生物炭与微藻配施改善盐碱土壤质量及作物表现

《Environmental Technology & Innovation》：Co-application of biochar and microalgae improves soil quality and crop performance in saline-alkali soils

　　

将稳定有机改良剂与微生物生物肥料整合是恢复土壤健康与环境可持续性的一种前景策略。然而，生物炭与微藻互作调控作物生长与土壤质量的特定机制仍了解不足，尤其在盐碱农业生态系统中。研究人员于2020—2022年在内蒙古河套灌区盐碱土开展三年田间试验，评估生物炭（0与30 t ha-1，记B0、B3）与微藻（0、30、60 L ha-1，记M0、M3、M6）单独及配施对土壤质量指数（SQI）与植株生长的影响，并阐明提升农业生态可持续性的机制。结果表明，生物炭与微藻肥料配施使土壤物理属性、养分含量与微生物活性分别提升5.2%–26.4%、23.3%–86.8%与19.2%–26.9%，最终SQI较未处理土壤提高119.1%。同时，配施处理较单施更大幅度促进植株生长与生物量累积，表明盐碱条件下对作物表现具有增益联合效应。机制分析显示，与植物生长相关性状与SQI呈强正相关，凸显土壤质量在塑造作物表现中的核心作用，碳累积是关联这些改善的重要因素。并行地，土壤质量与作物表现的同步改善促使土壤-作物系统可持续性提升58.0%。总体而言，研究结果为制定有效管理策略以恢复盐碱生态系统土壤质量与推进可持续农业提供科学依据。

研究背景方面，全球约6.7%陆地受盐渍化影响，内蒙古河套灌区近70%农田存在不同程度盐渍化，盐累积引发土壤结构退化、微生物功能紊乱与养分失衡，导致土壤质量下降与作物受抑。微藻肥料可固氮、刺激微生物多样性与酶活性，但光自养微藻受限于碳源不足；生物炭作为外源碳可缓解碳限制并改善土壤物理属性，二者单独效应已有报道，但在盐碱生态系统中配施是否存在协同互作仍待验证。传统土壤质量指数（SQI）未纳入作物表现，土壤-作物系统可持续性指数（SI）可补此缺陷。为此，研究人员在内蒙古乌拉特前旗科技小院（40°44′ N，107°59′ E）典型盐碱土（含盐4.3 g kg^-1、有机质28.0 g kg^-1、pH 8.5）布置三年随机区组田间试验，以向日葵（Helianthus annuus L.）为指示作物，设生物炭两水平与微藻三水平共六处理（B0M0、B0M3、B0M6、B3M0、B3M3、B3M6），每处理三重复，小区128 m²以水泥隔墙独立，生物炭于2020年6月旋耕入0–10 cm土层（30 t ha^-1，秸秆源400–500℃限氧热解8 h），微藻液（Chlorella vulgaris 2.5×10⁶ mL^-1加光合细菌1×10⁸ mL^-1）按1:500稀释根周年施，基肥与滴灌追肥统一。研究旨在定量单独与配施效应、辨识主导因子、提出优化管理策略。

关键技术方法上，研究人员采用三年田间队列（内蒙古河套灌区盐碱土向日葵田，六处理三重复）获取0–10 cm土壤与花期植株样本；土壤物理化学与生物学指标（容重、盐分、SOC、DOC、TN、AN、NH₄⁺-N、NO₃^--N、TP、AP、TK、AK、MBC、MBN等）按标准法测定；SQI经主成分分析（PCA）筛最小数据集（MDS：SOC、盐分、NH₄⁺-N、DOC、pH、TP）后归一化加权求和；SI基于19指标（14土壤理化+2生物+3作物）分正/负向标准化后算土壤理化子指数（PCI）、生物子指数（BI）、作物子指数（CI）综合得值；数据经PCA与相关性分析辨识驱动因子。

研究结果部分，材料与方法小节已述上述设计。土壤质量指数计算小节表明，PCA提取MDS六指标并赋权，配施处理SQI较B0M0提升119.1%。可持续性指数计算小节显示，SI框架纳入作物生长、生物量与籽粒产，使评价由纯土壤扩展至土壤-作物系统，配施使SI增58.0%。植株与土壤监测结果显示，B3M6处理花期株高、茎粗、叶面积、盘径及成熟生物量均显著高于单施与对照，土壤SOC升23.3%–86.8%、AN与AP提升、NH₄⁺-N与DOC增加、MBC/MBN升19.2%–26.9%、容重降、盐分降。机制分析指出，植物生长性状与SQI强正相关（碳累积为关键关联因子），生物炭供碳促微藻与土著微生物代谢，微藻固氮与分泌产物辅生物炭孔隙保水控盐，形成物理-化学-生物联合改良；SQI与SI同步抬升源于土壤属性与作物表现耦合。

讨论与结论翻译总结：研究人员讨论认为，生物炭与微藻在盐碱土中并非简单相加，而是生物炭缓解微藻碳限制、微藻补足生物炭氮素与激素短板，配施通过外源碳-生物固氮-孔隙控盐回路增强系统韧性。结论部分载明，生物炭（30 t ha^-1）与微藻（60 L ha^-1）配施较未处理土壤使SQI提高119.1%，土壤物理、养分、微生物活性分别改善5.2%–26.4%、23.3%–86.8%、19.2%–26.9%，向日葵生长与生物量优于单施，土壤-作物系统可持续性指数提升58.0%；植物生长相关性状与SQI强正关联，碳累积为重要中介因子；该研究为盐碱区土壤质量恢复与可持续农业管理提供定量依据。论文发表于《Environmental Technology》。