茶渣生物質(zhì)炭對名山茶園土壤有機碳礦化特征的影響

曾 雄，肖欣娟，夏建國*，鮮順志

（1.四川農(nóng)業(yè)大學資源學院，成都 611130；2.成都市農(nóng)業(yè)技術推廣總站，成都 610041）

生物質(zhì)炭(biochar)是指生物質(zhì)經(jīng)熱裂解炭化形成的一類含碳量豐富，擁有較大的孔隙度和比表面積，且具有很強的吸附性和穩(wěn)定性的高度芳香化難溶性固態(tài)產(chǎn)物[1-3]。而土壤有機碳（SOC）礦化是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要一環(huán)，其對于土壤有機碳的累積、大氣CO2排放都有著直接深遠的影響[4-8]。大量研究表明，外源有機物料生物質(zhì)炭作為施用劑施入到土壤以后，可以改變土壤中有機質(zhì)腐質(zhì)化、C/N比和呼吸速率等，對土壤有機碳的礦化起到促進或抑制作用[9-13]。我國是世界上茶葉生產(chǎn)和消費大國，而雅安市作為公認的中國茶都，植茶面積早在2013年就躍居全國第二[14]，同時茶產(chǎn)業(yè)也是鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系的重要組成部分[15]。在茶葉生產(chǎn)和消費過程中產(chǎn)生的茶渣數(shù)量可觀，但大多缺乏合理的處置，從而造成生物資源的巨大浪費[16]。目前，有關生物質(zhì)炭施用對土壤有機碳礦化影響的研究多聚焦于耕地土壤，而針對茶園土壤有機碳的研究相對不足。

因此，本研究以茶渣生物質(zhì)炭施用入3種茶園土壤（紫色土、黃壤和水稻土），通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗分析不同炭土比的茶渣生物質(zhì)炭施用對3種茶園土壤有機碳礦化特征的影響。本研究結果可為茶渣的資源化利用另辟蹊徑和判定茶渣生物質(zhì)炭作為茶園土壤固碳措施的可行性，對我國茶產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展和茶渣資源化利用具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

采樣點位于四川盆地西南邊緣（N30°00′～30°15′，E103°03′～103°22′）的雅安市名山區(qū)，海拔650～1 456 m，該區(qū)域為亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū)，年均氣溫15.4℃，最高氣溫35.2℃，全年無霜期294 d，年均降水量約1 500 mm，相對濕度82%，氣候溫和濕潤，四季分明，為低光輻射區(qū)。研究區(qū)域原始地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，出露地層為中生代以后的沉積巖，地貌以丘陵臺地為主[17]。氣候和地形適宜于茶樹生長。

1.2 供試材料

供試土壤為典型茶園土，包括第三系名山群坡積物發(fā)育而來的紫色土（PU）、第四紀老沖積物發(fā)育而來的黃壤（YE）和第四紀老沖積黃壤發(fā)育而來的水稻土（PA）3種，于2018年12月采自地理標志產(chǎn)品蒙頂山茶保護范圍內(nèi)3個樣點，取0～20 cm耕作層，剔除石塊和根系過2 mm篩，充分混合均勻，按網(wǎng)格法取樣3份各500 g，測定土壤基本理化性質(zhì)（表1），剩余樣品用于室內(nèi)培養(yǎng)試驗。

表1 3種茶園土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of three tea garden soils

本研究所用茶渣均來源于四川蒙頂山茶茶廠，自然風干后去除肉眼可見雜質(zhì)，過2 mm篩，采用限氧裂解法在馬弗爐中以500℃裂解2.5 h，冷卻后過0.15 mm篩，存于棕色瓶中待用。

