孫宇龍,王燁軍,蘇有健,張永利,羅毅,廖珺,廖萬有,吳衛國
茶園土壤調理劑的研究及應用現狀
孫宇龍1,王燁軍1,蘇有健1,張永利1,羅毅1,廖珺1,廖萬有1,吳衛國2
(1安徽省農業科學院茶葉研究所,安徽黃山 245000;2安徽省黃山市徽州區農業委員會,安徽徽州 245061)
研究應用于茶園的土壤調理劑,將為改善茶園土壤環境提供依據。本文以土壤調理劑的分類及功能為基礎,對茶園土壤調理劑的研究現狀展開綜述,并就評價標準、應用成本及潛在風險等三個方面指出其施用過程中存在的問題,最后展望其應用前景,以期對我國茶園土壤環境改善的思路提供一定的參考。筆者認為:在茶園土壤中,適宜地選擇并應用土壤調理劑,將有助于改善土壤酸化現狀及土壤微生態環境,并可優化土壤物理性狀,為茶葉增產、增質奠定堅實基礎。
茶樹;土壤調理劑;土壤酸化
茶葉是世界上廣受歡迎的飲品之一,其產量和品質與茶園土壤環境密切相關。優良的茶園土壤環境使茶葉品質具有獨一無二的生態和地域優勢[1]。茶園土壤環境不僅受氣候類型、地形地貌、成土母質、生物群落等自然條件的影響,而且受到人為因素的影響[2]。長期以來,為追求茶樹高產,部分地區的茶農向茶園土壤中施用過量的化學肥料,導致土壤板結、土壤通透性降低、土壤肥力下降、土壤酸化加劇等現象大面積發生,致使茶園土壤環境受到破壞[3-4]。因此,針對茶園土壤環境的修復勢在必行。土壤調理劑是改良和修復土壤的重要措施之一。土壤調理劑可有效地改善土壤理化性狀、激活土壤養分,并增強土壤微生物活性,從而使土壤環境得到有效修復。因此,土壤調理劑的施用是改善茶園土壤環境的必要措施。本文從土壤調理劑的分類、主要功能及其研究進展等三個方面展開綜述,并指出其研究與應用熱點,以期為學者提供必要的研究思路及方法。
早在 20 世紀初,歐洲國家即開始探索自然有機化合物如共聚物淀粉、氨基酸和油脂等對土壤結構的改良效果。但是由于此類物質用量大,易被土壤微生物分解,未能得以推廣。20世紀中期,美國首次人工合成高分子土壤結構調理劑Kriluim,后來又對多種人工合成材料如聚丙烯酰胺 (PAM)、羧甲基纖維素鈉 (CMC)、聚乳酸 (PLA)等進行深入研究,其中聚丙烯酰胺作為土壤調理劑已得到普遍的應用[5]。
自上世紀末,我國首次從國外引進共聚物PAM、ASP和PVA等土壤調理劑,主要應用于改良鹽堿土、抗旱保墑、植草造林等多個領域[6]。近十年來,隨著研究的深入,應用于我國的土壤調理劑在種類與數量上均顯著增加,已成為農業生產中不可或缺的要素之一。這些土壤調理劑的功能主要包括:調節土壤酸堿度、減緩土壤鹽堿化、改善土壤物理結構、增強土壤抗旱保水能力及修復污染土壤等[7-8]。
目前我國針對不同種類的土壤調理劑,其分類還未有統一的標準,其中兩種分類方法認可度較高,即按照土壤調理劑的功能進行劃分或以其原料、成分進行劃分。土壤調理劑按照功能劃分包括土壤保水劑、土壤養分活化劑、土壤酸堿度調節劑、土壤透性改良劑、土壤有害病菌抑制劑等[9];以原料或者成分可分為生物調理劑、天然調理劑、合成調理劑、天然-合成共聚物調理劑4大類,也可按礦物質類、有機物類、高分子聚合物類及其它類型對土壤調理劑進行劃分[10]。
不同類型的土壤調理劑,功能也不盡一致,其改良作用一般包含以下幾點:一、改善土壤物理結構,促進土壤團聚體的形成。如沸石可降低土壤容重,增加土壤孔隙,提高土壤透水力[11]。二、提高土壤保水持水能力。如抗旱保水劑通過親水基團氫鍵結合水分子,能迅速吸收儲存大量的水分,同時這些親水性官能團可吸附土壤的無機離子和養分[12-13]。三、調節土壤酸堿度,降低活性鋁含量。如施用石灰有效中和土壤酸性物質,提高土壤 pH 值。同時也有效減少交換性鋁含量,降低鋁離子毒害[14]。四、平衡土壤養分體系,提高有效養分供給。如腐殖酸類調理劑不僅增加土壤有機質含量,還可通過氧化還原作用增溶土壤難溶性元素,促進有效養分供給[15]。五、改善土壤微環境,增強土壤微生物活性。如土壤生態調節劑有效調節土壤微生態,增加微生物含量,提升土壤酶活等[16]。
