不同来源生物炭的表征及其对商业基质物理-水文性质与水分利用效率的影响

《ACS Omega》：Characterization of Biochars from Different Origins and Their Effects on the Physical-Hydric Properties and Water Use Efficiency in Commercial Substrates

　　

生物炭因其改善体积含水量与水分质量之间关系、提高农业系统水分利用效率的潜力而被广泛研究作为土壤调理剂。然而，关于其对用于幼苗生产的商业基质物理-水力性质的影响，特别是在水分保持行为及灌溉管理实际应用方面的信息仍然有限。本研究对由柠檬草生物质（BCL）和城市固体废物（MSW）制备的生物炭进行了理化性质、营养成分及潜在有毒金属含量的表征。并评估了以不同比例（0、5.0%、7.5%和10% m·m^–1）添加这些生物炭对用于幼苗生产的商业基质物理-水文性质及水分保持行为的影响。实验在受控条件下的盆钵中进行，在饱和及重力排水过程中的连续时间点测定了体积含水量和基质质量。评估了基质的物理-水文参数，包括体积含水量、电导率、饱和含水量及容器持水量，并拟合了回归方程以估算有效水分。所制备的材料呈碱性，BMSW的pH值为9.58，BCL为8.83，且灰分含量存在差异，从BCL的15.12% m·m^–1到BMSW的36.45% m·m^–1不等。营养成分分析表明存在大量营养元素，包括Ca、Mg、N、K和P，其中BMSW中Ca、N和P含量较高，而BCL中Mg和K含量较高。潜在有毒金属含量低于农业利用的既定限值，表明其应用于基质具有环境安全性。尽管大多数物理-水力参数的整体变化有限，但在最高评价比例下，生物炭的掺入提高了容器持水量，并建立了一个用于估算基质水分保持的预测性操作模型。该模型可根据体积含水量测量结果估算基质水分有效性，可作为幼苗生产系统灌溉管理的实用工具。在体积含水量方面观察到具体差异，对照基质约为0.43 m³·m^–3，而生物炭处理为0.53 m³·m^–3，尤其在BMSW 7.5%和10.0% m·m^–1剂量以及BCL 10% m·m^–1剂量下。水分保持曲线表现出高线性度（R²在0.962至0.998之间），可据此估算基质中操作上有效的水分以用于水分管理。研究得出结论：生物炭可作为基质调理剂，有助于废弃物的可持续利用，并为容器栽培作物的灌溉管理和提高水分利用效率提供了一种实用方法，且不因所评估金属造成环境限制。

**论文解读：不同来源生物炭对商业基质物理-水文性质与水分利用效率的影响**

**一、研究背景与意义**

在设施园艺和育苗生产中，栽培基质的物理-水文性质直接决定水分利用效率、植株存活率及作物品质。基质的水分保持行为通常以水分保持曲线（water retention curve）描述，该曲线将体积含水量与基质势（matric potential）或排水阶段相关联，是表征非饱和多孔介质中水分储存与流失动态的基础参数。随着碳基材料研究的深入，生物炭（biochar）——有机生物质在无氧或限氧条件下热解产生的富碳材料——因其高内在孔隙度、大比表面积以及丰富的微-中孔隙结构，被广泛视为改善土壤和基质物理-水力性质的重要改良剂。

然而，现有研究大多聚焦于农业土壤，而针对生物炭添加对商业育苗基质（具有高孔隙度、高保水性、有机组成等特点）物理-水文性质影响的专门研究仍较缺乏。尤其值得注意的是，商业基质与自然土壤在水力行为上存在本质差异（如质地、孔隙分布、有机质与矿物组成），因此系统研究不同原料来源生物炭在不同添加比例下对基质操作水分保持曲线的影响，对实现水资源合理利用和基质-植物系统高效灌溉管理具有重要意义。此外，生物炭的化学与环保特性（包括营养元素供给和潜在有毒金属含量）也是其农艺可行性的决定性因素。

基于上述问题，本研究选取两种具有环境代表性和循环经济价值的生物质原料——柠檬草（lemongrass）精油提取后的农业残余生物质和城市固体废物（municipal solid waste, MSW），通过慢速热解制备生物炭，系统评价其以不同比例（0、5.0%、7.5%、10% m·m^–1）掺入商业基质后对物理-水力参数和水分保持曲线的影响，该论文发表于《ACS Omega》。