1.3 室內(nèi)培養(yǎng)試驗

取250 mL的塑料瓶，裝相當于烘干土20 g的風干土[18-20]（紫色土、水稻土和黃壤），在設置溫度25℃的培養(yǎng)箱內(nèi)預培養(yǎng)1周后，設單一土壤處理（CK）、生物質(zhì)炭土壤（生物質(zhì)炭/土壤質(zhì)量比分別為0.5%、1%、2%、4%）及單一生物質(zhì)炭處理，共16個處理，每個處理設3個重復。將茶渣生物質(zhì)炭與3種茶園土壤充分混勻，進行室內(nèi)培養(yǎng)，調(diào)節(jié)水分使土壤含水率達到田間持水率的60%，放一個含5 mL，1 mol/L NaOH的小塑料瓶懸掛于大塑料瓶中用來吸收CO2，大塑料瓶加蓋密封。培養(yǎng)過程中，用稱重法間隔1周補充礦化損失水分。在培養(yǎng)第1、2、4、7、14、21、30、40、50、60、75、90和112 天時置換裝有堿液的小塑料瓶，并打開大塑料瓶約20 min，使瓶內(nèi)外氣體充分交換，用濃度為0.5 mol/L的鹽酸測定NaOH吸收的CO2量（mg/kg，以C計），同時計算各培養(yǎng)期內(nèi)土壤有機碳的礦化速率、累積礦化量和礦化強度（%）等。

1.4 測定方法及數(shù)據(jù)統(tǒng)計

土壤有機碳礦化量（mg/kg）=CCO2×吸收液體積/土壤或生物炭干重；

土壤有機碳礦化速率（mg/(kg·d)）=培養(yǎng)時間段內(nèi)有機碳礦化量/培養(yǎng)時間；

土壤有機碳累積礦化量(mg/kg)=從培養(yǎng)開始到某個時間點釋放的CO2總和；

土壤有機碳礦化強度（%）=土壤有機碳礦化量/土壤有機碳總量×100%。

土壤有機碳含量及土壤基本理化性質(zhì)測定參考《土壤農(nóng)化分析》[21]，對3種土壤進行一級動力學礦化擬合，并采用鄧肯(Duncan)多重比較法分析比較不同數(shù)據(jù)之間的差異（P＜0.05），所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析均利用Microsoft Excel 2010和SPSS 24軟件進行，圖表的繪制采用Origin 9.0完成。

2 結果與分析

2.1 茶渣生物質(zhì)炭對茶園土壤有機碳含量的影響

在112 d培養(yǎng)期間，所有茶渣生物質(zhì)炭處理均顯著增加了3種茶園土壤的有機碳含量，其施用對黃壤有機碳含量的提升幅度要顯著高于紫色土和水稻土，且高施用量下這種影響更明顯。茶渣生物質(zhì)炭加入后，3種茶園土壤有機碳含量在整個培養(yǎng)期間呈持續(xù)緩慢減少趨勢（表2）。在培養(yǎng)期結束時，茶渣生物質(zhì)炭處理的茶園土壤（紫色土、黃壤和水稻土）有機碳含量分別較開始時下降了10.32%～11.85%、7.96%～11.88%和8.35%～9.43%，CK（紫色土、黃壤和水稻土）處理下降了12.52%、23.31%和9.46%，CK下降更為明顯。

表2 3種茶園土壤不同炭土比下有機碳含量Table 2 Organic carbon content of three tea garden soils with different carbon-soil ratios g·kg-1

2.2 茶渣生物質(zhì)炭對茶園土壤有機碳礦化速率的影響

不同炭土比處理下，茶園土壤SOC的礦化速率隨著培養(yǎng)時間的變化先迅速下降，然后逐漸趨于平緩（圖1）。在整個培養(yǎng)期間，黃壤0.5%茶渣生物質(zhì)炭處理的土壤有機碳礦化速率較其CK下降了4.17%～9.21%，而黃壤其他茶渣生物質(zhì)炭處理的土壤有機碳礦化速率較CK增加了4.01%～59.10%；茶渣生物質(zhì)炭施用對茶園紫色土和水稻土的土壤有機碳礦化速率較其CK分別增加了15.38%～140.74%和12.01%～141.47%。這表明，茶渣生物質(zhì)炭施用對茶園紫色土和水稻土的SOC礦化起促進作用，而黃壤0.5%處理則起抑制作用，其余施用量下則起促進作用，且隨著茶渣生物質(zhì)炭施用量增加，茶園土壤有機碳礦化速率增加越明顯?；貧w分析顯示，培養(yǎng)期間土壤有機碳礦化速率隨時間的變化符合對數(shù)函數(shù)，擬合效果均達到極顯著水平（P＜0.01），生物質(zhì)炭處理中的R2在0.833～0.911。