茶樹 () 起源于中國西南部,所生存的土壤環境為酸性土壤,由于其喜酸的習性,適度的土壤酸性有利于茶樹生長,但酸性過強,則會影響茶樹的長勢和品質及其產量。研究表明,pH 值在5.0~5.5 范圍內最適宜茶樹生長;當土壤 pH 低于 4.0 時,其理化性狀嚴重惡化,不僅影響茶樹生長,而且活化土壤重金屬,增加茶園重金屬污染風險[17-18]。
目前茶園土壤酸化現象日益嚴重。為緩解土壤酸化進程,常用天然堿性物質作為土壤調理劑,如石灰石和白云石等。天然堿性物質可通過提高土壤中Ca2+、Mg2+、K+等陽離子的交換量,擴大土壤的酸緩沖容量(ANC),從而升高土壤pH值[19]。石灰石粉一般在茶園中可施用750~1500kg/hm2,白云石粉則推薦施用250~300kg/hm2;其施用方法為:秋冬季與基肥混施,每一至兩年施用一次,砂質土壤適度減施,黏質土壤酌情增施[17,20]。吳洵[17]認為白云石粉與石灰石粉均能有效提高茶園土壤pH值,其中白云石粉對茶樹增產提質作用更為顯著,尤其在長期施用銨態氮的茶園中。除此之外,利用天然堿性物質可改善土壤微生態環境及提高土壤酶活等。劉炳君與陳建軍等利用酸度調節劑調節茶園土壤 pH值,結果表明:施用酸度調節劑的茶園,其土壤pH值可提高1~2,并改善土壤微生物群結構;此外,土壤中多酚氧化酶、過氧化氫酶、脲酶等活性均隨著pH值的升高而增強[19,21]。
在日常茶園管理中,也可通過長期施用生物炭等有機物料改善土壤酸化環境。由于生物炭等有機物料含有碳酸鹽等堿性物質,并通過有機質酸根離子的脫羧及含氮有機質的礦化等反應消耗土壤中H+含量,因此可降低土壤酸度[22-23]。李榮林等[24]研究發現:茶園中施用生物炭,可有效降低土壤交換性H+/Al3+的含量、提高鹽基交換量及飽和度,且土壤pH值可提升約0.22。除可調節土壤pH值外,生物炭還可優化土壤微環境,并提高茶葉產量、改善茶葉品質等。江福英等[25]連續多年在茶園土壤中施用生物質炭。與空白對照相比,其茶葉產量最高可提升17.05%;胡云飛等[26]研究發現:施用生物炭可有效調節土壤pH值、改善土壤物理結構,并增加土壤微生物數量與生物量。此外,生物炭可降低土壤重金屬對茶樹的危害,茶園中,生物炭的施用量宜為3000~4500kg/hm2。
少數黃土母質土壤和石灰巖發育的土壤,因長期不施化肥導致茶園土壤pH值偏高(pH〉6.5),也會影響茶樹生長和發育,甚至出現腐根、爛根、根毛減少等表現,茶葉產量和品質受到嚴重影響,針對茶園土壤酸度不足的情況,可通過硫酸亞鐵(綠礬)、硫酸鋁鉀、硫磺粉等進行改良,其中硫酸亞鐵施用量為900~1000kg/hm2,硫磺粉施用量為700~900kg/hm2,開溝20~30 cm施入,每年施一次,可與基肥一并施入[27]。當茶園土壤pH值將為5.0~6.0時停止施用。
一般而言,施用土壤養分活化劑旨在提高土壤中營養元素的生物有效態而增加生物養分的有效性比重,以達到激活土壤養分的目的,從而提升土壤養料利用效率。常見的土壤養分活化劑有腐殖酸類調理劑和炭基改良劑等。其中泥煤、風化煤和褐煤均屬于腐殖酸類調理劑;生物炭等屬于炭基改良劑。
腐殖酸類調理劑可通過氧化還原作用增溶土壤難溶性元素,如解除土壤對磷元素的固定,增加土壤中速效磷含量等;其次,通過螯合作用,增加土壤中無機與有機養分含量,促進植物對營養元素的吸收[15];再次,可有效抑制硝化作用,以促進植物對氮素的吸收,從而提升化學肥料的利用效率[28]。陳金秋等[29]研究發現:在常規施肥的基礎上添加腐殖酸類調理劑,可優化土壤微生物群落結構,加速土壤微生物增殖,促進微生物代謝作用,提高土壤各種酶活,從而激活土壤養分的轉化與對植物的供應。此外,腐殖酸類調理劑可使茶葉產量與品質得到有效提升。張青等[30]通過向茶園土壤中添施腐殖酸土壤調理劑,茶葉產量與單施化肥相比提高11.5%,水浸出物和茶多酚含量分別提高9.4%和20.8%。彭志對等[31]對云南大葉種茶樹施用腐殖酸類肥料后發現:腐殖酸類調理劑的施用能夠顯著增加茶葉產量,并提高茶葉百芽重和芽葉密度。就芽葉密度而言,夏茶的增幅效果明顯大于秋茶;而在百芽重方面,夏茶則次于秋茶。同時,不同類型腐殖酸肥料中以黃腐酸提升的效果最佳。腐殖酸類調理劑在茶園中的施用量宜為1500~2500kg/hm2。
