生物質炭及與有機肥配施對桂香22號茶樹生長、氮素吸收及品質的影響

王磊　劉秋鳳　蘇敏　白先麗

摘 要 為研究茶園施用生物質炭及與有機肥配施對桂香22號茶樹生長、氮素吸收及品質的影響，從而為在茶葉生產中合理利用生物質炭提供技術依據。本試驗通過在茶園基肥中設置不施肥、施用普通復合肥、施用普通尿素、施用普通尿素+生物質炭、施用普通尿素+花生麩和施用普通尿素+花生麩+生物質炭等不同處理，在全年茶季調查研究茶樹樹體的生長、產量及氮素吸收數量變化及對制茶品質的影響。結果表明：在春茶期各處理對茶樹樹體生長影響變化不大，從夏茶期到秋茶期添加了生物質和有機肥的處理茶樹生長狀況逐漸好于對照和純化肥處理；在全年各茶季，添加了生物質炭和有機肥處理一定程度提高了新梢發芽密度進而提高了茶葉產量，與單施尿素相比，添加生物質炭及與有機肥配施的處理分別提高茶葉產量28.6%和85.1%，提高茶青氮素吸收89.9%和32.4%，生物質炭和有機肥配施處理的茶葉所制作綠茶湯色黃綠、滋味醇厚，品質明顯提高。茶園中施用生物質炭能改善茶樹生長環境，促進發芽和茶葉生長及提升品質，尤其以生物質炭和有機肥配施效果最好；生物質炭作為一種新興的優質資源對于實現茶園化肥投入減量和茶樹輕簡栽培具有良好的應用前景。

關鍵詞 生物質炭 ；土壤氮素 ；茶葉 ；養分利用 ；化肥減量

中圖分類號 S571.1 文獻標識碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2018.06.005

Effects of Biochar and Its Combination with Organic Manures on the Growth，

Nitrogen Absorption and Quality of Tea Guixiang 22

WANG Lei LIU Qiufeng SU Min BAI Xianli

（Guangxi Guilin Tea Research Institute， Guilin， Guangxi 541004）

Abstract In order to study the effects of application of biochar and its combination with organic manures on the growth， nitrogen absorption and quality of tea Guixiang 22 plantation， this study provided the technical basis for the rational utilization of biochar in tea production. Tea garden was applied with basal fertilizer， and 6 treatments were arranged： no fertilizer； compound fertilizer； urea； urea + biochar； urea + peanut press cake； urea + peanut press cake + biochar. The tea plants treated in the tea garden were observed in all the tea seasons of a year to analyze the effects of all the fertilizer treatments on tea growth， yield and quantity of nitrogen absorption as well as the tea quality. The results showed that all the treatments did not have any obvious effects on the growth of tea trees during the spring tea period. The tea trees treated with basal fertilizer at presence of biochar or organic manures grew better than those of the control and of the treatment with only chemical fertilizer from the summer tea period to the autumn tea period. In each tea-season period， treatment at presence of biochar or organic manure increased the budding density and the yield of tea. Compared with the single application of urea， the addition of biochar and its combination with organic manures increased the yield of tea by 28.6% and 85.1%， and nitrogen absorption of tea leaves by 89.9% and 32.4%， respectively. The green tea made from tea treated with biochar and its combination with organic manures had yellow-green color and mellow taste with high quality. Biochar applied in the tea plantation could improve the growth environment， bud density and the quality of tea， especially in combination with organic manures， which combination was the best. As a new high-quality resource， biochar has a good prospect for reducing the input of chemical fertilizer and for simplifying the tea cultivation.

