one of the largest organic agricultural products in China
which are facing the same problem and can not be accepted by consumers. In this paper，based on the newest
information of δ15 N from soil- plant- fertilizer system，a new method was suggested to identify whether N fertilizer was
applied to organic tea in producing processing. Meanwhile，the principle of this new method and its feasibility were
discussed.
Key words:δ15 N;organic tea;N fertilizer;authentication
目前国内茶叶市场上，有机茶占有不小的份额，但
其价格优势并未体现出来，与普通的无公害茶价格类
似。我国农产品安全生产有 3 类认证标志共同存在，
即无公害食品、绿色食品和有机食品。按其定义及生
产要求，一般认为无公害食品相当于绿色食品 A 级，
而有机食品则相当于绿色食品 AA 级。有机食品相对
于无公害食品的最大特点是不使用人工合成的化学肥
料，要求只使用经过认证的有机肥［1］。因此，其生产
要求和成本均更高。但是，从当前国内市场上有机茶
的价格可以初步推断，许多标明有机茶的茶叶其实并
没有严格按现行的有机茶标准生产，只是以无公害茶
标准生产。这样的现实使真正生产有机茶的茶农利益
受到了损害，无公害茶抢走有机茶市场，而对有机茶产
品是否施用了化肥缺乏可行的识别检测方法也是导致
这一现象的主要原因之一。
当前对有机茶或有机食品的检测主要是集中在产
地的认证检测及农产品的农残检测上，通过检测送样
农产品中的部分常用农药及重金属来判别其是否符合
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2 期 利用15 N 自然丰度法鉴别有机茶的可行性分析
有机农产品的要求，而无法区别生产者是否在生产过
程中严格按照标准不使用任何人工合成的化学肥料。
那么能否建立一种检测方法来进行判别呢?近年来，
由于15 N 分析技术的改进，通过对农产品中15 N 自然丰
度变异的检测有希望被用来判别农产品生产过程中是
否使用了化学氮肥。本文以茶叶及产地土壤中15 N 丰
度为对象，研究不同肥力水平及肥料种类对茶叶中 δ15
N 的变化规律，旨在为鉴别有机茶是否使用化肥提供
依据。
1 15N 自然丰度研究现状
自然界稳定性同位素常用其丰度来进行描述，即
同位素比值(isotope ratio)R = 重同位素丰度 /轻同位
素丰度。如15 N 丰度 = 15N / 14 N。由于其丰度的绝对值
都较小，如空气中15 N 的丰度约为 0. 3663%，计算不方
便，因此常用另一个单位 δ 值(δ value)，即相对丰度
来描述样品的自然丰度变化。δ 值表示为样品的同位
素比值相对于标准样品同位素比值的千分偏差。如公
式(1)所示，
δ R(‰) = ［(R样 /R标)－ 1］× 1000 (1)
其中，R样 为样品的同位素比值，R标 为标准品的
同位素比值，对于15 N 来说，常以空气中氮的值为其标
准。
过去的研究表明，化肥中氮的自然丰度与大气氮
近似，人工合成的化学肥料的15 N 则是比较贫化的，其
δ15N 值范围是 － 0. 3‰ ～ 0. 3‰;土壤中 δ15 N 丰度通常
大于大气 N2 的 δ
15 N，在 － 6‰ ～ 17‰之间;来自人类
和动物废物的 δ15 N 值则明显富集，在 9‰ ～ 20‰［2 ～ 7］，
具体如表 1 所示。
在过去的几十年中，15 N 技术被广泛地应用在植物
营养 /肥料 /土壤肥力供应水平等研究中，水稻、小麦、烟
草以及茶叶上也有15 N 标记技术研究氮肥利用率的报
道［8 ～ 13］。随着同位素质谱技术的发展，越来越多的研究
开始应用15 N 自然丰度法［14 ～ 22］。氮肥施用与土壤15 N
关系的研究始于上世纪七十年代初。Kohl［16］和 Meints
［18］的结果表明，氮肥施用对土壤中总氮的15 N 自然丰度
影响较小，可以忽略。其主要原因是，一方面施入的氮
