生物炭在园艺基质中替代泥炭、石灰和肥料的化学-生物学适用性

《Journal of Cleaner Production》：Chemical-biological suitability of biochar for peat, lime and fertilizer replacement in horticultural substrates

　　• 由木材、秸秆和树皮制成的生物炭在替代泥炭方面具有很大的潜力。
• 将秸秆纤维转化为生物炭可以提高其生物稳定性。
• 将秸秆纤维转化为生物炭并不会降低氮固定的风险。
• 来自富含营养物质的原料的生物炭具有较高的无机碳含量。

引言
栽培介质是指除土壤之外用于植物根系生长和繁殖的任何材料，在限制空间内使用。它们为植物提供了一个功能性的根系环境，通常应用于受控的园艺环境中。对于某些作物而言，无土栽培系统的环境影响较小，这主要归功于更高的生产力以及更低的水分消耗和农药使用量（如草莓栽培所示）（Licastro等人，2025年）。栽培介质在园艺中的广泛应用及其相对于传统土壤系统的优势强调了进一步提高无土栽培可持续性的重要性。为了提高无土园艺系统的可持续性，人们正在寻找替代不可再生资源（如泥炭、矿物肥料和化石基石灰）的方法。特别是在栽培介质中替代泥炭是一个重要的当前挑战（Hirschler和Osterburg，2025年；Tumbure等人，2025年），因为人们对泥炭开采对环境的影响感到担忧（这导致了法律和商业上的限制），同时泥炭的开采不确定性也在增加（导致泥炭的可用性和质量降低，价格上升）（VPN，2025年）。已经探索并应用了多种有机材料作为栽培介质中的泥炭替代品，每种材料都有其独特的优势和局限性。在某些情况下，材料需要进一步加工以满足栽培要求，这可能会影响其整体可持续性（Hashemi等人，2024年；Komorowska等人，2025年）。许多有机材料已被广泛用于替代栽培介质中的泥炭，包括木质纤维、椰壳纤维和树皮产品以及不同类型的堆肥（Atzori等人，2021年）。来自林业的产品（主要是木材和树皮产品）在实践中越来越多地被用来替代泥炭（Nguyen等人，2026年）。其他材料也开始出现，但在商业规模上的应用仍有限，包括生物炭、各种类似秸秆的纤维以及其他来自湿地管理和自然管理的生物质（Wissner等人，2017年；Vandecasteele等人，2021年）。所采用的加工方式会影响材料的性质，在配制栽培介质时需要解决这些问题。例如，由替代生物质制成的热解产品（生物炭）具有高碱度、高盐分和低持水能力（Tumbure等人，2025年）。寻找新材料和策略时需要平衡多个标准，包括经济可行性、操作实用性、可用性和供应可靠性、可持续性、产品标准化和产品特性（Batame等人，2026年；Hirschler和Osterburg，2025年；Tumbure等人，2025年）。在本研究中，重点在于评估生物炭的化学-生物学适应性作为关键的技术决策标准，然后可以将其与其他相关标准结合应用。在这种背景下，一个专注于化学-生物学特性的评估框架可以促进园艺向可持续栽培介质的转变（Aurdal等人，2026年）。关于化学-生物学特性的数据可以与其他数据结合使用，例如经济可行性、污染物和潜在毒性、物理性质、供应可靠性和生产过程的环境影响，以确定适合特定地区和园艺应用的有前景的材料。栽培介质的物理特性应通过其他标准和/或评分系统进行评估，而污染物、病原体和杂草种子应符合法律和质量要求。

本研究旨在从化学-生物学适用性的角度，选择最有前景的生物炭类型来替代泥炭。因此，研究重点是从化学-生物学的角度评估生物炭作为泥炭替代品的可持续性。研究问题是：根据不同的原料，不同类型的生物炭在替代园艺栽培介质中的泥炭、石灰和肥料方面有多合适？该研究比较了来自不同原料的生物炭，以确定最适合用于园艺基质的类型。有八个特性在评估材料的化学-生物学特性方面既互补又相关，并被应用于本研究：氮固定风险、生物稳定性、pH值、酸碱缓冲能力、电导率、营养含量、堆积密度和有机质含量（Leiber-Sauheitl等人，2021年；Newman等人，2023年；Vandecasteele等人，2021年）。尽管需要了解无泥炭基质中的微生物多样性和活性，但这种知识对于研发和优化园艺栽培介质是必要的（Alsanius等人，2026年；Paillat等人，2020年）。用可再生有机材料替代泥炭可以增加栽培介质中的微生物活性，但这可能会降低生物稳定性和氧气供应，并增加氮固定的风险。因此，在评估泥炭替代品时，必须同时评估生物稳定性和氮固定，因为这些因素决定了根区中的氧气供应和矿物氮的有效性（Chemetova等人，2021年；Newman等人，2023年）。当生物稳定性较低时，微生物呼吸作用可能会减少根区的氧气供应，并间接影响养分供应（Nerlich和Dannehl，2021年）。氮固定是指添加用于作物生产的矿物氮被转化为植物无法吸收的形式，这主要是由于基质中的生物活动（Sradnick和K?rner，2025年）。一些材料（如生物炭）的pH值可能高于栽培介质的最佳范围，但混合高pH值的材料并不一定会产生高pH值的栽培介质（Blok等人，2017年）。pH值会影响微量养分的可用性（Blok等人，2019年；Veazie等人，2025年）。栽培介质的pH值受到混合物中材料酸碱缓冲能力的影响，特别是当使用可再生泥炭替代品时。酸碱缓冲能力是指材料在与酸化物质或其他成分混合时抵抗pH变化的能力（Lataf等人，2022年）。含有较高无机碳或碳酸盐含量的材料通常具有较高的酸碱缓冲能力（Fidel等人，2017年），可能部分替代栽培介质中的石灰（Lataf等人，2022年）。然而，当高剂量使用时，具有很高缓冲能力的材料可能会使pH值超过最佳范围。因此，了解酸碱缓冲能力对于管理基质pH值和增加循环材料的利用至关重要。