Keywords biochar ； soil nitrogen ； tea ； nutrient utilization ； reduced application of chemical fertilizer

茶樹是周年采摘的葉用作物，對養分的需求量特別是對氮素的需求明顯高于其它作物，為保證不同時期的養分供應，傳統的茶樹施肥管理要求實行“一基三追”的模式，但由于勞動力成本等因素的制約，目前實際生產中往往只注重冬季基肥的施用，且只施用化肥的情況越來越普遍，有機肥用量不斷減少，造成了茶園土壤質量的持續下降和肥料流失及污染加劇。未來茶園施肥管理的重要任務是在提高肥料使用率、減少使用總量上下功夫。因此找到一種既能夠減少茶園施肥次數和施肥成本投入，又能夠改土培肥提升茶葉產量品質的施肥模式，對于推廣綠色高效輕簡栽培和減少茶園化肥用量具有重要意義。

生物質炭是生物有機質熱裂解的固體產物，具有比表面積大、帶有多種官能團（羰基、酚基和醌基等）、灰分多及大量電荷等特異性質，是優良的土壤改良劑和固碳減排材料。大量研究表明，土壤添加生物質炭后可提高土壤pH、改善土壤理化性質、提高土壤肥力、減少養分淋失以及減少溫室氣體排放等效果[1]。在茶園生態系統中引入利用生物質炭，應該是擴充土壤碳減排增匯功能，提升茶園土壤質量和生產力，實現 “藏茶于地”的理想技術手段。前人對茶園施用生物質炭的作用效果開展了一些相關研究，吳志丹等[2]研究表明，茶園土壤施入生物黑炭后，酸化情況得到改良，提高了土壤全氮、有效磷和速效鉀含量，并提高了茶葉產量；吳志丹等[3]還研究了茶園生物質炭不同施用量對酸化茶園土壤的土壤酸度相關指標的影響效果，證明施用量越大土壤改良效果越好；該團隊還通過定位觀測研究了生物黑炭輸入對茶園土壤呼吸和CO2、N2O排放的影響，提出施用生物質炭提高了茶園土壤的呼吸速率、降低了茶園土壤N2O的排放，并分析了其影響因素[4-5]。江福英等[6]通過在茶園中添加小麥秸稈炭，研究得出茶園施用生物炭可以改善茶園土壤物理性狀并提高部分養分有效性以及提高茶葉產量的結果，并給出了適合的生物炭施用量。王峰等[7]研究了施用生物質炭對酸性茶園土壤氨揮發的影響。結果表明，施用生物質炭降低了土壤銨態氮濃度，進而顯著降低了茶園氨揮發量。在茶園生物炭的來源方面，吳志丹等[8]研究了不同炭化條件對茶樹枝生物炭理化性質的影響，并探討了茶樹枝生物炭的應用前景，為茶園內部廢棄物的炭化利用提供了良好途徑。在茶園施用生物質炭對氮素利用的影響方面，陳玉真等[9]采用短期室內好氣培養法研究提出，生物質炭能顯著降低茶園土壤礦質態氮含量，抑制土壤硝化作用，抑制效果因生物質炭用量和土壤類型而異。

茶是嗜好飲料作物，未來高品質的茶葉原料生產必須建立在科學合理施用有機肥的基礎上。因此，茶園有機肥施用技術的創新在茶樹栽培管理中占有無可替代的地位。茶園施用有機肥、有機肥與化肥配施對提高茶葉產量和品質的作用已經被廣泛認識，但在茶園施用有機肥體系中添加生物質炭對養分特別是氮肥的吸收和茶葉生長及品質效應還少有研究報道。本試驗通過在茶園有機基肥中添加生物質炭，進而初步探討生物質炭及與有機肥配施對茶樹的生長、氮素吸收及品質的影響情況，為在茶園中合理施用生物質炭，提升氮肥利用率和減少茶園化肥投入，進而提升產業質量和效益提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗地概況

試驗地選擇在廣西桂林茶葉科學研究所科研試驗茶園（25°15′N，110°34′E），海拔163.9 m，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，全年平均氣溫18.9℃，四季分明，雨量充沛。茶園土壤為坡積物發育的黃壤，有機質含量30.0 g/kg，pH為4.68，全氮1.82 g/kg，水解性氮137 mg/kg，有效磷57 mg/kg，速效鉀140 mg/kg，交換性鈣2.9 cmol/kg，交換性鎂0.42 cmol/kg，肥力水平中等；種植的茶樹為廣西自主選育品種桂香22號（樹齡3年），試驗前管理按照常規種植茶園進行，種植規格為：雙行雙株種植1.5 m×0.33 m×0.3 m，不同處理管理水平一致。

