源自水生植物的有机肥料：在土壤中的应用潜力、对土壤-作物系统的影响以及生命周期评估

《Biomass and Bioenergy》：Hydrochar-derived organic fertilizers: Application potential in soil, soil-crop responses, and life cycle assessment

本研究通过水热碳化制备固体（HTC）、液体（HTC-L）及混合形态（HTC-M）生物炭，评估其对菠菜和小麦生长及土壤微生物群的影响。结果表明，HTC-L显著提高作物产量，HTC-M在2%-3%比例时促进生长，同时改变土壤微生物结构，增强养分循环。结论为生物炭应用提供科学依据。

　　

高颖|杨波|王强|崔浩杰|郭海新

湖南农业大学资源学院，中国湖南长沙410128

摘要

生物碳具有增强土壤微生物群落的潜力，但不同生物碳产品及其施用率对土壤功能性生物的影响仍不清楚。在本研究中，通过水热法制备了水碳产品，并将其分为固体（HTC）、液体（HTC-L）和固液混合（HTC-M，比例为1%、2%和3%）三种形式。研究监测了植物生长和产量，探讨了水碳施用对土壤物理化学性质和微生物群落的影响，以及土壤养分与微生物之间的相互作用。与未施用水碳的处理相比，添加HTC-L产品使小白菜的高度增加了约0.25-4.87厘米，小麦的产量增加了约1.04-4.74克/盆。然而，当HTC-M产品中水碳的比例为2%和3%时，小麦的产量有所下降。此外，与对照组相比，水碳显著改变了细菌多样性：在C6和M3处理中增加了假单胞菌门的相对丰度，而减少了酸杆菌门的丰度。Chao 1指数从C4处理降至C6处理，但从M4处理升至M6处理。结构方程模型显示，生物碳与土壤肥力、微生物群落多样性和碳循环之间存在最复杂的关联。生命周期评估表明，HTC、HTC-L和HTC-M产品分别排放了1.67、0.08和0.19千克二氧化碳当量。适量的水碳施用引发了最复杂且紧密连接的微生物网络，促进了土壤养分循环。

引言

土壤健康评估的重点已从单纯关注农业生产力转向综合评估塑造土壤特性的土壤微生物群落和生物过程[1]。土地退化、土壤贫瘠、养分枯竭和生物多样性下降的风险不断增加，这威胁着粮食安全和生态稳定[2]。为了解决农业生产力受限的问题（如养分不平衡和土壤利用效率低下），越来越多的人认识到使用土壤改良剂的重要性[3]。生物碳通过热解、水热碳化或其他碳化方法从有机材料（如生物质）中制备，因其多方面的农业和环境效益而备受重视[4]。由于其独特的性质，生物碳对土壤的物理和化学特性有着显著影响[5]：它可以增强碳封存、改善土壤结构、优化水文过程，并减少土壤盐分和养分淋失[6]。例如，生物碳减轻了覆盖物对土壤酶和微生物的负面影响，同时通过增加功能性基因的丰度促进了养分循环[7]。 水碳是一种在180-260°C下通过水热碳化（HTC）合成的含碳材料[8]，由于其能耗低、产量高且效率与热解炭相当[9]而受到越来越多的关注。通过HTC生成的水碳具有独特的物理化学特性[10]，使其特别适用于土壤改良、提高土壤肥力以及作为低成本吸附剂[11]。水碳改良可以改善土壤的持水能力和孔隙度，降低粘土密度[12]，同时促进土壤团聚体的形成和结构稳定性[13]。基于其物理化学性质，它还可以改变土壤的化学组成[14]。例如，用杨木粉和小麦秸秆制成的水碳改良剂提高了土壤的CEC（阳离子交换容量）和稳定有机碳（OC）含量[15]。一项为期两年的对照田间试验表明，在水碳改良的土壤中种植的植物比在未改良的对照土壤中生长得更高，产量也更高[16]。 此外，土壤微生物对于维持土壤生态系统的健康和稳定性至关重要[17]。尽管关于水碳与土壤微生物之间相互作用的研究有限，但这一领域仍需进一步探索。例如，有研究发现，以玉米秸秆为基础的水碳处理使酸杆菌的丰度减少了5-6倍，而变形菌门的丰度增加了1.6-1.7倍[18]。此外，用甜菜片制成的水碳改良剂对微生物多样性的影响各不相同：增加了真菌多样性，同时减少了细菌多样性[19]。王等人[20]报告称，水碳的稳定性及其对微生物活性的影响高度依赖于生产温度，较低温度下制备的水碳能更好地促进外加有机碳的微生物转化。这些研究主要集中在水碳固体产品的应用上，以及不同生物质原料的制备方法和不同水热温度对土壤物理化学性质和微生物群落的影响。然而，不同水热产品与土壤微生物之间的相互作用仍不清楚。 基于此，本研究进行了盆栽实验，评估了三种类型的水碳产品对两种不同植物（小白菜和小麦）的影响。处理包括固体水碳（HTC）、液体部分（HTC-L）和固液混合物（HTC-M），以及一个未添加水碳的对照组。本研究旨在系统评估不同水碳产品对土壤微生物活性和物理化学性质的影响，特别关注水碳施用如何改变微生物群落结构，从而调节整个土壤中的碳和氮的转化和储存。这项研究为评估水碳的生态影响及其在土壤碳循环中的作用提供了关键的科学见解。

章节片段

土壤与水碳

土壤的采集及其性质在补充信息（文本S1和表S1）中给出。生物炭的表征细节在表S2中进行分析。水碳是通过在180°C下进行4小时的水热碳化从玉米秸秆中合成的。该过程在100毫升石英反应器中进行，每个反应器含有6克玉米秸秆和50毫升去离子水。水热处理后，通过离心分离固体和液体产物。

小白菜生长指数和小麦产量及相关变量

与对照组（C1）相比，处理组（C2）提高了小白菜的生长参数（表1）。在C3处理下，小白菜植株的生长表现出显著改善：植株高度增加了60.20%，根长增加了43.72%，叶片数量增加了54.87%，地上部分的鲜重增加了99.50%，干重增加了94.12%。随着HTC-M比例的增加，小白菜的植株高度、叶片数量和地上部分的鲜重呈现出先增加后

水碳改良下小白菜生长参数和小麦产量的提高

水碳产品（HTC）及其液体部分（HTC-L）对植物生长的促进作用与先前报道的研究结果一致[24]。然而，虽然大多数研究仅关注固体或液体部分的单独施用，但我们的工作通过评估固液混合物（HTC-M）的联合施用扩展了这些发现。结果表明，当以最佳比例施用HTC-M时，也对植物表现有积极影响。

结论

本研究表明，水碳施用显著促进了小白菜的植株生长和根长参数，以及小麦的产量。水碳改良改变了土壤的物理化学性质，在HTC和HTC-L条件下提高了AP（阳离子交换容量）、AK（活性钾）和OC（稳定有机碳）及TN（总氮）的含量，从而改善了土壤健康和肥力。这种改良促进了分解养分的细菌数量增加，并增强了它们的相互作用。此外，它还改变了土壤细菌群落

资助

本研究得到了中国农业科学院的精英青年计划（资助郭海新）和农业科技创新计划（ASTIP）（项目编号：CAAS-ZDRW202510）的财政支持。

作者贡献声明

高颖：数据整理、调查、撰写——初稿。 杨波：数据整理、撰写——审稿与编辑。 王强：数据整理、撰写——审稿与编辑。 崔浩杰：概念构思、监督、撰写——审稿与编辑。 郭海新：概念构思、资金获取、方法学设计、监督、撰写——审稿与编辑。