脱盐海藻（Gracilariopsis funicularis）制备的生物炭对牛粪-废纸蚯蚓降解和植物养分价值具有积极潜力

《Cleaner and Circular Bioeconomy》：Biochar prepared from desalinated seaweed ( Gracilariopsis funicularis) has a positive potential on cattle manure-waste paper vermidegradation and plant nutrient value

　　

研究人员评估了以0、3、6和9%（w/w）比例掺入脱盐海藻（Gracilariopsis funicularis）生物质来源生物炭（biochar，BC）的牛粪-废纸蚯蚓堆肥（vermicompost，VC）的农艺适用性。BC通过将脱盐海藻生物质在25°C去离子水中浸泡6 h制备，并在蚯蚓堆肥前掺入牛粪，堆肥周期为12周，分别在第0、4、8和12周采样。BC掺入率、蚯蚓堆肥时间及其交互作用显著（P < 0.05）影响电导率（electrical conductivity，EC）、养分动态和重金属浓度，而pH和钙（Ca）未受影响。研究人员采用番茄、卷心菜、洋葱、瑞士甜菜和胡萝卜的种子萌发生物测定评估成熟BC改良蚯蚓堆肥提取物（第12周）的植物毒性，并以去离子水作为对照。12周后，各处理的碳氮比（C/N）范围为11.43-17.60，EC为2.41-2.77 mS/cm，Olsen磷（Olsen P）为262.14-281.00 mg/kg，硝酸盐-亚硝酸盐氮（NO₃/NO₂-N）为10.04-54.34 mg/kg。除9%海藻生物炭处理中的Ca外，所有阳离子值随时间增加。12周后，所有测定的重金属（Cd、Cr、Cu、Ni和Zn）均低于生物固体土壤施用的最大允许限值。就植物毒性而言，除卷心菜在9% BC处理下发芽指数（germination index，GI）降至31.64外，所有选定蔬菜在BC添加下的GI均得到改善。9%海藻生物炭处理显示出最有利的结果：微碱性pH（7.85）、中等EC（2.70 mS/cm）、最低C/N比（11.43）、最高的大量营养素（Olsen P；281.00 mg/kg，交换性K；8.90 g/kg，中等N形态）以及最低的Na浓度（3.44 g/kg）。这些发现表明，该海藻生物炭改良蚯蚓堆肥可能适用于改良酸性生长介质。研究人员建议进一步评估海藻生物炭改良蚯蚓堆肥在无土介质中的应用。

随着全球人口增长，粮食需求持续增加，亟需在保障环境可持续性的同时提高作物产量。土壤改良剂如粪肥、生物炭和蚯蚓堆肥被广泛用于改善养分管理，但单一改良剂存在局限性：粪肥降解缓慢、生物炭养分含量较低、蚯蚓堆肥易发生硝酸盐淋失。生物炭因具有高比表面积和阳离子交换能力，被认为可改善蚯蚓堆肥的养分保持能力，但传统陆地生物质来源有限。纳米比亚沿海地区海藻资源丰富，尤其Gracilariopsis funicularis等大型海藻，可作为可持续的生物炭原料。然而，海藻生物炭含盐量高，需经脱盐预处理以降低盐分。基于此，研究人员将脱盐G. funicularis生物炭以不同比例（0%、3%、6%、9%）掺入牛粪-废纸蚯蚓堆肥中，旨在评估其对蚯蚓堆肥理化性质、养分动态及植物毒性的影响，并确定最佳掺入比例。该研究发表于《Cleaner and Circular Bioeconomy》。

在技术方法上，研究人员从纳米比亚Henties Bay海岸采集G. funicularis海藻生物质，经去离子水浸泡脱盐、干燥后，于400°C热解1小时制备生物炭。以牛粪和废纸为原料，调节C/N比至30:1，按完全随机设计设4个处理，每处理3次重复，接种赤子爱胜蚓（Eisenia fetida）进行12周蚯蚓堆肥，分别在第0、4、8、12周采样。理化分析包括pH、EC、总碳氮、有效氮磷、交换性阳离子和重金属含量。第12周成熟蚯蚓堆肥提取液用于番茄、卷心菜、洋葱、瑞士甜菜和胡萝卜的种子发芽试验，计算相对种子发芽率（relative seed germination，RSG）、相对根伸长（relative root elongation，RRE）和发芽指数（germination index，GI）。

研究结果如下：3.1 pH和EC：生物炭掺入水平对pH无显著影响，pH保持在7.72-8.20的碱性范围；EC随时间显著增加（P<0.05），但不受生物炭水平影响，12周后各处理EC为2.41-2.77 mS/cm，处于中等范围。3.2 C/N比：生物炭水平和时间均显著影响C/N比，且存在交互作用，所有处理C/N比随时间下降，9%生物炭处理最低（11.43），表明其腐熟度最高。3.3 可提取N和P：NH₄-N和NO₃/NO₂-N受时间和生物炭水平交互作用显著影响；未掺入生物炭的对照NH₄-N持续上升至151.32 mg/kg，而生物炭处理在后期下降；对照NO₃/NO₂-N上升至54.34 mg/kg，高生物炭处理下降。Olsen P受生物炭水平显著影响，9%处理最高（281.00 mg/kg）。3.4 交换性阳离子：Ca无显著变化，Mg和Na随时间显著增加但不受生物炭水平影响，K受生物炭水平显著影响且9%处理最高（8.90 g/kg），Na在9%处理中最低（3.44 g/kg）。3.5 重金属：Cr、Cd、Zn、Cu浓度在12周内均低于美国环保署生物固体土壤施用限值，其中Cd在早期未检出，后期上升但仍在安全范围内。3.6 植物毒性：生物炭添加显著影响RSG、RRE和GI（番茄GI除外）。瑞士甜菜和胡萝卜的GI随生物炭水平提高而改善，而卷心菜在9%生物炭处理下GI降至31.64，表现出植物毒性，可能与高EC和K浓度相关。

讨论部分指出，碱性pH有利于酸性土壤改良；EC增加但仍在安全范围，归因于脱盐预处理降低了海藻生物炭盐分，且生物炭的阳离子交换能力限制了可溶性离子的释放。C/N比降低表明生物炭促进了有机质稳定和腐熟。氮素动态表明生物炭通过吸附铵离子和调节硝化作用，减少了氮损失，同时降低了硝酸盐淋失风险。Olsen P提高与生物炭本身含磷及减少磷固定有关。阳离子变化主要受蚯蚓堆肥过程驱动，高生物炭水平可降低Na浓度，但K较高可能对盐敏感作物造成胁迫。重金属浓度虽随时间增加，但均低于安全限值，生物炭可能通过吸附作用固定重金属。植物毒性试验表明，脱盐预处理的海藻生物炭可减轻未改良蚯蚓堆肥的植物毒性，但需注意作物种类特异性，如卷心菜对高盐敏感。

研究结论认为，9%生物炭掺入量可产生微碱性（pH 7.85）、中等EC（2.70 mS/cm）、低C/N比（11.43）、高有效磷（281 mg/kg）和钾（8.90 g/kg）、低钠（3.44 g/kg）的蚯蚓堆肥，且对除卷心菜外的大多数蔬菜无植物毒性。该改良蚯蚓堆肥有望用于改良酸性土壤，但需进一步开展土壤验证和无土栽培研究，同时评估其经济可行性及长期应用对土壤盐分和养分平衡的影响。