生物黑炭对酸化茶园土壤酸度和茶叶品质及产量的影响

(1.江西省红壤研究所 331717；2.江西省万载县农业局 336100)

茶树虽为喜酸作物，但并非土壤越酸越好， pH值5.0～6.0为最佳生长环境[1]，当pH值低于4.5时，茶树生长受到抑制，不仅影响茶树的产量和品质，还容易导致土壤中重金属等有毒元素的活化，威胁茶叶食品安全[2]。长期种植茶树后，由于环境恶化、人为管理措施不当以及茶树的自身代谢作用等原因，土壤pH值小于4.0的茶园越来越多，茶园土壤酸化日趋严重，并已成为茶叶生产中的共性问题[3～5]。马立锋等对浙江、江苏和安徽202个茶园土壤pH值进行调查，结果表明pH值<4.0的土样占43.9%[6]；张祖光等对重庆市87个老茶园土壤进行调查，结果表明pH值<4.0的茶园占4.6%， 4.0～5.0的茶园占74.7%[7]；罗敏等对江苏省的23个典型茶场中0～20cm土层土壤pH值进行调查，结果表明pH值<4.0的茶场面积占总面积的4.3%，pH值 4.0～4.5占总面积的52.5%[8]；孙永明等对江西18个茶叶生产县203个代表性茶园土壤pH值进行调查，结果显示江西茶园土壤整体水平较酸，pH值平均为4.65，其中低于4.5的土壤占样本数的43%[9]。

生物黑炭是生物质在无氧或微氧条件下低温热转化后的固体副产物，由于其有机碳含量高、多孔性、碱性、吸附能力强等性质，施用于土壤后，能够增加土壤有效养分，提高酸性土壤pH值，提高作物产量，改善土壤质量等[10～12]。因此，生物黑炭的合理施用对酸化茶园土壤改良、提升土壤碳库和土壤地力、茶园增产增收等都具有十分重要的意义。已有许多专家学者关于将生物黑炭应用于酸化土壤改良的报道，孙永明等将生物黑炭施用于旱地红壤后，土壤密度降低4.8%～16.3%，土壤pH值提高0.19～1.02个单位，CEC增加0.80～2.46cmol/kg，玉米产量增加32.5%～80.0%[13]。吴志丹等将生物黑炭施用于酸化茶园土壤后，0～20cm土层pH值提高0.19～1.72个单位，土壤阳离子交换量增加0.80～2.46 cmol/kg，土壤交换性酸降低0.79～3.96cmol/kg，土壤盐基饱和度提高20.98%～173.67%，产量增加0.77%～106.61%[14]。江福英等通过大田试验研究生物黑炭添加对茶园土壤理化性状和茶树生长的影响，结果表明，土壤全氮提高8.33%～26.52%，土壤碱解氮含量下降0.97%～11.54%，土壤有机碳含量提高29.55%～98.15%，速效钾提高17.96%～167.88%，有效磷提高13.04%～69.25%，茶叶产量提高3.24%～13.49%[15]。

大多数学者的研究聚焦在施用生物黑炭后对土壤理化形状、作物的产量影响分析，至于施用生物黑炭后对作物的品质影响研究较少，尤其是施用生物黑炭后对土壤交换性酸以及茶叶品质、茶叶产量的综合影响鲜见报道，且生物黑炭施用在酸化情况不同、施肥情况不同、类型和性质不同的茶园土壤上的效果也存在差异，因此生物黑炭施用在南方丘陵茶园的效果值得探讨。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验茶园位于江西省蚕桑茶叶研究所(江西南昌)茶园内，地理坐标为东经116°0'13″，北纬28°22'19″，年平均气温18.5℃，年降雨量1 765.4mm。茶树品种为福鼎大白茶群体种，树龄四十余年。土壤类型为典型的第四纪红粘土发育的红壤，供试茶园基础理化性状详见表1。

表1 试验茶园土壤基础理化性状

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

生物黑炭施用量设5个水平：0t/hm2(CK)、15t/hm2、30t/hm2、60t/hm2、90t/hm2，每个处理设三个重复小区，每个小区45m2，共15个小区，随机区组设计。2016年9月下旬将生物黑炭均匀撒施在供试小区地表，旋耕深翻20cm，使其与土壤混匀。

1.2.2 测定项目及方法

(1)茶叶产量测定：于春茶采摘期(4月6日)调查茶芽密度和百芽重，每处理随机抽样3点，每点调查0.09m2(30cm×30cm)，记录各调查区内的茶芽数，最后折算成每平方米的茶芽数。从调查区内随即采摘3组茶芽，每组100个称重记载。产量：各小区每次采摘后单独称量芽头重量(一芽二叶)，最后各批次重量相加即为各小区的总产量。

(2)茶叶品质测定：茶多酚总量测定：参照 GB8313-87 酒石酸铁比色法；咖啡碱含量测定：高效液相色谱法；水浸出物总量测定：参照 GB8305-87 测定方法；游离氨基酸总量测定：参照 GB8314-87 茚三酮比色法。