肥属速效氮，极易被植物吸收。另一方面施入氮肥的量
相对于土壤氮库而言，其所占比例较小;此外还加上土
壤本身的硝化与反硝化作用所导致的15 N 富集作用，结
果是土壤全氮的 δ15N 值变化较小。如 Watzka［6］的研究
认为，土壤氮的 δ15 N 值并没有随化肥氮供应的增加而
降低，相反却有增加的趋势。
不同土壤、种植植物及肥料的施用都会导致 δ15 N
值存在较大的变异性。已有研究表明，土壤中氮的硝
化与反硝化作用存在明显的同位素分馏效应，这也是
土壤长期施用化肥后土壤中 δ15 N 明显高于化肥的主
要原因之一。
表 1 部分肥料和有机肥中的 δ15N 值
Table 1 δ15 N values in inorganic fertilizers
and organic fertilizers (‰)
肥料
fertilizer
平均值
mean
文献
cited
硫铵 (NH4)2 SO4 － 1. 48 ± 1. 38 Cao，1991［2］
硫铵(NH4)2 SO4 0. 3 Yoneyama，1990［3］
硫铵(NH4)2 SO4 － 3. 9 Chio，2003［4］
尿素 urea － 1. 12 ± 1. 44 Cao，1991［2］
碳酸氢铵 NH4 HCO3 0. 91 ± 1. 05 Cao，1991［2］
复混肥 complex fertilizer 0. 5 Chio，2003［4］
铵态氮肥 ammonium N fertilizer － 0. 51 ± 1. 81 Shearer，1974［5］
氯化铵 NH4 Cl － 1. 35 ± 2. 28 Cao，1991［2］
厩肥 manure 17. 4 ± 1. 2 Choi，2003［4］
厩肥 manure 10. 2 Watzka，2006［6］
尿 urine 8. 2 Watzka，2006［6］
植物秸杆 plant straw 7. 5 Watzka，2006［6］
豆秆 soybean straw 0. 03 Turner，1983［7］
Yoneyama 等［3］认为 N 肥施用导致水稻体内 δ15 N
降低，而磷钾肥则基本无影响。水稻秸杆还田对水稻
体内 δ15 N 影响较小，而厩肥与堆肥等的施用则导致水
稻体中 δ15 N 的明显增加，尤其是人畜粪便增加 δ15 N
的作用最为明显。Chio 等［4，20］通过对供应化肥与厩肥
的 9 种农产品样品分析，发现两者的 δ15 N 明显不一
样，其平均值分别为 4. 1‰(0. 3‰ ～ 6. 4‰)和 14. 6‰
(9. 3‰ ～ 21. 2‰)，供应厩肥的远高于供应化肥的(图
1)。Ellert 等［21］关于长期肥料试验的结果也得出，有
机肥的加入明显提高了植物中的 δ15 N，并差异明显。
Watzka［6］结果表明，土壤中氮自然丰度与植物样品中
氮自然丰度成正相关，也与有机肥料供应成明显正相
关(图 1)。但迄今为止，还没有茶叶中 δ15 N 方面的可
用数据，说明这方面的研究很少。
2 15N 法分析有机茶真伪的原理与方法
利用分析农产品中的 δ15 N 来判别是否使用化肥，
其实就是根据其 δ15 N 变化来识别其农产品中 N 的来
源，判断其有多少来自于化肥。由于只是需要判别样
品中氮是否有部分来源于化肥，因此其要求相比于计
算不同肥源对产品的贡献率更为简单。基本原理是:
植物通常吸收利用土壤和肥料氮，不同肥料源 δ15 N 明
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核 农 学 报 25 卷
显不一，植物对不同来源的氮素营养具有同样的吸收
利用效率。过去的研究也已经证明植物对氮的吸收过
程不发生同位素分馏效应，因此可以不计氮在植物体
内转化利用时的15 N 变化。植物体内全氮的 δ15 N 是植
物吸收利用不同 δ15 N 值氮源的具体反映，通过分析农
产品中的 δ15 N 可以判断植物吸收利用的主要是哪一
类氮源，如果主要是来源于化肥氮，则可以判断其生产
过程中使用了较多的氮素化肥。
图 1 土壤中全氮 δ15 N 值与生长植物中 δ15 N 的关系图
Fig. 1 Crossplot of δ15 N values of total soil N and δ15 N of plant biomass from fertilizer applied soils
注:图中数据来自 Chio，2003［4］(A:韩国旱地)和 Watzka，2006［6］(B:澳大利亚草原).
