生物炭對茶園土壤及茶樹生長影響研究進展

茶樹（Camelliasinensis）是我國重要的經濟作物，屬于多年生木本常綠植物，主要分布于我國西南、華南、江南和江北地區[2-4]。茶產業在國民經濟發展中發揮著重要作用[5]。為提高茶園產量和效益，茶園管理中常出現過量施肥現象，嚴重制約了茶產業的綠色可持續發展。長期集約化種植也給茶園帶來諸多問題，例如土壤酸化[79、養分失衡[10-12]和重金屬積累[13-15]等，嚴重影響茶葉的產量與品質。

茶樹是喜酸植物[16-17]，適宜生長的土壤pH為4.0～6.5 。隨著種植年限增加，茶園土壤中酸性離子逐漸積累，pH值逐漸降低[18-19]。過低的pH環境會直接影響茶樹生長，進而影響茶葉產量和品質。

隨著作物產量提高，農林廢棄物逐年增多。傳統處理方式如堆肥、焚燒、就地掩埋等[20-22]，會導致大量溫室氣體和污染氣體排放，造成環境污染和生態破壞。將農林廢棄物進行生物炭化可實現資源化利用，在農林產業發展中具有廣闊前景。生物炭（Biochar）作為一種優質的碳（C）源和營養源，能為作物提供養分，有效減少肥料用量，降低生產成本。

生物炭是一種多孔富C材料，具有獨特的物理化學性質，比表面積大、官能團豐富、化學性質穩定，被廣泛用于土壤改良和污染修復[23]。近年來，生物炭在茶園生態系統中的應用逐漸受到關注[24-32]。它通過調節土壤環境、促進茶樹生長和增強抗逆性等多重機制，為茶園可持續發展提供了新途徑。本文旨在總結生物炭對土壤影響及茶樹生長的研究進展，為茶產業發展提供理論參考。

1生物炭的特性及其制備

生物炭是一種優質的土壤改良劑，在農林生產中應用廣泛[23]。生物炭通常由農林廢棄物（如稻殼、木屑和秸稈）在限氧條件下熱解（ 300～ 800^°C ）生成，其特性受原料類型、熱解溫度和停留時間影響顯著[33]。生物炭具有發達的孔隙結構和較高的比表面積，可增強土壤保水性和通氣性，同時為土壤微生物提供生存空間[34]。

生物炭富含穩定C（ 60%～90% ），鉀（K）、鈣（Ca）、鎂（Mg）等礦物質，以及堿性物質（2 （pH7～12） ，在中和土壤酸性物質方面具有顯著優勢，并能提高養分有效性，有利于作物吸收[35]。同時，生物炭表面富含各類官能團，如羥基、羧基等活性基團，對重金屬鎘（Cd）和鉛（Pb），以及有機污染物具有強吸附能力，可有效降低土壤中有毒物質含量。

目前，制備生物炭的材料來源豐富，主要為農林生產廢棄物3。生物炭性質因原材料和制備工藝的不同存在顯著差異，主要體現在有機C含量、灰分含量、比表面積、pH值等方面（表1），這些特性的變化會直接影響生物炭對土壤的改良效果[37]。

表1不同條件制備的各類生物炭特性

2生物炭對茶園土壤的影響

生物炭對茶園土壤的影響主要體現在土壤pH、土壤肥力、土壤污染物和土壤溫室氣體排放等方面。

2.1對土壤pH的影響

茶樹是喜酸作物，但是土壤的過度酸化會對茶樹的生長帶來危害。生物炭經過炭化后，會形成諸多堿性基團，例如羧基、酚羥基、酸酐等。大量研究表明，生物炭的施用能夠顯著提升茶園土壤pH（表2）。

表2施用生物炭對茶園土壤pH的改善作用

生物炭能夠提高茶園土壤pH，主要與其自身的成分和特征有關。生物炭通過高溫熱解后，產生大量的堿性物質，這些堿性物質可以中和土壤中的酸性離子，同時還能改變土壤中離子的交換過程，從而實現土壤酸堿度平衡。生物炭由于其多孔性，具有較大的比表面積，加上生物炭表面具有諸多官能團，這些官能團能夠很好地吸附王壤中的 H⁺ 。Chen等[54研究表明，施用生物炭能夠顯著增加土壤中陽離子的交換量，生物炭中大量的陽離子被釋放到土壤中去，諸如 Ca²⁺ 、 K²⁺ 、Mg²⁺ ，而土壤中的 H⁺ 則大量被生物炭所吸附，進而改善了土壤的pH值，避免了對茶樹帶來的危害，為茶樹的生長提供更為有利的土壤條件。