(3)茶园土壤交换性酸测定：于2017年6月上旬(春茶采摘后、夏茶追肥施用前)采集土壤样品，每小区随机选取3个点，每个点按照行间位置取4个土钻：行中间位置(0～10cm宽度内随机选择)、偏中位置(离行间中线10～30cm范围随机选择)、靠茶行位置(离行间中线30～60cm范围随机选择)和茶行位置(茶树小行间随机选择)；分0～20cm、20～40cm土层取样。各样点同土层土样混合、风干、过筛备用。土壤按土水比1:2.5 搅拌，复合电极测定pH值(德国sartorius，PB-21)；土壤交换性酸(H+、Al3+)用1mol·L-1KCl提取，NaOH 滴定法测定。

1.3 统计分析

调查数据采用Excel 2007进行计算，并用DPS 7.05进行差异显著性分析，处理间平均数的比较采用最小显著差数法(LSD)。图表中的数据采用平均值±标准误表示。

2 结果与分析

2.1 生物黑炭施用对茶园土壤pH值的影响

由图1可看出，施用生物黑炭(15t/hm2、30t/hm2、60t/hm2、90t/hm2)后，茶园土壤pH值呈现增大趋势，其中0～20cm土层pH值较CK分别提高0.25、0.68、1.24、1.62个单位，20～40cm土层pH值较CK分别提高0.04、0.28、0.32、0.38个单位。方差分析表明，当生物黑炭施用量大于等于30 t/hm2时，各处理0～20cm和20～40cm土层土壤pH值与CK相比差异达显著水平(P<0.05)，其中上层土壤的pH值增幅大于下层土壤。

注：不同的小写字母表示各处理存在显著差异(p<0.05)。

2.2 生物黑炭施用对茶园土壤交换性酸的影响

由表2可看出，茶园土壤施用生物黑炭(150t/hm2、300t/hm2、600t/hm2、90t/hm2)后，土壤交换性H+和交换性Al3+均下降。其中0～20cm土层土壤交换性H+较不施用生物黑炭(CK)分别降低了24.7%、32.83%、42.50%、40.36%，当生物黑炭施用量大于等于15 t/hm2时，土壤交换性H+与CK相比差异显著(P<0.05)，20～40cm土层土壤交换性H+较CK分别降低了4.55%、3.39%、7.53%、31.16%，但差异不显著(P>0.05)；0～20cm土层土壤交换性Al3+较CK分别降低了15.79%、30.63%、48.11%、71.49%，当生物黑炭施用量大于等于30t/hm2时，土壤交换性Al3+与CK相比差异显著(P<0.05)，20～40cm土层土壤交换性Al3+较CK分别降低了6.14%、11.10%、21.90%、46.35%，当生物黑炭施用量大于等于90t/hm2时，土壤交换性Al3+与CK相比差异显著(P<0.05)；施用生物黑炭后，茶园上层土壤交换性H+、交换性Al3+比下层土壤下降幅度大，0～20cm土层土壤交换性酸较CK分别降低了1.15cmol/kg、2.16cmol/kg、3.34cmol/kg、4.83cmol/kg，当生物黑炭施用量大于等于30t/hm2时，土壤交换性酸与CK相比差异显著(P<0.05)，20～40cm土层土壤交换性酸较CK分别降低了0.01cmol/kg、0.77cmol/kg、1.45cmol/kg、3.1cmol/kg，当生物黑炭施用量大于等于30t/hm2时，土壤交换性酸与CK相比差异显著(P<0.05)。

注：同列数据小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下表同。

2.3 生物黑炭施用对茶叶品质的影响

由表3可看出，酸化茶园土壤施入生物黑炭后，茶叶各项品质指标有较明显的变化。水浸出物、咖啡碱、茶多酚和氨基酸含量随着生物黑炭施用量的提高而呈现先升高后降低的趋势，而酚氨比则随着生物黑炭施用量的提高而呈现降低的趋势。当生物黑炭施用量为30t/hm2时，水浸出物含量达到最大值，较不施用(CK)增加了4%，但差异性并不显著(P>0.05)，当生物黑炭施用量为90t/hm2时，水浸出物较施用30t/hm2降低了5%，差异性显著(P<0.05)。当生物黑炭施用量为60t/hm2时，咖啡碱含量达到最大值，较CK增加了10%，但差异性并不显著(P>0.05)。当生物黑炭施用量为30 t/hm2时，茶多酚含量达到最大值，较CK增加了3%，但差异性并不显著(P>0.05)。当生物黑炭施用量为60t/hm2时，氨基酸含量达到最大值，较CK增加了40%。生物黑炭施用量大于等于15t/hm2时，各处理酚氨比均与CK差异性显著(P<0.05)；当生物黑炭施用量大于等于30t/hm2时，酚氨比较CK显著降低(P<0.05)。