1.1.2 供試肥料

供試肥料為生物質炭（水稻谷殼燒制，含碳46.7%）、普通尿素、普通復合肥、花生麩、鈣鎂磷肥、硫酸鉀，各肥料主要養分含量見表1。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

試驗采用大田方式進行，設6個處理，3次重復，共計18個小區，每小區茶行長34 m，寬1.5 m，小區面積51 m2，采用單行隨機排列，小區間設置隔離行。除空白對照外，各處理施氮量按照450 kg/hm2來確定，因有機肥施用量較大，添加有機肥和生物質炭的處理施氮量將有機肥和生物質炭中的氮素含量合并計算在內，處理間磷鉀肥差量采用鈣鎂磷肥和硫酸鉀補齊，保證主要養分純量投入一致。具體施肥處理為：T1，不施肥處理（空白CK）；T2，施用普通復合肥；T3，施用普通尿素；T4，施用普通尿素+生物質炭；T5，施用普通尿素+花生麩；T6，施用普通尿素+花生麩+生物質炭。各處理具體肥料用量見表2，各處理統一于2016年11月進行整形修剪，12月按照試驗設計進行冬季基肥施用，除處理區外，試驗前田間管理及施肥措施均保持一致。

1.2.2 調查和采樣

1.2.2.1 茶樹生長發育及產量情況調查

在2017年春夏秋各茶季調查各處理茶樹生長發育情況，包括發芽密度、自然生長樹高樹幅、各批次茶青產量等。

1.2.2.2 茶青氮素含量及葉片氮吸收量調查

在各小區中固定選取其中10 m長茶行從春季萌芽開始待每批次大部分茶芽長至1芽2葉時采凈鮮葉進行測產，從所采的茶青中抽取不同處理各重復1芽2葉的混合樣500 g進行微波固樣，檢測茶葉中氮素含量[10]，計算茶青吸收氮素總量。

1.2.2.3 茶園土壤速效氮和有機質變化調查

定期采集各處理土壤樣本，檢測速效氮[11]和有機質含量[12]。

1.2.2.4 不同施肥處理茶葉制茶品質的感官審評

于夏茶季7月18日選取各處理茶青按照攤青2 h—微波殺青—揉捻—90℃毛火初烘—110℃足火復烘的加工工藝制成綠茶樣，由3名具有評茶資格證的評茶員按照國家標準[13]進行感官審評。評價不同施肥處理對茶葉產品的品質影響。

1.2.3 統計分析

將各處理的試驗數據調查采集后，采用Excel軟件進行統計分析整理，采用SPSS軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理茶樹樹體生長情況

不同處理茶樹的生長狀況變化情況見表3。在茶樹春夏秋各生長季，隨著時間的推后，處理間的差異逐漸顯現：春季不同處理樹高沒有顯著差異，樹幅出現部分處理間的差異，以T6處理的樹幅最大，且與T4差異顯著；夏季隨著茶樹生長，樹高和樹幅變化差異擴大，仍以T6生長勢最強，樹高與對照比差異顯著，樹幅與其它2個添加生物質炭的處理T4、T5相比差異顯著；秋季期T6處理茶樹長勢依然最好，樹高與T2處理差異顯著，樹幅與T3、T4處理達到差異顯著，其它處理間則差異不顯著。

2.2 不同處理茶葉發芽密度及產量變化情況

不同處理各茶季的新梢發芽密度出現一定的差異（圖1）。春季第一次萌發（3月23日）T6處理的新梢密度就達到273個/0.11 m2，顯著高于其它處理，其它各處理間差異不顯著，最低的T3處理僅為159個/0.11 m2；到春茶第二輪萌發（4月1日），T6處理的新梢密度約為200個/0.11 m2，且與較低的T1（155個/0.11 m2）、T4（154個/0.11 m2）處理達到差異顯著；夏茶季第一輪萌發（5月2日），各處理新梢密度均有所降低，差異也不顯著，第二輪（5月24日）T2處理發芽密度出現小高峰達150個/0.11 m2，明顯高于其它處理，第三輪（6月18日）、第四輪（7月5日）、第五輪（7月17日）直到秋茶萌發（8月29日），各處理發芽密度未出現明顯規律性變化。

