植物衍生的生物炭可以改善酸性土壤的酸度，并重塑微生物群落，从而提高茶叶在酸性土壤中的产量和品质

《Applied Soil Ecology》：Plant-derived biochars ameliorate acidity and reshape microbial communities to enhance tea productivity and quality in acidic soils

慢性土壤过酸化（pH<4.5）导致养分流失、铝毒害和微生物多样性下降，威胁茶产量。本研究评估了三种植物衍生生物炭（玉米秸秆、稻秸秆、竹材）在改善酸性茶园土壤pH（提升0.8-1.2单位）、减少交换态铝和氢（降低40-79%）方面的效果，发现不同生物炭对养分和重金属的影响存在差异，竹炭更有效降低特定重金属有效性。土壤微生物多样性（细菌和真菌多样性提升35-129%）及群落结构（Bacteroidota等类群增加，Proteobacteria等减少）因生物炭类型而异，最终使茶叶产量提升13-22%，其中玉米秸秆炭效果最佳，同时提高多酚和游离氨基酸含量。研究为酸性茶园土壤改良的生物炭选型提供了科学依据。

　　

李张涛|潘宇|孟俊|赵梅琪|姚志远|胡敏军|单胜道|陈怀海

浙江科技学院环境与自然资源学院，杭州，310023，中国

摘要

茶园土壤的长期过度酸化（pH < 4.5）会导致养分流失、铝毒性和微生物多样性下降，从而威胁茶叶产量。为了解决这一问题，我们评估了三种植物源生物炭（玉米秸秆、稻草和竹子；施用量为45吨/公顷）在改善土壤酸度及其对土壤肥力、微生物群落和植物健康的影响方面的效果。生物炭的应用显著提高了土壤pH值0.8–1.2个单位，并减少了可交换铝和氢的含量40–79%。效果因原料不同而异：玉米秸秆和稻草生物炭增强了养分的有效性，而竹子生物炭则更有效地降低了某些金属的可用性。因此，生物炭改变了土壤微生物群落，使细菌和真菌的多样性增加了35–129%，并导致了分类群的转变，特别是Bacteroidota、Verrucomicrobiota和Tremellomycetes的数量显著增加，而Proteobacteria、Eurotiomycetes和Leotiomycetes的数量则显著减少。结构方程模型表明，土壤pH值和养分是微生物多样性的主要调节因素，金属的可用性对真菌产生了选择压力。这些改善带来了农艺上的益处，新鲜茶叶产量增加了13–22%。其中，玉米秸秆生物炭的表现最好，不仅提高了产量，还改善了茶叶的质量（如多酚和游离氨基酸的含量）。我们的研究结果表明，选择合适的生物炭原料可以有效改善土壤酸度，重塑微生物群落，并提高茶叶产量和质量，为酸性茶园的可持续土壤管理提供了针对性的策略。

引言

茶叶作为一种全球重要的多年生作物，其经济价值与新鲜茶叶产量以及多酚和游离氨基酸等关键生化成分密切相关，而这些成分对土壤健康非常敏感（Bittner, 2006; Ding et al., 2021）。作为一种喜酸植物（Lehmann and Rondón, 2006），茶叶的最佳生长土壤pH值在4.5到5.5之间（Gao et al., 2021; Ruan et al., 2007）。然而，统计调查显示，中国超过46%的茶园土壤pH值低于4.5（Yan et al., 2020）。在过去30年里，茶园土壤的pH值下降了0.47到1.43个单位，这一下降幅度远大于其他农作物（如水果、蔬菜和谷物）的土壤（Yan et al., 2020）。这种变化主要是由于过量施用氮肥、酸沉降以及茶叶根部分泌酸和铝积累所致。过度酸化不仅导致养分流失和铝毒性加剧（von Uexküll and Mutert, 1995），影响作物生长，还抑制了微生物多样性（Wang et al., 2022）。研究表明，长期在茶园使用化学肥料会显著降低细菌和真菌群落的多样性（Gu et al., 2019; Ji et al., 2020），这可能进一步负面影响土壤养分循环和生态功能。因此，改善酸性茶园土壤是防止长期无机肥料使用导致的土壤退化、提高土壤质量、促进茶叶生长和增加微生物多样性的关键措施。

为了对抗茶园土壤酸化，通常会施用石灰或白云石等传统改良剂。虽然这些改良剂能在短期内提高pH值，但在持续受到肥料引起的酸化影响下，其效果往往不可持续，且可能损害更广泛的土壤健康。此外，作为避钙植物，茶叶对过量的钙非常敏感，因为过高的土壤钙含量（例如>2000毫克/千克）会抑制生长、损害根系功能和光合作用，最终降低茶叶质量（Yan et al., 2021）。更重要的是，石灰处理仅能解决pH值问题，无法增加土壤有机质或创造对微生物群落至关重要的微生境。实际上，它只是通过改变离子平衡来发挥作用，而没有添加稳定的碳或改善土壤结构，因此可能破坏养分平衡，甚至不利于支持或削弱维持长期土壤肥力和生态系统功能的微生物多样性和相关过程（Le et al., 2025）。相比之下，生物炭作为一种多功能改良剂表现出巨大潜力。它不仅能够调节土壤酸度（Lehmann and Rondón, 2006），还能增强养分保持能力（Adekiya et al., 2020）、固定重金属（Chen et al., 2018a, Chen, Xia, Yang and Shi, 2018b），以及调节微生物多样性和群落结构（Wang et al., 2015; Zhou et al., 2019），从而促进土壤的整体多功能性（Han et al., 2022）。然而，生物炭的效果很大程度上取决于其原料来源和由此产生的物理化学性质，这可能导致不同的甚至矛盾的土壤结果（Ippolito et al., 2020; Nesterova et al., 2024）。这种原料依赖性的变异性要求对不同生物炭在酸性茶园中的效果进行系统评估。此外，尽管生物炭通常能减少阳离子金属的可用性，但其对氧阴离子形成类金属（如砷）的影响可能很复杂，甚至可能增加其迁移性，这凸显了进行综合考虑农艺效益和环境风险的土壤-微生物-植物系统评估的重要性。

