我国是全球最大的茶叶生产国和消费国。据中国茶叶流通协会发布的《2023年中国茶叶产销及进出口形势分析》^[1]统计资料显示，2023年我国茶叶种植面积达343.31万hm²，全国干毛茶总产量为333.95万t，内销总量为240.40万t，出口36.75万t，进口茶叶量3.90万t。茶产业在我国农业生产和国民经济发展中占有极为重要的地位。然而，近几十年来过量的氮肥施用、酸沉降和茶树多年宿根连作根系泌酸等原因，造成我国茶园土壤酸化问题日趋严重^[2]。茶树最佳生长土壤pH范围介于4.5 ~ 5.5，而我国约有52% 的茶园土壤pH低于4.5，已经处于严重酸化程度^[3-4]。研究表明，随着茶园土壤pH的降低，茶园土壤中养分元素磷、钾、钙、镁、硫等含量显著下降，茶叶中养分元素的吸收减少^[5]。茶园土壤酸化会引起矿质营养元素淋失、土壤板结以及重金属活性增加等环境问题，从而影响茶树的生长，降低茶叶的产量和品质。因此，迫切需要探讨有效改良措施来缓解和防治茶园土壤酸化，解决当前茶叶生产所面临的土壤酸化问题。

生物质炭作为一种碱性材料，富含碳元素和多种矿质营养元素，在中和土壤酸性、改善土壤物理化学性质、提高土壤肥力、减少养分淋失和固碳减排等方面具有很好的应用前景^[6-7]。以往研究表明，生物质炭在酸化茶园土壤改良中具有很好的应用效果，施用生物质炭可以显著提高酸性土壤pH^[8]，增加土壤有效养分和阳离子交换量^[9]，提升土壤有质含量^[10]，改变土壤微生物群落结构和活性^[11-12]，从而提升茶叶的产量和品质。然而，茶树喜生于酸性富铝化的土壤中，但茶树又是一种“嫌钙”^[13]、“忌氯”^[14]作物。以往有关生物质炭改良酸化茶园土壤的试验研究中，较少讨论生物质炭制备原料的来源及种类对酸性改良效果的影响，而不同原料制备的生物质炭对酸性茶园土壤的物理、化学和生物特性的影响可能存在差异性，如畜禽粪肥、污泥等原料制备的生物质炭中钙、氯等元素高于植物源制备的生物质炭，但植物源制备的生物质炭中碳含量较高。当土壤高钙、高氯时会引起茶树叶片发生黄化、脱落等现象，降低其品质^[13-14]。因此，在实际应用生物质炭改良酸性茶园土壤时，需要控制生物质炭中钙、氯的含量，避免影响茶叶的品质。因此，本研究针对当前生物质炭在酸性土壤改良、固碳、有机质提升等方面具有的广泛应用前景，拟进一步探讨低钙、低氯和高碳植物源生物质炭对茶园酸化土壤的改良效果和茶叶品质的影响。

浙江省茶叶种植面积达20.78万hm²，干毛茶总产量为20.17万t，茶叶出口量为15.03万t，分别位居全国第8位、第7位和首位^[1]。但省内茶园土壤pH平均值为4.93，pH < 4.5和pH 4.5 ~ 5.5的茶园土壤点位数分别占27.4% 和58.6%，全省茶园土壤酸化问题较为严峻^[3]。因此，本研究选择在浙江省酸化茶园土壤上开展试验，选取具有代表性且高碳含量的植物源生物质炭如水稻秸秆生物质炭、玉米秸秆生物质炭和竹炭，研究了不同植物源生物质炭施用对酸化茶园土壤酸度和养分有效性的影响，并探讨了其对茶叶产量和品质的影响，以期为区域茶园酸化土壤改良与治理提供借鉴。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验茶园位于浙江省杭州市富阳区栗柴坞(119°51′40″E，30°04′53″N)，海拔91.3 m，属亚热带季风性气候，年平均气温16.27 ℃，平均湿度68%，年平均降水量1 452.5 mm，年平均日照时数1 899.9 h，年蒸发量1 235.3 mm，年无霜期248 d，常年主导风向为东南风。土壤类型为老成土，由第四纪红壤发育而成。茶树品种为龙井43，种植于1991年。2023年10月采集土壤测定其理化性质，其中pH为4.05 ± 0.06，氯离子为(2.68 ± 0.39) mmol/kg，阳离子交换量、交换性氢、交换性铝、交换性钙和交换性镁含量(cmol/kg)分别为20.20 ± 0.27、5.83 ± 0.29、10.21 ± 0.69、0.90 ± 0.07和0.15 ± 0.07，有机质、全氮和水溶性盐含量(g/kg)分别为69.60 ± 6.65、1.77 ± 0.04和0.70 ± 0.14，速效钾、有效磷和水解性氮含量(mg/kg)分别为269.00 ± 46.67、139.55 ± 8.70和396.00 ± 33.94。

