**中文标题**：未改性和酸改性枣椰树残余生物炭对土壤肥力提升和玉米生长的影响

《Sustainability》：Impacts of Non-Modified and Acid-Modified Biochars Generated from Date Palm Residues on Soil Fertility Improvement and Maize Growth Xu Zhang, Naxin Cui, Fuxing Liu, Yong Xue, Huaqiang Chu, Xuefei Zhou, Yalei Zhang, Mohamed H. H. Abbas, Mohammed E. Younis and Ahmed A. Abdelhafez

　　

**摘要翻译**：
研究人员评估了使用两种类型生物炭（未改性和酸化）作为土壤改良剂，以提升土壤肥力和玉米生长的有效性，该生物炭来源于枣椰树残余（叶片、叶、核）。这些生物炭是在氧受限条件下通过500 °C的慢速热解制备而成。研究人员的创新方法是通过将烟雾转化为液体肥料（LS）以最小化气体排放，这有望改善种子萌发和早期植物生长阶段。为此目的，研究人员在实验室条件下进行了一项完全随机实验，将10粒玉米种子放置在培养皿中的双层滤纸上，然后暴露于七种浓度的LS（0.0、0.01、0.10、1.0、10%和100%，使用蒸馏水按体积比稀释）。LS含有营养物质和生物活性化合物，低浓度下可能增强种子萌发和早期植物生长，而高浓度可能引起植物毒性效应。结果显示，0.1%浓度的液态烟雾使玉米绝对萌发率从75%（对照）提高到100%，并实现了9.80厘米的最高根长。5%的酸化生物炭将土壤pH值从8.87降低到8.12，并增强了钾的有效性至87.93 mg kg^?1。相反，未改性生物炭有助于进一步增加土壤有机质（最高达1.02%）、氮和磷。此外，应用5%酸化叶生物炭使玉米地上部生长提高133%，叶绿素含量提高39%，钾吸收量增加110%。本研究建立了一种可扩展的方法，将农业废弃物转化为气候适应性资源，有效应对干旱环境中的土壤退化，提高作物抗逆性，并推进循环经济生物经济的目标。

**论文解读文章**：
**研究背景与问题**
土壤退化是当前人类社会面临的重大威胁，并日益被视为实现全球粮食安全的限制因素。现代农业为满足不断增长的食物需求，严重依赖化学肥料和农药，但这些物质可能对环境和生物多样性造成损害。综合有机农业系统（IOFS）是生产高质量食品并实现联合国可持续发展目标（SDGs）的替代方案之一。生物炭（biochar）作为一种富含碳的多孔固体，通过有机废弃物在缺氧或无氧环境下的热解（pyrolysis）产生，因其在改善土壤物理、化学和生物特性、促进植物生长、固碳以及降解持久性有机污染物等方面的多重益处，被誉为“黑色钻石”。然而，将生物炭应用于干旱碱性土壤时面临两大挑战：一是生物炭的碱性（因含有碱性阳离子如Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺）可能阻碍养分迁移；二是热解过程中控制不佳导致的排放气体增加养分流失并加剧全球变暖风险。针对第一个问题，酸改性生物炭（acid-modified biochar）通过酸处理中和碱性并可能提高养分溶解度，成为潜在解决方案。针对第二个问题，排放气体可被捕获、冷凝并液化用作促萌发添加剂。枣椰树（Phoenix dactylifera L.）是干旱和半干旱地区的重要果树，每年产生大量富含纤维素的残余物，可通过经济环保的热解过程转化为生物炭。尽管已有研究探讨了生物炭对土壤和植物的影响，但多数研究使用单一原料，且较少同时比较酸与未改性生物炭在干旱条件下对植物生长的影响，也较少关注枣椰树残余物不同部位（叶、枝、核）所制生物炭及热解副产物液态烟雾（liquefied smoke, LS）的作用。因此，本研究旨在评估源自枣椰树不同部位（枝、叶、核）的未改性和酸化生物炭及其液态烟雾对玉米（Zea mays）幼苗生长、种子萌发及土壤理化性质的影响，以确定最有效的生物质组分和处理方式，同时回收农业废弃物并减少其环境影响，响应联合国可持续发展目标（SDGs）2（零饥饿）、12（负责任消费和生产）、13（气候行动）和15（陆地生命）。

