《Horticulturae》：Sargassum-Derived Biochar Affects Lettuce Growth and Promotes Sodium Accumulation in Plant Tissues
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本研究探讨了从搁浅马尾藻（Sargassum）生物质制备生物炭及其对生菜（Lactuca sativa L.）生长和叶片元素组成的影响。研究人员在实验室条件下于400、500和600 °C进行热解，并使用土法双桶窑制备生物炭。所得材料呈碱性且富含矿物质，灰分含
本研究探讨了从搁浅马尾藻（Sargassum）生物质制备生物炭及其对生菜（Lactuca sativa L.）生长和叶片元素组成的影响。研究人员在实验室条件下于400、500和600 °C进行热解，并使用土法双桶窑制备生物炭。所得材料呈碱性且富含矿物质，灰分含量为24.6–42.3 wt%，pH值为8.4–8.7。扫描电子显微镜结合能量色散X射线光谱（SEM/EDS）揭示了热解后的结构变化，包括粗糙多孔表面的形成。SEM/EDS半定量分析表明，双桶窑生物炭中Na（4.55 wt%）、K（4.31 wt%）、Ca（2.46 wt%）和Mg（1.75 wt%）的比例相对较高，与原始海洋生物质富含矿物质的组成一致。生菜响应随生物炭施用量的不同而变化。1 t ha?1施用量未显著影响植物生长，而12 t ha?1使地上部鲜重减少约45%，并降低了植株直径、莲座直径、叶片数和叶面积。叶片Na浓度从对照组的4.95 mg kg?1增加至12 t ha?1处理组的11.50 mg kg?1，Na/K比从3.88增加至9.91。因此，最高施用量以叶片Na和Na/K比升高以及植物生长减少为特征。这些发现凸显了马尾藻衍生生物炭在生物质资源化和矿物质回收方面的潜力，同时表明其高钠含量要求在生菜栽培中谨慎考虑施用量。
一、研究背景与意义
近年来，马尾藻属（Sargassum）海洋大型藻类的暴发性增殖已成为影响热带和亚热带沿海生态系统的重大环境挑战之一。大量藻类生物质随洋流漂移并沉积于沿海地区，导致多个大西洋国家的海滩和海岸线反复堆积有机物质。搁浅生物质的分解不仅损害沿海环境质量、改变自然栖息地、释放潜在有毒气体，还对旅游业和渔业造成负面影响，并带来高昂的清运和处理成本。在此背景下，通过热化学转化技术将马尾藻生物质制备为生物炭，被视为将环境负担转化为高附加值产品的重要策略，同时契合环境修复、废弃物资源化和循环经济原则。
尽管马尾藻衍生生物炭在污染物去除、二氧化碳捕集、储能和电催化等环境与技术领域已有大量研究，但其在农业系统中的影响仍未得到充分理解。马尾藻生物质特有的高矿物质、养分和灰分含量使其作为土壤改良剂可能具有提升土壤肥力和养分供给的潜力。然而，与陆生木质纤维素原料制备的生物炭不同，马尾藻衍生生物炭可能含有大量可溶性盐类，尤其是钠，这些盐分在热解后仍可残留并影响土壤化学性质。因此，养分富集的农艺效益可能伴随盐度相关的潜在风险。已有研究建议在农业应用前进行洗涤或脱盐处理，但这些额外工序增加了生产复杂性和成本。鉴于生菜（Lactuca sativa L.）对盐分的高度敏感性，其成为评估海洋生物质衍生生物炭短期栽培效应的理想模式作物。本研究旨在表征马尾藻生物质及两种热解系统制备的生物炭，并评估双桶窑生物炭（BSDDK）对生菜生长和叶片养分浓度的影响。
二、研究设计与主要技术方法
研究人员于2025年4月在葡萄牙亚速尔群岛特塞拉岛的Negrito浴场沿岸采集马尾藻生物质，经60 °C鼓风干燥后，采用两种热解系统制备生物炭：实验室马弗炉（400、500和600 °C，升温速率40 °C min?1，停留时间1 h）和土法双桶窑（约2.3 kg干燥生物质，间接加热，表面温度300–400 °C，热解约2 h）。对生物质和生物炭进行元素分析（CHN元素分析仪）、pH和电导率（EC）测定、灰分含量测定以及矿物质分析（原子吸收光谱法和比色法）。采用扫描电子显微镜结合能量色散X射线光谱（SEM/EDS）评估表面形貌和元素组成。温室盆栽试验采用完全随机设计，设对照、1、5和12 t ha?1四个处理，每处理6个重复，共24株生菜，生长30天后收获，测定生物量、形态参数和叶片元素浓度。数据采用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey HSD检验进行统计分析。