炭基改良劑中,以生物炭在茶園土壤中的應用較為廣泛。生物炭有比表面積大、含碳量高、化學性質穩定及吸附性較強等特性,能夠增加土壤碳儲量,提高土壤養分有效性,對于茶園土壤固碳、土壤改良和抑制土壤氮磷流失等方面有較大作用。張寶林等[32]在茶園土壤中施用生物炭+石灰石混合調理劑后發現:與對照相比,茶園土壤有機質含量、有效磷、堿解氮和 CEC 分別提高 49% 、21% 、21% 和64%,土壤養分活化效果顯著。王峰等[33]運用室內土柱模擬生物炭對茶園土壤中銨態氮和硝態氮降雨淋溶的影響。結果表明,施用生物炭能顯著減少銨態氮和硝態氮的淋失,并增強土壤持續供氮能力。此外,聚丙烯酰胺(PAM)和堿渣等調理劑不但具有保水和調節土壤pH值的功能,且能顯著激活土壤養分,并提升茶樹對養分利用效率[21,34]。王輝等[35]利用廢棄堿渣處理供試茶園,結果顯示:施用堿渣處理組的土壤,其鈣和鎂的養分含量增加,這可能與堿渣中含有大量的氧化鎂和氧化鈣有關;同時,堿渣處理的成品茶中,咖啡堿、茶多酚和游離氨基酸含量分別提高34.9%,22.5%,69.0%。
土壤保水劑PAM(聚丙烯酰胺)又稱農林保水劑,被稱為“微型植物水庫”,是一種網狀結構的高分子有機聚合物。PAM能迅速吸收并保存水分,并可緩慢釋放,從而保障植物根際水分充足。PAM浸潤于水中時通過疏水基團的疏水作用使其不溶于水中,同時親水基團利用水合作用在高分子表層形成水分子層。由于PAM獨特的三維網狀結構,在水合作用下,網內親水離子與網外形成了離子濃度差, 從而在網狀結構內外形成滲透壓,迫使外部水分向網內滲透形成網孔水。在土壤中施用PAM,大大增強土壤保水能力,并在植物根際周圍形成眾多微域水環境。當土壤中水分缺乏時,PAM中的水分在滲透壓作用下緩慢釋放到土壤中供植物根系吸收,通過PAM可以有效減緩土壤水分流失,起到保墑抗旱作用,從而為農林增產提供保障。王璽洋[34]在供試茶園施用PAM,結果表明:PAM可促進茶園土壤速效鉀和堿解氮含量的增加,并提升成品茶中內含物質含量,且不會破壞茶園土壤環境。盛鶴明等[36]通過保水劑和化肥混施,可在茶園土壤中維持適宜的溫濕度,使土壤含水量增加20.84%,且茶葉產量與品質均得到提升。土壤保水劑PAM建議施用25~45kg/hm2。
炭基改良劑以生物炭為基質,根據不同地區土壤特性和作物生長特點,把秸稈、畜禽糞便和生物炭等按不同比例配制而成的生態友好型改良劑。炭基改良劑具有較強的吸水保水能力,可以提高沙土土壤持水量,同時在粘質土壤中可以提高土壤通透性,增強土壤水分滲透能力[37]。盛鶴名等[36]通過在常規施肥的基礎上施用炭基改良劑,茶園0~30 cm土壤含水率與常規施肥相比提高11.58%,茶葉百芽干重提高10.3%,干茶產量提升10.6%,茶葉中氨基酸含量也明顯增加。江福英等[25]在大田試驗中研究生物黑炭對茶園土壤理化性狀的影響,結果表明,生物黑炭能提高茶園土壤含水量,擴大土壤液相比值,從而增強茶園土壤蓄水保墑能力。柴冠群等[38]對不同炭基改良劑對土壤保墑抗旱能力的研究表明,不同炭基改良劑均能夠提高土壤持水量和飽和含水量,其中炭基改良劑〉生物炭〉秸稈〉對照。炭基改良劑茶園推薦施用量為1500~2000kg/hm2。
