生物質炭施用方式對土壤水分養(yǎng)分及茶樹生長的影響

楊 麗，卜通達,2，劉元生,2，劉 方,2，舒英格,2，陳祖擁,2*

(1.貴州大學農學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學環(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，是茶園管理的一項重要內容[2-4]。茶葉產量及品質與土壤理化性質密切相關，目前我國在茶園土壤改良及施肥技術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量和品質的主要因素[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量及品質的主要因子，推廣地表覆蓋保水技術是保障山區(qū)春茶生產的重要措施之一。有研究表明茶園覆蓋稻草+薄膜下，土壤保水保墑效果最強，茶葉的葉面積和干物質量有顯著提高[12,13]。茶葉產量、新梢數量及茶葉的品質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優(yōu)質，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，是實現優(yōu)質高效的茶葉生產的前提。

生物質炭是利用木屑、秸稈等生物質農業(yè)廢棄物料，在低氧或完全隔氧條件下，經高溫熱解而得到的炭化產物。在土壤中施入生物質炭能一定程度上降低土壤容重并增加土壤的持水透氣性，有效調節(jié)孔隙狀況，提高作物產量[15]。生物質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，促進茶樹生長及改善茶葉品質[16-18]。近年來在生物質炭對茶樹生長、茶葉產量及品質等方面進行了一些研究，生物質炭施用對茶園土壤改良及增產效果，受氣候條件、土壤類型等的影響，而目前生物質炭施用方式對茶樹生長及茶葉品質影響的研究還相對較少。因此，本研究以貴州中部種植茶樹的黃壤作為研究對象，探討生物質炭施用方式對植茶土壤水分、養(yǎng)分及有效微量元素的影響，研究生物質炭施用方式對春茶生長的響應，為貴州茶產業(yè)的土壤改良及可持續(xù)發(fā)展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)基本概況

試驗區(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，降雨多數集中在4～7月份。試驗區(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)選擇土壤條件相對一致的代表性茶園，取土進行盆栽試驗。

1.2 盆栽試驗設計

試驗用生物質炭原料為食用菌渣，菌渣經小型炭化爐炭化后制得本試驗用的生物質炭，基本性質見表1。盆栽試驗設4個處理，即對照(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，試驗土壤為砂頁巖風化物發(fā)育的黃壤，基本理化性質見表2。在2019年3月上旬選擇長勢相對一致、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。在茶樹移栽1年后，即2020年3月上旬，根據茶樹生長狀況選擇長勢相對一致的茶樹作為1組重復(含4個處理)，共設置3組重復，并一次性將生物質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生物質炭實施(用量按每盆上半盆10 kg土壤使用5%炭量計算)。在露天環(huán)境下根據降雨情況定期測定表層土壤(0～10 cm)含水率。

表1 供試生物質炭基本指標

表2 供試土壤基本理化指標

1.3 檢測指標及方法

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

春季植物生長情況測定方法：百芽質量(g)按每盆隨機采10個芽頭(一芽二葉)計算。5月18日在每盆選取長勢最優(yōu)的3個春梢，調查每個春梢的著葉數，測量每片葉長寬度及春梢長度，用橢圓公式(S=3.14×長×寬)計算葉片面積。于10月上旬每盆采集0～20 cm表土的5點混合樣，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驗室，風干后研磨過篩待測。

土壤pH的測定采用電位法(水土比2.5:1)；土壤有機質采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化容量法；堿解氮采用堿解擴散法；有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提鉬藍比色法；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定[19]。

1.4 數據分析

所有試驗數據采用DPS 7.5軟件進行數理統(tǒng)計，測定值采用LSD法進行多重比較及顯著性檢驗分析等。

2 結果與分析

2.1 生物質炭施用方式對春季土壤水分的影響

從圖1看出，在春季及夏季出現降雨期間(一般土壤含水率達到20%～30%)，與未施用生物質炭的對照相比，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，在春季及夏季出現干旱期間(一般土壤含水率小于20%)，與對照相比，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 不同生物質炭施用方式在降雨時段植茶土壤含水率變化

