《Frontiers in Soil Science》：Valorization of agri-food wastes: impacts of vinasse, olive pomace, and tomato peel biochars on plant physiology, soil health and sustainability
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引言：在可持续性框架内，利用农业食品副产物（agri-food by-products）与残余物（residues）制备土壤改良剂（soil improvers）可减少废弃物并促进环境友好型农业。该研究评估由三种农业食品残余物——酒糟（vinasses）、橄榄
引言：在可持续性框架内，利用农业食品副产物（agri-food by-products）与残余物（residues）制备土壤改良剂（soil improvers）可减少废弃物并促进环境友好型农业。该研究评估由三种农业食品残余物——酒糟（vinasses）、橄榄渣（olive pomace）和番茄皮（tomato peels）——制得的生物炭（biochars）的农艺、生物和经济影响。方法：在温室试验（greenhouse experiment）中，将生物炭施用于番茄（Solanum lycopersicum cv Heinz 1301）和小麦（Triticum durum cv Svevo），浓度为0.1-0.25-0.5% w/w，以评估其对植物生物量（plant biomass）、生理（physiology）和基因表达（gene expression）、可培养微生物总数（total countable microorganisms）、参与氮矿化（nitrogen mineralization）的芳基酰胺酶（arylamidase）、纤维素降解（cellulose degradation）的β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase）和磷释放（phosphorus release）的磷酸酶（phosphatases）的影响。亦开展了经济与环境评估（economic and environmental assessments）。结果与讨论：酒糟生物炭（vinasse biochar）含最高水平的氮（N）（12000 mg/kg）、钾（K）（11700 mg/kg）和磷（P）（4200 mg/kg），与基于酒糟的堆肥（vinasse-based compost）表现相当。0.5%酒糟衍生生物炭使番茄冠层覆盖度（canopy cover）增加（+125%），并使小麦茎长（stem length）增加（+13%）、根鲜重和干重分别增加（+97%和57%）、茎重分别增加（+41%和44%）。同一生物炭在两种植物中调控参与植物生长发育（plant growth and development）、细胞壁生物合成（cell wall biogenesis）、养分转运（nutrient transport）、激素信号传导（hormone signaling）和胁迫响应（stress response）的基因。与对照相比，所有生物炭，尤其是酒糟衍生生物炭，增强了番茄植株中芳基酰胺酶活性。同一生物炭在0.5%添加时使小麦（+29%）和番茄（+20%）中β-葡萄糖苷酶活性高于对照。0.5%番茄皮衍生生物炭增强番茄植株磷酸酶活性（+27%），而0.5%橄榄衍生生物炭增强小麦中相同活性（+45%）。经济与环境评价表明，这些生物炭在可持续性和经济价值方面优于由相同残余物制得的堆肥（composts）。
