《RSC Advances》：Biochar-enriched hydrogels from grapevine pruning waste improve soil water retention and drought tolerance in Vitis vinifera L.Open Access
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水资源短缺是一个关键的全球性问题，要求农业采用可持续的水资源管理方式。本研究考察了将源自葡萄修剪废弃物的生物炭掺入水凝胶后，在两种干旱胁迫条件下对葡萄生长和抗氧化反应的影响。植株种植于含有未改性水凝胶和不同浓度生物炭强化水凝胶的盆中，并暴露于两种不同干旱水平。
水资源短缺是一个关键的全球性问题，要求农业采用可持续的水资源管理方式。本研究考察了将源自葡萄修剪废弃物的生物炭掺入水凝胶后，在两种干旱胁迫条件下对葡萄生长和抗氧化反应的影响。植株种植于含有未改性水凝胶和不同浓度生物炭强化水凝胶的盆中，并暴露于两种不同干旱水平。扫描电子显微镜（SEM）显示未改性与生物炭强化水凝胶之间在结构上存在差异。生物炭强化水凝胶降低了水分蒸发，表明水凝胶体系的水分保持性能得到改善。抗氧化酶活性（超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶CAT）和脂质过氧化（丙二醛MDA）结果显示，生物炭含量和水凝胶/泥炭比例显著影响植株的耐旱性。特定的水凝胶-生物炭组合促进了植株生长和叶绿素保持，并在缺水条件下调节了抗氧化反应，而效果并非始终与生物炭浓度增加呈正相关。总体而言，将生物炭掺入水凝胶体系是提高水分保持和缓解干旱胁迫的有效策略，凸显了其作为可持续土壤改良剂在有限水分条件下增强作物抗逆性的潜力。
# 论文解读：生物炭强化水凝胶对葡萄耐旱性的影响及其在可持续农业中的应用
## 研究背景与意义
全球水资源短缺问题日益严峻，气候变化导致的干旱事件频发，对农业特别是半干旱和干旱地区的葡萄栽培构成了严重威胁。尽管已知适度水分亏缺不会显著损害葡萄植株性能，但水分限制仍被定义为主要限制生长、生产力和品质参数的环境因素之一。气温升高和降雨模式不规则增加了灌溉用水需求，使得现有水资源可持续管理以及该领域新技术开发变得势在必行。
近年来，利用农业废弃物生产水凝胶用于水分管理成为一项创新策略。三维亲水性聚合物网络能够保持根系区域土壤水分，通过吸收自身重量数倍的水分来减轻干旱胁迫。在葡萄栽培中，施用于根际的超吸水水凝胶可增强土壤持水能力和植物可利用水量，改善植株水分状况、气体交换、光合作用、胁迫后恢复及生长。然而，水凝胶基体系的有效性可能因组成、施用率和土壤水分条件而异，某些情况下生物炭-水凝胶复合材料反而可能限制植物生长。
另一方面，生物炭是通过热解将有机残留物转化为稳定富碳材料的环境友好型土壤改良剂，既能改善土壤理化性质，又能增强植物在胁迫条件下的表现。已有研究表明生物炭可增加叶绿素含量、生长和生物量，同时降低活性氧（ROS）积累、提高抗氧化酶活性并降低胁迫水平。然而，关于生物炭强化水凝胶应用于根际、特别是多年生木本物种和葡萄园系统的研究十分有限，现有研究多集中于一年生物种或重金属/盐胁迫。此外，由葡萄修剪残留物制备生物炭在循环经济和废弃物资源化背景下的潜力尚未得到充分评估。
本研究旨在评估将源自葡萄修剪残留物的生物炭掺入合成水凝胶中所制得的葡萄修剪生物炭强化水凝胶（VB-HG）在不同水分亏缺条件下对葡萄幼苗耐旱性的影响。研究的创新之处在于将葡萄修剪来源的生物炭整合到水凝胶基质中，并评估其对干旱胁迫下葡萄幼苗生理性能和抗氧化反应的联合效应。该策略除改善植株耐旱性外，还提出了葡萄栽培中水资源管理的可持续方案，同时在循环经济框架内实现了修剪残留物的资源化利用。
## 主要技术方法
研究人员从土耳其马尼萨葡萄栽培研究所获得葡萄品种Sultan-7（Vitis vinifera L. cv. Sultan-7）扦插苗，并采集当地葡萄园修剪枝条经500 °C热解制备生物炭。采用聚乙烯醇（PVA）和海藻酸钠（SA）通过离子凝胶化合成水凝胶微球，在制备阶段掺入不同浓度（0.1%–0.5% w/v）生物炭制成VB-HG。利用扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征材料结构，通过溶胀实验、土壤水分蒸发速率（WER）和土壤降解实验评估水凝胶功能特性。盆栽试验在土耳其梅尔辛大学校园温室中进行（36°47′10.76″ N 34°31′26.04″ E），采用全因子实验设计，涉及不同HG∶peat比（0.5%、1%、1.5%）、不同生物炭含量及两种灌溉频率（条件I：每7天灌溉，中度缺水；条件II：每10天灌溉，重度缺水），并对植株高度、叶绿素含量（SPAD）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）活性和丙二醛（MDA）含量进行测定，采用双因素方差分析进行统计评估。
