Impact of biochar-based fertilizers on soil fertility in tea plantations and their effects on tea yield and quality

试验地位于浙江省丽水市遂昌县项村茶园(28°34′12″N，119°12′06″E)，海拔为275.7 m。该地属于亚热带季风气候，年平均气温为19.1 ℃，年平均降水量达1 559.0 mm，全年可以分为干季和湿季，降水集中在3—9月(湿季)，多年平均日照时数为1 755.0 h，平均霜期为114.5 d。所选试验茶园的茶树属于白化茶树品种，树龄10 a。整个茶园肥力分布较为均匀，产茶量低。试验开始前，采集试验田0~20 cm 的茶园土，该地土壤理化性质为pH 4.60，有机质24.49 g·kg⁻¹，全氮1.67 g·kg⁻¹，碱解氮90.12 mg·kg⁻¹，有效磷52.45 mg·kg⁻¹，速效钾100.02 mg·kg⁻¹。

为减少单一年份可能存在异常情况对结果的影响，在2022—2023年进行了为期2 a的茶园试验。共设置4个处理组：不施肥(ck)、化肥(CF)、生物质炭基肥(BF)以及生物质炭基肥与化肥按氮磷钾施用量1∶1混施(CBF)。对于CF、BF和CBF处理，所施肥料中含有的氮、磷、钾养分元素等量。每个施肥小区纯氮(N)的施用量为360 kg·hm⁻²，纯磷(P₂O₅)的施用量为225 kg·hm⁻²，纯钾(K₂O)的施用量为225 kg·hm⁻²。不同处理之间的施肥、施肥时间以及施肥处理的营养施用量如表1所示。每个处理3个重复，共12个试验小区，每个小区面积为50 m²。各个试验小区间的保护垄用塑料膜进行包裹并踩实，以避免小区间串水串肥。每年施肥时间为春季追肥(3月)和秋季追肥(10月底)2次，分别占60%和40%。施肥方式均为沟施，土壤深度控制在10~20 cm。病虫杂草的控制等其他田间管理措施，均遵循当地农业管理习惯。

所采集的样品分为土壤样品和茶叶样品。土壤样品在每年秋肥施用前采集。采样时需要避开沟渠、道路等区域，清除地表凋落物后采集0~20 cm土层土样，每个小区取8个样品(“S”形取样法取样)混合均匀，剔除杂物后取1 kg左右带回实验室通风处自然晾干，然后研磨过筛备用。茶叶样品是在春茶采摘期按照1芽2叶的采摘标准在各小区采集鲜叶。将采摘的鲜叶带回实验室后立即放置于105 ℃的烘箱中杀青30 min后，降至60 ℃恒温烘干至恒量，研磨过筛后保存。

土壤相关化学指标的测定主要参照《土壤农化分析》^[12]进行，其中pH采用电位法测定(土水体积比为1.0∶2.5)；总有机质(OM)采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定；全氮(TN)采用浓硫酸-高氯酸消煮，用凯氏定氮法测定；碱解氮(AN)采用碱解扩散法测定；有效磷(AP)采用NH₄F浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾(AK)采用NH₄OAc浸提-火焰光度计法测定。

茶叶产量测定参照李昌娟等^[9]的方法。于每年春茶采摘期(3—4月)，在每个小区随机设置3个点，分别使用测产框(1 m×1 m)采摘框中所有茶芽(1芽2叶为标准)，并称量记录。间隔半月等新芽抽出再次采摘茶芽。春茶采摘期每个小区各批次采摘的茶叶质量相加即为相应处理的茶青产量，并折算成单位面积产量(kg·hm⁻²)。将茶叶经过H₂SO₄-H₂O₂消煮，使用凯氏定氮仪法测定茶叶全氮，钼锑抗比色法测定茶叶全磷，火焰光度计法测定茶叶全钾。

