番茄作物残体制备的预处理气化生物炭作为无土育苗基质的组分

《Horticulturae》：Pre-Treated Gasification Biochar from Tomato Crop Residues as a Component of Soilless Seedling Substrates

　　

来自无土温室的番茄作物残体（tomato crop residues, TCR）被当作废物处理，导致温室气体排放和生物质损失。在循环经济框架内，气化将TCR转化为可再生能源和生物炭；然而，其高pH和电导率（electrical conductivity, EC）限制了其作为基质的使用。该研究评估了预处理是否能使TCR生物炭作为番茄和辣椒幼苗的基质组分和营养源。研究人员通过气化生产生物炭，并通过水孵育加硝酸进行预处理，将EC从27 dS m^?1降至8.7 dS m^?1，pH从10.4降至8.2，同时在不淋洗的情况下实现硝酸盐负载。原始生物炭严重抑制生长。后续实验评估了预处理生物炭与珍珠岩或椰糠混合，有无外源N和K的情况。15/85%（w/w）预处理生物炭/椰糠混合物（PTB/C）表现出最佳整体性能。在没有额外N/K的情况下，PTB/C产生的地上部生物量和地上部N浓度与补充N/K的椰糠相当；地上部K在番茄中相当，在辣椒中更高。在补充N和K的情况下，PTB/C在番茄和辣椒中分别比补充椰糠的生物量高1.41倍和1.95倍。这些结果表明，预处理的TCR生物炭可以减少对进口椰糠和外源N/K供应的依赖。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**

全球人口持续增长，预计到2080年将达到约103亿，对粮食生产带来巨大压力，而可耕地面积减少和气候变化加剧了环境限制。在此背景下，受控环境农业（controlled environment agriculture, CEA）通过在优化和保护条件下进行作物生产，为传统系统提供了更高生产力和资源利用效率的解决方案。番茄是全球最重要的温室作物之一，因其需求量大、经济价值高且适合集约化生产。然而，生产过程中产生大量番茄作物残体（tomato crop residues, TCR），主要为茎和叶，这些残体常被当作废物处理，导致温室气体排放和宝贵资源损失。通过热化学过程（如热解或气化）将TCR转化为生物炭，是在循环经济框架内实现该生物质资源化利用的有前景策略。

尽管已有研究评估了源自TCR的生物炭作为无土基质组分的潜力，但这些研究主要关注幼苗阶段之后的使用，而其对种子萌发和早期幼苗发育阶段的应用尚未充分调查。此外，气化生物炭具有独特的理化性质，包括较高的pH和电导率（electrical conductivity, EC），可能对早期植物发育构成限制。研究者此前尚未探讨通过预处理策略缓解这些限制并增强气化生物炭营养贡献（如N和K可利用性）的潜力。因此，该研究旨在评估气化衍生TCR生物炭的预处理必要性，确定合适的生物炭基质混合物，并检验预处理生物炭是否能在温室条件下同时作为番茄和辣椒幼苗的基质组分和营养源。该方法的创新之处在于将无土温室来源的TCR的气化资源化利用与功能性预处理策略相结合，以缓解盐碱限制并实现营养负载。

**主要关键技术方法**

该研究采用的关键技术方法包括：1）固定床上吸式气化炉（氧化区温度约800–1000°C，进料速率约40 kg h^?1）对番茄作物残体进行气化处理，产生生物炭；2）两步预处理：先进行水孵育（120分钟），再加入硝酸（700 μmol HNO₃ g^?1 生物炭）以降低EC和pH并负载硝酸盐；3）理化表征：测定EC、pH、容重（bulk density, BD）、持水能力（water-holding capacity, WHC）、阳离子交换容量（cation exchange capacity, CEC）、总矿物质和可提取矿物质浓度；4）植物生长实验：在温室内分别以番茄（Ezgi-F1）和辣椒（Toygar-F1）为材料，设置三个独立实验（实验1：不同比例原始/预处理生物炭与珍珠岩混合物；实验2：15/85%预处理生物炭/珍珠岩与不同施肥方案；实验3：15/85%预处理生物炭/椰糠或珍珠岩与不同施肥方案），每处理4个重复，每重复6株幼苗，定期灌溉，持续3–4周，测定地上部和根部干重、根形态参数（使用WinRHIZO软件）及植株矿物质含量（ICP-OES和LECO FP828分析仪）。样本来源：TCR来自土耳其恰纳卡莱的Mavruz Tarim A.S.公司的椰糠无土番茄生产设施；珍珠岩来自土耳其坎的Kale Maden；椰糠来自土耳其伊斯坦布尔的Hateksan Tarim，原产于印度。

