生物质炭施用方式对土壤水分养分及茶树生长的影响

杨 丽，卜通达,2，刘元生,2，刘 方,2，舒英格,2，陈祖拥,2*

(1.贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学环境与资源研究所，贵州 贵阳 550025)

“十三五”期间，贵州省大力发展茶产业，截止2019年底，全省茶园面积696.63万亩[1]。茶园土壤培肥及养分管理，是茶园管理的一项重要内容[2-4]。茶叶产量及品质与土壤理化性质密切相关，目前我国在茶园土壤改良及施肥技术方面开展了大量的研究工作，土壤养分及水分是影响茶叶产量和品质的主要因素[5-11]。在贵州中部山区，春季干旱及寒潮低温天气是影响春茶产量及品质的主要因子，推广地表覆盖保水技术是保障山区春茶生产的重要措施之一。有研究表明茶园覆盖稻草+薄膜下，土壤保水保墒效果最强，茶叶的叶面积和干物质量有显著提高[12,13]。茶叶产量、新梢数量及茶叶的品质并不是由单一因素所致，在适中的水肥耦合水平下才能保证茶叶高产优质，最佳水肥组合是“高氮+低磷+高钾+中水”[14]。因此，如何有效管理和培肥土壤，提高茶园土壤水分及养分效能，是实现优质高效的茶叶生产的前提。

生物质炭是利用木屑、秸秆等生物质农业废弃物料，在低氧或完全隔氧条件下，经高温热解而得到的炭化产物。在土壤中施入生物质炭能一定程度上降低土壤容重并增加土壤的持水透气性，有效调节孔隙状况，提高作物产量[15]。生物质炭除了能改良土壤外，还能固持施入土壤的养分，有效减轻土壤养分淋失，赋予肥料缓释和固碳的功能，并提高植物养分的有效性及肥料利用率，促进茶树生长及改善茶叶品质[16-18]。近年来在生物质炭对茶树生长、茶叶产量及品质等方面进行了一些研究，生物质炭施用对茶园土壤改良及增产效果，受气候条件、土壤类型等的影响，而目前生物质炭施用方式对茶树生长及茶叶品质影响的研究还相对较少。因此，本研究以贵州中部种植茶树的黄壤作为研究对象，探讨生物质炭施用方式对植茶土壤水分、养分及有效微量元素的影响，研究生物质炭施用方式对春茶生长的响应，为贵州茶产业的土壤改良及可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区基本概况

试验区位于贵州中部，地处中亚热带气候区，年均温度为15～16℃，年均降雨量为1100～1200 mm，降雨多数集中在4～7月份。试验区属于低中山地貌为主的山区，平均海拔高度在800～1200 m，本区域茶叶主要种植在由砂岩、页岩及第四纪红色粘土发育的黄壤上。2019年2月在贵阳市开阳县龙岗镇选择土壤条件相对一致的代表性茶园，取土进行盆栽试验。

1.2 盆栽试验设计

试验用生物质炭原料为食用菌渣，菌渣经小型炭化炉炭化后制得本试验用的生物质炭，基本性质见表1。盆栽试验设4个处理，即对照(未施用生物炭)、炭全部覆盖、炭全部施用、1/2炭覆盖加1/2炭施用，试验土壤为砂页岩风化物发育的黄壤，基本理化性质见表2。在2019年3月上旬选择长势相对一致、株高相近的2年生茶苗，将其移栽在塑料盆钵(盆钵上部直径约30 cm，高约40 cm，每盆装有风干土20 kg)中，移栽后定期浇水，保持土壤水分满足茶树正常生长。在茶树移栽1年后，即2020年3月上旬，根据茶树生长状况选择长势相对一致的茶树作为1组重复(含4个处理)，共设置3组重复，并一次性将生物质炭均匀覆盖或施入上层土壤0～20 cm(1/2盆栽桶高度)中，炭全部施用或全部覆盖的处理按每盆500 g生物质炭实施(用量按每盆上半盆10 kg土壤使用5%炭量计算)。在露天环境下根据降雨情况定期测定表层土壤(0～10 cm)含水率。

表1 供试生物质炭基本指标

表2 供试土壤基本理化指标

1.3 检测指标及方法

采用美国SPECTRUM公司的TDR(时域反射)300便携式土壤水分仪，分别在4、5月份测定降雨时段和干旱时段土壤的体积含水率。在每次降雨(降雨间隔天数小于5，日降水量>25 mm)过后的第2天上午10～11时测定土壤的体积含水率，作为降雨时段土壤水分监测结果；在降雨后第2天开始，每间隔2～3天于测定日上午10～11时测定土壤体积含水率，持续数天无降雨，可连续测定土壤体积含水率5次以上，视为干旱时段土壤水分监测结果。所有降雨时段和干旱时段土壤体积含水率的测定，均在每盆中选取3个测定点测定，取3次平均值作为该盆钵的土壤体积含水率测定值。