從不同采摘輪次的茶葉產量（圖2）來看，春季第一輪采摘（3月23日）T6處理的產青量就達到226.7 kg/hm2，顯著高于其它處理，添加生物炭和有機肥處理T4、T5產青量也顯著高于對照T1和純化肥處理T2、T3，單施尿素處理產量最低，僅為80.0 kg/hm2；春茶第二輪萌發（4月1日），T6處理產量最多為374.1 kg/hm2，其它處理間差異不明顯；夏茶季第一輪萌發（5月2日），T6處理產量依然最高，為348.1 kg/hm2，T5處理其次，與最低的T3處理達到差異顯著；第二輪（5月24日）T2處理產量最高，為214.8 kg/hm2，T3處理最低為155.6 kg/hm2，但各處理間差異未達顯著水平，第三輪（6月18日）、第四輪（7月5日）、第五輪（7月17日）直到秋茶萌發（8月29），各處理產青量均以T6最多，添加生物質炭和有機肥處理普遍產量高于化肥處理及對照。將全年的產量合計，T6處理顯著高于其他各處理，達到3 074.8 kg/hm2，其余各處理產量依次為T5（2 470.4 kg/hm2），T4（2136.3 kg/hm2），T2（2 048.1 kg/hm2），T1（1 770.4 kg/hm2），T3（1 661.5 kg/hm2），整體而言，添加了生物質炭和有機肥的處理產量明顯高于純化肥處理和對照。

2.3 不同處理茶青含氮量及氮素吸收情況

不同處理各茶季茶青含氮量及茶青氮吸收量情況見圖3、4。由圖3、4可知，全年茶青中含氮量呈現出高-低-較高的變化趨勢，其中以春季茶青含氮量最高，各處理均可達到50 g/kg以上，隨著采摘期的延后茶青含氮量明顯下降，到夏茶季5月22日降到最低，各處理茶青含氮量降低到35.0～37.3 g/kg，隨后緩慢增加并穩定在一定區間，到秋茶季8月底又回升到42.4～46.4 g/kg。從夏茶到秋茶，添加生物質炭和有機肥的處理茶青含氮量從數值上普遍高于純化肥處理和對照。從不同處理周年氮吸收總量來看，由于“稀釋效應”作用，茶樹對氮吸收的強度變化主要由產量決定，不同處理間氮素吸收差異較大，以T6處理吸收氮量最多，達到136.0 kg/hm2，其余處理按氮吸收量多少依次為T5處理（109.5 kg/hm2），T4處理（94.8 kg/hm2），T2處理（87.8 kg/hm2），T1處理（76.9 kg/hm2），T3處理（71.6 kg/hm2），純尿素處理氮吸收量最少，甚至低于空白對照，說明單施尿素氮肥利用率最低，添加生物質炭和有機肥的處理T6全年累計吸收氮量是單施尿素處理T3的約1.9倍。

2.4 不同處理茶園土壤速效氮和有機質含量變化情況

不同處理土壤中速效氮的含量變化情況見圖5。在春茶開采前（2月20日），單施尿素處理T3土壤速效氮含量明顯高于其他處理，達到296.7 mg/kg，最低的T6處理為112.3 mg/kg，其它處理土壤速效氮含量在155.3～169 mg/kg；茶葉開采后，T3處理土壤速效氮含量顯著降低，各處理間數值變化不大，土壤速效氮每次測試結果基本穩定在100～150 mg/kg，并呈現出添加生物質炭處理的土壤速效氮含量普遍低于單施尿素和復合肥處理的趨勢，T6處理土壤速效氮檢測結果基本上與空白對照相當。從春夏秋3個茶季不同土壤有機質檢測結果（圖6）來看，單施尿素和復合肥處理土壤有機質含量普遍高于空白對照，單施尿素處理土壤有機質含量甚至高于施有機肥處理，尿素與生物質炭配施處理T4土壤有機質檢測值也高于施入有機肥處理，可能是由于化肥施入引發的“激發效應”所影響。尿素與有機肥和生物質炭配施的T6處理土壤有機質檢測結果在所有施肥處理中最低，其次較低的是尿素與有機肥配施處理T5，這與通常的施有機肥提高土壤有機質含量的預期不符，造成這種結果的原因值得深入探討。