1.2 生物质炭来源及性质

试验水稻秸秆生物质炭(RS)和玉米秸秆生物质炭(CS)购于南京勤丰秸秆科技有限公司，竹炭(BB)购于浙江佶竹生物科技有限公司。3种生物质原料制备生物质炭的热解炭化温度为500 ~ 600 ℃，供试生物质炭基本理化性质和X射线荧光光谱(XRF)技术扫描的生物质炭矿物质组成如表 1所示。

1.3 试验设计

试验设置4个处理，即不施生物质炭对照处理(CK)、施水稻秸秆生物质炭处理(RS)、施玉米秸秆生物质炭处理(CS)和施竹炭处理(BB)，每个处理3次重复，随机区组分布。基于前期该茶园土壤添加不同比例生物质炭(按0 ~ 20 cm表层土壤质量的0.5%、1%、2% 和3% 添加)室内土壤培养试验对土壤pH的提升效果，茶园田间试验中生物质炭的施用量设置为表层土壤总质量的2%(即45 t/hm²)。2023年12月上旬一次性将不同植物源生物质炭撒施于茶树大行间表层土壤距离茶树根区15 ~ 20 cm处，施用前先将两排茶树之间刨出深度约20 cm的沟槽，然后将生物质炭均匀撒于沟槽内，再将表土覆盖于生物质炭表面，并再次进行人工翻耕使生物质炭与表层土壤混合均匀。茶园按当地常规管理，每年春季和秋季施用尿素、重过磷酸钙和硫酸钾等化肥，换算为N、P₂O₅和K₂O的施用量分为315、90和225 kg/hm²。

1.4 样品采集与处理

2024年3月中旬按一芽两叶标准采集茶叶新梢及对应茶树间表层土壤样品，同时测量各处理每排茶树长度和宽度，按面积计算茶叶的鲜重。茶叶样品在实验室内经蒸馏水清洗、擦干后，放入烘箱内在105 ℃杀青30 min后于60 ℃烘干至恒重，然后采用德国莱驰MM400型球磨仪研磨过0.145 µm尼龙筛备用。采集的土壤样品，放置阴凉处自然风干，剔除树枝、根系、碎石等杂物后，采用玛瑙研钵研磨全部通过2 mm或0.145 µm尼龙筛后备用。

1.5 测定项目及方法

茶叶茶多酚采用福林酚比色法测定(GB/T 8313—2018)^[15]；茶叶咖啡碱采用紫外分光光度法测定(GB 8312—2013)^[16]；茶叶游离氨基酸采用茚三酮比色法测定(GB/T 8314—2013)^[17]；茶叶水浸出物采用重量法测定(GB/T 8305—2013)^[18]。土壤pH采用pH酸度计进行测定(HJ 962—2018)^[19]；土壤水溶性盐采用重量法测定(NY/T 1121.16—2006)^[20]；土壤阳离子交换量采用盐酸标准溶液滴定法测定(NY/T 295—1995)^[21]；土壤交换性氢和交换性铝采用氢氧化钠标准溶液滴定法测定(LY/T 1240—1999)^[22]；土壤有机质采用硫酸亚铁标准溶液滴定法测定(NY/T 1121.6—2006)^[23]；土壤水解性氮采用盐酸标准溶液滴定法测定(LY/T 1228—2015)^[24]；土壤速效钾采用原子吸收分光光度计测定(NY/T 889—2004)^[25]；土壤有效磷采用钼锑抗比色法测定(NY/T 1121.7— 2014)^[26]；土壤交换性钙和交换性镁采用原子吸收分光光度计测定(NY/T 1121.13—2006)^[27]；土壤氯离子采用硝酸银标准溶液滴定法测定(NY/T 1121.17— 2006)^[28]。