生物炭的種類對茶園土壤pH的調節能力不盡相同。從表2可見，施用不同種類的生物炭后，土壤的pH變化有高有低，在Yan等[3的研究中，通過向酸性茶園中施用稻草生物炭，茶園土壤pH從原來的4.30提高到5.11，提高了0.81個單位；施加竹炭生物炭，pH值提高了0.44個單位。生物炭的施用不僅能改善土壤pH，還能提高土壤中養分的有效性，使土壤中有效P、有效K和有效Mg含量得到顯著提升。

茶園土壤通常呈酸性，而生物炭具有一定的堿性，能夠中和土壤酸度，提高土壤的pH值。Yan等[39的研究表明，施用不同類型的生物炭顯著提升茶園土壤pH值，這對于改善土壤環境、促進茶樹根系的生長和養分吸收具有重要意義。土壤酸度的降低還能減輕鋁離子的毒害作用，因為鋁離子在酸性土壤中易溶解，會抑制茶樹根系生長。生物炭通過提高土壤pH值，將 Al³⁺ 轉化為不溶性的 ΔAl（OH）₃ ，從而降低了 Al³⁺ 的生物有效性，減輕了其對茶樹的危害。

2.2對土壤養分的影響

生物炭富含C、氮（N）、磷（P）、K等營養元素，能夠顯著提高茶園土壤的肥力。研究表明，生物炭的施用能夠顯著增加土壤中的有機C、N、P、K等養分含量。Yan等3研究表明，施用生物炭能夠顯著增加土壤中多種養分的含量，土壤有機C、總P、 NH₄⁺ -N、 NO₃^--N 、有效K、有效Ca和有效Mg等養分濃度均有所上升。由于生物炭具有較大的比表面積和豐富的孔隙結構，能夠有效吸附土壤中的養分離子，減少土壤中養分淋失，實現土壤的保肥作用，進而降低肥料施用量，節約生產成本。

Han等[55的研究發現，生物炭的施用顯著提高了茶園王壤的有機C含量，有效實現C儲存，進而增強了土壤的碳匯功能，有助于實現茶園的低碳發展。在Guo等4的研究中，通過向茶園施用生物炭后，土壤中總N含量從 1.75g/kg 增加到 2.18g/kg 總C含量從 19.12g/kg 增加到 36.28g/kg 。這表明生物炭的施用有助于土壤中N和C的儲存，實現土壤肥力的提升。Yin等的研究顯示，在施用生物炭后，茶園土壤中的可溶性鹽含量顯著增加，從對照組 0.02mg/g 增加到了 0.04mg/g ，可溶性鹽含量的增加標志著土壤中可以利用的礦物質及養分含量增加。研究還發現土壤中總P的含量有所下降，但有效P的含量得到了顯著提升，這表明生物炭的施用可能改變了土壤中P的形態。土壤中有效P更容易被植物吸收利用，有效P含量的提升標志土壤中養分的提升[41]

2.3對土壤溫室氣體排放的影響

氧化亞氮（ ?N₂O ）是一種強大的溫室氣體，其全球變暖潛能值（GWP）是 CO₂ 的265倍，在農林生產中， N₂O 的排放主要來自N肥的施用、土壤微生物的硝化和反硝化過程[57]。研究表明，生物炭的施用對降低 _N2O 排放效果顯著，其作用機制主要體現在兩方面：一方面，生物炭通過優化孔隙結構和表面特性，為 _N2O 和NO還原菌創造有利生境，促進了這些微生物將氮氧化物還原為惰性氣體N₂ 。例如，Lin等[5發現茶園施用生物炭后， N₂O 和NO的排放分別降低了 18.85% 和 16.20% ；00等[2則證實生物炭施用量與減排效果存在劑量效應，當施用量升至 2% 時， N₂O 累計排放量可銳減61% 。另一方面，生物炭通過改良土壤理化性質（如提高土壤pH、增強土壤團聚體穩定性）和調控微生物群落功能，間接抑制N轉化過程中的氣體排放[55]。這種多途徑協同作用使得生物炭施用后不僅能降低 17%～61% 的 N₂O 排放，更能使溫室氣體強度（GHGI）顯著下降 75% ，凸顯其在農業碳中和中的獨特應用價值。