研究背景与意义：近年来农业向可持续方式转型，以减少化肥使用、缓解气候变化并保障粮食安全。农业食品工业产生大量副产物和残余物，意大利番茄加工、葡萄酒和橄榄磨坊产业链规模显著，这些残余物多被用于沼气。生物炭（biochar，热化学转化形成的多孔碳质固体）因可改良土壤、促进植物和微生物生长而受到关注，其组成取决于原料、热解温度和时间。已有研究显示番茄残余物、葡萄渣和橄榄渣生物炭具有土壤改良、吸附污染物和促进生长等潜力，但不同生物炭与植物及土壤的互作尚未完全阐明，且不同原料生物炭的效应仍不明确。因此，研究人员在同一实验框架内，以番茄和小麦为测试作物，综合评估酒糟、橄榄渣和番茄皮三种生物炭的植物生理、叶片基因表达、土壤关键酶、经济与环境效应，以填补机制和可持续性评价空白。
关键技术与方法：研究人员采集番茄皮（Rodolfi-Mansueto，Ozzano Taro，Parma）、葡萄渣（“Le due Torri”，Montecchio，Reggio Emilia）和橄榄渣（“Frantoio Oleario F.lli Badaracco”，Recco，Genova），用中试固定床下吸式热解气化装置慢速热解制备BC-O、BC-V、BC-T，并以木源BC-WA4为对照；同源残余物堆肥用于比较。温室随机区组，供试番茄Solanum lycopersicum cv Heinz 1301和小麦Triticum durum cv Svevo，生物炭设0.1、0.25、0.5% w/w。测定生物量、生理参数、土壤理化、可培养微生物、荧光素二乙酸酯（FDA）水解、芳基酰胺酶（ARN）、β-葡萄糖苷酶（β-GLU）、磷酸酶（PHOS），叶片RT-qPCR分析靶基因，并开展经济与碳封存评价。
研究结果：
3.1 生物炭与堆肥表征：生物炭产率为BC-T 0.300 kg kg
-1、BC-O 0.380 kg kg
-1、BC-V 0.350 kg kg
-1；堆肥产率为C-T 0.595、C-O 0.580、C-V 0.550 kg kg
-1。BC-V的pH、电导率（EC）、总N、硝酸盐、P、K和有机质最高。生物炭pH 7.4-8.1，EC 82.7-166.2 mS m
-1，BET 501-554 m
2 g
-1，TOC 72-87.1%；堆肥EC较低、阳离子交换量较高、BET较低，总N、铵、硝酸盐和亚硝酸盐较高。所有样品无植物毒性，污染物低于EU 1009/2019限值。模糊逻辑评分显示BC-V为57，接近C-V的58和C-T的59。BC-V对初始残余物中C和N保留为52%和63%，略低于相应堆肥的64%和68%；生物炭P、K保留95-98%，堆肥85-90%。
3.2 生物炭对土壤和植物的影响：3.2.1 土壤化学与物理表征：所有生物炭提高番茄和小麦土壤pH。番茄收获后土壤EC较对照下降，BC-V下降较少；小麦收获后EC上升，BC-V增幅较小。番茄土壤TOC下降以BC-T、BC-O、BC-V处理差异较大；小麦土壤TOC最高差异见于BC-V，且BC-V处理N下降。P和K下降在各处理间相当。3.2.2 植物生物量与生理参数：番茄中BC-V三个浓度使冠层较对照平均增加148%、140%和125%；小麦中BC-V 0.5%使茎长增加13%，根鲜重和干重分别增加98%和57%，茎鲜重和干重分别增加42%和44%，均显著。
3.3 生物炭对土壤与植物根际的影响：3.3.1 番茄：细菌总数约10
8 CFU g
-1，溶磷菌低于检测限，FDA无差异。ARN在移栽前低，21和60 DAT升高；21 DAT时BC-O 0.25/0.5%、BC-V和BC-T各浓度显著高于对照，BC-O 0.5%、BC-V 0.25/0.5%分别约高9、8和11倍；60 DAT时BC-V 0.5%、BC-T 0.25/0.5%显著较高。β-GLU总体下降，21 DAT时BC-V 0.25/0.5%较高，BC-O 0.25/0.5%和BC-WA4各浓度较低；60 DAT时BC-O各浓度仍低。PHOS 21 DAT升高、60 DAT下降；仅BC-T 0.5%显著较高。3.3.2 小麦：细菌总数和FDA无差异，溶磷菌低于检测限。ARN在30和60 DAS升高，仅BC-V 0.5%显著高于对照。β-GLU总体高于番茄，30 DAS升高、60 DAS下降；BC-V 0.5%在30和60 DAS显著较高，BC-O各浓度显著较低。PHOS也高于番茄，30 DAS升高、60 DAS下降；30 DAS时BC-O各浓度最高且显著高于对照。
