生物黑炭對酸化茶園土壤酸度和茶葉品質(zhì)及產(chǎn)量的影響

(1.江西省紅壤研究所 331717；2.江西省萬載縣農(nóng)業(yè)局 336100)

茶樹雖為喜酸作物，但并非土壤越酸越好， pH值5.0～6.0為最佳生長環(huán)境[1]，當(dāng)pH值低于4.5時，茶樹生長受到抑制，不僅影響茶樹的產(chǎn)量和品質(zhì)，還容易導(dǎo)致土壤中重金屬等有毒元素的活化，威脅茶葉食品安全[2]。長期種植茶樹后，由于環(huán)境惡化、人為管理措施不當(dāng)以及茶樹的自身代謝作用等原因，土壤pH值小于4.0的茶園越來越多，茶園土壤酸化日趨嚴(yán)重，并已成為茶葉生產(chǎn)中的共性問題[3～5]。馬立鋒等對浙江、江蘇和安徽202個茶園土壤pH值進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果表明pH值<4.0的土樣占43.9%[6]；張祖光等對重慶市87個老茶園土壤進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果表明pH值<4.0的茶園占4.6%， 4.0～5.0的茶園占74.7%[7]；羅敏等對江蘇省的23個典型茶場中0～20cm土層土壤pH值進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果表明pH值<4.0的茶場面積占總面積的4.3%，pH值 4.0～4.5占總面積的52.5%[8]；孫永明等對江西18個茶葉生產(chǎn)縣203個代表性茶園土壤pH值進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果顯示江西茶園土壤整體水平較酸，pH值平均為4.65，其中低于4.5的土壤占樣本數(shù)的43%[9]。

生物黑炭是生物質(zhì)在無氧或微氧條件下低溫?zé)徂D(zhuǎn)化后的固體副產(chǎn)物，由于其有機(jī)碳含量高、多孔性、堿性、吸附能力強(qiáng)等性質(zhì)，施用于土壤后，能夠增加土壤有效養(yǎng)分，提高酸性土壤pH值，提高作物產(chǎn)量，改善土壤質(zhì)量等[10～12]。因此，生物黑炭的合理施用對酸化茶園土壤改良、提升土壤碳庫和土壤地力、茶園增產(chǎn)增收等都具有十分重要的意義。已有許多專家學(xué)者關(guān)于將生物黑炭應(yīng)用于酸化土壤改良的報道，孫永明等將生物黑炭施用于旱地紅壤后，土壤密度降低4.8%～16.3%，土壤pH值提高0.19～1.02個單位，CEC增加0.80～2.46cmol/kg，玉米產(chǎn)量增加32.5%～80.0%[13]。吳志丹等將生物黑炭施用于酸化茶園土壤后，0～20cm土層pH值提高0.19～1.72個單位，土壤陽離子交換量增加0.80～2.46 cmol/kg，土壤交換性酸降低0.79～3.96cmol/kg，土壤鹽基飽和度提高20.98%～173.67%，產(chǎn)量增加0.77%～106.61%[14]。江福英等通過大田試驗(yàn)研究生物黑炭添加對茶園土壤理化性狀和茶樹生長的影響，結(jié)果表明，土壤全氮提高8.33%～26.52%，土壤堿解氮含量下降0.97%～11.54%，土壤有機(jī)碳含量提高29.55%～98.15%，速效鉀提高17.96%～167.88%，有效磷提高13.04%～69.25%，茶葉產(chǎn)量提高3.24%～13.49%[15]。

大多數(shù)學(xué)者的研究聚焦在施用生物黑炭后對土壤理化形狀、作物的產(chǎn)量影響分析，至于施用生物黑炭后對作物的品質(zhì)影響研究較少，尤其是施用生物黑炭后對土壤交換性酸以及茶葉品質(zhì)、茶葉產(chǎn)量的綜合影響鮮見報道，且生物黑炭施用在酸化情況不同、施肥情況不同、類型和性質(zhì)不同的茶園土壤上的效果也存在差異，因此生物黑炭施用在南方丘陵茶園的效果值得探討。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)茶園位于江西省蠶桑茶葉研究所(江西南昌)茶園內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°0'13″，北緯28°22'19″，年平均氣溫18.5℃，年降雨量1 765.4mm。茶樹品種為福鼎大白茶群體種，樹齡四十余年。土壤類型為典型的第四紀(jì)紅粘土發(fā)育的紅壤，供試茶園基礎(chǔ)理化性狀詳見表1。

