花生壳生物炭作为安多索尔土壤花生种植替代钾源的田间评估

《Environmental Technology & Innovation》：On-farm evaluation of peanut shell biochar as a potential alternative potassium source for peanut production on Andisols

　　

摘要：可持续发目标2（SDG 2）强调在提高环境可持续性的同时增加粮食产量。然而，对矿物肥料的高度依赖引发了与养分损失、水污染、温室气体排放、土壤退化及生产成本上升相关的担忧。钾（K）是花生产量仅次于氮的关键大量营养元素，但钾肥供应易受全球市场波动、价格震荡及钾矿开采的环境问题影响。花生壳约占荚果质量的20–30%，是一种丰富的农业残余物，可转化为富含钾的生物炭。本研究在五个农户田块上进行田间试验，采用配对条带设计，在安多索尔（Andisols）上比较了常规矿物氮磷钾（NPK）施肥与氮磷加花生壳生物炭作为钾源（NPBC）处理对花生的效果。研究评估了植物生长、产量、籽仁品质、钾吸收及养分利用指标，并通过非劣效性检验比较两种处理。结果表明，总钾吸收量和钾吸收/投入比均满足10%的非劣效性界值，而产量变量在15%敏感性界值下也达到非劣效性标准。籽仁品质指标在两处理间无显著差异。然而，NPBC处理的地上部生物量显著高于NPK处理。这些发现提供了初步的田间证据，表明花生壳生物炭有潜力作为花生生产的替代钾源，但仍需进一步验证。

1. 研究背景

全球人口预计到2050年将达到96亿，为满足未来粮食需求，农业生产需增长约70%。然而，传统农业生产过度依赖矿物肥料，导致养分流失、水体污染、温室气体排放、土壤退化及生产成本上升等一系列问题。在此背景下，寻找可持续的替代方案以减少对矿物肥料的依赖并有效利用农业残余物变得尤为重要。

钾（K）是花生生产中仅次于氮的第二大关键大量营养元素，对荚果发育、同化物转运及籽仁品质至关重要。然而，全球钾肥供应极易受到地缘政治冲突、市场价格剧烈波动以及钾矿开采带来的环境污染问题的影响。例如，2022年全球钾肥价格飙升，较此前水平上涨约500%。日本由于国内钾肥产量有限，约64%的氯化钾依赖从加拿大进口，这种高度依赖性使其尤为脆弱。为此，日本启动了MIDORI（绿色）战略，目标是到2030年将化肥使用量减少20%，到2050年减少30%。

火山灰土壤（安多索尔，Andisols）在日本广泛分布，约占耕地面积的27%和旱地作物及森林土壤的51%。这类土壤独特的矿物组成和高有机质含量深刻影响着养分的动态变化，包括钾的有效性和保持力。因此，在安多索尔田间条件下评估替代钾源对于日本的花生生产具有重要意义。

花生壳约占荚果质量的20–30%，是一种产量巨大的农业残余物。将其热解制备成生物炭（biochar），不仅可作为土壤改良剂，还能作为一种潜在的养分载体，特别是钾元素在热解过程中会大量保留在灰分和矿物质相中。然而，生物炭中钾的释放行为与可溶性矿物钾肥不同，其有效性取决于原料类型、热解温度、矿物组成等多种因素。尽管已有研究探讨了生物炭作为肥料补充或部分替代钾肥的可能性，但在农户管理的田间条件下，针对花生壳生物炭完全替代矿物钾肥对花生生长、产量及品质影响的评估仍十分有限。

2. 研究方法

研究人员在位于日本千叶县富里市和八街市的五个农户田块上进行了为期两个生长季（2024年和2025年）的田间试验。试验采用配对条带设计，每个农场设置两个相邻的长条带，分别接受常规矿物NPK施肥（NPK处理）和氮磷肥配合花生壳生物炭作为钾源（NPBC处理）。生物炭由Ikemiya Peanuts Co.提供，经Tromso Co., Ltd.在约800°C下热解制成。生物炭的总钾浓度通过干灰化法和原子吸收分光光度法测定为3.91%（39.1 g kg?1）。研究人员采集了土壤和植物样品，测定了植物生长指标、产量构成要素、籽仁品质、植株钾吸收量及养分利用效率等参数，并采用非劣效性检验对两种处理进行比较。

3. 研究结果

3.1 土壤化学性质

在第一个生长季，NPBC处理下的土壤pH值、电导率（EC）、阳离子交换量（CEC）及交换性钾含量均显著高于NPK处理。这表明生物炭的施用提高了土壤的酸碱缓冲能力和钾素供应水平。在第二个生长季，NPBC处理的土壤交换性钾含量同样更高。

3.2 植物生长和生物量分配

在第一个生长季，NPBC处理的植株地上部生物量显著高于NPK处理，增幅达19.8%。地下部生物量和根冠比在两种处理间无显著差异。在第二个生长季，NPBC处理也表现出更高的地上部和地下部生物量。

3.3 产量和产量构成要素

在第一个生长季，NPBC处理的总荚果产量和商品荚果产量在数值上略低于NPK处理，但未达到统计显著性。非劣效性检验显示，在15%的敏感性界值下，NPBC处理的产量表现不劣于NPK处理。在第二个生长季，NPBC处理的总荚果产量和商品荚果产量均高于NPK处理。

3.4 籽仁品质

在第一个生长季，两种处理在籽仁产量、出仁率和百粒重方面均无显著差异。在第二个生长季，NPBC处理的籽仁产量和出仁率均高于NPK处理。

3.5 植株钾吸收和钾利用效率

在第一个生长季，NPBC处理的植株总钾吸收量显著高于NPK处理，增幅达29.9%。NPBC处理的钾吸收/投入比也显著更高，而钾收获指数（KHI）在两种处理间无显著差异。非劣效性检验表明，总钾吸收量和钾吸收/投入比均满足10%的非劣效性界值。

3.6 养分利用指数

在第一个生长季，NPBC处理的氮磷钾偏生产力（PFP_N、PFP_P、PFP_K）均显著低于NPK处理，这主要是由于NPBC处理投入了更多的钾素所致。然而，NPBC处理的钾农学效率（AE_K）和钾回收效率（RE_K）均显著高于NPK处理，表明生物炭来源的钾被作物更有效地吸收利用。

4. 讨论与结论

本研究表明，在安多索尔土壤上，以花生壳生物炭完全替代矿物钾肥进行花生种植是可行的。NPBC处理在总钾吸收量和钾吸收/投入比方面达到了10%的非劣效性标准，在产量方面达到了15%的非劣效性标准，且籽仁品质未受影响。值得注意的是，NPBC处理还显著提高了地上部生物量和钾吸收效率。然而，研究中生物炭的实际施用量是基于半定量的SEM-EDX分析计算的，若按更准确的干灰化法测定值计算，则实际供钾量超过了矿物钾肥的等价量，这可能是NPBC处理表现优异的部分原因。此外，生物炭的碱性特性可能改善了安多索尔土壤的酸性条件，从而促进了根系生长和养分吸收。研究人员指出，本研究作为一项初步的田间评估，虽然证明了花生壳生物炭作为替代钾源的潜力，但受限于有限的重复次数和缺乏无钾对照处理，仍需更大规模、更长周期的田间试验来验证其稳定性和经济可行性。