生物質(zhì)炭施用方式對(duì)土壤水分養(yǎng)分及茶樹生長(zhǎng)的影響

楊 麗，卜通達(dá),2，劉元生,2，劉 方,2，舒英格,2，陳祖擁,2*

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué)環(huán)境與資源研究所，貴州 貴陽 550025)

“十三五”期間，貴州省大力發(fā)展茶產(chǎn)業(yè)，截止2019年底，全省茶園面積696.63萬畝[1]。茶園土壤培肥及養(yǎng)分管理，是茶園管理的一項(xiàng)重要內(nèi)容[2-4]。茶葉產(chǎn)量及品質(zhì)與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)，目前我國(guó)在茶園土壤改良及施肥技術(shù)方面開展了大量的研究工作，土壤養(yǎng)分及水分是影響茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)的主要因素[5-11]。在貴州中部山區(qū)，春季干旱及寒潮低溫天氣是影響春茶產(chǎn)量及品質(zhì)的主要因子，推廣地表覆蓋保水技術(shù)是保障山區(qū)春茶生產(chǎn)的重要措施之一。有研究表明茶園覆蓋稻草+薄膜下，土壤保水保墑效果最強(qiáng)，茶葉的葉面積和干物質(zhì)量有顯著提高[12,13]。茶葉產(chǎn)量、新梢數(shù)量及茶葉的品質(zhì)并不是由單一因素所致，在適中的水肥耦合水平下才能保證茶葉高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，最佳水肥組合是“高氮+低磷+高鉀+中水”[14]。因此，如何有效管理和培肥土壤，提高茶園土壤水分及養(yǎng)分效能，是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效的茶葉生產(chǎn)的前提。

生物質(zhì)炭是利用木屑、秸稈等生物質(zhì)農(nóng)業(yè)廢棄物料，在低氧或完全隔氧條件下，經(jīng)高溫?zé)峤舛玫降奶炕a(chǎn)物。在土壤中施入生物質(zhì)炭能一定程度上降低土壤容重并增加土壤的持水透氣性，有效調(diào)節(jié)孔隙狀況，提高作物產(chǎn)量[15]。生物質(zhì)炭除了能改良土壤外，還能固持施入土壤的養(yǎng)分，有效減輕土壤養(yǎng)分淋失，賦予肥料緩釋和固碳的功能，并提高植物養(yǎng)分的有效性及肥料利用率，促進(jìn)茶樹生長(zhǎng)及改善茶葉品質(zhì)[16-18]。近年來在生物質(zhì)炭對(duì)茶樹生長(zhǎng)、茶葉產(chǎn)量及品質(zhì)等方面進(jìn)行了一些研究，生物質(zhì)炭施用對(duì)茶園土壤改良及增產(chǎn)效果，受氣候條件、土壤類型等的影響，而目前生物質(zhì)炭施用方式對(duì)茶樹生長(zhǎng)及茶葉品質(zhì)影響的研究還相對(duì)較少。因此，本研究以貴州中部種植茶樹的黃壤作為研究對(duì)象，探討生物質(zhì)炭施用方式對(duì)植茶土壤水分、養(yǎng)分及有效微量元素的影響，研究生物質(zhì)炭施用方式對(duì)春茶生長(zhǎng)的響應(yīng)，為貴州茶產(chǎn)業(yè)的土壤改良及可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本概況

試驗(yàn)區(qū)位于貴州中部，地處中亞熱帶氣候區(qū)，年均溫度為15～16℃，年均降雨量為1100～1200 mm，降雨多數(shù)集中在4～7月份。試驗(yàn)區(qū)屬于低中山地貌為主的山區(qū)，平均海拔高度在800～1200 m，本區(qū)域茶葉主要種植在由砂巖、頁巖及第四紀(jì)紅色粘土發(fā)育的黃壤上。2019年2月在貴陽市開陽縣龍崗鎮(zhèn)選擇土壤條件相對(duì)一致的代表性茶園，取土進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。

1.2 盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用生物質(zhì)炭原料為食用菌渣，菌渣經(jīng)小型炭化爐炭化后制得本試驗(yàn)用的生物質(zhì)炭，基本性質(zhì)見表1。盆栽試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，即對(duì)照(未施用生物炭)、炭全部覆蓋、炭全部施用、1/2炭覆蓋加1/2炭施用，試驗(yàn)土壤為砂頁巖風(fēng)化物發(fā)育的黃壤，基本理化性質(zhì)見表2。在2019年3月上旬選擇長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)一致、株高相近的2年生茶苗，將其移栽在塑料盆缽(盆缽上部直徑約30 cm，高約40 cm，每盆裝有風(fēng)干土20 kg)中，移栽后定期澆水，保持土壤水分滿足茶樹正常生長(zhǎng)。在茶樹移栽1年后，即2020年3月上旬，根據(jù)茶樹生長(zhǎng)狀況選擇長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)一致的茶樹作為1組重復(fù)(含4個(gè)處理)，共設(shè)置3組重復(fù)，并一次性將生物質(zhì)炭均勻覆蓋或施入上層土壤0～20 cm(1/2盆栽桶高度)中，炭全部施用或全部覆蓋的處理按每盆500 g生物質(zhì)炭實(shí)施(用量按每盆上半盆10 kg土壤使用5%炭量計(jì)算)。在露天環(huán)境下根據(jù)降雨情況定期測(cè)定表層土壤(0～10 cm)含水率。

