茶渣生物质炭对名山茶园土壤有机碳矿化特征的影响

曾 雄，肖欣娟，夏建国*，鲜顺志

（1.四川农业大学资源学院，成都 611130；2.成都市农业技术推广总站，成都 610041）

生物质炭(biochar)是指生物质经热裂解炭化形成的一类含碳量丰富，拥有较大的孔隙度和比表面积，且具有很强的吸附性和稳定性的高度芳香化难溶性固态产物[1-3]。而土壤有机碳（SOC）矿化是陆地生态系统碳循环的重要一环，其对于土壤有机碳的累积、大气CO2排放都有着直接深远的影响[4-8]。大量研究表明，外源有机物料生物质炭作为施用剂施入到土壤以后，可以改变土壤中有机质腐质化、C/N比和呼吸速率等，对土壤有机碳的矿化起到促进或抑制作用[9-13]。我国是世界上茶叶生产和消费大国，而雅安市作为公认的中国茶都，植茶面积早在2013年就跃居全国第二[14]，同时茶产业也是乡村振兴战略和现代农业产业体系的重要组成部分[15]。在茶叶生产和消费过程中产生的茶渣数量可观，但大多缺乏合理的处置，从而造成生物资源的巨大浪费[16]。目前，有关生物质炭施用对土壤有机碳矿化影响的研究多聚焦于耕地土壤，而针对茶园土壤有机碳的研究相对不足。

因此，本研究以茶渣生物质炭施用入3种茶园土壤（紫色土、黄壤和水稻土），通过室内培养试验分析不同炭土比的茶渣生物质炭施用对3种茶园土壤有机碳矿化特征的影响。本研究结果可为茶渣的资源化利用另辟蹊径和判定茶渣生物质炭作为茶园土壤固碳措施的可行性，对我国茶产业的可持续健康发展和茶渣资源化利用具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

采样点位于四川盆地西南边缘（N30°00′～30°15′，E103°03′～103°22′）的雅安市名山区，海拔650～1 456 m，该区域为亚热带季风性湿润气候区，年均气温15.4℃，最高气温35.2℃，全年无霜期294 d，年均降水量约1 500 mm，相对湿度82%，气候温和湿润，四季分明，为低光辐射区。研究区域原始地带性植被为亚热带常绿阔叶林，出露地层为中生代以后的沉积岩，地貌以丘陵台地为主[17]。气候和地形适宜于茶树生长。

1.2 供试材料

供试土壤为典型茶园土，包括第三系名山群坡积物发育而来的紫色土（PU）、第四纪老冲积物发育而来的黄壤（YE）和第四纪老冲积黄壤发育而来的水稻土（PA）3种，于2018年12月采自地理标志产品蒙顶山茶保护范围内3个样点，取0～20 cm耕作层，剔除石块和根系过2 mm筛，充分混合均匀，按网格法取样3份各500 g，测定土壤基本理化性质（表1），剩余样品用于室内培养试验。

表1 3种茶园土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of three tea garden soils

本研究所用茶渣均来源于四川蒙顶山茶茶厂，自然风干后去除肉眼可见杂质，过2 mm筛，采用限氧裂解法在马弗炉中以500℃裂解2.5 h，冷却后过0.15 mm筛，存于棕色瓶中待用。

1.3 室内培养试验

取250 mL的塑料瓶，装相当于烘干土20 g的风干土[18-20]（紫色土、水稻土和黄壤），在设置温度25℃的培养箱内预培养1周后，设单一土壤处理（CK）、生物质炭土壤（生物质炭/土壤质量比分别为0.5%、1%、2%、4%）及单一生物质炭处理，共16个处理，每个处理设3个重复。将茶渣生物质炭与3种茶园土壤充分混匀，进行室内培养，调节水分使土壤含水率达到田间持水率的60%，放一个含5 mL，1 mol/L NaOH的小塑料瓶悬挂于大塑料瓶中用来吸收CO2，大塑料瓶加盖密封。培养过程中，用称重法间隔1周补充矿化损失水分。在培养第1、2、4、7、14、21、30、40、50、60、75、90和112 天时置换装有碱液的小塑料瓶，并打开大塑料瓶约20 min，使瓶内外气体充分交换，用浓度为0.5 mol/L的盐酸测定NaOH吸收的CO2量（mg/kg，以C计），同时计算各培养期内土壤有机碳的矿化速率、累积矿化量和矿化强度（%）等。