圖1 3種茶園土壤不同炭土比下SOC礦化速率變化特征Figure 1 Variation characteristics of SOC mineralization rate in three tea garden soils with different carbon-soil ratios

2.3 茶渣生物質(zhì)炭對茶園土壤有機碳累積礦化量的影響

茶渣生物質(zhì)炭加入后，茶園土壤有機碳的累計礦化量變化如圖2所示，即3種土壤的有機碳累積礦化量均呈現(xiàn)培養(yǎng)初期快速增長，后期逐漸減慢并趨于平緩的趨勢。培養(yǎng)期結束時，黃壤0.5%茶渣生物質(zhì)炭處理的土壤有機碳累積礦化量較其CK下降了21.88%，而黃壤其他處理的土壤有機碳累積礦化量較CK增加了9.38%～56.25%；茶渣生物質(zhì)炭施用對紫色土和水稻土的土壤有機碳累積礦化量分別較其CK增加了27.47%～145.05%和18.83%～103.65%。這表明，茶渣生物質(zhì)炭施用對茶園紫色土和水稻土的土壤有機碳礦化起促進作用，而黃壤0.5%施用處理下起抑制作用，其余施用量下則起促進作用，且茶渣生物質(zhì)炭施用量越高，茶園土壤有機碳累積礦化量越大。

圖2 3種茶園土壤不同炭土比下SOC累積礦化量變化特征Figure 2 Variation characteristics of SOC cumulative mineralization under different carbon-soil ratios in three tea garden soils

2.4 茶渣生物質(zhì)炭對茶園土壤有機碳礦化強度的影響

土壤有機碳礦化特征中，礦化強度比累積礦化量更能準確反映土壤有機碳礦化分解的程度。圖3顯示在培養(yǎng)結束時，所有茶渣生物質(zhì)炭處理均顯著增加了紫色土和水稻土土壤有機碳的礦化強度，而降低了黃壤土壤有機碳的礦化強度，且變化幅度均與生物質(zhì)炭施用比例正相關。這表明，茶渣生物質(zhì)炭顯著促進了紫色土和水稻土的有機碳礦化分解，但對黃壤的有機碳礦化存在一定程度的抑制作用。

圖3 3種茶園土壤不同炭土比下SOC礦化強度特征Figure 3 SOC mineralization intensity characteristics of three tea garden soils with different carbon-soil ratios

2.5 茶渣生物質(zhì)炭對茶園土壤有機碳礦化動力學特征的影響

對培養(yǎng)時間內(nèi)3種茶園土壤有機碳的變化過程進行一級動力學方程擬合，擬合效果良好（表4）。所有茶渣生物質(zhì)炭均顯著提高了紫色土和水稻土的土壤潛在可礦化有機碳量（C0）；黃壤0.5%茶渣生物質(zhì)炭處理降低了土壤潛在可礦化有機碳量，其他茶渣生物質(zhì)炭處理則提高了茶園土壤潛在可礦化有機碳量。另外，茶渣生物質(zhì)炭施用對土壤有機碳的周轉速率常數(shù)（k）和半衰期（T1/2）也產(chǎn)生了一定影響，土壤有機碳的周轉速率常數(shù)隨著茶渣生物質(zhì)炭施用量增大而減小，半衰期隨著茶渣生物質(zhì)炭施用量增大而增大。這說明茶渣生物質(zhì)炭加入茶園土壤后加快了土壤有機碳的周轉速率，促進其加速分解。

表4 3種茶園土壤不同炭土比下SOC礦化動力學參數(shù)Table 4 Kinetic parameters of SOC mineralization under different carbon-soil ratios in three tea garden soils