表1 供試生物質(zhì)炭基本指標(biāo)

表2 供試土壤基本理化指標(biāo)

1.3 檢測(cè)指標(biāo)及方法

采用美國(guó)SPECTRUM公司的TDR(時(shí)域反射)300便攜式土壤水分儀，分別在4、5月份測(cè)定降雨時(shí)段和干旱時(shí)段土壤的體積含水率。在每次降雨(降雨間隔天數(shù)小于5，日降水量>25 mm)過后的第2天上午10～11時(shí)測(cè)定土壤的體積含水率，作為降雨時(shí)段土壤水分監(jiān)測(cè)結(jié)果；在降雨后第2天開始，每間隔2～3天于測(cè)定日上午10～11時(shí)測(cè)定土壤體積含水率，持續(xù)數(shù)天無降雨，可連續(xù)測(cè)定土壤體積含水率5次以上，視為干旱時(shí)段土壤水分監(jiān)測(cè)結(jié)果。所有降雨時(shí)段和干旱時(shí)段土壤體積含水率的測(cè)定，均在每盆中選取3個(gè)測(cè)定點(diǎn)測(cè)定，取3次平均值作為該盆缽的土壤體積含水率測(cè)定值。

春季植物生長(zhǎng)情況測(cè)定方法：百芽質(zhì)量(g)按每盆隨機(jī)采10個(gè)芽頭(一芽二葉)計(jì)算。5月18日在每盆選取長(zhǎng)勢(shì)最優(yōu)的3個(gè)春梢，調(diào)查每個(gè)春梢的著葉數(shù)，測(cè)量每片葉長(zhǎng)寬度及春梢長(zhǎng)度，用橢圓公式(S=3.14×長(zhǎng)×寬)計(jì)算葉片面積。于10月上旬每盆采集0～20 cm表土的5點(diǎn)混合樣，作為該盆土壤代表樣，土壤樣品用聚乙烯封口袋封裝帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后研磨過篩待測(cè)。

土壤pH的測(cè)定采用電位法(水土比2.5:1)；土壤有機(jī)質(zhì)采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化容量法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提鉬藍(lán)比色法；速效鉀采用醋酸銨浸提火焰光度法；土壤有效鐵、錳、銅、鋅用DTPA浸提火焰原子吸收法測(cè)定[19]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DPS 7.5軟件進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，測(cè)定值采用LSD法進(jìn)行多重比較及顯著性檢驗(yàn)分析等。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭施用方式對(duì)春季土壤水分的影響

從圖1看出，在春季及夏季出現(xiàn)降雨期間(一般土壤含水率達(dá)到20%～30%)，與未施用生物質(zhì)炭的對(duì)照相比，炭全部覆蓋、炭全部施用、1/2炭覆蓋+1/2炭施用處理土壤含水率都有較明顯的增加，特別是炭全部覆蓋處理的土壤含水率出現(xiàn)顯著性提高，炭覆蓋土壤的保水效果優(yōu)于炭施用的處理。圖2中也看出，在春季及夏季出現(xiàn)干旱期間(一般土壤含水率小于20%)，與對(duì)照相比，炭全部覆蓋、炭全部施用、1/2炭覆蓋與1/2炭施用都能顯著性地增加土壤含水率，炭全部覆蓋處理土壤保水效果明顯優(yōu)于炭全部施用處理和1/2炭覆蓋+1/2炭施用處理。

