由于酸雨、人为施肥管理不当以及茶树生长过程中自身代谢作用等种种原因，茶园土壤酸化问题日趋严重。茶园土壤酸化会导致土壤养分贫瘠、物理性状恶化、微生物生长受到抑制、土壤重金属被活化等问题，进而抑制茶树生长发育并降低茶叶品质^[1]。因此，寻求控制与改良茶园土壤酸化的管理措施已成为当前茶叶生产中迫切需要解决的问题。

目前，已有大量研究表明有机废弃物(如植物残体、动物粪便、堆肥等)可以作为备选的灰性材料来改良酸性土壤，这些灰性物质可通过减轻土壤铝毒来促进植物生长^[2-5]。相对于石灰来讲，来自于种植业和养殖业的农业废弃物如稻秸、麦秸、厩肥等来源丰富、价格低廉，是一种温和的改良剂。此外，由农作物秸秆在厌氧条件下低温热解产生的生物质炭不仅含有作物所需的氮、磷、钾、钙、镁等营养元素，而且生物质炭一般呈碱性，因此可以用作酸性土壤的改良剂。本研究选择稻秸、麦秸、生物质炭(小麦秸秆炭化副产品)、羊粪4种生物质材料，采用室内培养试验，评价这些生物质材料在不同施用量条件下对茶园酸化土壤的改良效果，以期寻求较佳的改良物料和施用量，为酸性茶园土壤改良工作提供科学依据。

1.   材料与方法

1.1   供试土壤与生物质材料

2015年1月，供试土壤取自福建省安溪县感德镇山地茶园，清除地表枯枝落叶后取0~20 cm的土壤，于室温下自然风干，剔除石块、草根等杂质，充分混匀，用研钵磨细过2 mm筛备用。土壤基本性质：pH值3.76，有机碳含量21.81 g·kg^-1，总氮1.62 g·kg^-1，碱解氮319.65 mg·kg^-1，有效磷83.90 mg·kg^-1，速效钾121.64 mg·kg^-1。试验材料稻秸和麦秸由福建省农业科学院作物研究所提供；羊粪有机肥购自宇丰肥业有机肥厂；生物质炭是由小麦秸秆在350~550℃下厌氧烧制而成，购自河南省商丘市三利新能源有限公司。4种生物质材料均于室温下自然风干、磨细过1 mm筛备用，主要化学成分见表 1。

表  1  生物质材料的化学成分

Table  1.  Chemical composition of biomass materials

生物质材料	pH	灰化碱/(cmol·kg-1)	K/(cmol·kg-1)	Ca/(cmol·kg-1)	Mg/(cmol·kg-1)	有机C/%	全N/%	全P/%	C/N
稻秸	6.58c	32.00c	70.91c	37.86b	5.36d	41.64c	0.62c	0.18c	67.16
麦秸	8.30a	23.83c	75.49b	28.96c	6.18c	47.17b	0.35d	0.11c	134.77
生物质炭	8.43a	97.33b	23.77d	97.60a	9.28b	57.57a	1.27b	0.35b	45.33
羊粪	8.03b	124.50a	101.04a	98.85a	10.34a	35.74d	2.53a	0.58a	14.13
注：同列数据后不同小写字母表示差异显著(P < 0.05)。表 2、3同。

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1.2   培养试验设计

称取过2 mm筛的风干土500 g放入塑料盆中，生物质材料按2%和4%两个水平添加，即分别加入10 g和20 g物料，分别相当于田间用量为45、90 t·hm^-2，每个处理设置3个重复，对照为不添加任何物料。物料与土壤充分混匀后，用去离子水将含水量调节至田间持水量的70%。在塑料盆盖上钻3个大小适宜的孔后将塑料盆盖好，以确保培养过程中土壤能够保持湿润和通气状态。将塑料盆置于25℃的恒温培养箱中培养，每隔3 d称重并补充损失的水分，以维持培养过程中的土壤含水量恒定。培养90 d后取土样测定pH、土壤交换性酸、交换性铝、交换性盐基、阳离子交换量等指标^[6]。