3 討論

3.1 茶渣生物質(zhì)炭對茶園土壤有機碳含量的影響

大量研究表明，生物質(zhì)炭施用進土壤后能夠顯著提升土壤有機碳含量，原因可能是生物質(zhì)炭本身能夠裹挾帶入一定量的易分解有機碳和速效養(yǎng)分[4]。D.A.Laird等[22]將不同比例生物質(zhì)炭施入土壤中，發(fā)現(xiàn)有機碳含量與生物質(zhì)炭施用量呈正相關。羅梅等[23]以0.5倍和2倍生物質(zhì)炭配施化肥還田，發(fā)現(xiàn)紫色土有機碳含量和生物質(zhì)炭用量成正比。本研究中，茶渣生物質(zhì)炭施用顯著提升了3種茶園土壤的有機碳含量，且隨著施用比例的增大而增加，這與上述研究結果相似。另外，茶渣生物質(zhì)炭施用對黃壤有機碳含量的提升幅度要顯著高于紫色土和水稻土，且高施用量下這種影響更明顯，這可能是黃壤自身有機質(zhì)及速效養(yǎng)分含量明顯低于紫色土和水稻土，所以提升空間較大。

3.2 茶渣生物質(zhì)炭對茶園土壤有機碳礦化的影響

有研究表明，生物質(zhì)炭加入到土壤環(huán)境后會促進土壤有機碳和生物質(zhì)炭自身的礦化[9]。劉巖等[24]發(fā)現(xiàn)2種木本材料在500℃溫度下熱裂解制備的生物質(zhì)炭在所有處理下均促進了土壤有機碳的礦化。張婷等[25]也在研究中發(fā)現(xiàn)了添加生物質(zhì)炭對土壤固有土壤有機碳具有一定的保護作用，生物質(zhì)炭與秸稈配合施用促進了土壤有機碳的礦化。本研究中，茶渣生物質(zhì)炭施用顯著提高了紫色土、水稻土以及黃壤1%、2%和4%施用處理的土壤有機碳的礦化速率和累積礦化量，且隨著茶渣生物質(zhì)炭施用量的增加而增加。這可能是生物質(zhì)炭施用有助于土壤微生物的活動，同時生物質(zhì)炭自身發(fā)達的孔隙結構還能在一定程度上為土壤微生物活動提供場所，從而增加其對土壤有機碳的分解，促進土壤有機碳的礦化[9]。S.M.Troy及劉巖等[26-27]的研究發(fā)現(xiàn)，施用云杉木生物質(zhì)炭和水稻秸稈生物質(zhì)炭均能顯著提高土壤微生物的呼吸速率和活性，促進土壤有機碳的礦化。

同時也有研究表明，生物質(zhì)炭加入到土壤后會對土壤有機碳礦化產(chǎn)生抑制作用。T.J.Purakayastha等[28]研究表明，施加玉米秸稈和小麥秸稈生物質(zhì)炭，均可以抑制土壤自身土壤有機碳的降解?？滴觚埖萚29]發(fā)現(xiàn)一次性大量施入生物質(zhì)炭3年后且長期種植玉米的旱地土壤有機碳礦化作用較對照降低。本研究中，黃壤0.5%茶渣生物質(zhì)炭施用處理的土壤有機碳礦化速率和累積礦化量要顯著低于單一處理CK，說明0.5%茶渣生物質(zhì)炭施用量下對黃壤土壤有機碳礦化存在抑制作用。這與趙次嫻等[30]的觀點較一致，她發(fā)現(xiàn)施用0.1%生物質(zhì)炭的試驗土壤累計礦化量相比于對照顯著減少。這可能是生物質(zhì)炭對土壤中活性物質(zhì)的包封和吸附保護作用起到了一定作用[31]。

