生物炭富集基质与生活/城市处理废水（TWW）灌溉下油橄榄树的生长、生理及产量响应

《Scientia Horticulturae》：Growth, physiological and yield responses of olive tree to biochar-enriched substrates irrigated with domestic and urban treated wastewaters

　　

生物炭（biochar）改良通过降低容重（bulk density, BD）和提高持水能力（water-holding capacity, WHC）改善了基质性质。处理废水（treated wastewater, TWW）灌溉促进了油橄榄树的营养生长。生活处理废水（domestic TWW, TWW1）提高了果实产量和单果重，而城市处理废水（urban TWW, TWW2）降低了生产力。TWW1中较高硝酸盐（NO₃^-）水平促进了Na积累，导致油橄榄叶片离子失衡。25%生物炭比例与TWW1组合为淡水和泥炭消耗提供了可持续替代方案，但需要合理的基质配方和施肥管理。

研究背景：油橄榄（Olea europaea L.）是地中海地区重要多年生作物，传统上多分布于边际地区并依赖雨养，因耐旱和耐盐而适应半干旱环境。但干旱频率增加和淡水资源竞争加剧，使地中海油橄榄生产面临挑战；传统雨养园在干旱半干旱区因降雨有限和土壤退化而低产，集约化生产又提高了灌溉和育苗需求。农业约占全球淡水取水量的70%，因此提高水分利用效率、改进灌溉管理并寻找替代水源十分必要。非传统水源中，生活与城市来源的处理废水（treated wastewater, TWW）被认为可缓解缺水，并可提供部分养分，但其中可能含化学污染物，且pH、电导率（electrical conductivity, EC）、Na和Cl等可能影响作物生长、产量和品质。欧盟Regulation (EU) 2020/741等对农业回用提出要求，人工湿地（constructed wetlands, CW）和生物炭过滤可降低污染物。生物炭（biochar）因多孔、高比表面积和养分保持能力而作为土壤改良剂和栽培基质组分受到关注，可提高持水能力、改善通气并吸附Na和Cl等有毒离子。油橄榄田间已有研究，但盆栽无土栽培、苗圃和幼树建园中的应用仍需研究；同时，泥炭替代需求增加，但生物炭也可能释放重金属，需符合EU Regulation 2019/1009和意大利L.D. 75/2010等要求。基于此，研究人员假设适量生物炭配合TWW灌溉可支持植株发育，同时减少淡水和泥炭使用，并评估生活与城市TWW灌溉（irrigation, IR）和生物炭富集基质混合物（substrate mixture, SM）及其交互（IR × SM）对油橄榄cv. ‘Arbosana’的影响，以筛选最佳组合。

研究人员开展的研究与意义：该研究通过盆栽控制试验，比较不同TWW水源和生物炭比例对油橄榄生长、生理、叶片元素、产量和油含量的影响。结果表明，TWW1可像有机肥一样提高生长、果实产量和大小，TWW2则限制生殖发育；高生物炭比例改善基质物理性质并促进营养生长，但50% v/v导致产量下降；25% v/v生物炭配合TWW1在生长和产量间取得较优平衡，且未增加重金属吸收。该研究为减少淡水与泥炭消耗、发展循环型盆栽油橄榄栽培提供了依据，同时强调需根据废水营养谱和基质配方进行精准管理。

关键技术与方法：研究在意大利佛罗伦萨大学试验地开放塑料棚中盆栽进行，使用80 L盆和3年生自根扦插油橄榄（Olea europaea L.）cv. ‘Arbosana’。灌溉水为自来水（tap water, TaW）对照、生活处理废水（domestic treated wastewater, TWW1；来自University of Florence Campus，经水平流–垂直流人工湿地处理）和城市处理废水（urban treated wastewater, TWW2；来自GIDA S.p.A., Prato, Italy，经生物处理和人工湿地处理）。基质混合物为BC0、BC25和BC50，分别含0%、25%、50%生物炭。试验为裂区随机完全区组，5重复，主区为灌溉水源，副区为基质，滴灌维持约80%田间持水量，全季每盆约170 L。测定基质和废水理化性质、株高、叶片性状、气体交换、叶片元素、果实产量与油含量，并进行统计和主成分分析（principal component analysis, PCA）。

