生物质炭及与有机肥配施对桂香22号茶树生长、氮素吸收及品质的影响

2018-09-26王磊刘秋凤苏敏白先丽

热带农业科学 2018年6期

关键词：茶叶

王磊　刘秋凤　苏敏　白先丽

摘要為研究茶园施用生物质炭及与有机肥配施对桂香22号茶树生长、氮素吸收及品质的影响，从而为在茶叶生产中合理利用生物质炭提供技术依据。本试验通过在茶园基肥中设置不施肥、施用普通复合肥、施用普通尿素、施用普通尿素+生物质炭、施用普通尿素+花生麸和施用普通尿素+花生麸+生物质炭等不同处理，在全年茶季调查研究茶树树体的生长、产量及氮素吸收数量变化及对制茶品质的影响。结果表明：在春茶期各处理对茶树树体生长影响变化不大，从夏茶期到秋茶期添加了生物质和有机肥的处理茶树生长状况逐渐好于对照和纯化肥处理；在全年各茶季，添加了生物质炭和有机肥处理一定程度提高了新梢发芽密度进而提高了茶叶产量，与单施尿素相比，添加生物质炭及与有机肥配施的处理分别提高茶叶产量28.6%和85.1%，提高茶青氮素吸收89.9%和32.4%，生物质炭和有机肥配施处理的茶叶所制作绿茶汤色黄绿、滋味醇厚，品质明显提高。茶园中施用生物质炭能改善茶树生长环境，促进发芽和茶叶生长及提升品质，尤其以生物质炭和有机肥配施效果最好；生物质炭作为一种新兴的优质资源对于实现茶园化肥投入减量和茶树轻简栽培具有良好的应用前景。

关键词生物质炭；土壤氮素；茶叶；养分利用；化肥减量

中图分类号 S571.1 文献标识码 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2018.06.005

Effects of Biochar and Its Combination with Organic Manures on the Growth，

Nitrogen Absorption and Quality of Tea Guixiang 22

WANG Lei LIU Qiufeng SU Min BAI Xianli

（Guangxi Guilin Tea Research Institute， Guilin， Guangxi 541004）

Abstract In order to study the effects of application of biochar and its combination with organic manures on the growth， nitrogen absorption and quality of tea Guixiang 22 plantation， this study provided the technical basis for the rational utilization of biochar in tea production. Tea garden was applied with basal fertilizer， and 6 treatments were arranged： no fertilizer； compound fertilizer； urea； urea + biochar； urea + peanut press cake； urea + peanut press cake + biochar. The tea plants treated in the tea garden were observed in all the tea seasons of a year to analyze the effects of all the fertilizer treatments on tea growth， yield and quantity of nitrogen absorption as well as the tea quality. The results showed that all the treatments did not have any obvious effects on the growth of tea trees during the spring tea period. The tea trees treated with basal fertilizer at presence of biochar or organic manures grew better than those of the control and of the treatment with only chemical fertilizer from the summer tea period to the autumn tea period. In each tea-season period， treatment at presence of biochar or organic manure increased the budding density and the yield of tea. Compared with the single application of urea， the addition of biochar and its combination with organic manures increased the yield of tea by 28.6% and 85.1%， and nitrogen absorption of tea leaves by 89.9% and 32.4%， respectively. The green tea made from tea treated with biochar and its combination with organic manures had yellow-green color and mellow taste with high quality. Biochar applied in the tea plantation could improve the growth environment， bud density and the quality of tea， especially in combination with organic manures， which combination was the best. As a new high-quality resource， biochar has a good prospect for reducing the input of chemical fertilizer and for simplifying the tea cultivation.