1.3   土壤性质测定

采用复合电极法测定生物质材料的pH值，按物料与水的比例为1:10测定。灰化碱用马弗炉灰化、酸溶解和NaOH返滴定法测定^[7]。用生物质材料灰化物的酸溶液测定盐基离子，Ca、Mg含量用原子吸收分光光度法测定，K、Na含量用火焰光度计测定。生物质材料有机碳用重铬酸钾氧化-容量法测定。生物质材料经H₂SO₄-H₂O₂消煮后，用靛酚蓝比色法测定全氮，用钼锑抗比色法测定全磷。土壤pH值、阳离子交换量(CEC)、交换性H⁺、交换性Al³⁺、交换性酸、硝态氮含量的测定参考鲁如坤的方法^[8]。

1.4   数据处理

数据统计分析用MATLAB7.0软件。

2.   结果与分析

2.1   生物质材料添加对茶园土壤pH值的影响

经过90 d培养，在2%添加水平下，稻秸、麦秸、生物质炭和羊粪处理的土壤pH值分别比对照显著提高了0.72、0.53、0.77、0.72个单位，但稻秸、生物质炭和羊粪3种物料处理之间差异不显著(P>0.05)；当添加水平增加到4%时，稻秸、麦秸、生物质炭和羊粪处理的土壤pH值分别比对照显著提高了0.89、0.76、1.16、1.32个单位，并且各物料处理间差异达到显著水平(P < 0.05)(图 1)。可见，4种物料添加都不同程度地提高了土壤pH值，且随着添加量的增加，pH值也显著提高。

图  1  不同生物质材料添加对茶园土壤pH的影响

Figure  1.  Effect of biomass incorporation on soil pH

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2.2   生物质材料添加对土壤交换性酸的影响

吸附在土壤胶体上的交换性酸离子(H⁺和Al³⁺)，是土壤酸度的一个容量指标。4种生物质材料添加显著降低了茶园土壤交换性Al³⁺含量和交换性酸含量(表 2)，在2%的添加水平下，稻秸、麦秸、生物质炭和羊粪处理的土壤交换性Al³⁺含量分别比对照显著降低了30.73%、32.92%、35.73%和52.90%，且羊粪与其他处理之间的差异显著。4%添加水平时稻秸、麦秸、生物质炭和羊粪处理的土壤交换性Al³⁺含量分别比对照显著降低了46.52%、41.17%、87.96%和89.79%，其中羊粪和生物质炭处理比麦秸和稻秸处理显著降低了土壤交换性Al³⁺含量。除麦秸外，其他处理均随添加量的增加显著降低了土壤交换性Al³⁺含量。4种物料添加对交换性酸的影响与对交换性铝的影响类似，也是随添加量的增加显著降低了交换性酸含量。只有麦秸和4%生物质炭添加显著增加了交换性H⁺含量，其他生物质材料对交换性H⁺含量的影响不显著(表 2)。

表  2  不同生物质材料添加对茶园土壤交换性酸的影响

Table  2.  Effect of biomass incorporation on soil exchangeable acidity

处理	交换性H+/(cmol·kg-1)	交换性Al3+/(cmol·kg-1)	交换性酸/(cmol·kg-1)
对照	0.60d	7.47a	8.07a
稻秸(2%)	0.62cd	5.18b	5.80bc
稻秸(4%)	0.62cd	4.00cd	4.61d
麦秸(2%)	1.13b	5.01bc	6.14b
麦秸(4%)	0.87bc	4.40c	5.27c
生物质炭(2%)	0.40d	4.80bc	5.21c
生物质炭(4%)	1.83a	0.90e	2.73e
羊粪(2%)	0.60d	3.52d	4.12d
羊粪(4%)	0.52d	0.76e	1.28f

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2.3   生物质材料添加对土壤交换性能的影响

土壤CEC常被作为土壤缓冲能力以及供肥、保肥能力的重要指标^[9]。与对照相比，羊粪在2%和4%添加量下都显著提高了茶园土壤的CEC，增幅分别为16.33%和24.49%(P < 0.05)；麦秸在4%的添加量下也显著提高了CEC，增幅为7.63%(P < 0.05)，在2%的添加量下则显著降低了CEC；而其他处理与对照相比差异不显著(表 3)。土壤交换性盐基离子总量和盐基饱和度是用来衡量土壤中盐基数量以及交换盐基在土壤中所占比例，是反映酸性土壤交换性能的两个重要指标。农业废弃物含有丰富的K、Ca、Mg等灰分元素，施入土壤可显著增加交换性盐基离子含量，提高盐基饱和度，并且各种农业废弃物对土壤交换性能的影响程度随添加量的增加而增强。在2%添加水平下，4种物料对土壤交换性能的改良效果依次为：羊粪>麦秸>生物质炭>稻秸；在4%的添加水平时，4种物料的改良效果依次为：羊粪>生物质炭>稻秸>麦秸。可见，羊粪改良效果最佳，随着添加量的增加，生物质炭和稻秸的改良效果显著提高，而麦秸的改良效果则不明显。