另外，称取一定质量研磨过0.145 µm筛的茶叶或土壤样品，置于聚四氟乙烯容器中，加入4 mL浓硝酸、2 mL过氧化氢和1 mL氢氟酸，置于CEM Mars 6微波消解仪中，于210 ℃下消煮50 min，然后置于赶酸板中于140 ℃赶酸至液体近干，过滤并移至50 mL容量瓶中用去离子水定容，用电感耦合等离子体质谱仪(ICP−MS)和电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP− OES)分别测定待测试液中的矿质养分元素含量。

1.6 数据处理与分析

文中涉及的图表中的数据均采用平均值±标准差表示。数据处理采用Excel 2010，图形处理采用OriginPro 2021。采用SPSS 27进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，显著性检验采用邓肯法(Duncan)进行，以不同小写字母表示在P < 0.05水平下具有显著性差异。

2 结果与分析 2.1 施用生物质炭对茶园土壤基本理化指标的影响

在施用3种植物源生物质炭4个月后采集茶园土壤样品，茶园土壤基本理化性质测定结果如表 2所示。对照(CK)处理土壤pH平均值为4.10，属于极强酸化水平^[29]。与CK处理相比，水稻秸秆生物质炭(RS)、玉米秸秆生物质炭(CS)和竹炭(BB)处理土壤pH平均值分别显著提升至5.22、5.14和4.87，即分别提升了1.12、1.02和0.77个单位，但3种生物质炭处理之间差异不显著。

交换性酸度是土壤胶体表面上交换性氢和交换性铝被盐类溶液中盐基离子交换后所表现的酸度。CK处理土壤交换性氢、交换性铝和交换性总酸度分别为5.76、10.41和16.17 cmol/kg，与CK处理相比，RS、CS和BB处理分别使土壤交换性氢和交换性铝显著下降38.54%、66.15%、41.49% 和79.54%、66.19%、66.57%，从而导致交换性酸度也显著下降。

土壤阳离子交换量是表征土壤胶体吸附能力和土壤肥力大小的重要指标。CK处理土壤阳离子交换量为20.71 cmol/kg，相较CK处理，RS、CS和BB处理显著提升了茶园土壤阳离子交换量，增幅分别为99.66%、96.62% 和47.56%。与CK处理相比，RS和BB处理对土壤水溶性盐含量有一定的降低效果，但处理间差异不显著，而CS处理显著增加了土壤水溶性盐含量，增幅为42.86%。

2.2 施用生物质炭对茶园土壤养分特征的影响

土壤有机质是土壤固相部分的重要组成部分，具有改善土壤结构，促进植物和微生物生长，提高土壤酸碱缓冲性能等作用。CK处理土壤有机质含量为68 g/kg，属于丰富水平^[29]；与CK处理相比，RS、CS和BB处理显著提升了茶园土壤有机质含量，增幅分别达到107.45%、76.35% 和94.03%。土壤水解性氮是茶叶根系吸收的主要活性氮。与CK处理相比，RS、CS和BB处理分别使茶园土壤水解性氮含量显著提升72.02%、58.76% 和77.55%。

CK处理土壤速效钾和有效磷含量分别为276.67和146.20 mg/kg，属于丰富水平^[29]；与CK处理相比，RS、CS和BB处理显著增加了茶园土壤速效钾和有效磷含量，增幅分别为64.34%、57.83%、73.61% 和14.78%、21.25%、12.63%。CK处理土壤交换性钙和交换性镁含量分别为0.90和0.17 cmol/kg，与CK处理相比，RS、CS和BB处理显著增加了土壤交换性钙和交换性镁的含量，分别增加了7.41倍、8.41倍、2.03倍和13.12倍、10.94倍、4.71倍，且均以CS处理增幅最大。

