曾 雄，肖欣娟，夏建國*，鮮順志

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130；2.成都市農(nóng)業(yè)技術(shù)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(qiáng)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(jī)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(jī)碳的累積、大氣CO2排放都有著直接深遠(yuǎn)的影響[4-8]。大量研究表明，外源有機(jī)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(jī)質(zhì)腐質(zhì)化、C/N比和呼吸速率等，對土壤有機(jī)碳的礦化起到促進(jìn)或抑制作用[9-13]。我國是世界上茶葉生產(chǎn)和消費(fèi)大國，而雅安市作為公認(rèn)的中國茶都，植茶面積早在2013年就躍居全國第二[14]，同時(shí)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(fèi)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(fèi)[16]。目前，有關(guān)生物質(zhì)炭施用對土壤有機(jī)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(jī)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(yàn)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(jī)碳礦化特征的影響。本研究結(jié)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(diǎn)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?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)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(jì)老沖積物發(fā)育而來的黃壤（YE）和第四紀(jì)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(biāo)志產(chǎn)品蒙頂山茶保護(hù)范圍內(nèi)3個(gè)樣點(diǎn)，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(yàn)。

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(fēng)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(yàn)

取250 mL的塑料瓶，裝相當(dāng)于烘干土20 g的風(fēng)干土[18-20]（紫色土、水稻土和黃壤），在設(shè)置溫度25℃的培養(yǎng)箱內(nèi)預(yù)培養(yǎng)1周后，設(shè)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(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。將茶渣生物質(zhì)炭與3種茶園土壤充分混勻，進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)，調(diào)節(jié)水分使土壤含水率達(dá)到田間持水率的60%，放一個(gè)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(bǔ)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(shí)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(jì)），同時(shí)計(jì)算各培養(yǎng)期內(nèi)土壤有機(jī)碳的礦化速率、累積礦化量和礦化強(qiáng)度（%）等。

1.4 測定方法及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

土壤有機(jī)碳礦化量（mg/kg）=CCO2×吸收液體積/土壤或生物炭干重；

土壤有機(jī)碳礦化速率（mg/(kg·d)）=培養(yǎng)時(shí)間段內(nèi)有機(jī)碳礦化量/培養(yǎng)時(shí)間；

土壤有機(jī)碳累積礦化量(mg/kg)=從培養(yǎng)開始到某個(gè)時(shí)間點(diǎn)釋放的CO2總和；

土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度（%）=土壤有機(jī)碳礦化量/土壤有機(jī)碳總量×100%。

土壤有機(jī)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(jìn)行一級動力學(xué)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(jì)與分析均利用Microsoft Excel 2010和SPSS 24軟件進(jìn)行，圖表的繪制采用Origin 9.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶渣生物質(zhì)炭對茶園土壤有機(jī)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(jī)碳含量，其施用對黃壤有機(jī)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(jī)碳含量在整個(gè)培養(yǎng)期間呈持續(xù)緩慢減少趨勢（表2）。在培養(yǎng)期結(jié)束時(shí)，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(jī)碳含量分別較開始時(shí)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(jī)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(jī)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(shí)間的變化先迅速下降，然后逐漸趨于平緩（圖1）。在整個(gè)培養(yǎng)期間，黃壤0.5%茶渣生物質(zhì)炭處理的土壤有機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)作用，且隨著茶渣生物質(zhì)炭施用量增加，茶園土壤有機(jī)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(jī)碳礦化速率隨時(shí)間的變化符合對數(shù)函數(shù)，擬合效果均達(dá)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(jī)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(jī)碳的累計(jì)礦化量變化如圖2所示，即3種土壤的有機(jī)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(jié)束時(shí)，黃壤0.5%茶渣生物質(zhì)炭處理的土壤有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)碳礦化起促進(jìn)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(jìn)作用，且茶渣生物質(zhì)炭施用量越高，茶園土壤有機(jī)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(jī)碳礦化強(qiáng)度的影響

土壤有機(jī)碳礦化特征中，礦化強(qiáng)度比累積礦化量更能準(zhǔn)確反映土壤有機(jī)碳礦化分解的程度。圖3顯示在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，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(jī)碳的礦化強(qiáng)度，而降低了黃壤土壤有機(jī)碳的礦化強(qiáng)度，且變化幅度均與生物質(zhì)炭施用比例正相關(guān)。這表明，茶渣生物質(zhì)炭顯著促進(jìn)了紫色土和水稻土的有機(jī)碳礦化分解，但對黃壤的有機(jī)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(qiáng)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(jī)碳礦化動力學(xué)特征的影響

