生物炭配方肥料开发及其在气候智慧型可持续作物生产中的评价

《Frontiers in Soil Science》：Development and evaluation of biochar formulated fertilizers for climate-smart sustainable crop production

　　

气候智慧型农业代表了一种可持续的生产方式，旨在促进粮食生产和土壤肥力的同时减少温室气体（GHG）排放。在此框架下，有机农业作为一项关键策略，能够增加土壤碳储量、降低GHG排放并支持长期可持续性。生物炭是此背景下的关键创新材料，可增强土壤碳封存并有助于GHG减排。然而，尽管生物炭在土壤调理方面发挥作用，研究发现其在改善土壤氮素方面存在一定局限性。因此，本研究旨在开发生物炭配方肥料以弥补生物炭的不足，并以模式冬季和夏季作物进行评价。研究采用随机完全区组设计（RCBD），设置17个处理（包括4种有机改良剂、12种配方肥料和1个对照），每个处理设置3次重复。研究采用两阶段试验设计：第一阶段于2024年冬季以芥菜（Brassica juncea (L.) Czern.）作为冬季模式作物进行初步筛选，随后于2025年夏季以高粱作为夏季模式作物进行验证试验。测量指标包括土壤参数、植物生长表现以及土壤GHG排放（一氧化二氮（N₂O）、甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）），采用先进方法进行分析。在17个处理中，有5个处理（T6、T7、T8、T15和T17）在土壤氮含量提升、植物生长促进和排放减少方面表现出显著改善。这5种改良剂随后在夏季试验中与标准NPK肥料进行比较。研究结果表明，处理T7（40%生物炭、20%壳聚糖、40%鸡粪）和T17（75%生物炭、25%牛粪）显著促进了高粱生长，其效果与接受NPK肥料的阳性对照组相当。显然，这两种配方能大幅减少土壤GHG排放并改善作物表现。本研究建议这两种生物炭基配方应在更大规模的农场以及冬季和夏季作物上进行测试，以确定其有效性和推广应用的潜力。

**生物炭配方肥料：气候智慧型可持续作物生产的新途径——研究解读**

**一、研究背景与科学问题**

可持续土壤管理对于维持农业生产力和缓解气候变化至关重要。然而，全球范围内土壤退化、有机质下降和养分耗竭持续威胁着作物生产。有机土壤改良剂作为改善土壤肥力、增强养分保持和减少合成肥料依赖的策略日益受到关注。其中，生物炭因其多孔结构、高比表面积和稳定的碳组成而成为备受关注的材料。大量研究表明，生物炭能够改善土壤理化性质、增强水分和养分保持能力、促进有益微生物活动，并有助于长期碳封存。然而，生物炭作为直接养分来源存在重要局限性：大多数生物炭（尤其是木质原料生产的）含氮（N）浓度相对较低，且因其高碳氮比可能暂时固定土壤氮素。因此，单独施用生物炭往往无法满足作物的氮素需求，限制了其作为独立肥力改良剂的有效性。

为克服这一局限性，将生物炭与富氮有机材料结合的思路应运而生。动物粪便等有机改良剂可提供速效养分，而生物炭可通过吸附作用和改善土壤结构增强养分保持并减少养分损失。壳聚糖作为一种多功能有机改良剂也受到关注，其能提供氮素、刺激有益微生物活动，并可能提高养分利用效率和促进植物生长。因此，将生物炭与粪便和壳聚糖结合具有产生协同效应的潜力，可同时改善土壤肥力和作物生产力。此外，生物炭基配方可能影响土壤温室气体动态，但作物生产力的提升并不总是与GHG排放减少相对应，因此需要同时评估农艺表现和环境权衡。尽管生物炭-堆肥系统已被广泛研究，但针对优化生物炭配方（结合粪便和壳聚糖）在田间条件下的研究仍较少。该研究在德克萨斯州开展，旨在开发和评价一系列含粪便和壳聚糖的生物炭基配方肥料，用于冬季和夏季种植系统，以确定优化的生物炭配方肥料对土壤碳氮动态、作物表现和温室气体排放的影响。该论文发表于《Frontiers in Soil Science》。

**二、关键技术方法**

研究人员采用两阶段序贯试验方法。第一阶段（2024年秋冬季）在德克萨斯州Prairie View A&M大学（PVAMU）CAFNR研究基地（距休斯顿西北约45英里，土壤为Wockley细砂壤土）开展筛选试验，采用随机完全区组设计（RCBD），设置17个处理、3次重复，以芥菜为冬季模式作物。第二阶段（2025年夏季）将芥菜试验中表现最佳的处理与标准NPK肥料进行比较，以高粱为夏季模式作物。生物炭施用量为14 t/ha，所有有机改良剂按干重计算，基于各改良剂氮含量和德克萨斯A&M AgriLife推广部推荐的56 kg N/ha施氮量确定用量。主要技术包括：元素分析仪（CHNS）测定土壤总碳（C）和总氮（N）；离子色谱（IC）定量阴离子养分；TOC分析仪测定总有机碳（TOC）；电感耦合等离子体-光学发射光谱（ICP-OES）定量宏量和微量营养素；便携式智能室系统（LI-COR 8100A连接LI-7810和LI-7820气体分析仪）测定土壤CO₂、CH₄和N₂O通量；SPAD-502 Plus叶绿素计测定叶绿素含量；LI-COR 6800便携式光合系统测定光合速率（A）、蒸腾速率（E）和气孔导度（g_sw）。数据分析采用ANOVA、Tukey's HSD检验、Pearson相关分析和K-means聚类分析。