Keywords biochar ； soil nitrogen ； tea ； nutrient utilization ； reduced application of chemical fertilizer

茶树是周年采摘的叶用作物，对养分的需求量特别是对氮素的需求明显高于其它作物，为保证不同时期的养分供应，传统的茶树施肥管理要求实行“一基三追”的模式，但由于劳动力成本等因素的制约，目前实际生产中往往只注重冬季基肥的施用，且只施用化肥的情况越来越普遍，有机肥用量不断减少，造成了茶园土壤质量的持续下降和肥料流失及污染加剧。未来茶园施肥管理的重要任务是在提高肥料使用率、减少使用总量上下功夫。因此找到一种既能够减少茶园施肥次数和施肥成本投入，又能够改土培肥提升茶叶产量品质的施肥模式，对于推广绿色高效轻简栽培和减少茶园化肥用量具有重要意义。

生物质炭是生物有机质热裂解的固体产物，具有比表面积大、带有多种官能团（羰基、酚基和醌基等）、灰分多及大量电荷等特异性质，是优良的土壤改良剂和固碳减排材料。大量研究表明，土壤添加生物质炭后可提高土壤pH、改善土壤理化性质、提高土壤肥力、减少养分淋失以及减少温室气体排放等效果[1]。在茶园生态系统中引入利用生物质炭，应该是扩充土壤碳减排增汇功能，提升茶园土壤质量和生产力，实现 “藏茶于地”的理想技术手段。前人对茶园施用生物质炭的作用效果开展了一些相关研究，吴志丹等[2]研究表明，茶园土壤施入生物黑炭后，酸化情况得到改良，提高了土壤全氮、有效磷和速效钾含量，并提高了茶叶产量；吴志丹等[3]还研究了茶园生物质炭不同施用量对酸化茶园土壤的土壤酸度相关指标的影响效果，证明施用量越大土壤改良效果越好；该团队还通过定位观测研究了生物黑炭输入对茶园土壤呼吸和CO2、N2O排放的影响，提出施用生物质炭提高了茶园土壤的呼吸速率、降低了茶园土壤N2O的排放，并分析了其影响因素[4-5]。江福英等[6]通过在茶园中添加小麦秸秆炭，研究得出茶园施用生物炭可以改善茶园土壤物理性状并提高部分养分有效性以及提高茶叶产量的结果，并给出了适合的生物炭施用量。王峰等[7]研究了施用生物质炭对酸性茶园土壤氨挥发的影响。结果表明，施用生物质炭降低了土壤铵态氮浓度，进而显著降低了茶园氨挥发量。在茶园生物炭的来源方面，吴志丹等[8]研究了不同炭化条件对茶树枝生物炭理化性质的影响，并探讨了茶树枝生物炭的应用前景，为茶园内部废弃物的炭化利用提供了良好途径。在茶园施用生物质炭对氮素利用的影响方面，陈玉真等[9]采用短期室内好气培养法研究提出，生物质炭能显著降低茶园土壤矿质态氮含量，抑制土壤硝化作用，抑制效果因生物质炭用量和土壤类型而异。

茶是嗜好饮料作物，未来高品质的茶叶原料生产必须建立在科学合理施用有机肥的基础上。因此，茶园有机肥施用技术的创新在茶树栽培管理中占有无可替代的地位。茶园施用有机肥、有机肥与化肥配施对提高茶叶产量和品质的作用已经被广泛认识，但在茶园施用有机肥体系中添加生物质炭对养分特别是氮肥的吸收和茶叶生长及品质效应还少有研究报道。本试验通过在茶园有机基肥中添加生物质炭，进而初步探讨生物质炭及与有机肥配施对茶树的生长、氮素吸收及品质的影响情况，为在茶园中合理施用生物质炭，提升氮肥利用率和减少茶园化肥投入，进而提升产业质量和效益提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验地概况

试验地选择在广西桂林茶叶科学研究所科研试验茶园（25°15′N，110°34′E），海拔163.9 m，属于亚热带季风性湿润气候，全年平均气温18.9℃，四季分明，雨量充沛。茶园土壤为坡积物发育的黄壤，有机质含量30.0 g/kg，pH为4.68，全氮1.82 g/kg，水解性氮137 mg/kg，有效磷57 mg/kg，速效钾140 mg/kg，交换性钙2.9 cmol/kg，交换性镁0.42 cmol/kg，肥力水平中等；种植的茶树为广西自主选育品种桂香22号（树龄3年），试验前管理按照常规种植茶园进行，种植规格为：双行双株种植1.5 m×0.33 m×0.3 m，不同处理管理水平一致。

1.1.2 供试肥料

供试肥料为生物质炭（水稻谷壳烧制，含碳46.7%）、普通尿素、普通复合肥、花生麸、钙镁磷肥、硫酸钾，各肥料主要养分含量见表1。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