表1 試驗(yàn)茶園土壤基礎(chǔ)理化性狀

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計

生物黑炭施用量設(shè)5個水平：0t/hm2(CK)、15t/hm2、30t/hm2、60t/hm2、90t/hm2，每個處理設(shè)三個重復(fù)小區(qū)，每個小區(qū)45m2，共15個小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。2016年9月下旬將生物黑炭均勻撒施在供試小區(qū)地表，旋耕深翻20cm，使其與土壤混勻。

1.2.2 測定項(xiàng)目及方法

(1)茶葉產(chǎn)量測定：于春茶采摘期(4月6日)調(diào)查茶芽密度和百芽重，每處理隨機(jī)抽樣3點(diǎn)，每點(diǎn)調(diào)查0.09m2(30cm×30cm)，記錄各調(diào)查區(qū)內(nèi)的茶芽數(shù)，最后折算成每平方米的茶芽數(shù)。從調(diào)查區(qū)內(nèi)隨即采摘3組茶芽，每組100個稱重記載。產(chǎn)量：各小區(qū)每次采摘后單獨(dú)稱量芽頭重量(一芽二葉)，最后各批次重量相加即為各小區(qū)的總產(chǎn)量。

(2)茶葉品質(zhì)測定：茶多酚總量測定：參照 GB8313-87 酒石酸鐵比色法；咖啡堿含量測定：高效液相色譜法；水浸出物總量測定：參照 GB8305-87 測定方法；游離氨基酸總量測定：參照 GB8314-87 茚三酮比色法。

(3)茶園土壤交換性酸測定：于2017年6月上旬(春茶采摘后、夏茶追肥施用前)采集土壤樣品，每小區(qū)隨機(jī)選取3個點(diǎn)，每個點(diǎn)按照行間位置取4個土鉆：行中間位置(0～10cm寬度內(nèi)隨機(jī)選擇)、偏中位置(離行間中線10～30cm范圍隨機(jī)選擇)、靠茶行位置(離行間中線30～60cm范圍隨機(jī)選擇)和茶行位置(茶樹小行間隨機(jī)選擇)；分0～20cm、20～40cm土層取樣。各樣點(diǎn)同土層土樣混合、風(fēng)干、過篩備用。土壤按土水比1:2.5 攪拌，復(fù)合電極測定pH值(德國sartorius，PB-21)；土壤交換性酸(H+、Al3+)用1mol·L-1KCl提取，NaOH 滴定法測定。

1.3 統(tǒng)計分析

調(diào)查數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行計算，并用DPS 7.05進(jìn)行差異顯著性分析，處理間平均數(shù)的比較采用最小顯著差數(shù)法(LSD)。圖表中的數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物黑炭施用對茶園土壤pH值的影響

由圖1可看出，施用生物黑炭(15t/hm2、30t/hm2、60t/hm2、90t/hm2)后，茶園土壤pH值呈現(xiàn)增大趨勢，其中0～20cm土層pH值較CK分別提高0.25、0.68、1.24、1.62個單位，20～40cm土層pH值較CK分別提高0.04、0.28、0.32、0.38個單位。方差分析表明，當(dāng)生物黑炭施用量大于等于30 t/hm2時，各處理0～20cm和20～40cm土層土壤pH值與CK相比差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，其中上層土壤的pH值增幅大于下層土壤。

