橄榄与杨树修剪残渣生物炭的比较评价：基于农林废弃物热化学转化与农学效应的综合研究

《Energies》：Evaluation of Biochar from Agricultural and Forestry Residues: A Comparative Study of Olive and Poplar Prunings

　　

摘要：通过热化学转化实现农林废弃物的可持续资源化利用可支撑循环生物经济和可再生能源生产。本研究评估了意大利中部地区橄榄（Olea europaea L.）修剪残渣和杨树（Populus alba L.）残渣作为原料，通过中试规模固定床热解工艺生产生物炭的效果。研究人员对原料及所得生物炭的理化性质进行了表征，并通过发芽试验和莴苣（Lactuca sativa L.）盆栽实验评估了其农学潜力。杨树生物炭（BFOR）的碳含量（92.0%）显著高于橄榄修剪生物炭（BAGR）（79.9%）。在测试条件下，BFOR的发芽指数（GI）始终高于100%，显示出植物刺激潜力，而BAGR则产生物种依赖性响应。在莴苣盆栽实验中，单独施用生物炭对植物生长的影响有限。然而，当生物炭与有机肥联合施用时，新鲜生物量比单独施肥增加了约10%，其中BAGR处理组达到107.88 g，BFOR处理组达到107.08 g，而单独施肥组为97.53 g。联合处理还表现出改善的光合性能。这些结果凸显了利用本地可利用的农林废弃物进行中试规模生物炭生产的潜力，可作为可再生能源生产和可持续土壤管理的综合策略。

研究背景与科学问题

在全球向可持续和气候中性生产体系转型的背景下，提高资源效率、促进可再生能源生产并实现残余生物质的增值已成为重要方向。农业和林业活动会产生大量木质纤维素残渣，包括修剪残渣和木本生物质，其化学成分因植物学起源、生长条件和化学组成而异。这种变异性强烈影响生物质对热化学转化的适用性，因为原料特性会影响工艺行为以及所得生物炭的理化性质和潜在应用。在地中海地区，橄榄修剪是最丰富的生物质资源之一，而来自短轮伐林的杨树生物质是一种快速生长的可再生木本资源，特别适合热化学转化。尽管这些材料储量可观，但仍有相当一部分未被充分利用或以低价值方式处理，例如露天焚烧，这会导致潜在的碳和养分损失，并造成大气排放。

目前的研究仍存在知识空白：许多研究分别关注热化学工艺优化、理化表征或农学评估，而将这几个方面整合在同一实验框架内的研究较少；此外，大部分现有证据涉及实验室制备或市售生物炭，而对中试规模热化学条件下生产的生物炭的评估相对不足；多数研究仅考察了单一变量对植物或土壤响应的影响，缺乏对生物炭-土壤-植物相互作用的综合评价，特别是针对地中海农林废弃物在中试规模热解系统中的研究更为有限。

研究目的与研究设计

本研究旨在表征和比较两种代表性地中海农林废弃物——橄榄修剪残渣和杨树生物质——在可比操作条件下通过中试规模固定床热解系统生产的生物炭。具体目标包括：表征起始生物质及所得生物炭的理化性质；评估其对莴苣在盆栽条件下的生长及生理形态-产量响应的影响；探究其与有机肥的相互作用及其对土壤CO₂排放的影响。通过在同一实验框架内比较农业残留物与林业残留物，本研究试图确定原料来源差异是否会反映在生物炭特性和农学响应中，从而为评估本地可利用的农林废弃物作为能源-农业综合价值链的资源提供实验证据。

关键技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法：（1）原料选择与表征：选取意大利拉齐奥大区CREA农业试验场的橄榄修剪残渣（标记为AGR）和短轮伐林杨树生物质（标记为FOR）作为原料，并进行工业分析和元素分析；（2）中试规模固定床热解：采用CREA-IT与罗马大学开发的1.5 kW原型反应器，在氮气气氛下从室温升温至700 ℃，升温速率20 ℃ min^-1，终温保持15 min，分别在固定床模式下生产橄榄修剪生物炭（BAGR）和杨树生物炭（BFOR）；（3）发芽指数测定：制备1:10（重量/体积）的水提液，对豌豆、番茄、高粱和向日葵种子进行发芽试验；（4）盆栽实验：设置4个生物炭施用量（5、10、20、30 t ha^-1），以无生物炭土壤为对照，种植莴苣36天，监测形态、生理和产量参数及土壤CO₂排放；（5）生物炭与有机肥联合试验：选用最大施用量（30 t ha^-1）的生物炭与颗粒状有机肥（含6%有机氮）联合施用，种植莴苣33天，评估协同效应。