氯是茶树的必需营养元素，但茶树又属于忌氯植物，若土壤中氯离子含量过量，将对茶树造成氯害。与CK处理相比，CS和BB处理使土壤氯离子含量分别增加了12.59% 和14.07%，但差异不显著；而RS处理显著降低了土壤氯离子含量，降幅达到18.15%。

2.3 施用生物质炭对茶叶中养分元素含量的影响

不同生物质炭处理茶叶中养分元素含量情况如表 4所示。与CK处理相比，RS处理对茶叶中养分元素钾、钙、镁、磷、硫、锰的含量均无显著影响，但显著降低了茶叶中铁的含量，降幅为24.23%；CS处理对茶叶中7种养分元素的含量均无显著影响；BB处理对茶叶中钾、磷含量无显著影响，显著降低了茶叶中钙、硫、锰、铁的含量，降幅分别为18.06%、7.00%、19.55% 和15.52%，显著增加了茶叶中镁的含量，增幅为14.61%。

2.4 施用生物质炭对茶叶鲜重和品质的影响

不同生物质炭处理单位面积一芽两叶新鲜茶叶鲜重和品质特征如表 5所示。与CK处理相比，RS、CS和BB处理分别使单位面积茶叶鲜重增加了31.33%、92.07% 和27.08%；RS、CS处理处理使茶多酚含量分别下降了4.42% 和3.58%，而BB处理使茶多酚含量提升了2.94%；RS、CS处理使水浸出物含量分别提升了0.32% 和6.66%，而BB处理使水浸出物含量下降了5.21%；RS、CS和BB处理分别使咖啡碱和游离氨基酸含量提升了2.22%、0.89%、0.89% 和6.87%、7.97%、8.79%。但总体上，不同生物质炭处理对茶叶单位面积鲜重和品质的影响均未达到显著水平。

3 讨论 3.1 生物质炭对酸化茶园土壤改良效果

茶树是一种喜酸植物，其最佳生长土壤pH范围为4.5 ~ 5.5，而我国约有52% 的茶园土壤pH低于4.5，已经处于严重酸化程度^[4]。茶园土壤酸化成因包括：①过量施用氮肥导致铵的硝化作用产生致酸氢离子^[30]；②茶树多年宿根连作根系分泌有机酸和质子释放^[31]；③茶叶采摘致使盐基离子大量移出或茶树老叶脱落腐解后加速酸化土壤盐基离子淋失^[32]。生物质炭作为一种碱性材料，在中和土壤酸性、改善土壤物理化学性质、提高土壤肥力、减少养分淋失和固碳减排等方面具有很好的应用前景^[6-7]。

本研究针对种植30多年茶树的强酸性茶园土壤，选用3种植物源制备的强碱性生物质炭进行改良，显著提升了土壤的pH，抑制了土壤的酸化。这是由于生物质炭中富含钙、镁、钾等矿质元素，呈碱性，将其施入到酸化茶园土壤中，能抑制铵的硝化作用，增强土壤对酸的缓冲性，提升土壤pH，从而起到抑制茶园土壤酸化的作用^[8-9]。

本研究中，施用生物质炭后，茶园土壤pH与土壤交换性氢、交换性铝和交换性酸度呈显著负相关关系(图 1)(P < 0.05)，生物质炭对土壤酸度起到直接中和作用，有利于降低土壤交换性氢和交换性铝的含量，这与其他学者的研究结果相一致^[33]。这是由于当土壤呈强酸性时，土壤中的氢离子会与硅酸盐矿质晶格间的铝反应生成羟基铝化合物而释放出铝离子；当土壤pH升高后，土壤中的铝离子发生水解反应，使铝离子转化成铝的水合化物和氢氧化物及无机吸附态铝^[34]。土壤中交换性氢和交换性铝是制约茶树生长的重要因子，施用生物质炭可以通过调控植物对铝离子的生理响应，缓解茶树受到铝毒的影响^[35]。与此同时，施用生物质炭后，茶园土壤pH也与土壤阳离子交换量、交换性钙、交换性镁、有机质、水解性氮、速效钾和有效磷呈显著正相关关系(P < 0.05)，但与水溶性盐和氯离子相关性不显著，这可能是因为生物质炭富含的钙、镁、钾等碱基阳离子释放对土壤酸度具有中和作用，同时也补充了土壤因酸化和茶叶采摘所带走的盐基离子，显著增强了土壤的酸缓冲能力^[36]。Shi等^[37-38]研究表明，植物源生物质炭如花生秸秆制备生物质炭中碱性阴离子如碳酸根、有机酸根在中和质子的同时所释放的钾、钠、钙、镁等碱基阳离子，是增强土壤酸缓冲能力的关键机制。其他不同植物源生物质制备的生物质炭改良酸性土壤的研究也同样发现，生物质炭中的碱基阳离子和有机阴离子均可以消耗外源质子，从而减缓土壤酸化^[39]。