1.4 测定方法及数据统计

土壤有机碳矿化量（mg/kg）=CCO2×吸收液体积/土壤或生物炭干重；

土壤有机碳矿化速率（mg/(kg·d)）=培养时间段内有机碳矿化量/培养时间；

土壤有机碳累积矿化量(mg/kg)=从培养开始到某个时间点释放的CO2总和；

土壤有机碳矿化强度（%）=土壤有机碳矿化量/土壤有机碳总量×100%。

土壤有机碳含量及土壤基本理化性质测定参考《土壤农化分析》[21]，对3种土壤进行一级动力学矿化拟合，并采用邓肯(Duncan)多重比较法分析比较不同数据之间的差异（P＜0.05），所有数据的统计与分析均利用Microsoft Excel 2010和SPSS 24软件进行，图表的绘制采用Origin 9.0完成。

2 结果与分析

2.1 茶渣生物质炭对茶园土壤有机碳含量的影响

在112 d培养期间，所有茶渣生物质炭处理均显著增加了3种茶园土壤的有机碳含量，其施用对黄壤有机碳含量的提升幅度要显著高于紫色土和水稻土，且高施用量下这种影响更明显。茶渣生物质炭加入后，3种茶园土壤有机碳含量在整个培养期间呈持续缓慢减少趋势（表2）。在培养期结束时，茶渣生物质炭处理的茶园土壤（紫色土、黄壤和水稻土）有机碳含量分别较开始时下降了10.32%～11.85%、7.96%～11.88%和8.35%～9.43%，CK（紫色土、黄壤和水稻土）处理下降了12.52%、23.31%和9.46%，CK下降更为明显。

表2 3种茶园土壤不同炭土比下有机碳含量Table 2 Organic carbon content of three tea garden soils with different carbon-soil ratios g·kg-1

2.2 茶渣生物质炭对茶园土壤有机碳矿化速率的影响

不同炭土比处理下，茶园土壤SOC的矿化速率随着培养时间的变化先迅速下降，然后逐渐趋于平缓（图1）。在整个培养期间，黄壤0.5%茶渣生物质炭处理的土壤有机碳矿化速率较其CK下降了4.17%～9.21%，而黄壤其他茶渣生物质炭处理的土壤有机碳矿化速率较CK增加了4.01%～59.10%；茶渣生物质炭施用对茶园紫色土和水稻土的土壤有机碳矿化速率较其CK分别增加了15.38%～140.74%和12.01%～141.47%。这表明，茶渣生物质炭施用对茶园紫色土和水稻土的SOC矿化起促进作用，而黄壤0.5%处理则起抑制作用，其余施用量下则起促进作用，且随着茶渣生物质炭施用量增加，茶园土壤有机碳矿化速率增加越明显。回归分析显示，培养期间土壤有机碳矿化速率随时间的变化符合对数函数，拟合效果均达到极显著水平（P＜0.01），生物质炭处理中的R2在0.833～0.911。

图1 3种茶园土壤不同炭土比下SOC矿化速率变化特征Figure 1 Variation characteristics of SOC mineralization rate in three tea garden soils with different carbon-soil ratios

2.3 茶渣生物质炭对茶园土壤有机碳累积矿化量的影响

茶渣生物质炭加入后，茶园土壤有机碳的累计矿化量变化如图2所示，即3种土壤的有机碳累积矿化量均呈现培养初期快速增长，后期逐渐减慢并趋于平缓的趋势。培养期结束时，黄壤0.5%茶渣生物质炭处理的土壤有机碳累积矿化量较其CK下降了21.88%，而黄壤其他处理的土壤有机碳累积矿化量较CK增加了9.38%～56.25%；茶渣生物质炭施用对紫色土和水稻土的土壤有机碳累积矿化量分别较其CK增加了27.47%～145.05%和18.83%～103.65%。这表明，茶渣生物质炭施用对茶园紫色土和水稻土的土壤有机碳矿化起促进作用，而黄壤0.5%施用处理下起抑制作用，其余施用量下则起促进作用，且茶渣生物质炭施用量越高，茶园土壤有机碳累积矿化量越大。

图2 3种茶园土壤不同炭土比下SOC累积矿化量变化特征Figure 2 Variation characteristics of SOC cumulative mineralization under different carbon-soil ratios in three tea garden soils

2.4 茶渣生物质炭对茶园土壤有机碳矿化强度的影响

土壤有机碳矿化特征中，矿化强度比累积矿化量更能准确反映土壤有机碳矿化分解的程度。图3显示在培养结束时，所有茶渣生物质炭处理均显著增加了紫色土和水稻土土壤有机碳的矿化强度，而降低了黄壤土壤有机碳的矿化强度，且变化幅度均与生物质炭施用比例正相关。这表明，茶渣生物质炭显著促进了紫色土和水稻土的有机碳矿化分解，但对黄壤的有机碳矿化存在一定程度的抑制作用。