游离氨基酸作为茶树的初级代谢产物，在茶水的鲜味形成中起着重要作用；咖啡碱和茶多酚是茶树的次生代谢产物，茶叶所含咖啡碱是茶水中苦味的来源，可与游离氨基酸、茶多酚等形成鲜爽络合物；酚氨比则是茶叶适制性的重要指标之一^{[5, 13]}，因此选取茶叶中的水浸出物、游离氨基酸、咖啡碱、茶多酚、酚氨比作为衡量茶叶品质的指标。茶叶中水浸出物采用沸水浸提重量法(GB/T 8305—2013)测定；咖啡碱采用碱式乙酸铅紫外分光光度法(GB/T 8312—2013)测定；茶多酚采用福林酚分光光度法(GB/T 8313—2018)测定；游离氨基酸的测定采用茚三酮分光光度法(GB/T 8314—2013)测定。酚氨比为茶多酚与游离氨基酸的比值，其比值越低，表明绿茶品质越高。茶叶品质指数由各单项品质指标乘以相应的权重得到，各单项品质指标的权重基于主成分分析法确定^[9]。水浸出物的权重为0.22，游离氨基酸权重为0.20，咖啡碱的权重为0.25，茶多酚的权重为0.11，酚氨比的权重为0.22。这些权重值体现了各品质指标在茶叶综合品质评价中的相对重要性。

使用SPSS 26.0对数据进行单因素 ANOVA方差分析时，采用LSD多重比较法检验不同处理之间差异的显著性。使用Excel绘制图形。使用SPSSAU 进行灰色关联度分析，以确定各潜在影响因子对茶叶产量和品质的影响程度。

从表2可知：相比ck，2022—2023年CF处理的土壤pH降低，但未达显著差异；而BF 和CBF处理显著提升了土壤pH (P＜0.05)，且CBF处理的提升效果显著优于BF处理。这表明施用生物质炭基肥可以改良土壤酸碱度，且与单施生物质炭基肥相比，生物质炭基肥与化肥配施对缓解土壤酸化的效果更好。研究期内，茶园CBF处理的土壤有机质质量分数显著高于ck (P＜0.05)，表明生物质炭基肥与化肥配施相比不施肥有利于提升土壤碳储量。不同施肥处理对茶园土壤中全氮、碱解氮、有效磷、速效钾质量分数变化的影响趋势相似，均表现为CBF＞BF＞CF＞ck，且CBF和BF处理土壤中氮磷钾质量分数均显著高于CF处理(P＜0.05)，表明施用生物质炭基肥能有效增加土壤中氮磷钾养分质量分数。

从图1可知：单施化肥、生物质炭基肥以及生物质炭基肥和化肥配施均不同程度地促进了茶树对氮、磷、钾养分的吸收。相比ck，3种施肥处理的茶叶氮、磷、钾质量分数分别增加了10.67%~54.82%，33.27%~71.10%和12.86%~25.60%。施肥类型影响茶叶氮、磷、钾质量分数的累积，不同施肥处理茶叶中平均氮、磷、钾质量分数均表现为：CBF＞BF＞CF，且它们之间的差异达到显著水平(P＜0.05)。与CF处理相比， BF和CBF处理茶叶氮质量分数分别增加11.75%~13.88%和26.98%~28.13%；磷质量分数分别增加4.52%~10.45%和17.95%~21.78%；钾质量分数分别增加4.12%~5.04%和7.03%~7.44%。由此可知，单施生物质炭基肥及生物质炭基肥与化肥配施均能促进茶树对氮、磷、钾养分的吸收，其中以生物质炭基肥与化肥配施效果最佳。

Figure 1.  Influence of different fertilization treatments on the nitrogen, phosphorus, and potassium concentrations of tea leaves

从表3可知：不同施肥处理对茶叶产量影响较大。相较于ck处理，施肥均能显著提高茶叶产量(P＜0.05)。不同施肥类型之间茶叶产量存在显著差异(P＜0.05)，其中CBF处理对茶叶的增产效果最好。与CF处理相比，BF和CBF处理的茶叶产量分别提高了23.13%~24.54%和53.27%~53.75%。施肥类型也对茶叶品质具有显著影响。与CF处理相比，CBF处理的茶叶水浸出物、咖啡碱、茶多酚和游离氨基酸质量分数均得到显著提高，提高率分别为17.69%~19.04%、16.19%~16.35%、9.55%~11.64%和15.33%~16.65%；而酚氨比则显著降低(P＜0.05)。BF处理相比CF处理对茶叶水浸出物、咖啡碱、茶多酚和氨基酸的提高率分别为6.42%~7.62%、5.94%~10.20%、4.03%~6.25%和8.48%~10.40%，其提升效果小于CBF处理。研究期内CBF处理的酚氨比显著低于BF处理(P＜0.05)。不同施肥处理茶叶综合品质指数大小表现为CBF＞BF＞CF＞ck，其中CBF处理的茶叶品质综合指数显著高于BF、CF和ck处理(P＜0.05)，2023年BF和CF处理间无显著差异。综合而言，与不施肥处理相比，施用化肥、生物质炭基肥及生物质炭基肥和化肥配施均能显著提高该茶园茶叶各品质成分质量分数，但茶叶的综合品质提升效果以CBF处理更为明显。