三、主要研究结果
3.1 马尾藻生物质的形态与元素表征
扫描电子显微镜显示马尾藻生物质呈异质形态，具有致密层状组织、增厚区域和不规则表面，未观察到明确的大孔结构。表面附着颗粒和形态上与附生硅藻一致的结构在高倍放大下可见。能量色散X射线光谱（EDS）显示C和O是生物质中的主要元素，同时存在Na、Mg、Cl、K、Ca和Si。元素分析表明马尾藻生物质含33.36 wt% C、5.20 wt% H和2.99 wt% N。
3.2 马尾藻衍生生物炭的表征
生物炭产率随热解条件变化，范围为37.46%至61.64%。马弗炉制备的生物炭产率随热解温度升高而降低，而双桶窑制备的生物炭（BSDDK）产率最高。所有生物炭均呈碱性，pH值在较窄范围内变化。热解后生物炭表现出更明显的碎裂、层状结构部分破坏以及更粗糙和多孔的表面。BSDDK生物炭有机质含量高，主要矿物元素为Na、K、Ca和Mg，其中Na浓度最高，电导率为40.11 mS cm?1。
3.3 马尾藻衍生生物炭对生菜生长的影响
生物炭施用显著影响生菜的多个生长和生物量参数。12 t ha?1处理使地上部鲜重较对照减少约45%，并显著降低莲座直径、总叶片数、可售叶片数和叶面积。地上部干重在所有生物炭处理中均显著低于对照。根鲜重随生物炭施用而降低，12 t ha?1处理最低。根干重在5和12 t ha?1处理中显著低于对照。植株高度和叶长未受显著影响。1 t ha?1处理的叶宽和叶面积高于对照。
3.4 生菜叶片矿质元素组成
生物炭施用对多数叶片化学参数无显著影响，有机质、C、Ca、Mg、K、Cu、Fe和Mn浓度在处理间无显著差异。P浓度存在显著差异，1 t ha?1处理最高，12 t ha?1处理最低。叶片Na浓度随生物炭施用量增加而显著升高，12 t ha?1处理的Na浓度是对照的两倍以上。摩尔Na/K比在处理间存在显著差异，12 t ha?1处理显著高于对照、1和5 t ha?1处理。
四、讨论与结论
讨论部分指出，生物炭产率随温度升高而降低与有机组分逐步热降解和挥发性化合物释放一致，较高产率可能与马尾藻生物质富含矿物质有关。所有生物炭呈碱性，与热解过程中碱性和碱土元素的浓缩一致。H/C和O/C比的变化表明热解过程中碳质基质的改性，较低比值通常表示更高的芳香性、碳化程度和化学稳定性。BSDDK因其较大的生产能力和实用性被选用于温室试验，但其高Na浓度和电导率值得关注，鉴于生菜对盐度的敏感性。叶片Na浓度随BSDDK施用量的增加而升高，Na/K比从对照的3.88升至12 t ha?1处理的9.91。Na/K比的变化在盐分条件下尤为重要，因为Na和K在植物离子调节中具有密切关联的作用。本研究中K浓度无显著差异，因此Na/K比的升高主要由Na增加驱动。12 t ha?1处理中叶片Na和Na/K比的同时升高以及生长减少，为最高施用量下 distinct 离子响应提供了收敛证据，这一模式与盐分条件下生菜的响应一致。
研究结论表明，搁浅马尾藻生物质可通过实验室规模和土法热解系统成功转化为碱性、富含矿物质的生物炭。双桶窑制备的生物炭含有高浓度的Na、K、Ca和Mg，并作为土壤改良剂用于生菜栽培评估。生菜响应随施用量变化：1 t ha?1未导致生长显著降低，而12 t ha?1减少了生物量生产和叶片发育，并显著增加叶片Na浓度。最高施用量下叶片Na和Na/K比升高伴随植物生长减少，表明在该条件下存在 distinct 离子响应。尽管马尾藻衍生生物炭代表了生物质资源化和养分回收的潜在策略，但其高钠含量表明施用量是其在生菜栽培中应用的重要考量因素。本短期单生长周期试验的结果表明，需要开展涉及多个生长周期、不同土壤条件和更广泛作物的进一步研究，以评估这些效应的持久性以及马尾藻衍生生物炭在农业应用中的适宜性。未来研究还应包括能耗评估，以更全面地评价热解系统的效率和可行性。