表3 生物黑炭施用对茶叶品质的影响

2.4 生物黑炭施用对茶叶产量的影响

由表4可看出，茶园施用生物黑炭(15t/hm2、30t/hm2、60t/hm2、90t/hm2)后，百芽重随着生物黑炭施用量的提高而呈现升高的趋势，较不施用(CK)分别增加了2.05%、5.74%、10.42%、16.79%，但与对照相比，差异不显著(P>0.05)；产量随着生物黑炭施用量的提高而呈现先升高后降低的趋势，较CK分别增加2.21%、14.45%、4.90%、-5.29%，但与对照相比，差异不显著(P>0.05)；发芽密度随着生物黑炭施用量的提高而呈现升高的趋势，较CK分别增加了4.33%、8.27%、9.45%、4.72%，但与对照相比，差异不显著(P>0.05)。

表4 生物黑炭施用对茶叶产量的影响

3 讨论

生物黑炭是将木材、草、玉米秆或其它农作物废物等生物有机材料在缺氧或绝氧环境中，经高温热裂解后生成的固态产物[16～18]。生物黑炭含有一定量的矿质养分，富含有机碳，一般呈碱性，具有较高的阳离子交换量、巨大的比表面积、多孔性结构、一定的吸水能力、高的吸附能力、CEC及化学反应性等特点，施用于土壤后，可以增加土壤有机碳含量，增加土壤中矿质养分含量，如磷、钾、钙、镁及氮素，提高土壤碱基饱和，降低可交换铝水平，提高酸性土壤pH值，改善土壤持水能力，提高土壤的保肥能力，提高肥料养分利用率，为土壤微生物提供良好栖息环境，为土壤有益微生物提供保护[19～20]。而茶叶的品质和产量除受气候条件、栽培管理技术和茶树品种等的影响外，与茶园土壤也有某种密切关系[21～22]，深入研究探讨生物黑炭对茶园土壤水分、土壤空气、土壤温度、土壤pH值、土壤有机质、土壤氮磷钾含量、土壤钙镁硫铝、土壤微量元素的影响，对生产绿色、健康、安全的茶叶有着重要的意义。

3.1 生物黑炭施用对土壤理化性状的影响

本研究结果表明：施用不同用量的生物黑炭后，0～20cm土层土壤pH值提高0.25～1.62个单位，交换性酸降低1.15～4.83 cmol/kg。0～20cm土层土壤交换性H+分别降低了24.7%～40.36%，交换性Al3+降低了15.79%～71.49%，20～40cm土层土壤交换性H+降低了3.39%～31.16%，交换性Al3+降低了6.14%～46.35%。这一研究结果与吴志丹等[14]、孙永明等[13]、陈先茂等[23]以及马秀枝等[24]的研究结果一致。原因是生物质经过高温裂解成生物质炭时，部分生物质被矿化，其灰分中含有大量碱性盐基物质如K、Ca、Mg都呈可溶态，施入土壤可提高酸性土壤的盐基饱和度，以提高土壤的pH值、降低酸性土中铝的饱和度。

3.2 生物黑炭施用对茶叶品质的影响

水浸出物、茶多酚、氨基酸总量和咖啡碱等物质是茶叶品质的主要成分。本研究结果表明：生物黑炭施用量大于等于15 t/hm2时，各处理氨基酸均与不施用生物黑炭(CK)差异性显著(P<0.05)；当生物黑炭施用量大于等于30 t/hm2时，酚氨比较CK显著降低(P<0.05)。原因归结为酸化茶园土壤施入生物黑炭后，土壤酸度情况得到改良，显著降低酸性土壤交换态铝含量，减少铝对植物的毒害作用[25～26]，茶园土壤pH值的提高不仅能够降低重金属危害，还能使茶叶中茶多酚、咖啡碱和氨基酸含量增加，从而改善茶叶的品质。

3.3 生物黑炭施用对茶叶产量的影响

本研究结果表明：茶园施用生物黑炭，百芽重与对照相比，差异不显著。产量随着生物黑炭施用量的提高而呈现先升高后降低的趋势。这一研究结果与江福英[15]等研究结果相似，原因归结为水分是茶树体内新陈代谢的基础，土壤水分过多过少都会对茶树的生长带来不良影响。而生物黑炭具有多孔性结构和一定的吸水能力，当生物黑炭施入量过多时，造成土壤含水量增加，水分过多，土壤供氧不足，从而对茶树根系的生长造成危害，导致减产。另一方面，施用生物黑炭后也会对土壤三相比造成影响，土壤固、液、气三相状况及其配合比例是衡量土壤物理性状好坏的重要指标之一，疏松多孔，气相大固相小、保水保肥性好的土壤有利于根系对养分、水分的吸收及氨基酸、咖啡碱的生成。过多的生物黑炭施入会导致固相和气相减少，液相增加，从而影响茶叶产量。

4 结论

在本研究中，施加30 t/hm2生物黑炭能够有效地改善茶园土壤酸化情况，提高土壤pH值，降低交换性酸，增加氨基酸的含量，降低酚氨比，提升茶叶品质，增加茶叶产量。但茶园生物黑炭适宜量还需依据茶园土壤酸化情况、施肥情况以及土壤类型和性质确定，同时还应加强对生物黑炭施入茶园土壤后，土壤酶活性、土壤微生物影响方面的研究，为酸化茶园土壤的改良、实现茶叶优质高产以及农业可持续发展提供科学依据。

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