**研究结果**

**3.1 预处理的优化与基质表征**：通过水孵育和硝酸处理，原始生物炭的EC从27 dS m^?1降至6.2 dS m^?1（水孵育后）再升至8.7 dS m^?1（加硝酸后），pH从10.4（水孵育后保持不变）降至8.2。预处理生物炭的EC显著高于椰糠和珍珠岩，pH也显著高于两者；椰糠的WHC、BD和CEC显著最高。总矿物质分析显示，除P和Zn外，大多数元素在预处理后浓度下降；可提取矿物质中，预处理生物炭的NO₃^?-N、P和K含量显著高于椰糠和珍珠岩，Cd和Pb未检出。相对含水量在24 h和48 h时，椰糠及预处理生物炭/椰糠基质保持较高水平，而珍珠岩和生物炭基基质较低。

**3.2 原始与预处理生物炭对幼苗生长的影响及最优混合物筛选**：在番茄和辣椒中，15/85%（w/w）预处理生物炭/珍珠岩混合物（PTB/P）均获得最高地上部干重；原始生物炭则严重限制植物存活，仅有番茄在10/90%混合物中存活，辣椒全部死亡。根干重趋势相似，预处理生物炭混合物普遍优于椰糠和珍珠岩。根形态参数与根干重一致，各预处理基质间无显著差异。因此，15/85%的预处理生物炭/珍珠岩混合物被选为后续实验用基质。

**3.3 基质与施肥对幼苗生长的影响**：在实验2中，椰糠、预处理生物炭/珍珠岩、珍珠岩的地上部干重依次降低；完全施肥显著增加地上部干重，但不完全施肥（?K/?N）未改善生长。在实验3中，无额外N和K时，预处理生物炭/椰糠（PTB/C）的地上部干重与完全施肥的椰糠相当；完全施肥下，PTB/C在番茄和辣椒中分别比完全施肥的椰糠高1.41倍和1.95倍。

**3.4 基质与施肥对地上部矿物质组成及潜在有毒元素的影响**：完全施肥下，PTB/C基质中番茄和辣椒的地上部N和K浓度最高；Ca浓度在预处理生物炭/珍珠岩中最高；微量元素中，B在预处理生物炭/珍珠岩中较高，Fe和Mn在椰糠基基质中较高；Cd和Pb在植物样品中未检出；Na在PTB/C中最高。

**3.5 生长期间基质EC和pH的变化**：在番茄和辣椒中，各基质pH随时间无显著变化；预处理生物炭/珍珠岩pH最高，椰糠最低。EC在椰糠和预处理生物炭/珍珠岩中不变，在预处理生物炭/椰糠中显著下降；EC始终以预处理生物炭/椰糠最高，椰糠最低。

**讨论与结论**

讨论部分指出，该研究结果拓展了先前关于热解生物炭的研究，证明气化衍生TCR生物炭也可用于无土育苗基质，实现了温室废弃物的气化资源化利用。预处理有效缓解了生物炭的盐碱限制，硝酸处理在不淋洗条件下负载了NO₃^?-N。原料来自现代无土温室，Cd和Pb未检出，表明高温气化条件下多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs）、焦油样化合物和潜在有毒元素（potentially toxic elements, PTEs）不会限制生物炭的园艺应用。预处理生物炭提供的N和K可部分替代外部施肥，但其主要作用是互补而非完全替代。预处理生物炭与椰糠组合时，由于椰糠的高持水能力和缓冲容量，促进了养分吸收，尤其提高了N积累。K的贡献则直接由生物炭提供，而Ca、Mg及微量元素的吸收主要受pH依赖的可利用性控制。研究结论部分翻译如下：

**结论**：该研究表明，通过适当的预处理策略，TCR的气化可以产生适用于无土育苗基质的增值生物炭。所开发的预处理缓解了原始生物炭的盐碱性，同时实现了硝酸盐负载，使该材料既能作为基质组分也能作为营养源。原始生物炭严重抑制幼苗生长，证实其在无土系统中不可行。相比之下，预处理生物炭显著改善了植物生长。15/85%（w/w）预处理生物炭/椰糠混合物（PTB/C）表现出最有前景的性能。在没有额外N和K的情况下，该混合物产生的幼苗地上部干重和N浓度与N/K施肥的椰糠相当；地上部K在番茄中相当，在辣椒中更高。在N/K施肥下，同一混合物在番茄和辣椒中分别比椰糠的地上部生物量高1.41倍和1.95倍。这些结果表明其具有部分替代椰糠和N/K施肥的能力。这些发现凸显了预处理TCR生物炭在减少对进口椰糠和外源N/K输入依赖方面的潜力。该方法为在循环生物经济框架内将温室残体转化为无土园艺的增值投入提供了途径，提高了资源利用效率和可持续性。需进一步研究评估N和K以外的替代潜力，以及跨作物和生产系统的长期性能。