**二、主要技术方法**

本研究所用生物炭分别由柠檬草残余生物质（350 °C）和城市固体废物（450 °C）经慢速热解制备（升温速率10 °C·min^–1，停留时间约90 min）。主要表征方法包括：工业分析（水分、灰分、挥发分、固定碳，参照ASTM标准）、pH和电导率测定、密度测定、BET比表面积与孔隙分析、扫描电子显微镜（SEM）形貌观察、大量/微量营养元素及重金属含量分析（EPA 3050B和AOAC 999.11方法）。试验设7个处理（两种生物炭×四个添加比例），每处理3次重复，共21盆，采用完全随机设计，通过TDR探针（Meter Em50）测定饱和及重力排水（24 h）过程中基质的体积含水量（volumetric moisture content, VMC）和电导率（electrical conductivity, EC），建立操作水分保持曲线。样品来源：柠檬草生物质来自该机构芳香植物研究基地，MSW来自废弃物资源化项目。

**三、主要研究结果**

**3.1 生物炭表征**

**3.1.1 工业分析、pH、电导率与密度**
两种生物炭均呈碱性（BMSW pH 9.58，BCL pH 8.83），BMSW灰分含量（36.45% m·m^–1）显著高于BCL（15.12% m·m^–1），电导率亦表现为BMSW（8.37 dS·m^–1）高于BCL（4.18 dS·m^–1）。BCL具有较高固定碳（40.65% m·m^–1）和较低密度（192 kg·m^–3），而BMSW密度为440 kg·m^–3。

**3.1.2 比表面积与孔隙特性**
BET分析显示BMSW比表面积（7.56 m²·g^–1）大于BCL（4.92 m²·g^–1），平均孔径分别为12.90 nm和8.76 nm，总孔体积分别为1.31×10^–2 cm³·g^–1和4.45×10^–3 cm³·g^–1。SEM观察显示材料形态异质，颗粒表面分布大量孔结构。

**3.1.3 营养元素与重金属含量**
BMSW中Ca、N、P含量较高，BCL中Mg、K含量较高，均具有作为基质调理剂的营养潜力。重金属含量（As、Cd、Pb、Cu、Cr、Hg、Mo、Ni、Zn）均低于Conama Resolution 375/2006规定的农业用途限值。

**3.2 基质物理-水文性质及饱和曲线**

**3.2.1 商业基质添加不同生物炭的物理-水文参数**
随生物炭添加，体积含水量增加，BMSW 7.5%和10%处理达0.53 m³·m^–3和0.52 m³·m^–3，显著高于对照（0.43 m³·m^–3）；BCL仅在10%剂量下显著提高。EC值范围为0.31～0.38 mS·cm^–1，未造成基质盐渍化。饱和含水量无显著差异，但10%剂量下容器持水量显著提高（BCL达3.57 gH₂O·g_substrate^–1）。

**3.2.2 操作水分保持曲线评价**
回归方程显示高线性度（R² = 0.962～0.998），表明体积含水量与保留水质量间存在稳定线性关系，可通过TDR测定体积含水量快速估算基质水分有效性，为灌溉管理提供操作工具。

**四、讨论与结论**

讨论部分指出，生物炭对商业高孔隙有机基质的水分保持效应弱于对砂质土壤的改善作用，这与基质本身高孔隙度稀释了生物炭结构性贡献有关。虽然大多数经典物理-水力参数变化有限，但生物炭添加在最高比例下显著提高了容器持水量，且两种生物炭均未检出环境限制性重金属风险。

结论：柠檬草生物炭和城市固废生物炭掺入商业基质后，未显著改变大多数评价的物理-水力参数，但容器持水量在最高剂量下有所提高。该研究建立的高线性操作水分保持曲线（R²介于0.962～0.998）表明，可通过TDR传感器测定体积含水量来实际操作估算基质水分有效性，为容器栽培系统的灌溉管理提供了工具。生物炭的表征显示其为富含矿质营养的碱性材料，且有毒金属浓度低于农业利用限值，凸显了其作为基质调理剂和有机及城市废弃物可持续利用途径的潜力。