作為對全球變暖長期貢獻最大的溫室氣體，土壤 CO₂ 排放主要來源于有機質分解和微生物呼吸作用[59]。生物炭對土壤 CO₂ 排放的影響呈現動態變化特征，初期可能因可溶性C的輸入而短暫促進排放，但隨后通過穩定土壤有機質、改善微生物群落結構等機制實現長期減排。研究表明，茶園施用生物炭可使 CO₂ 排放量降低 7.2%～9.3%^[43] ，其中在無N肥條件下減排效果可達 7.2% 。值得注意的是，生物炭對溫室氣體的調控作用具有氣體類型依賴性—其對甲烷（ CH₄ ）的影響甚至呈現相反趨勢，在無N肥條件下可能增加CH4釋放，而在配施N肥時則表現出顯著抑制作用。這種差異表明，生物炭的溫室氣體減排效應需結合具體施肥管理措施進行綜合評估。

總之，生物炭的施用能夠有效降低茶園土壤中溫室氣體的排放，但具體的作用機制會受到土壤環境和茶園施肥方式影響。研究生物炭對土壤溫室氣體減排的機理，能夠幫助實現茶園綠色管理，對生態修復和環境治理具有積極意義。

2.4對茶園土壤微生物的影響

茶園土壤中微生物群落的組成對茶樹的生長有著重要影響，研究表明微生物對茶樹的生長、茶葉品質的改善具有積極作用[。微生物能夠幫助茶樹吸收養分，一些細菌和真菌能夠將土壤中難溶性的養分分解，轉化為茶樹能夠吸收的有效養分，來滿足茶樹對養分的需求。Zheng等[5的研究顯示，生物炭的施用對茶園土壤中微生物群落影響顯著，能使土壤中糞殼菌綱（Sordariomycetes）和腸桿菌科（Enterobacteriaceae）的相對豐度增加。究其原因是生物炭的富C和多孔結構為土壤微生物提供了豐富的C源和棲息場所，能夠促進土壤微生物的生長和繁殖。Wang等研究指出，生物炭的應用增加了土壤細菌的生物量和多樣性，氨氧化細菌（AOB）和完全氨氧化細菌（Comam-mox）的豐度顯著增加；但真菌群落的alpha多樣性（即局部群落內的多樣性）出現了降低，這可能與生物炭的C源可利用性差異和生物炭成分中的毒性效應有關。Xiong等研究指出，生物炭處理后的茶園土壤微生物群落多樣性發生顯著變化，細菌和真菌的Chaol和Observed species指數都顯著提高，微生物的改變與茶葉的產量和品質呈正相關。Yang等的研究顯示，生物炭能夠顯著提高土壤細菌和真菌的多樣性指數。生物炭通過調節土壤的pH為微生物提供適宜的生長環境，生物炭多孔性結構為微生物的生長提供了空間，同時還為微生物提供了豐富的C源和N源。Zhang等研究表明，生物炭施入土壤后，土壤微生物的Shannon、Simpson多樣性指數顯著增加；變形菌門（Proteobacteria）相對豐度顯著增加，而酸桿菌門（Acidobacteria）的相對豐度則顯著下降，表明生物炭的施用對優勢菌門的變化較為友好。總之，合理施用生物炭能夠改善茶園土壤中微生物的群落結構，提高土壤中微生物的多樣性，降低土壤中有害物質的積累，減少植物病蟲害的發生。

3生物炭對茶樹生長的影響

生物炭對茶樹生長有多方面影響（圖1），眾多研究表明生物炭的施用可以顯著促進茶樹的生長，提高茶葉產量，提升茶葉品質。

圖1生物炭對茶樹生長的影響示意圖

3.1促進茶樹生長

茶園施用生物炭后能夠促進茶樹莖和葉的生長，增大茶樹葉片面積，增強茶葉光合作用，提高茶葉產量[。根系對植物的生長舉足輕重，在植物吸收土壤養分和水分的過程中發揮著關鍵作用。研究表明，生物炭的應用能夠顯著改善作物根系的形態特征[5]。Manzoor等[4研究表明，在茶園施肥時施用生物炭顯著增加了茶樹的根表面積、根體積、根尖數量、根長和根的陽離子交換容量。與單獨施肥相比，其根表面積、根體積和根長分別增加了 38% 、 159% 和 67% 以上。此外，Zou等42研究也表明，施用生物炭后的茶樹根系總根長、根表面積和根尖數量都得到了顯著增加，其在均質生物炭處理下總根長、根表面積和根尖數量分別增加了 30% 、 30% 、 326% ；局部生物炭處理下分別增加 177% 、 135% 、 340% ；條帶生物炭處理下分別增加 325% 、 119% 200% 。