表  3  不同生物质材料添加对茶园土壤交换性能的影响

Table  3.  Effect of biomass incorporation on soil exchange properties

处理	交换性盐基离子总量/ (cmol·kg-1)				CEC/ (cmol·kg-1)	盐基饱和度/%
	1/2Ca2+	1/2Mg2+	K+	总量
对照	1.28e	0.09f	0.07f	1.44e	9.31d	15.47e
稻秸(2%)	1.74d	0.15e	1.37d	3.26d	9.64cd	33.82d
稻秸(4%)	2.17d	0.21de	3.09b	5.47bc	8.90d	61.46b
麦秸(2%)	2.17d	0.18de	1.59d	3.93d	8.27e	47.52c
麦秸(4%)	1.86d	0.25d	2.86b	4.98c	10.02c	49.70c
生物质炭(2%)	2.90c	0.23d	0.36e	3.48d	9.58cd	36.33d
生物质炭(4%)	4.28b	0.35c	1.21d	5.84bc	9.10d	64.18b
羊粪(2%)	3.71b	0.61b	2.04c	6.36b	10.83b	58.73bc
羊粪(4%)	5.37a	0.86a	3.82a	10.05a	11.59a	86.71a

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2.4   生物质材料添加对土壤硝态氮的影响

铵态氮和硝态氮是植物根系吸收的主要氮源，培养90 d后，各处理的铵态氮含量都很低，变幅为1.05~2.25 mg·kg^-1，且处理间差异不显著。各处理的硝态氮含量变化见图 2。与对照相比，添加羊粪处理引起土壤中硝态氮含量的显著增加，在2%和4%的添加水平下分别比对照提高了85.03%和146.07%(P < 0.05)；生物质炭处理在2%的添加水平下与比照差异不显著，在4%的添加水平下比对照有所减少，减幅为34.17%；麦秸和稻秸的添加反而显著减少了土壤硝态氮含量，这可能是由于秸秆碳氮比过大，在腐烂分解过程中微生物生长消耗土壤中的氮素，因此添加后硝态氮含量反而变得更低。

图  2  不同生物质材料添加对茶园土壤硝态氮含量的影响

Figure  2.  Effects of biomass incorporation on nitrate nitrogen content

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2.5   土壤酸度与物料性质的相关性分析

通过相关性分析发现，物料的灰化碱含量、钙离子、全氮和全磷与土壤pH、交换性铝、土壤交换性酸之间存在显著的相关性(表 4)。

表  4  土壤酸度指标与物料性质的相关性分析

Table  4.  Correlation between soil acidity indices and biomass properties

酸度指标	灰化碱	物料pH	Ca	Mg	K	有机C	全N	全磷	C/N
土壤pH	0.99*	0.28	0.96*	0.94	0.06	-0.17	0.95*	0.98*	-0.17
交换性铝	-0.98*	-0.46	-0.99**	-0.96*	0.17	-0.09	-0.96	-0.90	-0.09
交换性酸	-0.99**	-0.31	-0.95	-0.95	-0.13	0.22	-0.97*	-0.99**	0.22
注：*表示差异显著(P < 0.05)，**表示差异极显著(P < 0.01)。