本研究发现，生物质炭中的高碳、氮含量可在其施用后显著提升土壤有机质和水解性氮的含量。晁代顺等^[10]研究发现，高施用量生物质炭影响了土壤腐殖物质组分，可增加土壤胡敏素碳含量，使其在土壤中较稳定不易被分解，从而显著增加土壤有机质的含量。Dai等^[40]研究也发现，将不同种类生物质炭添加至酸性土壤后，可显著增加土壤总碳、可溶性有机碳和水溶性氮等含量，且酸性土壤pH提升幅度与生物质炭自身pH、生物质炭施用量呈现显著正相关关系。土壤有机质是重要的土壤肥力指标，有机质在增强土壤保水保肥能力、促进团聚体形成、提高土壤稳定性等方面具有重要的作用^[41]。由于生物质炭本身具有丰富的矿质养分，施用生物质炭可增加土壤中钙、镁、钾、磷的总量和可交换态含量^[42]；土壤中可交换态养分含量的增加，是因为生物质炭中和土壤氢离子时会释放等量的阳离子。因此，生物炭通过增加土壤养分和土壤的持水能力，从而提升土壤肥力^[38]。氯是茶树的必需元素，但茶树又属于忌氯植物，如果土壤中氯离子含量过量，会对茶树叶绿素、抗氧化酶活性等造成负面的“氯害作用”^[14]。本研究施用的3种生物质炭对茶园土壤水溶性盐和氯离子含量的影响存在一定的差异性，但未对茶园茶树生长产生负面影响。

综上所述，试验所施用的植物源生物质炭对茶园土壤pH提升和土壤肥力改良方面具有良好的促进作用，其中水稻秸秆生物质炭在提升土壤pH、阳离子交换量、有机质、有效磷和交换性镁等方面效果优于玉米秸秆生物质炭和竹炭。

3.2 生物质炭对茶叶养分含量和品质影响效果

茶叶品质与养分元素有着密切联系。茶树是“嫌钙作物”，对钙的需求量较少，但钙能中和茶树体内的有机酸，不过高钙含量会降低茶叶的品质^[13]。镁能改善茶树中硝酸盐的吸收和代谢，促进茶树木质部和韧皮部中氨基酸和糖的长距离运输^[32]。磷参与茶树中光合作用和碳代谢，影响各种酶促反应和能量传递，参与茶树体内蛋白质、糖类和单宁等物质的合成和转化^[43]。硫是蛋氨酸、胱氨酸等多种氨基酸的组成元素，参与维生素和叶绿素的合成^[44]。锰参与茶树体内多种蛋白质、酶、叶绿素以及生长素的合成和运输，茶树锰含量过量或不足均会影响茶树的生长发育和茶叶品质^[45]。铁、锰和钾是茶树体内各种酶的激活剂，参与茶树光合作用和呼吸作用等生理过程，从而影响茶叶产量和品质^[32]。本研究中，施用水稻和玉米秸秆生物炭对茶叶中钾、钙、镁、磷、硫、锰等养分元素的含量无显著影响，但施用水稻秸秆生物质炭降低了茶叶中铁的含量；而施用竹炭对茶叶中钾、磷含量无显著影响，但显著增加茶叶中镁的含量，显著降低了茶叶中钙、硫、锰、铁的含量。万青等^[46]研究发现，配方肥和生物质炭复配施用可显著增加茶叶中磷、钾、钙和镁的含量。相关研究表明，施用生物质炭显著增加了茶叶中磷、钾、镁养分的含量，这主要是因为生物质炭对土壤养分有吸持和缓释作用，减少了矿质元素的淋失，提升了土壤养分有效性，从而增加了茶叶中养分元素的吸收和积累量^[9]。陈玉真等^[47]研究发现，茶叶中铁锰的含量与土壤中有效铁锰含量呈显著正相关，而土壤有效铁锰含量与土壤pH呈显著负相关。因此，酸化茶园土壤施用生物质炭显著提升土壤pH的同时可能会降低土壤有效铁锰的含量，从而减少茶叶对铁锰的吸收。

