改性壳聚糖与生物炭协同提升半干旱区土壤功能的机理研究

本研究针对半干旱区土壤退化问题，通过联合应用改性壳聚糖和蕨类生物炭（Azolla filiculoides），系统评估了二者对土壤理化性质及微生物活性的影响。结果表明：最高剂量处理使土壤容重降低13%，持水性提升13%，C/N/P/K等肥力指标显著提高（增幅达2.2-5倍），并显著增强脲酶/蔗糖酶活性及微生物生物量碳（MBC）。该研究为开发低成本环保型土壤改良剂提供了科学依据，对半干旱区生态修复具有重要意义。

　　

半干旱地区的土壤退化已成为全球性生态挑战，极端气候叠加人类活动导致这些区域土壤有机质锐减、持水能力下降，严重制约植被恢复。伊朗作为85%国土处于干旱-半干旱带的国家，其草原生态系统正面临过度放牧与干旱的双重压力。传统修复手段成本高昂且效果有限，而生物炭（Biochar）和壳聚糖（Chitosan）等天然改良剂虽在农业领域有应用，但其在半干旱草原的协同机制尚属空白。更棘手的是，入侵物种蕨萍（Azolla filiculoides）和蟹类加工废料正造成新的环境负担——能否变废为宝，将这些废弃物转化为土壤"良药"？来自伊朗马赞德兰省的研究团队在《Journal of Environmental Management》发表的研究给出了创新性解决方案。

研究团队采用双因素随机区组设计，以0-20 cm表层土壤为对象，设置4梯度改性壳聚糖（0%-0.1%）与生物炭（0%-1.2%）组合处理，通过测定容重（BD）、持水量（WHC）、养分含量及微生物呼吸（SIR）等24项指标，系统解析改良剂的作用机制。关键技术包括：1）利用热解法将入侵蕨萍转化为生物炭；2）采用化学改性从蟹壳提取壳聚糖；3）应用微孔板法测定土壤酶活性；4）通过氯仿熏蒸提取法量化微生物生物量碳（MBC）。

土壤物理和化学性质
方差分析显示，1.2%生物炭+0.1%壳聚糖处理使土壤容重从1.32 g/cm³降至1.15 g/cm³，持水量提升13%。电导率（EC）随改良剂增加呈上升趋势，最高处理组pH值从7.1升至7.5。特别值得注意的是，该组合使有机碳（SOC）和全氮（TN）含量分别达到2.1%和0.15%，较对照组实现2倍以上增长。

微生物活性响应
最高剂量处理组的基质诱导呼吸（SIR）达4.8 μg CO₂-C/g·d，是对照组的2倍。微生物熵（qCO₂）下降表明能量利用效率提高。脲酶活性在0.1%壳聚糖处理中达到78 μg NH₄⁺/g·h，印证了壳聚糖对氮循环的促进作用。

讨论与结论
该研究首次证实：1）生物炭的多孔结构协同壳聚糖的阳离子特性，通过降低BD和提升WHC验证了假设1；2）改良剂释放的Ca²⁺/Mg²⁺等离子使速效磷（AP）增加1.4倍，支持假设2；3）酶活性与MBC的剂量依赖性响应完美验证假设3。这种"以废治荒"策略不仅将环境污染物转化为每公顷成本不足50美元的改良剂，更开创了半干旱区生态修复的新范式。研究结果对全球2.7亿公顷退化草原的治理具有重要参考价值，后续研究可进一步优化配比并评估长期效应。