电导率和营养含量是栽培介质的重要特性，因为它们直接反映了植物的营养状况、盐度风险和肥料需求。电导率反映了基质溶液中的盐分和养分浓度。高电导率值可能表明盐度水平过高，从而抑制植物生长，而低电导率值可能表明植物可利用的养分不足（Blok等人，2019年）。富含养分的材料可以增加电导率，但也有助于作物营养并减少对矿物肥料的需求。因此，它们的营养含量决定了它们替代肥料的能力以及对养分利用效率的潜在贡献。将富含养分的材料添加到非泥炭基质中可以优化植物营养，同时减少泥炭和化学肥料的使用（Di Lonardo等人，2024年）。这些材料因此可以提供肥料替代能力，并在某种程度上具有养分缓冲潜力（Di Lonardo等人，2024年）。有机质（OM）和堆积密度是栽培介质的基本特性，影响其物理性能、物流和作物表现。有机质改善了结构、透气性和水分保持能力，有助于养分供应和阳离子交换能力，并支持微生物活动（Carlile等人，2015年）。由于有机质的颗粒密度低于矿物材料，因此含有较高有机质的混合物通常具有较低的堆积密度。堆积密度是固体质量与栽培介质总体积的比率，对运输、实验室标准化和栽培都非常重要（Blok等人，2019年）。通过其对水分和空气运输的影响，堆积密度还可能影响根系发育和作物表现（Fields和Criscione，2025年）。因此，评估有机质和堆积密度对于从生产到栽培及最终使用整个过程的栽培介质优化至关重要。

适合替代栽培介质中泥炭、石灰和肥料的指标（PLFI）
传统的基于泥炭的栽培介质与石灰和肥料混合，以创造良好的植物生长环境。为了量化这些材料替代泥炭、石灰和肥料的综合潜力，使用了一个泥炭-石灰-肥料替代指数（PLFI）来评估材料作为替代品的潜力，并区分来自不同原料的生物炭，以识别有前景的替代泥炭的生物炭类型。

**泥炭和椰壳**
泥炭和椰壳类别的PLFI值处于较高范围（PLFI 10或以上，表1）。进一步细分这一类别时，两个子类别的PLFI范围相似。所有个别得分均为1或2，验证了这些材料作为传统栽培介质成分的地位。由于这些材料的磷含量较低，可能需要添加肥料或进行灌溉才能单独使用。根据用途的不同，泥炭可能需要额外施用石灰。

**讨论**
研究表明，添加生物炭可以 consistent 地提高栽培介质的气候性能（Yu等人，2023年）和基于生物的肥料的效果（Jasiński等人，2026年）。只有当生物炭的使用基于配方科学而非单纯的替代目标时，它才能真正为更可持续和技术更精细的园艺系统做出贡献（Nú?ez-Gómez等人，2026年）。我们的研究为此类应用提供了一个选择生物炭的框架。正确使用生物炭（即使用正确的类型和剂量）可以使种植者的产品碳足迹减少，同时不影响植物生长。

**结论**
通过使用基于生物炭的栽培介质，种植者可以在不损害植物生长的情况下减少碳足迹。本研究的重点是从化学-生物学的角度评估生物炭作为泥炭替代品的可持续性。这种化学-生物学适用性基于八个特性进行了评估（氮固定风险、生物稳定性、pH值、酸碱缓冲能力）。

**作者贡献声明**
Bart Vandecasteele：写作 - 审阅与编辑、原始草稿撰写、资源管理、方法论、研究实施、资金获取、数据分析、概念构建。
Simon Craeye：写作 - 审阅与编辑、资源管理、研究实施、资金获取。
Kristof Gheysens：写作 - 审阅与编辑、项目管理、方法论、资金获取。
Peter Melis：写作 - 审阅与编辑、方法论、资金获取。
Hanne Denaeghel：

**资金**
本研究由ALTER-PEAT（用于软果、蘑菇和观赏植物栽培的替代泥炭项目）资助，该项目由Flanders Innovation & Entrepreneurship提供支持，项目编号为HBC.2022.0912。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益关系或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
我们感谢栽培介质和生物炭生产企业提供的材料。