**研究方法与材料**
研究人员在埃及新河谷省收集了枣椰树的枝、叶和核残余物。生物炭通过慢速热解法制备：在氧受限条件下，以10 °C min^?1的升温速率加热至500 °C，并保持120分钟。热解过程中排放的烟雾通过冷凝系统收集、冷却并转化为液态烟雾，离心去除固体和重质组分后用作生物刺激剂/生物肥料。制得的生物炭根据原料分别命名为枝生物炭（B-biochar）、叶生物炭（L-biochar）和核生物炭（P-biochar）。一半生成的生物炭用0.1 M硫酸按1:100（w/v）的比例振荡酸化，之后洗涤、干燥。生物炭的表征包括元素组成、pH、电导率（EC）、比表面积（BET）、扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等。液态烟雾的化学特性也进行了分析。研究设置了实验室种子萌发实验和为期30天的温室盆栽实验。萌发实验在培养皿中进行，使用七种浓度（0.0、0.01、0.10、1.0、10%和100% v/v）的液态烟雾处理玉米种子。盆栽实验在碱性沙质土壤（pH 8.45）中进行，设置15个处理，包括三种生物炭类型（枝、核、叶）、四种施用量（1%、2.5%和5% w/w）的未改性和酸化形式，以及不添加任何改良剂的对照处理，每处理三次重复。所有盆栽均按推荐量施用矿质NPK肥料，并维持土壤水分为田间持水量的80%。实验结束后测定了土壤化学性质、植物生长参数（株高、根长、生物量、叶绿素含量）及植株和土壤的养分含量（N、P、K）。统计分析采用方差分析（ANOVA）和Duncan多重范围检验（DMRT）。

**主要研究结果**
**3.1 生物炭和液态烟雾的表征**
枣椰树不同部位（枝、叶、核）制成的生物炭在化学、物理和工程特性上存在差异。叶生物炭pH值为9.31，持水能力达480.34%，BET比表面积最高（43.5 m² g^?1），有利于改善土壤养分保持和孔隙度。核生物炭有机质含量最高（69.23%），氮含量也较高（1.95%），能有效提升土壤有机碳和氮有效性。枝生物炭特性居中，碱度略高（pH 8.26），EC为0.77 dS m^?1。酸化处理显著降低了生物炭的pH值、灰分含量和主要阳离子水平，但增加了总硫含量和可溶性硫酸盐、氯化物。液态烟雾呈酸性（pH 2.80–3.98），EC较高（10.18–19.24 dS m^?1）。其中，叶液态烟雾的可溶性铵（NH₄⁺）和碳含量最高，核液态烟雾钾含量最高，枝液态烟雾养分相对平衡。扫描电子显微镜（SEM）显示，未改性生物炭具有多孔结构，酸化处理进一步增加了孔隙度和表面复杂性。X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表明，酸化处理改变了生物炭的矿物结晶度和表面官能团，减少了方解石（CaCO₃）等矿物峰，增强了羧基、羟基等含氧官能团的吸收峰。

**3.2 液态烟雾对玉米种子萌发的作用**
来自枣椰树残余的液态烟雾在不同浓度下均显著促进了玉米种子萌发率、根长和苗高，且效应呈浓度依赖性。具体而言，低浓度（0.01–0.1%）的核液态烟雾（pits-LS）将萌发率从对照的75%提高至100%，并使根长达到最高的9.80厘米。核液态烟雾对根和芽伸长的促进效果最强，其次是叶液态烟雾，再次是枝液态烟雾。这归因于核中较高的脂质、简单糖类和酚类抗氧化物质含量，热解产生的生物活性化合物（如有机酸、酚类物质和可能的独脚金内酯类似物）刺激了萌发和伸长。然而，高浓度（>0.1%）的液态烟雾因增加渗透压和酸化环境而抑制萌发，表现出植物毒性。

