有机废弃物热解炭与水热炭对植物生长的物种特异性影响及其土壤改良潜力研究

本研究针对有机废弃物资源化利用和土壤改良需求，通过慢速热解和水热碳化技术将建筑木材、番茄叶和沼气消化液转化为生物炭(BC)和水热炭(HC)，系统评估了不同炭产品对三种作物(大麦、萝卜和油菜)萌发、生物量及土壤性质的影响。研究发现炭产品能显著提升土壤pH值、有机质含量和碳储存能力，其中50 t ha-1番茄BC表现出短期植物毒性，而大麦对炭改良响应最为显著，为废弃物资源化利用提供了重要科学依据。

　　

在全球气候变化和资源循环利用的双重挑战下，如何将农业和工业有机废弃物转化为高附加值产品成为研究热点。生物炭(Biochar, BC)和水热炭(Hydrochar, HC)作为两种典型的碳基材料，在土壤改良、碳封存和废弃物管理方面展现出巨大潜力。然而，不同原料来源和制备工艺产生的炭产品性质差异显著，其对植物生长的影响存在物种特异性和环境依赖性，这在北方气候条件下的研究尤为缺乏。

芬兰自然资源研究所联合奥卢大学的研究团队在《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》发表的重要研究，系统考察了三种有机废弃物(建筑木材、番茄叶和沼气消化液)通过慢速热解(300-500°C)和水热碳化(HTC, 200°C)制备的炭产品特性，及其对北方土壤中三种典型作物(大麦、萝卜和油菜)生长的影响。研究采用多学科方法，包括X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)等材料表征技术，结合控制生长室实验，建立了原料特性-炭产品-土壤改良-植物响应的完整研究链条。

关键技术方法包括：(1)采用慢速热解(氮气氛围)和水热碳化(200°C/15-20 bar)制备6种炭产品；(2)通过XRD、ATR-FTIR、X射线荧光光谱(XRF)等系统表征材料理化性质；(3)设置5-50 t ha^-1三个施用梯度，评估对土壤pH、电导率(EC)等指标的影响；(4)采用分批次播种设计(即时播种与3周稳定期后播种)研究植物毒性时效性；(5)监测三种作物萌发率、生物量及11种营养元素含量变化。

3.1 炭产品的理化特性
研究揭示了原料特性对最终产品的决定性影响。XRD分析显示，建筑木材BC(demolitionBC)和商业参考炭(refBC)具有典型的(002)和(100)晶面衍射峰，表明更高的碳化程度。相比之下，番茄叶BC(tomatoBC)含有明显的碳酸钙(CaCO₃)衍射峰，与其高钙含量(12.9%)一致。ATR-FTIR光谱证实水热炭保留更多羧基(O=C-O)和羟基(-OH)官能团，而生物炭芳香性更高。特别值得注意的是，建筑木材HC(demolitionHC)的比表面积仅2.5 m² g^-1，远低于相应BC的57 m² g^-1，这种结构差异直接影响其在土壤中的行为。

3.2 土壤性质变化
炭产品施用显著改变了土壤化学性质。主成分分析(PCA)显示，番茄BC处理在Soil-PC1(解释52%变异)上得分最高，该成分与pH、EC和阳离子交换容量(CEC)强相关。在最高施用量(50 t ha^-1)下，番茄BC使土壤EC值升至19.8 dS m^-1，接近盐渍化阈值(4 dS m^-1)。所有炭处理均提高土壤有机碳(TOC)含量(1.3-4.4%)，其中建筑木材HC在50 t ha^-1时反而降低土壤pH，这可能与其酸性特征(pH 3.25)有关。

3.3 植物响应模式
植物对炭改良的响应呈现显著物种差异。大麦对炭处理最为敏感，在消化液BC(digestateBC)和建筑木材HC处理下生物量增加最显著(图5a,d)。相反，萝卜生物量不受炭处理影响(P>0.05)，但早期播种使其生物量提高0.662 g(图5b,e)。唯一表现出明显植物毒性的是50 t ha^-1番茄BC处理，使三种作物萌发率降低4.75-42.4个百分点(图4a-c)。值得注意的是，3周稳定期仅对大麦生长有利，而对萝卜和油菜则即时播种效果更佳，这挑战了关于炭产品需要"老化"的传统认知。

3.4 营养元素迁移
炭产品中的元素组成直接影响植物营养状况。XRF分析显示建筑木材BC含锌(Zn)达0.46%，导致大麦和萝卜中Zn浓度分别升至296 mg kg^-1和195 mg kg^-1(图6b,c)，接近欧盟饲料限值(120-200 mg kg^-1)。类似地，建筑木材HC使植物锰(Mn)含量超标(>100 mg kg^-1)。这些发现提示废弃物来源的炭产品可能存在重金属累积风险，特别是在高施用量条件下。

该研究通过系统实验证实，慢速热解和水热碳化都能将有机废弃物转化为符合欧盟肥料产品法规(EU 2019/1009)的土壤改良剂，但产品性能高度依赖原料特性。虽然炭产品普遍提高了土壤碳储存和pH缓冲能力，但对作物生长的促进效果存在物种特异性，且高施用量可能带来盐渍化和重金属风险。特别值得注意的是，水热炭在短期农艺效果上不逊于生物炭，且对湿基原料(如消化液)更具加工优势，但其长期稳定性较差，不适合作为碳封存手段。这些发现为北方农业区有机废弃物的定向转化提供了科学依据，同时强调了制定作物特异性施用方案的重要性。未来研究需要延长观测周期，并评估炭产品在退化土壤中的修复潜力，以充分发挥其在循环生物经济中的多重效益。