圖1 不同生物質(zhì)炭施用方式在降雨時(shí)段植茶土壤含水率變化

圖2 不同生物質(zhì)炭施用方式在干旱時(shí)段植茶土壤含水率變化

盆栽條件下茶樹春季及夏季生長(zhǎng)期間，受降雨及干旱的影響，生物質(zhì)炭的不同施用方式下土壤含水量出現(xiàn)明顯的變化。從4、5月份降雨時(shí)段5次和干旱時(shí)段5次的土壤含水率測(cè)定值的總平均值來看，土壤保水效果最明顯的是生物質(zhì)炭全部覆蓋處理，在降雨時(shí)段、干旱時(shí)段的土壤含水率分別比對(duì)照平均提高了14.70%、34.46%，其次是1/2生物質(zhì)炭覆蓋與1/2炭施用處理，其土壤含水率分別比對(duì)照平均提高了8.75%、21.58%；生物質(zhì)炭全部施用處理也能增加土壤含水率，降雨和干旱時(shí)段分別比對(duì)照平均提高了3.19%、11.76%?？梢?，利用生物質(zhì)炭覆蓋及施用改土有助于提高植茶土壤的保水能力。

2.2 生物質(zhì)炭施用方式對(duì)土壤有效性養(yǎng)分及微量元素的影響

從表3看出，生物質(zhì)炭不同施用方式對(duì)土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量的影響略有差異。其中炭全部施用、1/2炭覆蓋+1/2炭施用2種處理均可較為明顯地降低植茶土壤的酸度，與對(duì)照相比，土壤pH值平均分別增加了5.75%、4.06%。利用生物質(zhì)炭覆蓋表土后，植茶土壤有機(jī)質(zhì)含量未出現(xiàn)明顯的變化，炭全部施用、1/2炭覆蓋+1/2炭施用2個(gè)處理土壤有機(jī)質(zhì)含量分別較對(duì)照增加了52.45%和14.65%。生物質(zhì)炭可以降低土壤的酸度和提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量，從而影響土壤養(yǎng)分的有效性及其含量水平。

表3 不同生物質(zhì)炭施用方式下植茶土壤有效養(yǎng)分及微量元素含量變化

從表3可知，炭全部施用、1/2炭覆蓋+1/2炭施用、炭全部覆蓋均能提高土壤有效養(yǎng)分的含量，3個(gè)處理的土壤堿解氮含量分別比對(duì)照提高了13.61%、8.43%和9.28%，但差異未達(dá)到顯著水平。生物質(zhì)炭覆蓋及施用后土壤有效磷、速效鉀含量出現(xiàn)不同程度的提高，炭全部施用、1/2炭覆蓋+1/2炭施用、炭全部覆蓋處理的土壤有效磷含量分別比對(duì)照提高了172.04%、90.32%和93.55%；土壤速效鉀含量分別比對(duì)照增加了48.23%、131.19%和247.27%。另外，從表3可以看出，炭全部施用、1/2炭覆蓋+1/2炭施用、炭全部覆蓋3個(gè)處理后，土壤有效鐵、錳、銅、鋅的含量均未出現(xiàn)顯著性差異。由此可見，生物質(zhì)炭的施用能有效提高土壤中炭的來源，從而增加土壤有機(jī)質(zhì)的積累效應(yīng)，這也對(duì)于提高土壤有效養(yǎng)分的含量有較明顯的作用。

2.3 生物質(zhì)炭施用方式對(duì)春季茶樹生長(zhǎng)的影響

盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明(表4)，炭全部施用、1/2炭覆蓋+1/2炭施用、炭全部覆蓋后均能提高茶葉的百芽重，分別比對(duì)照平均增加了28.23%、10.48%和4.84%，特別是炭全部施用處理茶葉百芽重出現(xiàn)顯著性增加；茶樹春梢長(zhǎng)度及著葉數(shù)出現(xiàn)顯著性增加；春梢的葉面積與對(duì)照相比，均出現(xiàn)明顯的增加，分別提高了1.64、1.44和0.78倍。可見，利用生物質(zhì)炭覆蓋及施用對(duì)茶樹春梢的生長(zhǎng)均有明顯的促進(jìn)作用；有利于提高春茶產(chǎn)量，特別是施用生物質(zhì)炭的處理。

表4 不同生物質(zhì)炭施用方式下茶樹春梢長(zhǎng)度、著葉數(shù)及葉面積的變化

3 結(jié)論與討論

利用生物質(zhì)炭覆蓋表土或把生物質(zhì)炭施入土壤均能明顯地提高土壤的保水性能，特別是生物質(zhì)炭覆蓋表土后在降雨時(shí)段、干旱時(shí)段的土壤含水率分別比對(duì)照平均提高了14.70%、34.46%。生物質(zhì)炭對(duì)土壤保水效果的大小順序?yàn)樘咳扛采w>1/2炭覆蓋+1/2炭施用>炭全部施用。利用生物質(zhì)炭覆蓋茶園表土可以明顯減少土壤水分蒸發(fā)，提高干旱時(shí)段土壤表層含水量，減輕春季及夏季干旱天氣對(duì)茶樹生長(zhǎng)的影響。胡承興等研究表明在覆蓋稻草+薄膜方式下，茶園土壤保水保墑效果最強(qiáng)，該處理下的茶樹的葉面積和干物質(zhì)量都有顯著提高，稻草+薄膜覆蓋的增產(chǎn)達(dá)26.92%[12]。因此，在施用有機(jī)肥的基礎(chǔ)上，結(jié)合生物質(zhì)炭的覆蓋，可實(shí)現(xiàn)水肥耦合的疊加效果，對(duì)茶樹生長(zhǎng)具有良好的促進(jìn)作用。