茶多酚、咖啡碱、游离氨基酸和水浸出物等是茶叶品质的主要成分，共同影响着茶汤的香气和滋味。茶多酚具有涩味和苦味，是茶叶品质的主要成分，其含量高低决定着茶叶品质的优良程度。咖啡碱是茶叶中含量最高的生物碱，具有苦味，但与茶多酚和氨基酸等形成的络合物却是一种鲜爽物质。游离氨基酸具有鲜甜味，对绿茶滋味、香气和色泽的形成具有重要作用。水浸出物是茶叶中水溶性生化成分混合物的总和，其含量反映茶汤内含成分的多少。本研究结果发现，施用生物质炭可增加茶叶产量，但与对照相比，差异性不显著；施用3种植物源生物质炭在短期内对茶叶品质成分茶多酚、咖啡碱、游离氨基酸和水浸出物等无显著影响，但与对照相比，略微提升咖啡碱和游离氨基酸含量。李小飞等^[48]研究发现，不同生物黑炭的施用量对茶叶中茶多酚、咖啡碱和水浸出物的含量无显著影响，但会显著增加茶叶中氨基酸含量。罗凡等^[49]研究发现，随着茶叶中氮、磷、钾等养分元素累积量的增加，茶树合成的茶多酚、氨基酸、水浸出物、咖啡碱总量也随之增加，使茶汤鲜爽，香气高涨，品质显著提升。近期研究结果还发现，土壤中氮肥的增加可使茶叶中氨基酸含量得到明显的提升(P < 0.05)^{[9, 50]}。此外，由于生物质炭具有较高的比表面积和孔隙率，能够有效吸附养分和固持水分，减少土壤养分的淋溶和固定损失，并延长矿质养分的释放时间，增加茶树对养分的吸收，进而影响次生代谢产物的产生，促进氨基酸的形成^[51]。茶树具有聚锰的性质，但高锰含量会降低茶叶品质^[12]。本研究中，茶叶养分和品质成分相关性分析发现，茶叶中锰含量与品质成分游离氨基酸含量呈显著负相关关系(P < 0.05)，其他各养分元素含量与品质成分含量之间均无显著相关性。总体而言，短期内3种植物源生物质炭施用对茶叶养分元素吸收、茶叶产量和品质的影响差异不显著，需要加强研究施用生物质炭对茶叶产量和品质的长效影响及机制。

4 结论

本研究初步揭示了施用3种植物源生物质炭对酸性茶园土壤基本理化特性、有效养分活性、茶叶养分吸收以及茶叶品质的影响。与对照处理相比，施用水稻秸秆生物质炭、玉米秸秆生物质炭、竹炭可显著提高土壤pH和有效养分含量，显著降低土壤交换性氢、交换性铝含量和交换性酸度，但对茶叶产量和品质无显著影响。就生物质炭种类而言，水稻秸秆生物质炭在提升酸性茶园土壤pH、降低土壤交换性氢和交换性铝含量，以及提升土壤矿质养分元素活性等方面优于与玉米秸秆生物质炭和竹炭。总体上，不同生物质炭对茶叶矿质养分元素吸收和累积的影响存在差异性，未来需要进一步开展施用生物质炭对茶园土壤改良和茶叶品质影响的长期监测与评估，以为生物质炭在酸化土壤改良和茶叶品质提升等应用方面提供科学依据。