分别以茶叶产量和品质作为“参考值”，以潜在影响因素作为“子序列”进行灰色关联度分析，结果如图2所示。从图2可知：茶叶产量与土壤pH、碱解氮和有效磷的关联程度最高，关联系数均大于0.70。其次为土壤速效钾、全氮和茶叶磷质量分数，与产量的关联系数为0.64~0.70，而土壤有机质及茶叶氮、茶叶钾质量分数与产量的相关性较低，关联系数为0.54~ 0.58。土壤pH、茶叶钾、茶叶氮质量分数对茶叶品质影响最大，灰色关联系数大于0.81；其次为土壤有机质和茶叶磷质量分数，灰色关联系数为0.70~0.74。由此可知，影响茶叶产量和品质的关键因素不同，供试茶园土壤pH、碱解氮和有效磷是影响茶叶产量关键因素，而茶叶品质与土壤pH、茶叶钾和氮质量分数的关系更紧密。

Figure 2.  Grey relational analysis of tea yield and quality with potential influencing factors

茶树适宜生长于pH为4.5~6.0的土壤中。化肥长期施用和茶树根系分泌物会导致茶园土壤pH下降，严重阻碍茶树的生长，进而导致茶叶的产量和品质下降^[14]。因此，改善茶园土壤的酸碱度对于实现茶园可持续发展至关重要。本研究通过在老龄酸化茶园施用生物质炭基肥2 a后发现，研究期内茶园土壤的pH持续提高，有效缓解了长期施用化肥带来的土壤酸化问题。一般而言，生物质炭富含碱性盐基物质和具有丰富的负电荷表面，将其作为原材料之一制成的生物质炭基肥呈碱性(pH 8.2)，将其施入土壤后既能中和土壤中已存在和茶树根系释放的H⁺，也可以增加土壤交换性盐基，提高土壤酸缓冲能力，从而提升土壤 pH^[15−16]。

土壤有机质是衡量土壤肥力的重要标志之一。本研究中BF和CBF处理比ck显著提高了茶园土壤中有机质质量分数。这是因为生物质炭基肥中含有大量有机碳，作为外源有机碳输入到土壤中可以增加土壤有机质质量分数^[17]；另外，肥料中的生物质炭可与土壤中的矿物质发生络合、阳离子桥联等相互作用形成有机无机复合物，从而提高土壤有机质质量分数 ^[18−19]。

已有研究表明：施用生物质炭基肥能够显著增加土壤中碱解氮、有效磷和有效钾等养分^[20−21]。本研究结果显示：BF相较于ck在提升土壤氮素效果上有显著优势。这一优势源于施入生物质炭基肥后的双重效应：一方面，土壤中的${\mathrm{NO}}^{\text{−}}_3 $-N能被吸附在生物质炭的阴离子交换位点上，有效降低了${\mathrm{NO}}^{\text{−}}_3 $-N在反硝化过程中向大气的挥发损失，并降低了土壤中${\mathrm{NO}}^{\text{−}}_3 $-N的淋失率^[22]；另一方面，南方高温多雨，化肥施入土壤后，${\mathrm{NH}}^{\text{+}}_4 $易通过硝化作用转换为${\mathrm{NO}}^{\text{−}}_3 $-N淋失^[9]，而生物质炭基肥由于富含羟基和酚羟基等官能团，能够通过静电吸附作用将${\mathrm{NH}}^{\text{+}}_4 $吸附在土壤中^[23]；还可以抑制土壤中硝化细菌的活性，减缓硝化过程，从而降低氮素损失的发生^[24−25]。相比CF，BF处理显著增加了15.85%~18.57%速效钾和19.96%~21.92%有效磷，这一现象部分归因于生物质炭基肥施入土壤后显著提高了土壤pH，减少了土壤对磷的固定作用^[26]；另外，本研究所用高温热解水稻秸秆生物质炭具有疏松多孔、比表面积大的特点，生物质炭基肥保留了生物质炭的多孔特性，为土壤钾和磷溶解细菌等微生物提供了良好的生存环境，增加了它们的活性，进而增加土壤中有效磷和速效钾质量分数^[27−28]。

