生物炭-堆肥复合基质调控地中海气候下屋顶农业系统的微量元素与养分动态

为解决城市农业中泥炭替代材料的安全性和环境性能问题，研究人员开展生物炭-堆肥复合基质对屋顶农业系统微量元素和养分动态影响的研究。结果表明，生物炭可降低40%砷和25%氮磷的植物吸收与淋失，同时确保作物符合欧盟安全标准，为可持续城市农业提供安全高效的栽培基质。

　　

随着城市化进程加速，屋顶农业(RA)因其在提升本地蔬菜供应和缓解热岛效应等方面的潜力备受关注。然而，传统泥炭基质存在不可再生、碳足迹高等问题，而城市有机废弃物堆肥作为替代材料又面临微量元素污染风险和养分流失的挑战。在这一背景下，西班牙国家研究委员会(CSIC)农业科学研究所的研究团队开展了一项为期三年的系统研究，揭示了生物炭-堆肥复合基质在调控屋顶农业系统中元素循环的关键作用，相关成果发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上。

研究团队采用咖啡渣(CG)、咖啡银皮(CSK)和海藻(S)三种典型城市废弃物，分别与生物炭(BC)共堆肥制备六种栽培基质。通过ICP-MS元素分析、NMDS多维标度等关键技术，结合动态指数模型(SI/T_aerial/T_fruit)，系统评估了番茄-生菜-瑞士甜菜轮作体系中元素迁移规律。特别设计了大气沉降对照实验，并创新性地采用钙/DTPA(CAT)法测定有效态元素含量。

基质元素动态与pH/EC的调控作用

研究发现基质演化呈现原料依赖性特征，NMDS分析显示pH和电导率(EC)是驱动分异的关键因子。生物炭使CSK和CG基质的EC降低35-40%，并通过提升pH值（7.1±0.3）显著抑制镉铅等重金属的活性。

元素迁移的时空规律

标准化指数显示，海藻基质初始砷含量最高（41%于其他组），但生物炭使其植物吸收降低40%。尽管咖啡基质中镉存在与钙锰的协同吸收现象，所有作物可食部位重金属含量均低于欧盟标准(EC No 2023/915)。

养分保持与淋失特征

生物炭使磷钾淋失量分别减少40%和25%，其中CSK+BC处理表现最优。钙(Ca²⁺)是主要淋失元素（占总量50.9%），而生物炭通过增强阳离子交换容量(CEC)有效延缓养分耗竭。

大气沉降风险评估

对比实验证实，生菜经清洗后铝铅等元素降低37%，且城市种植的蔬菜比市售品种含有更丰富的铁(0.29%)、镁(0.69%)等微量元素。

该研究首次系统阐明了地中海气候区屋顶农业中生物炭对元素循环的长期调控机制。通过建立原料-基质-作物-环境的全链条评估体系，证实咖啡银皮生物炭基质(CSK+BC)在安全性、养分保持和可持续性方面的综合优势。这不仅为城市农业提供了经优化的基质配方，其提出的动态指数模型更为废弃物资源化利用提供了普适性评估框架。研究结果对发展低碳城市农业、实现联合国可持续发展目标(SDGs)中的可持续城市社区建设具有重要实践意义。