土壤結構的優劣對茶葉產量和品質有直接影響,而土壤通透性是評價土壤結構優劣的關鍵性指標,其高低直接決定著土壤中氣體與外界氣體的交換能力以及土壤水分和養分的流動性。腐殖酸類調理劑、炭基改良劑和保水劑PAM等均能對土壤透性起到改良作用。張青等[30]在茶園中設置四個試驗處理,分別為常規施肥、常規施肥+腐殖酸、常規施肥+風化煤、常規施肥+腐殖酸+風化煤,研究不同土壤調理劑對土壤結構的影響。其結果顯示:不同土壤調理劑均能夠降低土壤容重,增加孔隙度,其中腐殖酸處理組效果最佳,其次是腐殖酸和風化煤共同施用。陳秋金與張青的研究結果相近。其研究顯示:化肥與腐殖酸聯合施用對降低土壤容重、增加各類孔隙度、提高土壤有機質含量等方面效果顯著[29-30]。江福英等[25]在福建茶園大田試驗中添加不同用量的生物黑炭后發現:施用生物黑炭可顯著降低茶園土壤容重,提高土壤各類孔隙度,提升土壤液相比,有效改善茶園土壤物理性狀。田丹等[39]研究發現:在砂質土壤中添加不同種類的生物炭(秸稈炭、花生殼碳),均可降低砂質土壤容重,增加土壤孔隙度,其中生物炭含量較高的花生殼碳對砂性土壤透性改善效果更佳。員學鋒等[40]研究不同濃度PAM對茶園土壤結構的影響,試驗表明,低濃度PAM可增加土壤水穩性團聚體數量,增加總孔隙度,降低土壤容重,從而達到改良土壤結構的效果,但PAM濃度施用過高時,將導致土壤容重上升,土壤總孔隙度降低。
土壤調理劑常應用于茶園土壤的修復、土壤養分的激活及土壤肥力的提高等方面。然而,在茶園生產應用中,土壤調理劑還存在以下問題:
單位面積內,茶園土壤調理劑的使用量遠遠高于化學肥料。現有市場推薦的有效施用量通常為800~900kg/hm2,甚至某些調理劑產品用量高達5000kg/hm2,而且需要每年多季和常年施用。因此,其施用總量極大。高使用量導致較高成本,從而限制了此類產品在茶園土壤中的推廣和應用[8]。
土壤調理劑在改善茶園土壤結構和提升茶葉品質等方面有諸多優點,但部分調理劑以農業廢棄物、工業廢棄物和城市生活垃圾等作為原材料,因現有技術或者成本問題難以實現全部無害化處理,導致此類物質的有害成分轉移到茶園土壤中,使得茶葉質量安全方面存在一定的風險。以PAM(聚丙烯酰胺)為例,其分解后形成的單體丙烯酰胺具有致癌性,即使部分研究表明丙烯酰胺在30 ℃ 的高溫土壤中會快速降解,但對于此,很多國家已做了嚴格規定[41]。此外,天然礦物調理劑也存在一定的風險。因為該類調理劑在土壤中解離出大量的陽離子,對土壤產生潛在的毒害作用[42]。
土壤調理劑品種甚多。然而,應用于茶園土壤的調理劑,在土壤酸堿平衡的調節、土壤理化性狀的改善、土壤保水能力及環保等方面,我國暫無統一、科學的檢測標準。因此,就土壤調理劑效果優劣的評價,亟需構建土壤調理劑標準化評判體系。
茶園土壤酸化是全球茶產區所要面對的共同難題。過度酸化的土壤環境不僅阻礙茶樹生長,而且影響茶葉品質。運用土壤調理劑調控酸化進程是現今較為有效的方法之一。土壤調理劑能夠有效的平衡土壤養分供給需求,改善土壤理化性狀和激活潛在土壤養分因子,并且較好的優化土壤微生物結構[24]。筆者認為,針對各種茶園土壤環境問題,應合理地開發并研制功能多樣的土壤調理劑。
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S571.1
A
1006-5768(2019)03-125-006
2018-07-26
1安徽省農業科學院科技創新團隊項目“茶園土壤氮素活化遷移影響因子與調控技術研究”(項目編號:18C0818);2安徽省科技重大專項“安徽茶園肥力提升與化肥減施增效關鍵技術研究與示范”(項目編號:17030701049);3安徽省黃山市科技計劃項目“機采茶園有機替代關鍵技術研究與應用” (項目編號:2017KN-16);4安徽省重點研究和開發計劃項目“茶園有機氮素運籌與化肥減施增效關鍵技術研究” (項目編號:1804a07020113)
孫宇龍(1988-),男,研究實習員,從事植物營養和土壤質量研究,Email:1391032875@qq.com。
(責任編輯:蔣文倩)