研究结果

3.1 生物质表征

起始生物质的元素组成在橄榄修剪残渣与杨树生物质之间呈现可比数值。杨树的灰分含量更高，相应的灰熔融温度比橄榄生物质低约5%。橄榄修剪残渣富含钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）和钠（Na）等常量营养素，铁（Fe）和锌（Zn）浓度也较高，而杨树生物质中镉（Cd）和砷（As）的含量更高。

3.2 生物炭表征

杨树残渣的生物炭产率为31.7%，合成气产率37.2%，合成气低位热值（LHV）为6.7 MJ Nm^-3；橄榄修剪残渣的生物炭产率更高（41.9%），合成气产率略低（33.8%），但合成气LHV更高（7.3 MJ Nm^-3）。BFOR的碳含量（92.0%）显著高于BAGR（79.9%），固定碳含量也更高。BAGR的灰分含量约为BFOR的2.5倍。BFOR的pH值略高于BAGR，可能与其较高的Mg和Ca含量有关。BAGR的Na、Fe、Cu和Zn含量显著高于BFOR，而BFOR的Mg和Ca浓度更高。根据欧洲生物炭证书（EBC）-AgroBio标准，BAGR中的Cu（147.0 mg kg^-1）和Zn（1250.0 mg kg^-1）超过了参考限值；根据欧盟法规(EU) 2019/1009，BAGR的Zn浓度也超过了法定限值（800 mg kg^-1）。

3.3 发芽指数（第一阶段）

BFOR水提液在所有测试物种（向日葵、豌豆、番茄和高粱）中均表现出超过100%的发芽指数（GI），显示出植物刺激潜力。BAGR水提液则呈现物种依赖性响应，对向日葵和番茄表现出植物毒性（GI低于80%），但对豌豆和高粱未显示毒性。豌豆种子的发芽几乎不受提取液类型影响。

3.4 莴苣盆栽实验（第二阶段）

光合参数方面，不同底物间未观察到显著差异，但生物炭处理组的叶片气孔导度略有降低。对于BAGR处理，A5剂量下的气孔导度和蒸腾速率最低，A10剂量下显著升高。量子效率（Φ_PSII）随BAGR剂量增加呈上升趋势。形态-产量数据显示，各处理间无统计学显著差异，但生物炭的存在使鲜重和干重较无生物炭土壤略有增加。BAGR在10和30 t ha^-1剂量下鲜重较高，BFOR在5和30 t ha^-1剂量下表现最佳。土壤CO₂排放方面，移植前BFOR处理组的排放显著高于BAGR处理组；收获后各底物间的排放趋于一致，但所有底物的排放量均较移植前增加，其中无生物炭土壤和BAGR处理组的增幅超过100%，而BFOR处理组增幅仅为60%左右。

3.5 生物炭与有机肥联合施用（第三阶段）

叶绿素含量从仅施肥处理组（20.77 μg cm^-2）递减至肥料加生物炭处理组（18-19 μg cm^-2）、仅生物炭处理组（约17 μg cm^-2）和空白土壤组（15.55 μg cm^-2），但差异不显著。联合施肥与生物炭的处理组（F+BAGR和F+BFOR）在气孔导度、蒸腾速率和量子效率方面均倾向于高于单独施肥或单独生物炭处理组。形态-产量数据达到统计显著性：F+BAGR和F+BFOR处理组的鲜重（分别为107.88 g和107.08 g）和干重显著高于仅生物炭处理组和空白土壤组（降幅达50-60%），且较单独施肥处理组（97.53 g）提高了约10%（虽未达统计显著性）。土壤CO₂排放方面，移植前BAGR处理组的排放显著高于其他处理组；收获后，施肥处理组的排放最高，联合处理组次之，仅生物炭处理组和空白土壤组最低，但F与F+BAGR之间的差异未达统计显著性。

讨论与结论

本研究表明，在可比的中试规模热解条件下，由橄榄修剪残渣和杨树生物质生产的生物炭在理化特性上存在显著差异，这些差异与原始原料的特性一致。发芽试验表明BFOR具有稳定的植物刺激潜力，而BAGR则呈现物种依赖性响应，支持将发芽试验作为生物炭田间施用前的初步筛选工具。在盆栽条件下，单独施用生物炭未导致莴苣鲜重的统计显著变化，但当生物炭与有机肥联合施用时，鲜重较单独施肥增加了约10%，同时改善了光合性能。土壤CO₂通量在不同处理和采样时期之间存在差异，表明土壤呼吸存在时间和处理相关的变异性。

总体而言，在同一实验框架内对橄榄修剪和杨树衍生生物炭的比较表明，原料来源与生物炭理化性质的差异相关，而生物学和农学响应则因生物炭类型、植物种类、施肥制度和实验条件而异。这些结果为进一步研究生物炭在农业应用中的适宜性提供了有用基础。未来需要通过长期田间研究，在更广泛的环境和土壤-作物条件下进一步评估生物炭的性能和农学安全性。