春季植物生长情况测定方法：百芽质量(g)按每盆随机采10个芽头(一芽二叶)计算。5月18日在每盆选取长势最优的3个春梢，调查每个春梢的着叶数，测量每片叶长宽度及春梢长度，用椭圆公式(S=3.14×长×宽)计算叶片面积。于10月上旬每盆采集0～20 cm表土的5点混合样，作为该盆土壤代表样，土壤样品用聚乙烯封口袋封装带回实验室，风干后研磨过筛待测。

土壤pH的测定采用电位法(水土比2.5:1)；土壤有机质采用高温外加热重铬酸钾氧化容量法；碱解氮采用碱解扩散法；有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提钼蓝比色法；速效钾采用醋酸铵浸提火焰光度法；土壤有效铁、锰、铜、锌用DTPA浸提火焰原子吸收法测定[19]。

1.4 数据分析

所有试验数据采用DPS 7.5软件进行数理统计，测定值采用LSD法进行多重比较及显著性检验分析等。

2 结果与分析

2.1 生物质炭施用方式对春季土壤水分的影响

从图1看出，在春季及夏季出现降雨期间(一般土壤含水率达到20%～30%)，与未施用生物质炭的对照相比，炭全部覆盖、炭全部施用、1/2炭覆盖+1/2炭施用处理土壤含水率都有较明显的增加，特别是炭全部覆盖处理的土壤含水率出现显著性提高，炭覆盖土壤的保水效果优于炭施用的处理。图2中也看出，在春季及夏季出现干旱期间(一般土壤含水率小于20%)，与对照相比，炭全部覆盖、炭全部施用、1/2炭覆盖与1/2炭施用都能显著性地增加土壤含水率，炭全部覆盖处理土壤保水效果明显优于炭全部施用处理和1/2炭覆盖+1/2炭施用处理。

图1 不同生物质炭施用方式在降雨时段植茶土壤含水率变化

图2 不同生物质炭施用方式在干旱时段植茶土壤含水率变化

盆栽条件下茶树春季及夏季生长期间，受降雨及干旱的影响，生物质炭的不同施用方式下土壤含水量出现明显的变化。从4、5月份降雨时段5次和干旱时段5次的土壤含水率测定值的总平均值来看，土壤保水效果最明显的是生物质炭全部覆盖处理，在降雨时段、干旱时段的土壤含水率分别比对照平均提高了14.70%、34.46%，其次是1/2生物质炭覆盖与1/2炭施用处理，其土壤含水率分别比对照平均提高了8.75%、21.58%；生物质炭全部施用处理也能增加土壤含水率，降雨和干旱时段分别比对照平均提高了3.19%、11.76%。可见，利用生物质炭覆盖及施用改土有助于提高植茶土壤的保水能力。

2.2 生物质炭施用方式对土壤有效性养分及微量元素的影响

从表3看出，生物质炭不同施用方式对土壤pH值和有机质含量的影响略有差异。其中炭全部施用、1/2炭覆盖+1/2炭施用2种处理均可较为明显地降低植茶土壤的酸度，与对照相比，土壤pH值平均分别增加了5.75%、4.06%。利用生物质炭覆盖表土后，植茶土壤有机质含量未出现明显的变化，炭全部施用、1/2炭覆盖+1/2炭施用2个处理土壤有机质含量分别较对照增加了52.45%和14.65%。生物质炭可以降低土壤的酸度和提高土壤有机质的含量，从而影响土壤养分的有效性及其含量水平。

表3 不同生物质炭施用方式下植茶土壤有效养分及微量元素含量变化

从表3可知，炭全部施用、1/2炭覆盖+1/2炭施用、炭全部覆盖均能提高土壤有效养分的含量，3个处理的土壤碱解氮含量分别比对照提高了13.61%、8.43%和9.28%，但差异未达到显著水平。生物质炭覆盖及施用后土壤有效磷、速效钾含量出现不同程度的提高，炭全部施用、1/2炭覆盖+1/2炭施用、炭全部覆盖处理的土壤有效磷含量分别比对照提高了172.04%、90.32%和93.55%；土壤速效钾含量分别比对照增加了48.23%、131.19%和247.27%。另外，从表3可以看出，炭全部施用、1/2炭覆盖+1/2炭施用、炭全部覆盖3个处理后，土壤有效铁、锰、铜、锌的含量均未出现显著性差异。由此可见，生物质炭的施用能有效提高土壤中炭的来源，从而增加土壤有机质的积累效应，这也对于提高土壤有效养分的含量有较明显的作用。