图3 3种茶园土壤不同炭土比下SOC矿化强度特征Figure 3 SOC mineralization intensity characteristics of three tea garden soils with different carbon-soil ratios

2.5 茶渣生物质炭对茶园土壤有机碳矿化动力学特征的影响

对培养时间内3种茶园土壤有机碳的变化过程进行一级动力学方程拟合，拟合效果良好（表4）。所有茶渣生物质炭均显著提高了紫色土和水稻土的土壤潜在可矿化有机碳量（C0）；黄壤0.5%茶渣生物质炭处理降低了土壤潜在可矿化有机碳量，其他茶渣生物质炭处理则提高了茶园土壤潜在可矿化有机碳量。另外，茶渣生物质炭施用对土壤有机碳的周转速率常数（k）和半衰期（T1/2）也产生了一定影响，土壤有机碳的周转速率常数随着茶渣生物质炭施用量增大而减小，半衰期随着茶渣生物质炭施用量增大而增大。这说明茶渣生物质炭加入茶园土壤后加快了土壤有机碳的周转速率，促进其加速分解。

表4 3种茶园土壤不同炭土比下SOC矿化动力学参数Table 4 Kinetic parameters of SOC mineralization under different carbon-soil ratios in three tea garden soils

3 讨论

3.1 茶渣生物质炭对茶园土壤有机碳含量的影响

大量研究表明，生物质炭施用进土壤后能够显著提升土壤有机碳含量，原因可能是生物质炭本身能够裹挟带入一定量的易分解有机碳和速效养分[4]。D.A.Laird等[22]将不同比例生物质炭施入土壤中，发现有机碳含量与生物质炭施用量呈正相关。罗梅等[23]以0.5倍和2倍生物质炭配施化肥还田，发现紫色土有机碳含量和生物质炭用量成正比。本研究中，茶渣生物质炭施用显著提升了3种茶园土壤的有机碳含量，且随着施用比例的增大而增加，这与上述研究结果相似。另外，茶渣生物质炭施用对黄壤有机碳含量的提升幅度要显著高于紫色土和水稻土，且高施用量下这种影响更明显，这可能是黄壤自身有机质及速效养分含量明显低于紫色土和水稻土，所以提升空间较大。

3.2 茶渣生物质炭对茶园土壤有机碳矿化的影响

有研究表明，生物质炭加入到土壤环境后会促进土壤有机碳和生物质炭自身的矿化[9]。刘岩等[24]发现2种木本材料在500℃温度下热裂解制备的生物质炭在所有处理下均促进了土壤有机碳的矿化。张婷等[25]也在研究中发现了添加生物质炭对土壤固有土壤有机碳具有一定的保护作用，生物质炭与秸秆配合施用促进了土壤有机碳的矿化。本研究中，茶渣生物质炭施用显著提高了紫色土、水稻土以及黄壤1%、2%和4%施用处理的土壤有机碳的矿化速率和累积矿化量，且随着茶渣生物质炭施用量的增加而增加。这可能是生物质炭施用有助于土壤微生物的活动，同时生物质炭自身发达的孔隙结构还能在一定程度上为土壤微生物活动提供场所，从而增加其对土壤有机碳的分解，促进土壤有机碳的矿化[9]。S.M.Troy及刘岩等[26-27]的研究发现，施用云杉木生物质炭和水稻秸秆生物质炭均能显著提高土壤微生物的呼吸速率和活性，促进土壤有机碳的矿化。

同时也有研究表明，生物质炭加入到土壤后会对土壤有机碳矿化产生抑制作用。T.J.Purakayastha等[28]研究表明，施加玉米秸秆和小麦秸秆生物质炭，均可以抑制土壤自身土壤有机碳的降解。康熙龙等[29]发现一次性大量施入生物质炭3年后且长期种植玉米的旱地土壤有机碳矿化作用较对照降低。本研究中，黄壤0.5%茶渣生物质炭施用处理的土壤有机碳矿化速率和累积矿化量要显著低于单一处理CK，说明0.5%茶渣生物质炭施用量下对黄壤土壤有机碳矿化存在抑制作用。这与赵次娴等[30]的观点较一致，她发现施用0.1%生物质炭的试验土壤累计矿化量相比于对照显著减少。这可能是生物质炭对土壤中活性物质的包封和吸附保护作用起到了一定作用[31]。

