优化海藻生物质预处理工艺以提升气候智能型农业生物炭的品质研究

《Discover Agriculture》：Optimizing the pre-treatment of marine biomass (Laminaria pallida and Gracilariopsis funicularis) for enhanced production of climate-smart agricultural biochar

本研究针对海藻生物炭高盐度限制农业应用的问题，系统探讨了水温（25°C vs 100°C）和浸泡时长（0-6 h）对两种纳米比亚海藻（Laminaria pallida和Gracilariopsis funicularis）生物炭理化特性的影响。结果表明，6 h冷水浸泡处理的G. funicularis生物炭表现最佳：钠含量降低49%（23.9→12.2 g/kg），电导率（EC）降至29.3 mS/cm，pH 8.6，且保留较高营养元素（N: 5.17%; P: 127 mg/kg）。该预处理策略为沿海地区废弃海藻资源化提供了低成本技术路径，对干旱区土壤改良具有重要意义。

　　

在气候变化加剧的当下，海洋生态系统正经历着前所未有的挑战。随着大气中二氧化碳（CO₂）浓度持续升高，海洋吸收大量CO₂导致酸化，同时促进大型海藻的过度增殖。在纳米比亚等受本格拉上升流影响的沿海地区，海藻（如Laminaria pallida和Gracilariopsis funicularis）大量堆积，既影响海岸景观，又造成资源浪费。传统上，海藻可直接用作有机肥，但其高盐分和潜在重金属风险限制农业应用。将海藻转化为生物炭（biochar）被视为一种气候智能型解决方案，既能固碳又可改善土壤，但高盐度（电导率EC常超过20 mS/cm）仍是瓶颈。

为破解这一难题，Ruben等人聚焦预处理环节，探究水温与浸泡时长对海藻生物炭性质的调控作用。研究选取两种纳米比亚常见海藻——褐藻L. pallida和红藻G. funicularis，设计水温（25°C冷水、100°C热水）与浸泡时长（0、0.5、2、6 h）的组合实验，通过400°C限氧 pyrolysis（热解）制备生物炭，系统分析其pH、EC、营养元素（C、N、P）、阳离子（Na、K、Ca、Mg）及重金属（Cd、Cr、Cu、Ni、Zn）含量。

关键方法概述

研究采用三因子（水温、时长、物种）完全随机设计，海藻样本采自纳米比亚亨蒂斯湾和斯瓦科普蒙德海岸。预处理时按1:5（w/v）比例将海藻浸泡于去离子水，干燥后于400°C马弗炉中热解1小时。生物炭理化性质通过pH/EC计、元素分析仪（干燃烧法）、原子吸收光谱（AAS）等标准化方法检测。

研究结果

3.1 生物炭pH与EC

浸泡条件显著影响生物炭酸碱性和电导率。冷水浸泡6 h的G. funicularis生物炭pH为9.3，EC最低（29.3 mS/cm），而L. pallida生物炭呈强碱性（pH 11.3以上），EC较高（41.1–64.3 mS/cm）。热水处理反而使EC随浸泡时间延长而上升，可能与高温促进矿物质溶出有关。

3.2 营养元素动态

冷水浸泡6 h的G. funicularis生物炭营养保留最佳：总氮（N）达5.17%，总碳（C）43.74%，有效磷（P）127.01 mg/kg。相反，热水处理导致氮磷流失，L. pallida的碳含量在热水中随浸泡时间延长而下降。铵态氮（NH₄⁺-N）和硝态氮（NO₃^--N）在冷水中呈下降趋势，反映可溶性氮的浸出效应。

3.3 阳离子含量变化

钠（Na）浓度在冷水中随浸泡时间延长显著降低，G. funicularis的Na含量从23.9 g/kg（未浸泡）降至12.2 g/kg（6 h）。钙（Ca）、镁（Mg）在L. pallida生物炭中含量较高但易被浸出，钾（K）在冷水中保留更优。物种间差异显著，褐藻（L. pallida）的阳离子本底值普遍高于红藻（G. funicularis）。

3.4 重金属安全性

所有处理的重金属（Cd、Cr、Cu、Ni、Zn）含量均低于国际生物炭倡议（IBI）限值。锌（Zn）在热水中浓度升高（G. funicularis达9.52 mg/kg），铜（Cu）在冷水中几乎完全浸出。物种特异性明显：G. funicularis的镉（Cd）含量较高，但仍在安全范围内。

结论与展望

研究表明，6 h冷水浸泡是G. funicularis生物炭的最佳预处理工艺，其适度pH、低EC、高养分含量及安全重金属水平，特别适合干旱区盐渍土壤改良。L. pallida生物炭虽营养丰富但碱性与盐分过高，需结合蚯蚓堆肥（vermicomposting）等后续处理。该研究为海藻废弃物资源化提供了低成本技术方案，未来需关注预处理废水循环利用及田间验证，以推动气候智能型农业 amendments 的实际应用。