研究结果：

3.1 生物炭和基质表征：通过理化表征发现，随生物炭比例增加，容重降低，BC50较对照降低约56%；孔隙度和持水能力提高，BC25和BC50的WHC分别增加约20%和25%。pH随生物炭增加而升高，BC25和BC50超过L.D. 75/2010农业混合基质限值。EC在BC50显著升高但仍低于立法阈值。硝酸盐（NO₃^-）随生物炭增加而增加，铵态氮（N-NH₄⁺）无显著差异；TOC和TN增加。Na在BC50降低约10%，Ni在BC25和BC50增加约六倍，P在BC50降低约13%。Cd和Pb未检出。

3.2 处理废水表征：通过水质分析，两种TWW的EC均超过M.D. 185/2003阈值，分别约为对照的9.5倍和8倍。TWW1因生活污水来源具有高总氮（total nitrogen, TN）和总磷（total phosphorus, TP），硝酸盐占TN近96%，TN和TP超过立法限值。两种TWW中Na、Mg和K含量升高，化学需氧量（chemical oxygen demand, COD）约为自来水的六倍。TWW2的Na负荷明显高于TWW1，但N和P较低。

3.3 形态测量：通过3个时期株高和叶片性状分析，两种TWW灌溉均使株高高于TaW。T1时BC50使株高较BC0和对照增加14%，T3时也观察到较高生物炭比例的正效应；IR × SM无显著差异。TWW灌溉增加叶面积（leaf area, LA）和叶长，TWW1提高叶片鲜重（fresh weight, FW）约27%，并提高叶片含水量（water content, WC）。BC50提高比叶质量（leaf mass per area, LMA）约12–13%，降低比叶面积（specific leaf area, SLA），并提高叶片干重（dry weight, DW）；IR × SM对LMA和SLA有轻微影响。

3.4 生理测量：通过净光合速率（net photosynthetic rate, Pn）、气孔导度（stomatal conductance, gs）和胞间CO₂浓度（intercellular CO₂ concentration, Ci）测定，T1时TWW灌溉降低Pn和gs，TWW1和TWW2的Pn分别约降低20%和25%。T2时TWW1处理各项参数最低，而较高生物炭比例提高Pn和gs，BC50较BC0约高37%。T3时各处理Pn无显著差异，但TWW1降低gs约24%，两种TWW均使Ci低于TaW；BC50提高gs和Ci，分别约23%和12%。IR × SM仅在T3的Ci和T2的gs中有轻微差异。

3.5 叶片元素：通过叶片元素分析，TWW灌溉显著影响多种元素。Ca在两种TWW下接近加倍；K在TWW1下降低至6.35 ± 0.51 g kg^-1 DW，而TaW为8.96 ± 0.22 g kg^-1 DW；Mg在TWW1和TWW2下分别增加约30%和22%；P在TWW1下降低约43%；Na在TWW1下较TaW增加约五倍，在TWW2下增加逾一倍。Cd在两种TWW下均较TaW高四倍以上，Mn和Zn也升高。生物炭显著降低Mn，BC25和BC50分别降低36%和56%，Mg略增；Ni和Pb未检出；IR × SM下，生物炭降低两种TWW灌溉植株的Zn和Mn积累。

3.6 果实测量与产量：通过收获和油含量测定，TWW1使产量较TaW提高约30%，单果重提高约35%，果实长度和最大直径增加；TWW2使单株果实数较其他灌溉水源降低约24%。两种TWW均使橄榄油含量较对照降低10–14%。BC50使产量较对照降低27%，单株果实数较BC0和BC25降低约25%；BC0与BC25产量无显著差异，生物炭未影响单果重、果实长度、直径和油含量。