2.5 不同處理夏茶制茶品質變化情況

不同處理對夏綠茶制茶感官品質影響出現差異（表4），添加生物質炭和有機肥處理對夏茶綠茶的香氣、滋味、湯色均有一定的提升作用，尤其以T6處理茶青制茶品質最好，所制作綠茶湯色黃綠、滋味醇厚，感官審評得分最高，T3處理和T2處理得分較低，空白對照處理得分依然高于純化肥處理。

3 討論

茶樹主要生長于熱帶和亞熱帶地區，但這些地區多雨的氣候條件導致土壤氮素容易淋失，造成氮肥利用率較低。本試驗結果表明，添加生物質炭和有機肥的各處理，發芽密度、茶葉產量、氮素吸收利用及制茶品質都有不同程度的提升。有研究表明，添加生物質炭可以改善土壤物理、化學等性狀和微生態及微生物環境[14-15]，因此茶園施用生物質炭可能提供了適宜茶樹生長的土壤環境進而促進了茶樹生長，在對氮素的吸收上表現為提高了氮素利用和改善了制茶品質。

堿解氮是普遍選用的評價土壤供氮能力的重要指標。一般而言，土壤堿解氮含量高的地塊作物對氮素的吸收利用情況較好。但有研究表明，生物質炭的多空隙結構和含氧官能團會吸附和固定土壤和肥料中的銨態氮，暫時降低土壤氮素的有效性[16]，特別是生物質炭與有機肥配施表現出降低土壤堿解氮的趨勢[17]，生物質炭產生的電荷和巨大的比表面積對土壤和植物所需的氮有較強的吸附作用，這種機制降低了土壤中的氮損失[18]，提高養分的利用效率和增加土壤肥力[19-20]。在酸性土壤應用生物炭可以大大增加土壤對銨態氮的吸持能力[21]，而且這些氮是可以為植物所利用[22]。本試驗的結果也得出類似規律：添加生物質炭和有機肥的處理，土壤堿解氮測試結果最低，但茶樹的長勢、氮素吸收利用效果及品質卻在所有處理中最好。在茶園中施用生物質炭后，可以猜測或許茶樹根系與添加了生物質炭和有機肥的土壤結構體存在對可利用氮素的競爭性吸附或者吸收關系，特別是生物質炭和有機肥配施對速效氮起到了一定的吸附和供應緩沖作用，可以持續供應茶樹根系的需求，保障正常的氮素供應又不至于過量流失，達到了一種類似于“海綿體”功能，實現尿素一次施入“天然控釋”的良好效果，顯著提高了氮素利用。由此，也許可以認為，添加了生物質炭的土壤系統可能不適合用堿解氮指標來評價供氮能力，同時由于生物質炭含有大量穩定性強的氮元素，用全氮含量來評價供氮能力也不準確，未來需要研究提出其它更為合適的指標。此外，有觀點指出生物炭的應用會促進土壤微生物的活性進而促進有機質分解和活性有機物質比例的下降[23-25]，也有觀點認為，生物質炭復雜的結構使其表現出高度的化學和微生物惰性[26-27]。本試驗添加了生物質炭的處理土壤有機質含量較低可能是由于促進了有機質的分解，也可能是由于添加的大量穩定性炭在樣品檢測過程未能充分氧化檢測出反而相對 “稀釋”了本身土壤中的有機質引起。

本試驗各施肥處理均按照把所有投入物料的總含氮量作為統一施氮量計算，但由于生物炭在土壤中的穩定性導致短期內很難被作物直接吸收，所以各添加生物質炭處理的氮肥供應實際上是低于其它施肥處理的，客觀上已經進行了氮肥投入的減量，但對茶樹生長和品質的影響作用更好，說明添加生物質炭是可以作為減少茶園化肥投入和提高氮肥利用率和茶葉產量品質的理想手段。