**三、研究结果**

**3.1 处理对芥菜土壤通量的影响**

有机改良剂（T1–T4）和配方肥料（T5–T17）均显著增加了土壤CO₂通量，其中鸡粪（T2）产生最高CO₂排放，归因于其易矿化碳含量高。含鸡粪的配方处理CO₂排放普遍高于含牛粪的对应处理。对照（T11）CO₂通量最低。生物炭和壳聚糖比例较高的配方趋于产生较低CO₂通量，反映这些混合物的难降解性。CH₄通量方面，大多数处理表现出净吸收（汇行为），含牛粪的生物炭配方（T6、T14、T15、T17）比单独施用牛粪（T3）产生更低CH₄通量，表明配方化可降低牛粪的产甲烷作用。N₂O排放方面，未改良土壤（T11）表现为更强的N₂O汇。单独施用生物炭（T1）因改善土壤结构和通气性而促进硝化作用，释放较多N₂O。含牛粪的处理（T6 vs T5、T8 vs T7、T14 vs T13、T17 vs T16）N₂O排放高于含鸡粪的对应处理。大多数配方肥料相比单独施用各改良剂显著降低了N₂O排放，归因于生物炭的多孔结构对N₂O的吸附以及壳聚糖胺基与生物炭含氧官能团之间的静电相互作用限制了N₂O扩散。

**3.2 处理对土壤排放相对变化的影响**

所有处理（除对照T11外）均显示CO₂、CH₄和N₂O通量的增加，但幅度和平衡差异显著。鸡粪处理（T2）引起最显著的整体气体排放刺激。T8和T1分别使N₂O通量升至对照的185%和143%。T9是多气体高响应处理（CO₂ +92%、CH₄ +88%、N₂O +115%）。相关分析显示CO₂与CH₄通量变化呈显著正相关（r = 0.65, p< 0.01），而N₂O与CO₂（r = 0.26, p = 0.31）和CH₄（r = 0.35, p = 0.17）无显著相关，表明N₂O排放受不同于CO₂和CH₄的因素控制。

**3.3 处理性能与气候减缓意义**

基于周CO₂排放的K-means聚类分析将17个处理分为4组：对照（T11）形成独立组（聚类3）；极低排放处理归入聚类1；低排放处理形成聚类2（适合减缓）；高排放处理组成聚类4（需谨慎）。低排放聚类（尤其是生物炭混合配方）代表有前景的气候减缓选择。

**3.4 处理对土壤碳氮改善的影响**

有机改良剂和配方肥料提高了土壤TOC和TN水平。采用多标准评估框架（不显著增加CO₂排放、显著提高土壤总氮、适度改善土壤TOC），筛选出5种最有前景的配方肥料：T6、T7、T8、T15和T17。单独施用生物炭（T1）未显著提高土壤氮含量。

**3.5 配方肥料对芥菜养分增强的影响**

所有处理下生长的植物氮和其他养分含量高于未改良土壤（T11）。单独生物炭处理（T1）的植物氮含量（21.39 ± 5.15）低于对照（28.57 ± 2.43），表明生物炭单独施用主要作为土壤调理剂而非直接养分来源。配方肥料（T6、T7、T8、T15、T17）表现出双重效益：增强主要大量营养素（P和K）和次要大量营养素（Ca、Mg、S），同时改善微量营养素和阴离子养分状况，且未显著增加碳排放。

**3.6 芥菜叶绿素含量和叶面积**

单独施用生物炭的处理SPAD值显著较低（24.23 ± 1.47），与其土壤TN和植物组织NO₃^-浓度降低一致。T6、T7、T8、T15和T17在改善叶绿素含量的同时保持相对较低的碳足迹。所有有机处理均显著增加了叶面积。相关分析显示土壤TN与SPAD值（r = 0.682, p = 0.0026）、SPAD值与叶面积（r = 0.891, p< 0.0001）、土壤TN与叶面积（r = 0.591, p = 0.0124）均呈显著正相关。

**3.7 高粱试验结果**

**3.7.1 精制处理对高粱生理的影响**

T7和T17在相对含水量（RWC）（T7: 84.75 ± 3.49, T17: 83.06 ± 4.47）和SPAD值（T7: 42.60 ± 3.82, T17: 43.97 ± 2.07）方面表现最佳，与NPK处理（T18）无显著差异。T7和T17具有最高的气孔导度（g_sw分别为0.34 ± 0.07和0.33 ± 0.05 mol H₂O m^-2 s^-1）和光合速率（A分别为47.95 ± 4.08和47.67 ± 4.35 μmol CO₂ m^-2 s^-1）。T7和T17产生了最高的水分利用效率（WUE），与合成肥料处理相当或更优。

**3.7.2 处理对高粱生长的影响**

高粱株高在各处理间无显著差异（1.21 ± 0.12 m至1.52 ± 0.22 m）。T7和T17的叶面积（LA）和生物量显著高于对照和其他处理，但与阳性对照（NPK）无显著差异。生物量积累与叶片发育和资源利用效率的关系比与垂直生长的关系更密切。

**四、讨论与结论**

研究表明，精心配制的生物炭、有机粪便和壳聚糖混合物可以改善土壤肥力和作物表现，同时影响温室气体排放。T7（40%生物炭、20%壳聚糖、40%鸡粪）和T17（75%生物炭、25%牛粪）在生理和生长响应方面与常规NPK施肥相当。研究也揭示了重要的农艺-环境权衡：部分配方在改善土壤肥力的同时增加了某些温室气体排放。鉴于本研究周期较短，所观察到的温室气体响应应被解释为短期效应，而非长期气候减缓性能的决定性证据。未来研究应在多个季节、土壤类型和种植系统中评估这些配方，以评估其对土壤健康、作物生产力、温室气体动态和整体气候智慧农业潜力的长期影响。此外，应研究累计排放量或CO₂当量指标，以提供更全面的气候影响评估，并应在未来研究中加以考虑。