试验采用大田方式进行，设6个处理，3次重复，共计18个小区，每小区茶行长34 m，宽1.5 m，小区面积51 m2，采用单行随机排列，小区间设置隔离行。除空白对照外，各處理施氮量按照450 kg/hm2来确定，因有机肥施用量较大，添加有机肥和生物质炭的处理施氮量将有机肥和生物质炭中的氮素含量合并计算在内，处理间磷钾肥差量采用钙镁磷肥和硫酸钾补齐，保证主要养分纯量投入一致。具体施肥处理为：T1，不施肥处理（空白CK）；T2，施用普通复合肥；T3，施用普通尿素；T4，施用普通尿素+生物质炭；T5，施用普通尿素+花生麸；T6，施用普通尿素+花生麸+生物质炭。各处理具体肥料用量见表2，各处理统一于2016年11月进行整形修剪，12月按照试验设计进行冬季基肥施用，除处理区外，试验前田间管理及施肥措施均保持一致。

1.2.2 调查和采样

1.2.2.1 茶树生长发育及产量情况调查

在2017年春夏秋各茶季调查各处理茶树生长发育情况，包括发芽密度、自然生长树高树幅、各批次茶青产量等。

1.2.2.2 茶青氮素含量及叶片氮吸收量调查

在各小区中固定选取其中10 m长茶行从春季萌芽开始待每批次大部分茶芽长至1芽2叶时采净鲜叶进行测产，从所采的茶青中抽取不同处理各重复1芽2叶的混合样500 g进行微波固样，检测茶叶中氮素含量[10]，计算茶青吸收氮素总量。

1.2.2.3 茶园土壤速效氮和有机质变化调查

定期采集各处理土壤样本，检测速效氮[11]和有机质含量[12]。

1.2.2.4 不同施肥处理茶叶制茶品质的感官审评

于夏茶季7月18日选取各处理茶青按照摊青2 h—微波杀青—揉捻—90℃毛火初烘—110℃足火复烘的加工工艺制成绿茶样，由3名具有评茶资格证的评茶员按照国家标准[13]进行感官审评。评价不同施肥处理对茶叶产品的品质影响。

1.2.3 统计分析

将各处理的试验数据调查采集后，采用Excel软件进行统计分析整理，采用SPSS软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理茶树树体生长情况

不同处理茶树的生长状况变化情况见表3。在茶树春夏秋各生长季，随着时间的推后，处理间的差异逐渐显现：春季不同处理树高没有显著差异，树幅出现部分处理间的差异，以T6处理的树幅最大，且与T4差异显著；夏季随着茶树生长，树高和树幅变化差异扩大，仍以T6生长势最强，树高与对照比差异显著，树幅与其它2个添加生物质炭的处理T4、T5相比差异显著；秋季期T6处理茶树长势依然最好，树高与T2处理差异显著，树幅与T3、T4处理达到差异显著，其它处理间则差异不显著。

2.2 不同处理茶叶发芽密度及产量变化情况

不同处理各茶季的新梢发芽密度出现一定的差异（图1）。春季第一次萌发（3月23日）T6处理的新梢密度就达到273个/0.11 m2，显著高于其它处理，其它各处理间差异不显著，最低的T3处理仅为159个/0.11 m2；到春茶第二轮萌发（4月1日），T6处理的新梢密度约为200个/0.11 m2，且与较低的T1（155个/0.11 m2）、T4（154个/0.11 m2）处理达到差异显著；夏茶季第一轮萌发（5月2日），各处理新梢密度均有所降低，差异也不显著，第二轮（5月24日）T2处理发芽密度出现小高峰达150个/0.11 m2，明显高于其它处理，第三轮（6月18日）、第四轮（7月5日）、第五轮（7月17日）直到秋茶萌发（8月29日），各处理发芽密度未出现明显规律性变化。