土壤微生物在土壤生物地球化学过程中起着关键作用。例如，它们促进养分循环、分解有机物并影响土壤结构，从而维持土壤健康（Li et al., 2021; Saha et al., 2019; Zhang et al., 2019）。微生物群落的变化会通过改变有机物分解能力、养分循环效率和土壤生态系统的可持续性进一步影响土壤功能和生态系统服务（Delgado-Baquerizo et al., 2016）。此外，作为土壤与植物之间的纽带，土壤微生物对土壤-植物系统的健康至关重要（Chen et al., 2019）。因此，微生物多样性和群落组成的变化常被用作评估土壤肥力、生化功能和抗逆性的指标（Berthrong et al., 2013; Liu et al., 2022）。尽管已有许多研究探讨了生物炭对土壤微生物的影响，但在过度酸化的茶园中，系统评估不同生物炭原料如何影响养分富集和金属（类金属）可用性以及这些变化与微生物群落结构和茶叶生长表现的关联的比较性田间证据仍然有限。

稻草和玉米秸秆生物炭是典型的草本作物残渣生物炭代表，而竹子生物炭则具有更紧密和稳定的碳结构。它们不同的碳含量和矿物组成（表1）为研究原料特异性机制在酸性茶园中改善土壤和茶叶植物反应提供了基础。尽管已有证据表明生物炭能够调节土壤酸度和微生物群落，但在茶园中系统研究这些原料在酸度缓冲、养分增强和金属（类金属）可用性之间的权衡仍然有限。此外，很少有研究将这些土壤生态变化与生产相关结果（如茶叶产量和质量）明确联系起来。因此，我们在一个经过管理的酸性茶园进行了比较性田间实验，评估了三种常见的植物源生物炭：稻草（RT）、玉米秸秆（CT）和竹子（BT）。我们量化了它们对土壤性质的影响，包括酸度指标（pH值、可交换铝离子/氢离子）、养分库、金属（类金属）的可用性以及细菌/真菌的多样性和组成，还有新鲜茶叶产量、关键质量成分和叶片养分积累。我们假设：（i）不同原料之间的矿物组成和碳特性会形成不同的土壤化学环境，从而对养分可用性和金属（类金属）的固定产生不同的影响；（ii）原料依赖性的化学变化会重塑土壤微生物群落，进而导致茶叶产量和质量的显著差异。通过将土壤化学、微生物生态学和农艺结果整合到一个土壤-微生物-植物系统中，本研究旨在建立一个实用且客观的框架，以选择适合修复过度酸化茶园土壤的生物炭原料。

生物炭制备

生物炭的制备

稻草生物炭（RT）和玉米秸秆生物炭（CT）购自南京秦丰秸秆科技有限公司，竹子生物炭（BT）则来自浙江集珠生物科技有限公司。三种生物质材料制备生物炭的热解碳化温度范围为500至600°C。加热速率保持在5°C/分钟，最高温度下的停留时间为1小时。生物炭样品的基本物理化学性质如下：

生物炭添加对茶叶产量和质量的影响

植物源生物炭（BT、CT和RT）的应用显著提高了新鲜茶叶产量，改善了关键质量参数，并改变了叶片矿物质养分谱（图1a）。与对照组（CK）相比，生物炭处理使新鲜茶叶产量增加了13–22%（P < 0.001），其中CT处理的产量最高。茶叶质量也表现出原料依赖性差异。多酚含量有显著变化（P < 0.05），CT处理的茶叶多酚含量最高。

生物炭对茶叶产量和质量的调节作用

尽管茶叶植物适应弱酸性和富铝的土壤，但长期过度酸化会通过减少养分可用性和引起根系压力而严重限制其生长（Ding et al., 2021）。这里使用的生物炭有效缓解了这种酸度压力，创造了更有利于根系功能和地上部分生长的土壤环境，从而直接提高了产量（Yadav et al., 2020）。

产量的提高主要归因于生物炭的协同作用

结论与意义

本研究基于多季节的监测，系统评估了三种植物源生物炭（RT、CT和BT）对酸性茶园土壤的影响。所有生物炭都显著提高了土壤pH值并改善了养分状况，减轻了铝毒性。CT和RT有利于养分积累，而BT更有效地降低了某些重金属的可用性，表明不同类型的生物炭具有不同的调节作用。生物炭的应用还促进了微生物

作者贡献声明

李张涛：撰写——审稿与编辑、方法学、研究、资金获取、数据分析。潘宇：验证、软件使用、数据管理。孟俊：资金获取、数据管理、概念构思。赵梅琪：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、软件使用。姚志远：方法学、研究、数据分析。胡敏军：资源获取、概念构思。单胜道：资源获取、方法学、概念构思。陈怀海：撰写——审稿与

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（42277282、42207018）、浙江省“三农九策”科技合作计划（2024SNJF068）、深圳市科技计划（JCYJ20250604174440054、JCYJ20220530150201003）、广东省基础与应用基础研究基金（2022A1515010861）以及农业农村部酸性农田修复项目（2023-2025）的财政支持。