生物炭的施用對茶樹地上部分的生長也有顯著的促進作用。Yan等[3的研究發現，施用竹炭和稻草生物炭均能顯著提高茶樹地上部的生長。施加 2.5% 竹炭生物炭茶樹的株高、莖粗，莖、葉及總質量處理，分別提高 29.1% 、 19.4% 、 60.0% /31.4% 、 43.0% ；施用 5.0% 竹炭生物炭處理分別提高 36.4% 、 22.2% 、 73.6% 、 43.4% 、 55.7% ；施用

2.5% 稻草生物炭處理分別提高 22.1% 、 22.2% ！65.6% 、 59.4% 、 61.7% ；施用 5.0% 稻草生物炭處理分別提高 28.7% 、 13.9% 、 57.6% 、 66.3% 、62.7% 。此外，生物炭還顯著提高了茶樹的光合作用速率、氣孔導度和蒸騰速率，這些生理過程的改善進一步促進了茶樹地上部的生長。Manzoor等4的研究也指出，與單獨施用NPK肥料相比，配施生物炭處理顯著提高了茶樹葉、莖、根的干物質量。

3.2提高茶葉產量

生物炭的施用可通過改善土壤肥力和增強茶芽萌發能力，有效提高茶葉產量。李昌娟等的試驗表明，施用生物炭基肥可以增強茶樹的光合作用，顯著提高茶葉產量，可使春茶鮮葉產量增加18.6% ，且連續3年增產效應穩定。萬青等通過田間試驗研究了生物炭對茶園土壤及茶葉產量的影響。結果表明，施用生物炭（ 7500kg/hm²） 后，茶葉的發芽密度達976.7個 ?/m² ，顯著高于不施肥對照和單施配方肥處理；同時，百芽質量達到 17.6g ，為各處理中最高值。

3.3提升茶葉品質

生物炭的施用能顯著增加茶葉中多糖、氨基酸、酚類的累積，整體改善茶葉的品質[]。Borgo-hain等研究表明，茶園中施用生物炭后，兩個不同品種茶樹的茶葉中多酚含量均顯著增加。Wang等[研究表明，茶園施用 5.0% 生物炭后，茶葉中茶多酚含量比對照組提高了 18.0% ；同時茶葉中的游離氨基酸含量也得到了顯著提升。Yin等研究表明，施用生物炭后顯著提高了茶葉中咖啡堿含量，比對照組增加 2.1% 。咖啡堿的變化與土壤中pH值的高低有關，生物炭能夠提高土壤的pH值，改善茶樹的根系環境，促進茶樹對養分的吸收和代謝活動，從而提升茶葉中咖啡堿的合成。

4結論與展望

生物炭在茶園土壤中的應用已成為當下研究熱點，相關研究表明，施用生物炭能夠顯著改善茶園土壤環境，優化土壤pH、提高土壤養分含量、減少土壤溫室氣體排放、改善土壤微生物活性，從而提升茶葉產量和品質。但是當研究多局限于實驗室水平，應用深度不夠；研究日期多集中在2～3年間，生物炭對土壤持久性影響長達10年以上，應延長研究的時間跨度，加強生物炭對茶樹影響的長期動態研究。

生物炭在農林經濟產業發展中應用廣泛，隨著茶產業逐漸成為農村經濟發展過程中的新增長點，未來生物炭在茶園中的研究應從以下幾個方面實現突破：一從可持續發展角度出發，生物炭規模化生產及運輸成本較高，需開發低成本制備技術，可以就地發展生物炭熱解技術；二從潛在的安全角度出發，部分生物炭制備原材料可能會引入一些污染物，需建立起系統性生物炭安全性評價標準；三從改善生物炭功能角度出發，未來可以在生物炭上負載納米材料或復合有機肥，開發靶向修復酸性土壤和重金屬污染的復合型生物炭；四從評估茶生態效益角度出發，加強生物炭在茶園碳匯和減排過程中作用的量化，推動碳交易機制在茶產業中的應用，為雙碳目標作貢獻。

總之，生物炭通過多途徑改善茶園土壤環境并促進茶樹生長，是實現茶園綠色生產的有效手段。未來需結合多學科手段，深化其作用機制研究，推動標準化應用體系的建立，為茶產業可持續發展提供科技支撐。

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