注：不同的小寫字母表示各處理存在顯著差異(p<0.05)。

2.2 生物黑炭施用對茶園土壤交換性酸的影響

由表2可看出，茶園土壤施用生物黑炭(150t/hm2、300t/hm2、600t/hm2、90t/hm2)后，土壤交換性H+和交換性Al3+均下降。其中0～20cm土層土壤交換性H+較不施用生物黑炭(CK)分別降低了24.7%、32.83%、42.50%、40.36%，當(dāng)生物黑炭施用量大于等于15 t/hm2時，土壤交換性H+與CK相比差異顯著(P<0.05)，20～40cm土層土壤交換性H+較CK分別降低了4.55%、3.39%、7.53%、31.16%，但差異不顯著(P>0.05)；0～20cm土層土壤交換性Al3+較CK分別降低了15.79%、30.63%、48.11%、71.49%，當(dāng)生物黑炭施用量大于等于30t/hm2時，土壤交換性Al3+與CK相比差異顯著(P<0.05)，20～40cm土層土壤交換性Al3+較CK分別降低了6.14%、11.10%、21.90%、46.35%，當(dāng)生物黑炭施用量大于等于90t/hm2時，土壤交換性Al3+與CK相比差異顯著(P<0.05)；施用生物黑炭后，茶園上層土壤交換性H+、交換性Al3+比下層土壤下降幅度大，0～20cm土層土壤交換性酸較CK分別降低了1.15cmol/kg、2.16cmol/kg、3.34cmol/kg、4.83cmol/kg，當(dāng)生物黑炭施用量大于等于30t/hm2時，土壤交換性酸與CK相比差異顯著(P<0.05)，20～40cm土層土壤交換性酸較CK分別降低了0.01cmol/kg、0.77cmol/kg、1.45cmol/kg、3.1cmol/kg，當(dāng)生物黑炭施用量大于等于30t/hm2時，土壤交換性酸與CK相比差異顯著(P<0.05)。

注：同列數(shù)據(jù)小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下表同。

2.3 生物黑炭施用對茶葉品質(zhì)的影響

由表3可看出，酸化茶園土壤施入生物黑炭后，茶葉各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)有較明顯的變化。水浸出物、咖啡堿、茶多酚和氨基酸含量隨著生物黑炭施用量的提高而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而酚氨比則隨著生物黑炭施用量的提高而呈現(xiàn)降低的趨勢。當(dāng)生物黑炭施用量為30t/hm2時，水浸出物含量達(dá)到最大值，較不施用(CK)增加了4%，但差異性并不顯著(P>0.05)，當(dāng)生物黑炭施用量為90t/hm2時，水浸出物較施用30t/hm2降低了5%，差異性顯著(P<0.05)。當(dāng)生物黑炭施用量為60t/hm2時，咖啡堿含量達(dá)到最大值，較CK增加了10%，但差異性并不顯著(P>0.05)。當(dāng)生物黑炭施用量為30 t/hm2時，茶多酚含量達(dá)到最大值，較CK增加了3%，但差異性并不顯著(P>0.05)。當(dāng)生物黑炭施用量為60t/hm2時，氨基酸含量達(dá)到最大值，較CK增加了40%。生物黑炭施用量大于等于15t/hm2時，各處理酚氨比均與CK差異性顯著(P<0.05)；當(dāng)生物黑炭施用量大于等于30t/hm2時，酚氨比較CK顯著降低(P<0.05)。

表3 生物黑炭施用對茶葉品質(zhì)的影響

2.4 生物黑炭施用對茶葉產(chǎn)量的影響

由表4可看出，茶園施用生物黑炭(15t/hm2、30t/hm2、60t/hm2、90t/hm2)后，百芽重隨著生物黑炭施用量的提高而呈現(xiàn)升高的趨勢，較不施用(CK)分別增加了2.05%、5.74%、10.42%、16.79%，但與對照相比，差異不顯著(P>0.05)；產(chǎn)量隨著生物黑炭施用量的提高而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，較CK分別增加2.21%、14.45%、4.90%、-5.29%，但與對照相比，差異不顯著(P>0.05)；發(fā)芽密度隨著生物黑炭施用量的提高而呈現(xiàn)升高的趨勢，較CK分別增加了4.33%、8.27%、9.45%、4.72%，但與對照相比，差異不顯著(P>0.05)。

表4 生物黑炭施用對茶葉產(chǎn)量的影響

3 討論

生物黑炭是將木材、草、玉米稈或其它農(nóng)作物廢物等生物有機(jī)材料在缺氧或絕氧環(huán)境中，經(jīng)高溫?zé)崃呀夂笊傻墓虘B(tài)產(chǎn)物[16～18]。生物黑炭含有一定量的礦質(zhì)養(yǎng)分，富含有機(jī)碳，一般呈堿性，具有較高的陽離子交換量、巨大的比表面積、多孔性結(jié)構(gòu)、一定的吸水能力、高的吸附能力、CEC及化學(xué)反應(yīng)性等特點(diǎn)，施用于土壤后，可以增加土壤有機(jī)碳含量，增加土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分含量，如磷、鉀、鈣、鎂及氮素，提高土壤堿基飽和，降低可交換鋁水平，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，提高肥料養(yǎng)分利用率，為土壤微生物提供良好棲息環(huán)境，為土壤有益微生物提供保護(hù)[19～20]。而茶葉的品質(zhì)和產(chǎn)量除受氣候條件、栽培管理技術(shù)和茶樹品種等的影響外，與茶園土壤也有某種密切關(guān)系[21～22]，深入研究探討生物黑炭對茶園土壤水分、土壤空氣、土壤溫度、土壤pH值、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤氮磷鉀含量、土壤鈣鎂硫鋁、土壤微量元素的影響，對生產(chǎn)綠色、健康、安全的茶葉有著重要的意義。