## 研究结果
### 生物炭和水凝胶的表征
元素分析表明所制备生物炭具有碱性pH（9.21）、电导率995 μS cm?1及72.9% C、1.3% N、3.3% H的元素含量，证明成功生产出适合农业应用的富碳材料。SEM观察显示葡萄修剪生物炭具有高度多孔的蜂窝状结构，含异质大孔和中孔，反映热解后保留的维管架构；未改性水凝胶（Raw HG）表面相对致密、连续且均匀；生物炭掺入后复合水凝胶形态明显变得更为异质，生物炭颗粒嵌入聚合物基质中，周围出现微孔和不规则表面特征，表明生物炭掺入改变了水凝胶网络的物理结构。FTIR光谱显示3200–3600 cm?1处O–H伸缩振动在VB-HG中略有变宽，2850–2950 cm?1处脂肪族C–H伸缩振动仍存在，1600–1650 cm?1处COO?不对称伸缩和芳香族C=C振动出现轻微强度和宽度变化，但未出现新的特征吸收峰。这些结果说明生物炭主要通过氢键和其他非共价物理相互作用改变水凝胶物理结构，未形成新的化学键，聚合物骨架得以保留。
### 合成水凝胶的溶胀性能
溶胀实验表明水凝胶的吸水行为同时受周围介质和生物炭掺入量影响。在1%盐水中的最佳溶胀容量为549%（0.4% VB-HG），去离子水和自来水（pH 7.0）中最佳溶胀容量分别为352%和207%（0.2% VB-HG）。最高溶胀率（0.0024 g min?1）记录于0.5% VB-HG，最低（0.0015 g min?1）为0.4% VB-HG。再溶胀实验显示经过三次连续溶胀-再溶胀循环后，Raw HG保持约300%溶胀容量，0.1% VB-HG保持约380%，0.5% VB-HG仍具约250%溶胀容量，表明所有配方均具有令人满意的结构稳定性。最高溶胀性能并非总与最高生物炭浓度相关，过量生物炭负载可能限制聚合物链迁移性并降低吸水能力。
### 土壤水分蒸发速率和水凝胶降解
水分蒸发实验显示未添加水凝胶的对照处理水分蒸发最高（86.42%），Raw HG略降低水分损失，而生物炭强化水凝胶产生更显著的蒸发降低效果，最高生物炭含量0.5% VB-HG处理记录到最低水分蒸发速率（54.71%），含0.3%–0.5%生物炭的水凝胶使水分蒸发相对对照降低约15%–30%。降解实验显示增加生物炭含量加速了水凝胶在泥炭条件下的降解：40天后Raw HG仅降解7%，而0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%生物炭水凝胶分别降解17.3%、29.4%、35.3%、42.9%和43.4%。双因素方差分析表明生物炭含量对降解率有显著主效应（F = 4.095, p < 0.05, ηp2 = 0.631），而时间与生物炭含量的交互作用不显著。生物炭引入的额外界面和结构不连续性促进水分渗入和微生物定殖，加速降解，但这种中等程度的降解在功能持久性和环境可持续性之间提供了适当平衡。
### 不同灌溉条件下植株高度和叶绿素含量
正常灌溉的Control-A植株表现出最高生长（第2至15周增加50%），仅受干旱胁迫的Control-B植株增幅显著较低（20%），表明长期水分亏缺严重限制营养生长。在条件I下，所有水凝胶处理均比Control-B改善植株高度，生物炭强化水凝胶总体产生更大生长响应。最高株高增加以1% HG∶peat比例下的0.5% VB-HG处理获得（47.58%），其次为0.5% HG∶peat下的0.3% VB-HG（44.6%）和1.5% HG∶peat下的0.2% VB-HG（42.97%），这些处理间无显著差异。在条件II下，所有处理植株高度均低于条件I，水凝胶处理显著缓解干旱胁迫（Control-B仅增3%）。1% HG∶peat比例下0.1% VB-HG产生最高株高增加（25.9%）。叶绿素方面，两种干旱条件下Control-B均显著低于水凝胶处理。条件I下最高叶绿素含量在0.5% HG∶peat比例下0.2% VB-HG处理获得（49.4%），其次为同比例下0.4% VB-HG（45.7%）。条件II下最高叶绿素含量记录于0.5% HG∶peat比例的0.5% VB-HG处理（50.4%增加，23.2 SPAD单位），其次为1% HG∶peat的0.1% VB-HG（45.9%）。研究结果表明，叶绿素保持和植株生长取决于生物炭浓度与HG∶peat比例的交互作用，而非生物炭剂量单独决定。