已有多项研究表明：施用生物质炭基肥有助于提高作物产量^[29]。茶树作为多年生作物，在生长过程中需要及时补充养分，因此施肥对于提高茶叶产量至关重要，增产效果受到施肥类型的影响。本研究表明：与单施化肥相比，单施生物质炭基肥增加了23.13%~24.54%的茶叶产量，这是因为遂昌雨水较多，施入茶园的化肥容易随地表径流流失造成施肥后期养分供应不足，而生物质炭基肥由生物质炭和化肥等混制而成，其中，化肥能够快速满足施肥初期茶树对养分的需求，生物质炭因表面具有丰富的官能团能增加阳离子吸附位点，能够提高对土壤中氮、磷、钾等养分的吸附作用，减少其淋失^[30−31]，并且延长矿质营养元素的释放时间，满足茶树生长期的养分需求^[32]，提高肥料的利用率^[33−34]。本研究结果显示：生物质炭基肥与化肥配施相较于单施生物质炭基肥或化肥，能显著提高茶叶产量，这可能归因于两者的协同作用。两者协同作用可以充分发挥各自的优势，改善土壤pH，增加土壤有效养分，促进茶树生长，最终提高茶叶产量。

产量是茶树种植的基础，品质则是经济效益的保障，提高茶叶品质有利于增加茶园的经济产值。合理施肥能够增加茶叶中营养物质的积累，是提高茶叶品质的重要途径。茶园土壤有效养分供给影响茶树初级和次生代谢产物的积累^[9]，从而影响茶叶品质。茶叶中水浸出物、咖啡碱和茶多酚等是衡量茶叶品质的重要指标，这些物质与茶汤的鲜香味密切相关^[35]。本研究结果表明：不同处理的茶叶水浸出物、咖啡碱和游离氨基酸质量分数表现为CBF＞BF＞CF＞ck。茶叶水浸出物和茶多酚与土壤磷、钾质量分数密切相关，而游离氨基酸和咖啡碱因属于含氮有机物，其质量分数高低则取决于茶叶中氮的累积量^{[9, 36]}。本研究结果显示：生物质炭基肥与化肥配施可以显著提高茶园土壤中速效养分的质量分数，促进茶树的生长和茶叶中矿质养分的积累。这主要是因为生物质炭基肥中的生物质炭和有机肥对养分的吸持和缓释作用，调节茶园土壤有效养分的供给，与化肥配施既能保证养分的供应强度，又能满足施肥后期茶叶养分的吸收和积累^[37]。灰色关联分析结果表明：供试茶园茶叶产量主要受土壤pH以及碱解氮、速效磷质量分数的影响，茶叶品质则主要与土壤pH和茶叶中氮和钾质量分数的相关，这些因子的变化将显著影响茶叶产量和品质。综合结果揭示了生物质炭基肥与化肥1∶1配施的协同作用在提升茶园土壤养分和促进茶叶产量和品质的效果优于单施生物质炭基肥或化肥。因此，未来在低pH、高降雨的亚热带茶园中，可进一步推广和应用化肥与生物质炭基肥配施模式。

本研究探讨了生物质炭基肥对茶园土壤化学性质以及对茶叶产量和品质的影响。研究结果表明：生物质炭基肥与化肥1∶1配施处理相较于单施化肥或生物质炭基肥，显著提升了茶园土壤pH，增加了土壤有机质和速效养分质量分数，并增强了茶树对氮磷钾养分的吸收利用能力，进而显著提高了茶园茶叶的产量和品质。生物质炭基肥和化肥配施对土壤pH、碱解氮、速效磷及茶叶内钾和氮量等因子的影响是提升茶叶产量和品质的主要驱动因素。鉴于生物质炭基肥和化肥协同作用对土壤改良和茶叶增产提质方面效果最佳，因此推广生物质炭基肥和化肥配施对茶园的可持续经营及提高生产效率有积极的促进作用。