3.4 生物炭对基因表达的影响：3.4.1 番茄中生物炭的基因调控：21 DAT时，不同生物炭调节细胞壁生物合成、硝酸盐转运、苹果酸代谢、生长素响应、乙烯信号、茉莉酸和氧化应激相关基因；BC-WA4上调XTH3、NTR、ETR 3-EFR，下调EXLA 1、XGET 2；BC-O调节ME、SISAUR6、XGET 2、XTH3、NTR、ETR 3；BC-T下调多数基因，但ME和XGET 2例外；BC-V上调NTR、APX、ETR 3，下调JAZ 2。60 DAT时除BC-V外多数基因下调；BC-V上调N转运NII 1和NTR、镁转运MRS、油菜素内酯CYP、葡萄糖代谢GGP 2、氧化应激ERD和SODC、乙烯信号ETR 3和EFR。3.4.2 小麦中生物炭的基因调控：30 DAS时BC-O、BC-T、BC-V上调多数生长刺激基因；BC-O中MAL和AUX下调，ACES 3和RESDE类似对照；BC-T中RESDE和LAP 2轻微调节；BC-WA4除GLS外下调。60 DAS时表达模式与30 DAS相似，多数基因上调，涉及MALDH、MAL、SHIKI、GLS、ACES 3、NRS、OIL、PGK、SM 2、RESDE、JAZ、GRS、DHAR 2；BC-WA4下调。
3.5 生物炭与堆肥对碳封存及碳信用经济价值的影响：生物炭碳封存能力高于堆肥；BC-T仅比木源参考BC-WA4低1.3%，C-O、C-V、C-T分别比参考低78%、46%和40%。假设施用量为3 t ha
-1，碳信用价格取30 � tCO
2eq
-1，农民通过碳信用可获得50-230 � ha
-1额外收益。
讨论总结：堆肥通常含更多可直接利用养分，本研究中堆肥N含量较高，但P、C、K与相应生物炭相当或更低；生物炭碳封存更优。所有生物炭提高土壤pH。BC-V因N、P、K和有机质较高，对植物生物量和土壤性质更积极，但番茄和小麦反应不同：番茄冠层增加，小麦茎根生物量显著增加。土壤酶活性具作物特异性，番茄中较稳定，小麦中β-GLU和PHOS在30 DAS达峰后下降，ARN逐渐增加。BC-V持续增强β-GLU，BC-O降低β-GLU，原文认为可能因底物吸附和底物有效性降低。BC-O提高小麦PHOS但未改善生物量。N循环中ARN释放NH
3，与总N正相关，BC-V高N可解释冠层和生物量增加。BC-V还上调番茄NRT2全周期，小麦NR在30 DAS上调和后期下调。BC-V诱导生长与防御相关激素通路，番茄后期LOG8、SISAUR6、SAUR50、XGET、XTH3上调，与生物量和冠层增加一致；BC-O早期也上调部分基因但后期抑制，未见明显生物量效应。小麦中除BC-WA4外多数生长相关基因上调。JAZ在番茄和小麦后期BC-V处理下上调，符合生长-防御权衡。该研究整合三种残余物生物炭、两种作物及农学、生物、分子、环境和经济评价，显示生物炭可减少化肥使用，BC-V改善番茄和小麦生物量、刺激ARN并调节N转运/同化及生长分化基因，提供生物炭特性-土壤功能-植物响应机制联系。生物炭生产成本高于堆肥（260或更多 � ton
-1对25-86 � ton
-1），但运输和应用成本较低（20-10 tons ha
-1对10-40 tons ha
-1），碳封存收益可部分抵消。生物炭sp
2杂化C占70-85%，抗微生物降解500-1000年；堆肥sp
3杂化C更快释放养分。盆栽重复性高，但田间试验、养分释放、产量及C、N、P、K保留测定仍需验证。
结论翻译：总之，综合农学、生物学、分子、环境和经济评价较单独考虑这些方面的研究是重要改进，并为依据预期农业和环境功能选择残余物衍生生物炭提供更全面基础。盆栽研究具有高重复性，有助于理解单一机制在稳定环境中的工作方式。当然，田间规模试验、养分释放研究、产量及C、N、P、K保留测定将有必要在真实农业背景中确认这些效应的持续性，因为真实环境中环境条件更难控制。