本研究培養(yǎng)初期，茶渣生物質(zhì)炭的施用極大地提高了3種土壤有機碳的礦化速率，推測可能是水分的加入和茶渣生物質(zhì)炭攜帶的速效養(yǎng)分促進了土壤微生物活動所致的。茶渣生物質(zhì)炭本身也含不少氮素，在培養(yǎng)初期可改變土壤C/N比，提升有機物質(zhì)的轉化速率，增加土壤CO2的排放。但隨著培養(yǎng)時間的延長，土壤中的易分解態(tài)碳不斷消耗，生物質(zhì)炭對小分子有機碳的吸附包封等作用開始顯現(xiàn)，使土壤微生物的可利用物減少，生長生產(chǎn)活動逐漸受限，使土壤有機碳礦化速率不斷減小。另外，生物質(zhì)炭的孔隙結構和巨大比表面積可吸附土壤酶，降低其活性，從而降低土壤有機物質(zhì)的生物有效性，由于吸附過程較緩慢，因此在培養(yǎng)一段時間后才得以顯現(xiàn)[32-33]。土壤及生物質(zhì)炭中的有效氮素也隨培養(yǎng)時間的延長而不斷消耗減少，從而使土壤C/N比再次改變，氮素逐漸成為影響土壤微生物活性的限制條件，因此土壤微生物只能維持最基本代謝活動，這也可能是3種茶園土壤的有機碳礦化速率逐漸下降至平穩(wěn)水平的原因之一。另外，紫色土和水稻土的礦化速率和累積礦化量要顯著高于黃壤，分析其原因可能有三點：①是紫色土和水稻土的土壤有機碳含量顯著高于黃壤，而土壤有機碳的礦化量與土壤有機碳含量呈正相關[34]，土壤有機碳的礦化分解與土壤中易分解態(tài)碳含量密切相關；②是土壤顆粒組成不同造成的；③是土壤結構組成不同，基本理化性質(zhì)有所差異[35-36]，豐富的速效養(yǎng)分可促進土壤微生物的快速生長，從而增加土壤CO2的釋放，但更深層原因還需進一步研究得知。

土壤有機碳礦化強度反映了土壤CO2-C累計釋放量占土壤總有機碳的比值[37]，更能準確表征土壤有機碳礦化量的大小，反映土壤有機碳的穩(wěn)定性。本研究結果中，各處理下3種土壤的累計釋放量大小表現(xiàn)為水稻土＞紫色土＞黃壤，然而礦化強度卻剛好相反，說明3種土壤中有機碳穩(wěn)定性最差的是黃壤。茶渣生物質(zhì)炭的輸入顯著增加了紫色土和水稻土的礦化強度，然而卻顯著降低了黃壤的（P＜0.05），說明生物質(zhì)炭的施用增加了黃壤有機碳穩(wěn)定性，且施用比例越高越好。探究其造成這種差異的主要原因可能是土壤自身性質(zhì)，如土壤有機碳含量高低，這點與王蓮閣等[37]的觀點相一致。

本研究是在設置溫度為25℃、含水率為田間持水率的60%的培養(yǎng)箱內(nèi)進行的室內(nèi)培養(yǎng)，通過堿液吸收法模擬測定了土壤有機碳的礦化動態(tài)，為期112 d，然而，在自然條件下，土壤溫度和水分會有起伏變化，同時大氣沉降、施肥狀況和植茶年限等也會對土壤有機碳礦化產(chǎn)生特定影響，因此未來試驗需要將室內(nèi)培養(yǎng)與田間定位試驗相結合，同時延長試驗周期。此外，本研究僅關注于單獨施用茶渣生物質(zhì)炭對茶園土壤的有機碳礦化特征的影響，未來可以增加向土壤中混合施用茶渣和茶渣生物質(zhì)炭的對照組，為茶渣生物質(zhì)炭的實際資源化利用提供更充分的理論依據(jù)。

4 結論

①施用茶渣生物質(zhì)炭顯著提高了3種茶園土壤的有機碳含量，且對黃壤有機碳含量的提升幅度要顯著高于紫色土和水稻土。茶渣生物質(zhì)炭施用對茶園土壤有機碳含量的影響與其土壤自身性質(zhì)和生物質(zhì)炭施用量密切相關。

②施用茶渣生物質(zhì)炭對茶園紫色土和水稻土有機碳的礦化速率、累積礦化量、礦化強度和可礦化有機碳含量均存在顯著提升作用，促進了兩種土壤有機碳的礦化分解，但對茶園黃壤有機碳礦化特征的影響與茶渣生物質(zhì)炭施用量相關，0.5%施用比下顯著降低了黃壤的礦化速率、累積礦化量和潛在礦化量，且所有生物質(zhì)炭處理均能顯著降低黃壤的礦化強度（P＜0.05），且施用量越高降幅越大。

③一級動力學方程較好地模擬出了茶渣生物質(zhì)炭輸入后3種茶園土壤有機碳礦化的動態(tài)特征。茶渣生物質(zhì)炭的施用能顯著減弱茶園紫色土和水稻土的固碳能力，同時顯著增強茶園黃壤的土壤固碳能力。