### 叶片丙二醛浓度
MDA水平受HG∶peat比例和生物炭浓度显著影响，但未观察到一致的剂量依赖性响应。条件I下，某些水凝胶处理较Control-A表现出更高MDA浓度，特别是在低生物炭-低HG∶peat和中生物炭-高HG∶peat组合中；Control-B表现出低于Control-A的MDA水平，可能反映长期缺水后的生理驯化。1.5% HG∶peat下0.5% VB-HG处理获得最低MDA值之一，相对Control-A降低约40%、相对Control-B降低约25%，甚至低于正常灌溉的Control-A。条件II下观察到类似响应模式，0.2% VB-HG在所有HG∶peat比例下均产生相对低MDA值，而0.3% VB-HG与1.5% HG∶peat组合产生最高MDA值之一。MDA结果表明干旱下氧化损伤受HG∶peat比例与生物炭浓度交互作用主导，膜保护取决于水凝胶-生物炭配方的优化而非单一增加生物炭浓度。
### 超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性
SOD活性受干旱严重程度及HG∶peat比例与生物炭浓度交互作用显著影响。条件I下Control-B较Control-A表现更高SOD活性，最高SOD活性（30.8 U per g FW）记录于1% HG∶peat比例的0.5% VB-HG处理。条件II下大多数水凝胶处理SOD活性较Control-B显著增加，最高SOD活性（41.8 U per g FW）记录于1.5% HG∶peat比例的0.1% VB-HG处理，而0.5% VB-HG在0.5%和1.5% HG∶peat比例下产生较低SOD活性。CAT活性方面，两种干旱条件下Control-B均低于Control-A。条件I下Raw HG（0.5%和1.5%比例除外）和多个VB-HG处理显著增加CAT活性，最高CAT活性在0.5% HG∶peat比例的0.2%和0.5% VB-HG处理中观察到。条件II下多数处理CAT活性普遍升高，最高值出现在0.5% HG∶peat的0.2% VB-HG处理和1% HG∶peat的0.1% VB-HG处理，这些处理同时伴随相对低MDA水平。综合SOD、CAT和MDA结果，CAT活性反映了抗氧化防御系统的协调调控而非单一酶的作用。在测试配方中，1% HG∶peat比例的0.2%–0.3% VB-HG处理提供了最平衡的生理响应，而1.5% HG∶peat与不同VB-HG浓度的组合保持较高SOD活性且CAT和MDA接近基础代谢水平，表明严重干旱下具有更稳定的抗氧化状态。
## 结论总结
研究证实干旱胁迫通过改变株高、叶绿素含量和氧化应激相关响应对葡萄生长和生理性能产生不利影响。水凝胶和生物炭强化水凝胶的应用可调节植株对缺水条件的响应，但其效果因HG∶peat比例、生物炭浓度和响应变量而异。含较高生物炭量的生物炭强化水凝胶显著降低水分蒸发，表明泥炭-水凝胶体系内水分保持改善和水分损失减少。然而，最有利的植株响应并非总在最高生物炭浓度下获得，强调水凝胶性能取决于配方而非生物炭含量单一因素。最佳配方因测量响应而异：条件I下，1% HG∶peat比例的0.5% VB-HG产生最高株高增加，而0.5% HG∶peat的0.2% VB-HG产生最高叶绿素含量；条件II下，0.5% HG∶peat的0.5% VB-HG获得最高叶绿素含量；0.5% VB-HG实现最强水分损失降低；对于氧化应激相关响应，没有任何单一配方在SOD、CAT和MDA方面均持续最优。总体而言，HG∶peat比例与生物炭浓度的交互作用是缺水条件下水凝胶性能的重要决定因素，但不存在对所有响应变量均最优的单一配方。研究结果支持根据预期功能（保水、植株生长、叶绿素维持或氧化应激调控）优化水凝胶组成。水分损失、植株生长、叶绿素含量、SOD、CAT和MDA的综合响应表明，适当配制的水凝胶体系可能有助于改善有限水分条件下葡萄的性能。这些发现为生物炭强化水凝胶在可持续葡萄栽培水资源管理中的潜在应用提供了有价值的见解。