2.3 生物质炭施用方式对春季茶树生长的影响

盆栽试验结果表明(表4)，炭全部施用、1/2炭覆盖+1/2炭施用、炭全部覆盖后均能提高茶叶的百芽重，分别比对照平均增加了28.23%、10.48%和4.84%，特别是炭全部施用处理茶叶百芽重出现显著性增加；茶树春梢长度及着叶数出现显著性增加；春梢的叶面积与对照相比，均出现明显的增加，分别提高了1.64、1.44和0.78倍。可见，利用生物质炭覆盖及施用对茶树春梢的生长均有明显的促进作用；有利于提高春茶产量，特别是施用生物质炭的处理。

表4 不同生物质炭施用方式下茶树春梢长度、着叶数及叶面积的变化

3 结论与讨论

利用生物质炭覆盖表土或把生物质炭施入土壤均能明显地提高土壤的保水性能，特别是生物质炭覆盖表土后在降雨时段、干旱时段的土壤含水率分别比对照平均提高了14.70%、34.46%。生物质炭对土壤保水效果的大小顺序为炭全部覆盖>1/2炭覆盖+1/2炭施用>炭全部施用。利用生物质炭覆盖茶园表土可以明显减少土壤水分蒸发，提高干旱时段土壤表层含水量，减轻春季及夏季干旱天气对茶树生长的影响。胡承兴等研究表明在覆盖稻草+薄膜方式下，茶园土壤保水保墒效果最强，该处理下的茶树的叶面积和干物质量都有显著提高，稻草+薄膜覆盖的增产达26.92%[12]。因此，在施用有机肥的基础上，结合生物质炭的覆盖，可实现水肥耦合的叠加效果，对茶树生长具有良好的促进作用。

生物质炭的施用可降低土壤的酸度，并提高土壤有机质含量，同时提高了土壤养分含量及其有效性，生物质炭全部施用土壤有效氮、磷、钾的含量较对照分别平均增加了13.61%、172.04%和48.23%，其中有效磷的增量最为显著。同时，用生物质炭覆盖表土也能一定程度影响土壤有效氮、磷、钾的含量。而炭全部覆盖、炭全部施用、1/2炭覆盖+1/2炭施用3个处理后，土壤有效铜、锌、铁、锰的含量均未出现显著性差异。前人的研究普遍认为茶园施用有机肥能显著地增加土壤中有机质及氮、磷、钾的含量，从而促进茶园土壤养分循环和茶树生长[9]，利用生物质炭特有性质来改良茶园土壤，能显著地增加茶园土壤有效氮、磷、钾的含量，同时还能降低土壤酸度。因此，在茶园的日常管理中，可利用茶园自身的有机废弃物制备生物质炭再施入土壤进行土壤培肥改良，在增加土壤有机碳含量的同时，改善土壤的理化性质，并利用生物质炭强大的吸附性能，减少水分和养分的流失，增强土壤的保水保肥性能。另外，在温湿度得到优化的前提下，生物质炭的施用或覆盖，可增强土壤微生物的活性，并促进土壤微生物群落的增值，充分促进茶园土壤养分与植物养分的内循环，使茶园土壤朝着更有利于茶树生长的方向发展，提高茶园产量[16,17]。

利用生物质炭覆盖表土或把生物质炭施入土壤均能显著地增加茶树春梢的叶面积，炭全部施用、1/2炭覆盖与1/2炭施用、炭全部覆盖处理茶叶的叶面积比对照分别提高了1.64、1.44和0.78倍，生物质炭的施用或覆盖，均有利于春茶产量的提高，特别是施用生物质炭。施用生物质炭能促进茶树春季的生长，茶树春季叶面积、春梢着叶数、春梢长度等均表现出显著性增加。施用生物质炭，为土壤微生物提供充足的碳源及生殖场所，有利于土壤微生物的生长和繁殖，能明显地增加土壤有效养分含量及增强土壤保水性能，配合生物质炭及有机肥施用是贵州山区茶园土壤培肥的有效措施之一，水肥耦合及有机培肥均能有效提高春、秋茶的产量及品质[3,14]。以农作物秸秆、禽畜粪便等有机物料为堆肥主体，配合生物质炭的施用或覆盖，对贵州山区老茶园进行土壤有机培肥，来减少茶园土壤的酸化程度，同时协调植物吸收与土壤养分和水分之间的关系。另外，贵州新茶园茶树幼小，土壤裸露，植被覆盖度低，面临土壤有效养分含量低及水分不充足的困难，而且由于受雨水冲刷、干湿交替强烈等影响，新开茶园存在较大的水土流失隐患，在此类茶园行间采取覆盖生物质炭的措施可以有效减轻水土流失。施用生物质炭是否提升土壤团聚体数量、增加土壤微生物种类及改善茶叶品质等方面的研究，仍需下一步深入分析。