从不同采摘轮次的茶叶产量（图2）来看，春季第一轮采摘（3月23日）T6处理的产青量就达到226.7 kg/hm2，显著高于其它处理，添加生物炭和有机肥处理T4、T5产青量也显著高于对照T1和纯化肥处理T2、T3，单施尿素处理产量最低，仅为80.0 kg/hm2；春茶第二轮萌发（4月1日），T6處理产量最多为374.1 kg/hm2，其它处理间差异不明显；夏茶季第一轮萌发（5月2日），T6处理产量依然最高，为348.1 kg/hm2，T5处理其次，与最低的T3处理达到差异显著；第二轮（5月24日）T2处理产量最高，为214.8 kg/hm2，T3处理最低为155.6 kg/hm2，但各处理间差异未达显著水平，第三轮（6月18日）、第四轮（7月5日）、第五轮（7月17日）直到秋茶萌发（8月29），各处理产青量均以T6最多，添加生物质炭和有机肥处理普遍产量高于化肥处理及对照。将全年的产量合计，T6处理显著高于其他各处理，达到3 074.8 kg/hm2，其余各处理产量依次为T5（2 470.4 kg/hm2），T4（2136.3 kg/hm2），T2（2 048.1 kg/hm2），T1（1 770.4 kg/hm2），T3（1 661.5 kg/hm2），整体而言，添加了生物质炭和有机肥的处理产量明显高于纯化肥处理和对照。

2.3 不同处理茶青含氮量及氮素吸收情况

不同处理各茶季茶青含氮量及茶青氮吸收量情况见图3、4。由图3、4可知，全年茶青中含氮量呈现出高-低-较高的变化趋势，其中以春季茶青含氮量最高，各处理均可达到50 g/kg以上，随着采摘期的延后茶青含氮量明显下降，到夏茶季5月22日降到最低，各处理茶青含氮量降低到35.0～37.3 g/kg，随后缓慢增加并稳定在一定区间，到秋茶季8月底又回升到42.4～46.4 g/kg。从夏茶到秋茶，添加生物质炭和有机肥的处理茶青含氮量从数值上普遍高于纯化肥处理和对照。从不同处理周年氮吸收总量来看，由于“稀释效应”作用，茶树对氮吸收的强度变化主要由产量决定，不同处理间氮素吸收差异较大，以T6处理吸收氮量最多，达到136.0 kg/hm2，其余处理按氮吸收量多少依次为T5处理（109.5 kg/hm2），T4处理（94.8 kg/hm2），T2处理（87.8 kg/hm2），T1处理（76.9 kg/hm2），T3处理（71.6 kg/hm2），纯尿素处理氮吸收量最少，甚至低于空白对照，说明单施尿素氮肥利用率最低，添加生物质炭和有机肥的处理T6全年累计吸收氮量是单施尿素处理T3的约1.9倍。

2.4 不同处理茶园土壤速效氮和有机质含量变化情况

不同处理土壤中速效氮的含量变化情况见图5。在春茶开采前（2月20日），单施尿素处理T3土壤速效氮含量明显高于其他处理，达到296.7 mg/kg，最低的T6处理为112.3 mg/kg，其它处理土壤速效氮含量在155.3～169 mg/kg；茶叶开采后，T3处理土壤速效氮含量显著降低，各处理间数值变化不大，土壤速效氮每次测试结果基本稳定在100～150 mg/kg，并呈现出添加生物质炭处理的土壤速效氮含量普遍低于单施尿素和复合肥处理的趋势，T6处理土壤速效氮检测结果基本上与空白对照相当。从春夏秋3个茶季不同土壤有机质检测结果（图6）来看，单施尿素和复合肥处理土壤有机质含量普遍高于空白对照，单施尿素处理土壤有机质含量甚至高于施有机肥处理，尿素与生物质炭配施处理T4土壤有机质检测值也高于施入有机肥处理，可能是由于化肥施入引发的“激发效应”所影响。尿素与有机肥和生物质炭配施的T6处理土壤有机质检测结果在所有施肥处理中最低，其次较低的是尿素与有机肥配施处理T5，这与通常的施有机肥提高土壤有机质含量的预期不符，造成这种结果的原因值得深入探讨。

2.5 不同处理夏茶制茶品质变化情况

不同处理对夏绿茶制茶感官品质影响出现差异（表4），添加生物质炭和有机肥处理对夏茶绿茶的香气、滋味、汤色均有一定的提升作用，尤其以T6处理茶青制茶品质最好，所制作绿茶汤色黄绿、滋味醇厚，感官审评得分最高，T3处理和T2处理得分较低，空白对照处理得分依然高于纯化肥处理。