圖2 不同生物質炭施用方式在干旱時段植茶土壤含水率變化

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

2.2 生物質炭施用方式對土壤有效性養(yǎng)分及微量元素的影響

從表3看出，生物質炭不同施用方式對土壤pH值和有機質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，與對照相比，土壤pH值平均分別增加了5.75%、4.06%。利用生物質炭覆蓋表土后，植茶土壤有機質含量未出現明顯的變化，炭全部施用、1/2炭覆蓋+1/2炭施用2個處理土壤有機質含量分別較對照增加了52.45%和14.65%。生物質炭可以降低土壤的酸度和提高土壤有機質的含量，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個處理的土壤堿解氮含量分別比對照提高了13.61%、8.43%和9.28%，但差異未達到顯著水平。生物質炭覆蓋及施用后土壤有效磷、速效鉀含量出現不同程度的提高，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照提高了172.04%、90.32%和93.55%；土壤速效鉀含量分別比對照增加了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個處理后，土壤有效鐵、錳、銅、鋅的含量均未出現顯著性差異。由此可見，生物質炭的施用能有效提高土壤中炭的來源，從而增加土壤有機質的積累效應，這也對于提高土壤有效養(yǎng)分的含量有較明顯的作用。

2.3 生物質炭施用方式對春季茶樹生長的影響

盆栽試驗結果表明(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顯著性增加；茶樹春梢長度及著葉數出現顯著性增加；春梢的葉面積與對照相比，均出現明顯的增加，分別提高了1.64、1.44和0.78倍。可見，利用生物質炭覆蓋及施用對茶樹春梢的生長均有明顯的促進作用；有利于提高春茶產量，特別是施用生物質炭的處理。

表4 不同生物質炭施用方式下茶樹春梢長度、著葉數及葉面積的變化

3 結論與討論

利用生物質炭覆蓋表土或把生物質炭施入土壤均能明顯地提高土壤的保水性能，特別是生物質炭覆蓋表土后在降雨時段、干旱時段的土壤含水率分別比對照平均提高了14.70%、34.46%。生物質炭對土壤保水效果的大小順序為炭全部覆蓋>1/2炭覆蓋+1/2炭施用>炭全部施用。利用生物質炭覆蓋茶園表土可以明顯減少土壤水分蒸發(fā)，提高干旱時段土壤表層含水量，減輕春季及夏季干旱天氣對茶樹生長的影響。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，該處理下的茶樹的葉面積和干物質量都有顯著提高，稻草+薄膜覆蓋的增產達26.92%[12]。因此，在施用有機肥的基礎上，結合生物質炭的覆蓋，可實現水肥耦合的疊加效果，對茶樹生長具有良好的促進作用。

生物質炭的施用可降低土壤的酸度，并提高土壤有機質含量，同時提高了土壤養(yǎng)分含量及其有效性，生物質炭全部施用土壤有效氮、磷、鉀的含量較對照分別平均增加了13.61%、172.04%和48.23%，其中有效磷的增量最為顯著。同時，用生物質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個處理后，土壤有效銅、鋅、鐵、錳的含量均未出現顯著性差異。前人的研究普遍認為茶園施用有機肥能顯著地增加土壤中有機質及氮、磷、鉀的含量，從而促進茶園土壤養(yǎng)分循環(huán)和茶樹生長[9]，利用生物質炭特有性質來改良茶園土壤，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廢棄物制備生物質炭再施入土壤進行土壤培肥改良，在增加土壤有機碳含量的同時，改善土壤的理化性質，并利用生物質炭強大的吸附性能，減少水分和養(yǎng)分的流失，增強土壤的保水保肥性能。另外，在溫濕度得到優(yōu)化的前提下，生物質炭的施用或覆蓋，可增強土壤微生物的活性，并促進土壤微生物群落的增值，充分促進茶園土壤養(yǎng)分與植物養(yǎng)分的內循環(huán)，使茶園土壤朝著更有利于茶樹生長的方向發(fā)展，提高茶園產量[16,17]。

利用生物質炭覆蓋表土或把生物質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照分別提高了1.64、1.44和0.78倍，生物質炭的施用或覆蓋，均有利于春茶產量的提高，特別是施用生物質炭。施用生物質炭能促進茶樹春季的生長，茶樹春季葉面積、春梢著葉數、春梢長度等均表現出顯著性增加。施用生物質炭，為土壤微生物提供充足的碳源及生殖場所，有利于土壤微生物的生長和繁殖，能明顯地增加土壤有效養(yǎng)分含量及增強土壤保水性能，配合生物質炭及有機肥施用是貴州山區(qū)茶園土壤培肥的有效措施之一，水肥耦合及有機培肥均能有效提高春、秋茶的產量及品質[3,14]。以農作物秸稈、禽畜糞便等有機物料為堆肥主體，配合生物質炭的施用或覆蓋，對貴州山區(qū)老茶園進行土壤有機培肥，來減少茶園土壤的酸化程度，同時協調植物吸收與土壤養(yǎng)分和水分之間的關系。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炭的措施可以有效減輕水土流失。施用生物質炭是否提升土壤團聚體數量、增加土壤微生物種類及改善茶葉品質等方面的研究，仍需下一步深入分析。