3.1 生物黑炭施用對土壤理化性狀的影響

本研究結(jié)果表明：施用不同用量的生物黑炭后，0～20cm土層土壤pH值提高0.25～1.62個單位，交換性酸降低1.15～4.83 cmol/kg。0～20cm土層土壤交換性H+分別降低了24.7%～40.36%，交換性Al3+降低了15.79%～71.49%，20～40cm土層土壤交換性H+降低了3.39%～31.16%，交換性Al3+降低了6.14%～46.35%。這一研究結(jié)果與吳志丹等[14]、孫永明等[13]、陳先茂等[23]以及馬秀枝等[24]的研究結(jié)果一致。原因是生物質(zhì)經(jīng)過高溫裂解成生物質(zhì)炭時，部分生物質(zhì)被礦化，其灰分中含有大量堿性鹽基物質(zhì)如K、Ca、Mg都呈可溶態(tài)，施入土壤可提高酸性土壤的鹽基飽和度，以提高土壤的pH值、降低酸性土中鋁的飽和度。

3.2 生物黑炭施用對茶葉品質(zhì)的影響

水浸出物、茶多酚、氨基酸總量和咖啡堿等物質(zhì)是茶葉品質(zhì)的主要成分。本研究結(jié)果表明：生物黑炭施用量大于等于15 t/hm2時，各處理氨基酸均與不施用生物黑炭(CK)差異性顯著(P<0.05)；當(dāng)生物黑炭施用量大于等于30 t/hm2時，酚氨比較CK顯著降低(P<0.05)。原因歸結(jié)為酸化茶園土壤施入生物黑炭后，土壤酸度情況得到改良，顯著降低酸性土壤交換態(tài)鋁含量，減少鋁對植物的毒害作用[25～26]，茶園土壤pH值的提高不僅能夠降低重金屬危害，還能使茶葉中茶多酚、咖啡堿和氨基酸含量增加，從而改善茶葉的品質(zhì)。

3.3 生物黑炭施用對茶葉產(chǎn)量的影響

本研究結(jié)果表明：茶園施用生物黑炭，百芽重與對照相比，差異不顯著。產(chǎn)量隨著生物黑炭施用量的提高而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。這一研究結(jié)果與江福英[15]等研究結(jié)果相似，原因歸結(jié)為水分是茶樹體內(nèi)新陳代謝的基礎(chǔ)，土壤水分過多過少都會對茶樹的生長帶來不良影響。而生物黑炭具有多孔性結(jié)構(gòu)和一定的吸水能力，當(dāng)生物黑炭施入量過多時，造成土壤含水量增加，水分過多，土壤供氧不足，從而對茶樹根系的生長造成危害，導(dǎo)致減產(chǎn)。另一方面，施用生物黑炭后也會對土壤三相比造成影響，土壤固、液、氣三相狀況及其配合比例是衡量土壤物理性狀好壞的重要指標(biāo)之一，疏松多孔，氣相大固相小、保水保肥性好的土壤有利于根系對養(yǎng)分、水分的吸收及氨基酸、咖啡堿的生成。過多的生物黑炭施入會導(dǎo)致固相和氣相減少，液相增加，從而影響茶葉產(chǎn)量。

4 結(jié)論

在本研究中，施加30 t/hm2生物黑炭能夠有效地改善茶園土壤酸化情況，提高土壤pH值，降低交換性酸，增加氨基酸的含量，降低酚氨比，提升茶葉品質(zhì)，增加茶葉產(chǎn)量。但茶園生物黑炭適宜量還需依據(jù)茶園土壤酸化情況、施肥情況以及土壤類型和性質(zhì)確定，同時還應(yīng)加強(qiáng)對生物黑炭施入茶園土壤后，土壤酶活性、土壤微生物影響方面的研究，為酸化茶園土壤的改良、實(shí)現(xiàn)茶葉優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

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