3 讨论

茶树主要生长于热带和亚热带地区，但这些地区多雨的气候条件导致土壤氮素容易淋失，造成氮肥利用率较低。本试验结果表明，添加生物质炭和有机肥的各处理，发芽密度、茶叶产量、氮素吸收利用及制茶品质都有不同程度的提升。有研究表明，添加生物质炭可以改善土壤物理、化学等性状和微生态及微生物环境[14-15]，因此茶园施用生物质炭可能提供了适宜茶树生长的土壤环境进而促进了茶树生长，在对氮素的吸收上表现为提高了氮素利用和改善了制茶品质。

碱解氮是普遍选用的评价土壤供氮能力的重要指标。一般而言，土壤碱解氮含量高的地块作物对氮素的吸收利用情况较好。但有研究表明，生物质炭的多空隙结构和含氧官能团会吸附和固定土壤和肥料中的铵态氮，暂时降低土壤氮素的有效性[16]，特别是生物质炭与有机肥配施表现出降低土壤碱解氮的趋势[17]，生物质炭产生的电荷和巨大的比表面积对土壤和植物所需的氮有较强的吸附作用，这种机制降低了土壤中的氮损失[18]，提高养分的利用效率和增加土壤肥力[19-20]。在酸性土壤应用生物炭可以大大增加土壤对铵态氮的吸持能力[21]，而且这些氮是可以为植物所利用[22]。本试验的结果也得出类似规律：添加生物质炭和有机肥的处理，土壤碱解氮测试结果最低，但茶树的长势、氮素吸收利用效果及品质却在所有处理中最好。在茶园中施用生物质炭后，可以猜测或许茶树根系与添加了生物质炭和有机肥的土壤结构体存在对可利用氮素的竞争性吸附或者吸收关系，特别是生物质炭和有机肥配施对速效氮起到了一定的吸附和供应缓冲作用，可以持续供应茶树根系的需求，保障正常的氮素供应又不至于过量流失，达到了一种类似于“海绵体”功能，实现尿素一次施入“天然控释”的良好效果，显著提高了氮素利用。由此，也许可以认为，添加了生物质炭的土壤系统可能不适合用碱解氮指标来评价供氮能力，同时由于生物质炭含有大量稳定性强的氮元素，用全氮含量来评价供氮能力也不准确，未来需要研究提出其它更为合适的指标。此外，有观点指出生物炭的应用会促进土壤微生物的活性进而促进有机质分解和活性有机物质比例的下降[23-25]，也有观点认为，生物质炭复杂的结构使其表现出高度的化学和微生物惰性[26-27]。本试验添加了生物质炭的处理土壤有机质含量较低可能是由于促进了有机质的分解，也可能是由于添加的大量稳定性炭在样品检测过程未能充分氧化检测出反而相对 “稀释”了本身土壤中的有机质引起。

本试验各施肥处理均按照把所有投入物料的总含氮量作为统一施氮量计算，但由于生物炭在土壤中的稳定性导致短期内很难被作物直接吸收，所以各添加生物质炭处理的氮肥供应实际上是低于其它施肥处理的，客观上已经进行了氮肥投入的减量，但对茶树生长和品质的影响作用更好，说明添加生物质炭是可以作为减少茶园化肥投入和提高氮肥利用率和茶叶产量品质的理想手段。

4 结论

本研究结果表明，茶园中施用生物质炭及与有机肥配施可以促进茶树树体生长，一定程度提高新梢發芽密度进而提高茶叶产量，与单施尿素相比，添加生物质炭及与有机肥配施的处理能分别提高茶叶产量28.6%和85.1%，提高茶青氮素吸收89.9%和32.4%，生物质炭与有机肥配施处理的茶叶所制作绿茶汤色黄绿、滋味醇厚，品质明显提高。生物质炭作为一种新兴的优质资源在茶园中施用起到了对速效氮养分的“暂时储存”和“天然控释”的效果，对于实现化肥投入减量和茶树轻简栽培具有良好的应用前景。

参考文献

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