3.7 多变量分析：通过Pearson相关分析剔除高度相关变量后，PCA前两个主成分分别解释45.16%和27.11%，累计72.27%。沿PC1，灌溉水源明显分离：TaW与gs、Ci、P和油含量相关；TWW1与叶片FW、叶长、LA、Mg、Na、单果重和产量相关；TWW2位于中间。沿PC2，处理按生物炭比例分组，BC50与Pn和LMA相关，BC0与SLA、果实数、产量、Mn和叶片WC相关。

讨论部分总结：讨论指出，TWW灌溉对油橄榄生长的影响与既往研究存在差异；本研究中两种TWW虽盐度和EC较高，仍促进株高和叶片形态，可能与油橄榄耐盐性及cv. ‘Arbosana’的耐盐性有关。TWW1与TWW2效应不同更多源于整体化学组成差异：TWW1具有较高N、P和Ca、较低Na，可能促进营养和生殖发育；TWW2具有较高Na、较低N和P，导致产量下降。两种TWW均降低油含量，这与盐分灌溉下油含量下降的报道一致。T1时Pn下降可能反映初期轻度盐胁迫引起的气孔限制，T3时Pn与对照趋同，提示适应性响应。TWW1叶片Na积累高，讨论认为可能与高硝酸盐促进Na转运和积累有关。叶片元素还显示Na与K竞争、高EC和Ca可能限制P有效性，同时TWW提高Zn、Cu和Mn等微量元素积累，需长期监测。关于生物炭，讨论认为其改善营养生长和生理表现，但响应受剂量、基质、作物需求和培养条件影响；BC50促进株高和叶片性状，却降低果实产量，说明营养生长与生殖发育之间存在权衡；约25%生物炭可在不牺牲产量下减少泥炭。生物炭提高叶片P和Mg，降低Mn等微量元素吸收，可能与其提高pH、固定金属、减少Ni向植株转运有关。联合作用下，生物炭和TWW未显著改变形态和生理，但叶片元素对二者交互高度敏感；生物炭可能通过吸附、缓释和离子交换减轻TWW1盐胁迫，提高P和Mg有效性。TWW1 × BC25为最高产且营养生长良好的组合，可显著减少淡水和泥炭消耗。讨论也强调结果受特定生物炭、TWW和开放塑料棚条件限制，根区温度和EC未连续监测，且产量为一季评估，需多年试验验证。

研究结论翻译：将气化来源木质生物炭作为基质组分与植物修复处理废水整合，为循环、无淡水且减泥炭的盆栽油橄榄栽培提供了战略途径。处理废水的特定化学组成对树木生产力产生深刻且相反的影响。生活处理废水TWW1有效发挥有机肥作用，因其具有较高氮和磷浓度，提高了植株生长、果实产量和大小。相反，城市处理废水TWW2限制了生殖发育，表明灌溉管理必须根据处理废水来源的营养谱进行精准校准。尽管TWW1提高了植株生长和产量，但也诱导了渗透失衡，表现为油橄榄树Na积累增加；该响应可能与TWW1高硝酸盐含量有关，高硝酸盐可促进植物组织中Na吸收。此外，虽然生物炭显著优化基质孔隙度和持水能力，但高掺入比例50% v/v导致不利权衡，即促进旺盛营养扩展而牺牲生殖坐果。尽管如此，生物炭在环境安全和作物品质方面具有关键保护作用；其高度功能化表面和pH介导机制限制了镍和锰等污染物向植物组织转运。最后，25% v/v的中等生物炭添加比例与生活处理废水组合提供了最佳平衡。该组合积极影响植株生长和产量，且未增加植物组织重金属吸收。生物炭与处理废水的联合应用为传统油橄榄栽培方法提供了可持续替代方案，但需要精确的基质配方和合理的施肥管理。未来研究应评估生物炭与处理废水联合应用的长期效应，特别关注废水组成和生物炭用量如何交互调控植株生长、生产力、养分和金属吸收以及果实品质，同时阐明富氮废水灌溉下Na积累的机制。未来研究还应研究针对基质特性的灌溉策略，考虑生物炭改良基质间持水能力和水力性质差异，以进一步优化TWW基油橄榄栽培中的水分利用。