**3.3 添加生物炭对土壤化学特性的影响**
未改性生物炭对土壤pH值无显著影响（除枝生物炭外），但未改性的叶和核生物炭显著提高了土壤pH值。相反，酸化生物炭在最高施用量下显著降低了土壤pH值，核生物炭效果最明显，这有利于改善干旱碱性土壤中微量养分的有效性。所有生物炭均增加了土壤有机质，尤其是未改性类型。土壤电导率（EC）变化不显著，表明生物炭即使以5%的施用量也不会引起盐胁迫。有效氮（AN）在生物炭施用下显著增加，尤其是高施用量（5%）时，未改性叶生物炭提供的AN最高（28.99 mg kg^?1）。未改性生物炭（特别是枝和叶生物炭）显著提高了土壤有效磷（AP），而酸化生物炭的AP含量较低。有效钾（AK）随生物炭施用量增加而增加，酸化核生物炭在5%施用量下提供了最高的AK值（87.93 mg kg^?1）。植物对研究养分的吸收量在酸化生物炭处理下高于未改性类型。

**3.4 添加生物炭对玉米生长的影响**
所有生物炭添加剂均显著促进了玉米的生长参数（根和地上部生物量、株高和根长），其中酸化生物炭在较高施用量下效果更优。酸化生物炭（尤其是来源于核和叶）在2.5%至5%的施用量下，显著改善了玉米生长和养分吸收。例如，5%酸化叶生物炭使地上部生长提高133%，叶绿素含量提高39%，钾吸收量增加110%；酸化核生物炭使根氮吸收量提高达589%。这些增强归因于：（1）pH值的调节（酸化生物炭pH约4.23，而土壤pH为7.97），提高了磷的溶解度；（2）亲水官能团（如-OH）的存在促进了水分和养分的保持；（3）通过钾介导的渗透调节和抗氧化酶的激活增强了胁迫耐受性。因此，推荐在干旱土壤条件下施用2.5%至5%的酸化枣椰树生物炭以优化玉米产量。

**3.5 植物生长与养分状况的相关性**
植物生长参数（地上部和根鲜重、株高和根长）之间以及与土壤有效氮和植株氮含量之间存在显著相关性。地上部磷含量与根磷含量显著相关，但与土壤有效磷无显著相关。叶绿素含量与植株N、P浓度及根K浓度显著相关。

**讨论与结论总结**
本研究证实，利用枣椰树残余物制备的生物炭和液态烟雾能显著提高干旱地区的土壤肥力并促进玉米生长，其效果取决于原料来源和处理类型。核来源的液态烟雾在低剂量（≤0.1%）下对种子萌发和根系发育效果最佳。5%酸化核生物炭能向土壤释放最高量的钾（87.93 mg kg^?1）并降低pH值。未改性叶生物炭提供了较高的氮有效性（28.99 mg kg^?1），而枝生物炭则最适合磷的富集。酸化过程通过增加孔隙度、官能团和调节pH值，显著改善了玉米地上部生长（如叶生物炭带来133%的提升）和养分吸收（如核生物炭使根氮吸收提高589%）。然而，高浓度液态烟雾（如叶液态烟雾）和过量生物炭（超过5%）会引起植物毒性或根生物量减少，强调了校准施用量的必要性。从实际应用角度，建议使用核液态烟雾进行种子引发，施用2.5%至5%酸化生物炭促进碱性土壤玉米栽培，并使用未改性枝或叶生物炭来提升磷和氮水平。这些策略不仅促进了废弃物的增值利用，还推动了可持续的土壤管理实践。研究局限性包括实验在控制温室条件下进行，可能无法完全代表田间环境；研究仅使用单一土壤类型；且未对烟雾衍生的生物活性化合物进行详细化学表征。未来研究应通过田间规模实验和详细化学分析来解决这些局限性。