Note:Data in the table from Chio，2003［4］(A:upland，Korea)and Watzka，2006［6］(B:grassland，Austria )
通常茶园中茶树吸收利用的氮源主要有以下 6 个
方面:(1)雨水;(2)土壤本身;(3)无机肥料;(4)有机
肥;(5)固氮微生物;(6)茶树枯枝落叶，包括修剪枝叶
及落叶的贡献。由于茶树的高氮投入，雨水、固氮微生
物的贡献应该相对较小，而枯枝落叶部分则由于当年
的利用率相对较小，可以合并到土壤有机质中考虑。
因此对于生长茶园氮源而言，土壤和肥料氮是茶叶的
主要氮源。传统上也是这样认为的。一般认为在高氮
投入的情况下，其肥料氮的贡献率占到 60% ～ 66%。
假定茶叶样品中的 δ15 N 为 Dp，自然丰度为 Rp，
样品全氮含量 TNp;茶叶中氮来源主要为肥料氮和土
壤氮，来自土壤源的氮占全氮的百分数为 Ps，其 δ15 N
为 Ds，同位素比值为 Rs;来自无机氮肥的占 Pf，其 δ15
N 为 Df，同位素比值为 Rf，来自有机肥的占 Po，其 δ
15 N 为 Do，同位素比值为 Ro;则有:Ps + Pf + Po =
100%。根据质量平衡原理得出:
茶叶样品中总15 N = 来自土壤的15 N + 来自化肥
的15 N +来自有机肥的15 N =
TNp* (Ps × Rs + Pf × Rf + Po × Ro) (2)
Rp = Ps × Rs + Pf × Rf + Po × Ro (3)
或 Dp = Ps × Ds + Po × Do + Pf × Df (4)
由于有机茶园只允许使用有机肥，因此式(4)也
可简化成:
Dp = Ps × Ds + Po × Do (5)
由于肥料利用率可以根据经验值或者历史数据得
出，因此根据所施肥料的性质，我们可以推算出一个
Dp 值(预测值)，然后与实测值进行比较，根据其差异
大小，从而判定其是否在生产过程中施用了化肥。
假设一个有机茶园，其土壤全氮含量在 1. 4g / kg，
碱解氮在 20mg /kg，施用商品有机肥，通常有机肥氮肥
利用率约在 50% ～ 60%，而有机肥的 δ15 N 应该在 10
以上，考虑到目前市场上的商品有机肥多是畜禽粪便
加高 C /N 的其他有机质，如秸秆、木屑等组成，假定其
δ15 N 在 7 左右(实际应用时，可与土壤一样可通过实
测提供精确值)。所以，茶园土壤的 δ15 N 值应为 7. 5。
因此，我们推算其最后茶叶中的 δ15 N 在 7. 2 ～ 7. 5，茶
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2 期 利用15 N 自然丰度法鉴别有机茶的可行性分析
叶中的实测 δ15 N 在 7 以下，则基本可以判定其主要使
用的是化肥，而不是施用纯有机肥。反过来，根据对不
同来源样品的 δ15 N 实测，也可推测不同来源肥料 N 的
利用率。
3 方法的可行性及应用前景
目前利用 δ15 N 来检测茶叶是不是施用了化肥，还
是在理论阶段，没有具体的应用例子报道。但从其理
论基础来看，这方法或技术是具有可行性的。如
Abbadie 等［12］根据样品和氮来源 δ15 N 差异分析出
Lamto 草原上草本植物低 δ15 N 是由于其主要是利用土
壤中的根系残体(70%)，而降水和土壤有机质矿化各
提供了草本植物全氮的 7%，微生物和草发生非共生
固氮占全 N 的 17%。Snoeck 等［23］利用15 N2 自然丰度
法研究了在咖啡种植园中套种豆科植物的氮素利用效
率，认为豆科植物提供了咖啡吸收利用氮的 30%。据
我们前期对蔬菜地的一个调查分析，结果表明长期施
用粪便的蔬菜地其生长蔬菜的 δ15 N 在 12. 58‰，而长
期施用尿素的则在 6. 6‰，但土壤中 δ15 N 值差异不明
显(表 2)。这些结果表明现有的技术已经能区分出农
产品中氮的来源，同时也说明此技术的理论可行性。
表 2 尿素与有机肥施用对土壤和蔬菜 δ 15N 值的影响
Table 2 Effect of urea and organic fertilizer application
on δ15 N in soil and vegetable
肥料种类
fertilizer variety
土壤 soil 蔬菜 vegetable
全 N 含量
total N
content
(%)
δ15 N
(‰)
全 N 含量
total N
content
(%)
δ15 N(‰)
有机肥(粪便为主)
organic fertilizer(urine)
0. 227 9. 30 4. 38 12. 58
化肥(尿素)
chemical fertilizer
(urea)
0. 079 7. 80 4. 10 6. 57
在此基础上，我们开展了茶叶的预试验研究，初步
的分析结果显示见图 2。在施有机肥的茶园中，其茶
叶 δ15 N 值与附近区施尿素的茶园中茶叶的 δ15 N 间有
明显差异，但没有蔬菜地(表 2)那样明显。这可能与
不施有机肥有关。因为蔬菜结果中的有机肥是以粪便
为主，其本身 δ15 N 值就高，结果也表明这一方法具有
可行性。
但由于茶叶是多年生植物，而且是分批采摘，不同
采摘批次间 δ15 N 值可能会有差异，这样的差异究竟有
多大?是不是会影响到结果的判别?特别是春茶与夏
图 2 有机茶与施肥茶的 δ15 N 差异
Fig. 2 Difference of δ15 N values between
manure-applied tea and urea-applied tea
秋茶之间是否有差异?都是这一方法在具体应用中需
要考虑的问题。事实上，目前认证的有机茶园多连成
一片，通常肥料施用都有完整记录，土壤肥力也有每年
测定记录。如果我们把这些数据加上茶园土壤和所用
肥料的同位素测定值，收集起来并建立起一个完整的
数据库，就能比较容易使这一方法得到推广应用，同时
成本也会有所降低，从而使其作为一种鉴定手段具有
一定的实际应用价值。
致谢 本文写作过程中得到中国科学院南京土壤
所原所长曹志洪研究员、原浙江大学原子核农业科学
研究所所长陈传群教授和徐步进教授等的指正和审
阅，在此一并表示感谢。
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