4 結論

本研究結果表明，茶園中施用生物質炭及與有機肥配施可以促進茶樹樹體生長，一定程度提高新梢發芽密度進而提高茶葉產量，與單施尿素相比，添加生物質炭及與有機肥配施的處理能分別提高茶葉產量28.6%和85.1%，提高茶青氮素吸收89.9%和32.4%，生物質炭與有機肥配施處理的茶葉所制作綠茶湯色黃綠、滋味醇厚，品質明顯提高。生物質炭作為一種新興的優質資源在茶園中施用起到了對速效氮養分的“暫時儲存”和“天然控釋”的效果，對于實現化肥投入減量和茶樹輕簡栽培具有良好的應用前景。

參考文獻

[1] 陳心想，耿增超.生物質炭在農業上的應用[J]. 西北農林科技大學學報（自然科學版），2013，41 （2）：167-174.

[2] 吳志丹，江福英，王 峰，等. 生物黑炭茶園應用技術試驗示范效果[J]. 福建農業學報，2014，29 （6）：550-554.

[3] 吳志丹，尤志明，江福英，等. 生物黑炭對酸化茶園土壤的改良效果[J]. 福建農業學報，2012，27 （2）：167-172.

[4] 吳志丹，江福英，尤志明，等. 生物黑炭輸入對茶園土壤呼吸的影響[J]. 生態環境學報2014，23（4）：586-59.

[5] 陳玉真，王 峰，尤志明，等. 添加生物黑炭對茶園土壤CO2、N2O排放的影響[J]. 農業環境科學學報，2015，34（5）：1009-1016.

[6] 江福英，吳志丹，尤志明，等. 生物黑炭對茶園土壤理化性狀及茶葉產量的影響[J]. 茶葉學報，2015，56 （1）：16-22.

[7] 王 峰，陳玉真，吳志丹，等. 施用生物質炭對酸性茶園土壤氨揮發的影響[J]. 茶葉科學，2017，37（1）：60-70.

[8] 吳志丹，尤志明，江福英，等.不同溫度和時間炭化茶樹枝生物炭理化特征分析[J]. 生態與農村環境學報，2015，31（4）：583-588.

[9] 陳玉真，王 峰，吳志丹，等. 添加生物質炭對酸性茶園土壤pH和氮素轉化的影響[J]. 茶葉學報，2016，57（2）：64-70.

[10] 中國林業科學研究院林業研究所森林土壤研究室. LY/T1271-1999 森林植物與森林枯枝落葉層全氮、磷、鉀、鈉、鈣、鎂的測定[S]. 北京：中國標準出版社，1999.

[11] 中國林業科學研究院林業研究所. LY/T 1228-2015森林土壤氮的測定[S]. 北京：中國標準出版社，2015.

[12] 中國林業科學研究院林業研究所森林土壤研究室. LY/T 1237-1999森林土壤有機質的測定及碳氮比的計算[S]. 北京：中國標準出版社，1999.

[13] 全國茶葉標準化技術委員會. GB/T 23776-2009 茶葉感官審評方法[S]. 北京：中國標準出版社，2009.

[14] 孔絲紡，姚興成，張江勇，等. 生物質炭的特性及其應用的研究進展[J]. 生態環境學報，2015，24（4）：716-723.

[15] 張阿鳳，潘根興，李戀卿. 生物黑炭及其增匯減排與改良土壤意義[J]. 農業環境科學學報，2009，28（12）：2 459-2 463.

[16] Spokas K A， Novak J M， Venterea R T. Biochar's role as an alternative N-fertilizer：Ammonia capture[J]. Plant and Soil， 2012， 350（1/2）： 35-42.

[17] 張 影，劉 星，焦瑞鋒，等. 生物質炭與有機物料配施的土壤培肥效果及對玉米生長的影響[J]. 中國生態農業學報，2017，25（9）：1287-1297.

[18] Clough T J， Condron L M. Biochar and the nitrogen cycle： Introduction[J]. Journal of Environmental Quality， 2010， 39（4）： 1 218-1 223.

[19] 武 玉，徐 剛，呂迎春，等. 生物炭對土壤理化性質影響的研究進展[J]. 地球科學進展，2014，29（1）：68-79.

[20] 楊 放，李心清，王 兵，等. 生物炭在農業增產和