對培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)3種茶園土壤有機(jī)碳的變化過程進(jìn)行一級動力學(xué)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(jī)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(jī)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(jī)碳量。另外，茶渣生物質(zhì)炭施用對土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)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(jī)碳的周轉(zhuǎn)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(jī)碳的周轉(zhuǎn)速率，促進(jìn)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(xué)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(jī)碳含量的影響

大量研究表明，生物質(zhì)炭施用進(jìn)土壤后能夠顯著提升土壤有機(jī)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(jī)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(jī)碳含量與生物質(zhì)炭施用量呈正相關(guān)。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(jī)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(jī)碳含量，且隨著施用比例的增大而增加，這與上述研究結(jié)果相似。另外，茶渣生物質(zhì)炭施用對黃壤有機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)土壤有機(jī)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(jìn)了土壤有機(jī)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(jī)碳具有一定的保護(hù)作用，生物質(zhì)炭與秸稈配合施用促進(jìn)了土壤有機(jī)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(jī)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(shí)生物質(zhì)炭自身發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)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(jī)碳的分解，促進(jìn)土壤有機(jī)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(jìn)土壤有機(jī)碳的礦化。

同時(shí)也有研究表明，生物質(zhì)炭加入到土壤后會對土壤有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)碳礦化存在抑制作用。這與趙次嫻等[30]的觀點(diǎn)較一致，她發(fā)現(xiàn)施用0.1%生物質(zhì)炭的試驗(yàn)土壤累計(jì)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(hù)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(jī)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(jìn)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(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化速率，增加土壤CO2的排放。但隨著培養(yǎng)時(shí)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(jī)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(jī)碳礦化速率不斷減小。另外，生物質(zhì)炭的孔隙結(jié)構(gòu)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(jī)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(shí)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(shí)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(jī)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(diǎn)：①是紫色土和水稻土的土壤有機(jī)碳含量顯著高于黃壤，而土壤有機(jī)碳的礦化量與土壤有機(jī)碳含量呈正相關(guān)[34]，土壤有機(jī)碳的礦化分解與土壤中易分解態(tài)碳含量密切相關(guān)；②是土壤顆粒組成不同造成的；③是土壤結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jìn)一步研究得知。

土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度反映了土壤CO2-C累計(jì)釋放量占土壤總有機(jī)碳的比值[37]，更能準(zhǔn)確表征土壤有機(jī)碳礦化量的大小，反映土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。本研究結(jié)果中，各處理下3種土壤的累計(jì)釋放量大小表現(xiàn)為水稻土＞紫色土＞黃壤，然而礦化強(qiáng)度卻剛好相反，說明3種土壤中有機(jī)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(qiáng)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(jī)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(jī)碳含量高低，這點(diǎn)與王蓮閣等[37]的觀點(diǎn)相一致。

本研究是在設(shè)置溫度為25℃、含水率為田間持水率的60%的培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行的室內(nèi)培養(yǎng)，通過堿液吸收法模擬測定了土壤有機(jī)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(shí)大氣沉降、施肥狀況和植茶年限等也會對土壤有機(jī)碳礦化產(chǎn)生特定影響，因此未來試驗(yàn)需要將室內(nèi)培養(yǎng)與田間定位試驗(yàn)相結(jié)合，同時(shí)延長試驗(yàn)周期。此外，本研究僅關(guān)注于單獨(dú)施用茶渣生物質(zhì)炭對茶園土壤的有機(jī)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(shí)際資源化利用提供更充分的理論依據(jù)。

4 結(jié)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(jī)碳含量，且對黃壤有機(jī)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(jī)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(guān)。

②施用茶渣生物質(zhì)炭對茶園紫色土和水稻土有機(jī)碳的礦化速率、累積礦化量、礦化強(qiáng)度和可礦化有機(jī)碳含量均存在顯著提升作用，促進(jìn)了兩種土壤有機(jī)碳的礦化分解，但對茶園黃壤有機(jī)碳礦化特征的影響與茶渣生物質(zhì)炭施用量相關(guān)，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(qiáng)度（P＜0.05），且施用量越高降幅越大。

③一級動力學(xué)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(jī)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(shí)顯著增強(qiáng)茶園黃壤的土壤固碳能力。