生物質(zhì)炭的施用可降低土壤的酸度，并提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，同時(shí)提高了土壤養(yǎng)分含量及其有效性，生物質(zhì)炭全部施用土壤有效氮、磷、鉀的含量較對(duì)照分別平均增加了13.61%、172.04%和48.23%，其中有效磷的增量最為顯著。同時(shí)，用生物質(zhì)炭覆蓋表土也能一定程度影響土壤有效氮、磷、鉀的含量。而炭全部覆蓋、炭全部施用、1/2炭覆蓋+1/2炭施用3個(gè)處理后，土壤有效銅、鋅、鐵、錳的含量均未出現(xiàn)顯著性差異。前人的研究普遍認(rèn)為茶園施用有機(jī)肥能顯著地增加土壤中有機(jī)質(zhì)及氮、磷、鉀的含量，從而促進(jìn)茶園土壤養(yǎng)分循環(huán)和茶樹生長(zhǎng)[9]，利用生物質(zhì)炭特有性質(zhì)來改良茶園土壤，能顯著地增加茶園土壤有效氮、磷、鉀的含量，同時(shí)還能降低土壤酸度。因此，在茶園的日常管理中，可利用茶園自身的有機(jī)廢棄物制備生物質(zhì)炭再施入土壤進(jìn)行土壤培肥改良，在增加土壤有機(jī)碳含量的同時(shí)，改善土壤的理化性質(zhì)，并利用生物質(zhì)炭強(qiáng)大的吸附性能，減少水分和養(yǎng)分的流失，增強(qiáng)土壤的保水保肥性能。另外，在溫濕度得到優(yōu)化的前提下，生物質(zhì)炭的施用或覆蓋，可增強(qiáng)土壤微生物的活性，并促進(jìn)土壤微生物群落的增值，充分促進(jìn)茶園土壤養(yǎng)分與植物養(yǎng)分的內(nèi)循環(huán)，使茶園土壤朝著更有利于茶樹生長(zhǎng)的方向發(fā)展，提高茶園產(chǎn)量[16,17]。

利用生物質(zhì)炭覆蓋表土或把生物質(zhì)炭施入土壤均能顯著地增加茶樹春梢的葉面積，炭全部施用、1/2炭覆蓋與1/2炭施用、炭全部覆蓋處理茶葉的葉面積比對(duì)照分別提高了1.64、1.44和0.78倍，生物質(zhì)炭的施用或覆蓋，均有利于春茶產(chǎn)量的提高，特別是施用生物質(zhì)炭。施用生物質(zhì)炭能促進(jìn)茶樹春季的生長(zhǎng)，茶樹春季葉面積、春梢著葉數(shù)、春梢長(zhǎng)度等均表現(xiàn)出顯著性增加。施用生物質(zhì)炭，為土壤微生物提供充足的碳源及生殖場(chǎng)所，有利于土壤微生物的生長(zhǎng)和繁殖，能明顯地增加土壤有效養(yǎng)分含量及增強(qiáng)土壤保水性能，配合生物質(zhì)炭及有機(jī)肥施用是貴州山區(qū)茶園土壤培肥的有效措施之一，水肥耦合及有機(jī)培肥均能有效提高春、秋茶的產(chǎn)量及品質(zhì)[3,14]。以農(nóng)作物秸稈、禽畜糞便等有機(jī)物料為堆肥主體，配合生物質(zhì)炭的施用或覆蓋，對(duì)貴州山區(qū)老茶園進(jìn)行土壤有機(jī)培肥，來減少茶園土壤的酸化程度，同時(shí)協(xié)調(diào)植物吸收與土壤養(yǎng)分和水分之間的關(guān)系。另外，貴州新茶園茶樹幼小，土壤裸露，植被覆蓋度低，面臨土壤有效養(yǎng)分含量低及水分不充足的困難，而且由于受雨水沖刷、干濕交替強(qiáng)烈等影響，新開茶園存在較大的水土流失隱患，在此類茶園行間采取覆蓋生物質(zhì)炭的措施可以有效減輕水土流失。施用生物質(zhì)炭是否提升土壤團(tuán)聚體數(shù)量、增加土壤微生物種類及改善茶葉品質(zhì)等方面的研究，仍需下一步深入分析。