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3.   讨论与结论

已有研究表明^{[10, 11]}，生物质材料对土壤pH值的改变主要受以下3个因素影响：(1)生物质材料中灰化碱的释放可直接中和土壤酸度，提高土壤pH值；(2)微生物分解生物质材料时，有机氮矿化形成铵态氮会消耗质子，提高土壤pH值；(3)矿化产生的铵态氮的硝化作用会释放质子，降低土壤pH值。生物质材料加入土壤后，灰化碱能够很快释放，土壤pH快速升高，而铵态氮的硝化过程是在有机氮矿化之后发生的，相对滞后。有研究表明，生物质材料在土壤中的分解速率与其本身的C/N比有关，土壤中添加C/N比低于25的物料在培养初期可迅速矿化出无机氮，添加C/N比约为25的物料在培养60 d内净矿化氮量很低，添加C/N比高于25的物料在培养210 d后土壤中没有有机氮的净矿化^[12]。本研究中，稻秸、麦秸、生物质炭的C/N比高于25，在培养90 d后土壤中检测到的硝态氮含量比对照土壤低，说明这些物料未被微生物分解，添加这些物料对土壤pH的影响主要取决于灰化碱的含量。羊粪C/N比低于25，在培养90 d后显著增加了土壤的硝态氮含量，说明在培养过程中发生了有机氮的矿化和铵态氮的硝化反应，添加羊粪提高土壤pH值是灰化碱、有机氮矿化和铵态氮硝化共同作用的结果。表 1表明，4种生物质材料灰化碱含量为：羊粪>生物质炭>稻秸>麦秸，这与4种生物质材料(4%添加)改良土壤酸度的效果大小顺序一致。相关性分析也显示，土壤pH与灰化碱含量呈显著的正相关(表 4)，表明在添加羊粪培养过程发生的铵态氮硝化作用释放的质子虽然会抵消物料的部分改良效果，但由于羊粪的灰化碱含量较高，仍然是影响土壤pH的主要因素。

土壤的交换性酸由交换性氢和交换性铝构成，交换性铝是构成交换性酸的主体^[13]，是土壤中主要活性形态铝，对作物生长有严重的制约作用。添加生物质材料后，增加了土壤交换性盐基含量，土壤交换性铝和交换性酸减少，土壤的盐基饱和度增加(表 2、3)。相关性分析也发现，交换性铝与Ca离子、Mg离子呈显著负相关(表 4)，可见生物质材料的元素组成显著影响其对土壤酸度的改良效果。表 2中大部分处理的交换性铝所占比例均在60%以上，只有4%生物质炭处理的交换性铝所占比例较低，这可能一方面是由于生物质炭通过提高土壤pH，使交换性铝发生水解转化成羟基铝并部分形成铝的氢氧化物或氧化物沉淀，另一方面是由于生物质炭表面含有丰富的含氧官能团，如羧基和酚羟基等，能与铝形成稳定的络合物，使土壤交换性铝转化为低活性的有机络合态铝^[14]。

土壤阳离子交换量可以用来估算土壤吸收、保留和交换阳离子的能力，来源于有机物质、黏土矿物和非晶矿物质^[15]。生物质材料是有机质的主要来源，增加了有机质，就增加了土壤的吸附性能，即阳离子交换量。本研究中，添加羊粪以及4%的麦秸显著增加了土壤阳离子交换量(表 3)。生物质材料不但可以提高土壤CEC，还可以将盐基离子释放出来，使土壤交换性盐基阳离子增多，交换性铝减少，因此，交换性盐基阳离子占CEC的比例增加。

4个处理中只有添加羊粪显著提高了土壤的硝态氮含量，麦秸、稻秸的添加反而降低了土壤硝态氮含量，这可能是由于加入的有机物料C/N较高，为土壤微生物提供了丰富的碳源，促进了微生物的生长繁殖，进而固持了部分土壤氮素^[16]。因此，麦秸、稻秸作为物料改良酸性土壤时应配施氮肥，以防止土壤微生物与作物争肥现象发生。本研究所用的生物质炭是由小麦秸秆制备而成，由于营养元素得到浓缩和富集，所以生物质炭所含的钙、镁等盐基离子要比麦秸中高。与稻秸、麦秸相比，添加生物质炭对土壤NO₃^--N含量的影响较小，可见，用生物质炭中和土壤酸度可以克服直接施用农作物秸秆存在的不足。

综上所述，4种生物质材料均能不同程度地提高酸化茶园土壤的pH、降低土壤交换性酸和交换性铝含量、增加土壤盐基离子量以及提高土壤盐基饱和度，且改良效果随着添加量的增加而提升。4个处理中只有羊粪和4%的麦秸显著增加了土壤阳离子交换量，其他处理对阳离子交换量的影响不显著。羊粪处理还显著增加了土壤硝态氮含量，生物质炭处理对土壤硝态氮含量的影响不显著，麦秸和稻秸反而降低了土壤硝态氮含量。综合比较，4种生物质材料的改良效果依次为羊粪>生物质炭>稻秸和麦秸。