本研究培养初期，茶渣生物质炭的施用极大地提高了3种土壤有机碳的矿化速率，推测可能是水分的加入和茶渣生物质炭携带的速效养分促进了土壤微生物活动所致的。茶渣生物质炭本身也含不少氮素，在培养初期可改变土壤C/N比，提升有机物质的转化速率，增加土壤CO2的排放。但随着培养时间的延长，土壤中的易分解态碳不断消耗，生物质炭对小分子有机碳的吸附包封等作用开始显现，使土壤微生物的可利用物减少，生长生产活动逐渐受限，使土壤有机碳矿化速率不断减小。另外，生物质炭的孔隙结构和巨大比表面积可吸附土壤酶，降低其活性，从而降低土壤有机物质的生物有效性，由于吸附过程较缓慢，因此在培养一段时间后才得以显现[32-33]。土壤及生物质炭中的有效氮素也随培养时间的延长而不断消耗减少，从而使土壤C/N比再次改变，氮素逐渐成为影响土壤微生物活性的限制条件，因此土壤微生物只能维持最基本代谢活动，这也可能是3种茶园土壤的有机碳矿化速率逐渐下降至平稳水平的原因之一。另外，紫色土和水稻土的矿化速率和累积矿化量要显著高于黄壤，分析其原因可能有三点：①是紫色土和水稻土的土壤有机碳含量显著高于黄壤，而土壤有机碳的矿化量与土壤有机碳含量呈正相关[34]，土壤有机碳的矿化分解与土壤中易分解态碳含量密切相关；②是土壤颗粒组成不同造成的；③是土壤结构组成不同，基本理化性质有所差异[35-36]，丰富的速效养分可促进土壤微生物的快速生长，从而增加土壤CO2的释放，但更深层原因还需进一步研究得知。

土壤有机碳矿化强度反映了土壤CO2-C累计释放量占土壤总有机碳的比值[37]，更能准确表征土壤有机碳矿化量的大小，反映土壤有机碳的稳定性。本研究结果中，各处理下3种土壤的累计释放量大小表现为水稻土＞紫色土＞黄壤，然而矿化强度却刚好相反，说明3种土壤中有机碳稳定性最差的是黄壤。茶渣生物质炭的输入显著增加了紫色土和水稻土的矿化强度，然而却显著降低了黄壤的（P＜0.05），说明生物质炭的施用增加了黄壤有机碳稳定性，且施用比例越高越好。探究其造成这种差异的主要原因可能是土壤自身性质，如土壤有机碳含量高低，这点与王莲阁等[37]的观点相一致。

本研究是在设置温度为25℃、含水率为田间持水率的60%的培养箱内进行的室内培养，通过碱液吸收法模拟测定了土壤有机碳的矿化动态，为期112 d，然而，在自然条件下，土壤温度和水分会有起伏变化，同时大气沉降、施肥状况和植茶年限等也会对土壤有机碳矿化产生特定影响，因此未来试验需要将室内培养与田间定位试验相结合，同时延长试验周期。此外，本研究仅关注于单独施用茶渣生物质炭对茶园土壤的有机碳矿化特征的影响，未来可以增加向土壤中混合施用茶渣和茶渣生物质炭的对照组，为茶渣生物质炭的实际资源化利用提供更充分的理论依据。

4 结论

①施用茶渣生物质炭显著提高了3种茶园土壤的有机碳含量，且对黄壤有机碳含量的提升幅度要显著高于紫色土和水稻土。茶渣生物质炭施用对茶园土壤有机碳含量的影响与其土壤自身性质和生物质炭施用量密切相关。

②施用茶渣生物质炭对茶园紫色土和水稻土有机碳的矿化速率、累积矿化量、矿化强度和可矿化有机碳含量均存在显著提升作用，促进了两种土壤有机碳的矿化分解，但对茶园黄壤有机碳矿化特征的影响与茶渣生物质炭施用量相关，0.5%施用比下显著降低了黄壤的矿化速率、累积矿化量和潜在矿化量，且所有生物质炭处理均能显著降低黄壤的矿化强度（P＜0.05），且施用量越高降幅越大。

③一级动力学方程较好地模拟出了茶渣生物质炭输入后3种茶园土壤有机碳矿化的动态特征。茶渣生物质炭的施用能显著减弱茶园紫色土和水稻土的固碳能力，同时显著增强茶园黄壤的土壤固碳能力。