《South African Journal of Plant and Soil》：Sweet sorghum biomass, brix content and estimated ethanol yield response to inorganic fertiliser, biochar, compost and biochar–compost blend in marginal rainfed soils
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可持续生产生物能源作物（如甜高粱）对于支持清洁能源和生物燃料发展至关重要，尤其是在边际和雨养条件下。本研究评估了有机改良剂（生物炭（biochar）、堆肥（compost）和生物炭-堆肥混合物（biochar–compost blend，1:1））与无机肥料相
可持续生产生物能源作物（如甜高粱）对于支持清洁能源和生物燃料发展至关重要，尤其是在边际和雨养条件下。本研究评估了有机改良剂（生物炭（biochar）、堆肥（compost）和生物炭-堆肥混合物（biochar–compost blend，1:1））与无机肥料相比，对甜高粱鲜生物量、白利糖度（Brix）含量和估算乙醇产量的影响。有机改良剂每季施用7 Mg C ha?1，而无机肥料施用300 kg ha?1的2:3:4（30）并追施400 kg ha?1石灰硝铵。与无机肥料相比，有机改良剂显著提高了作物表现。施用有机改良剂使甜高粱鲜生物量提高27%–50%，白利糖度含量提高13.89%–48.43%，估算乙醇产量提高58%–100%（分别与无机肥料相比）。在有机改良剂处理中，生物炭-堆肥混合物在所有农艺参数上均产生最高值，证明其作为雨养条件下甜高粱作为生物能源作物生产的可持续肥料管理的潜在益处。然而，未来研究应将生物炭-堆肥混合物与保护性实践相结合，以发展在雨养和边际土壤中甜高粱等生物能源作物的整体可持续生产。
论文发表在《South African Journal of Plant and Soil》，该研究围绕边际雨养土壤中生物能源作物甜高粱的可持续生产展开。以下从研究背景、技术方法、结果、讨论及结论几个方面进行解读。
## 1 研究背景与问题
全球能源转型背景下，生物燃料的清洁生产日益受到重视，而生物能源作物的可持续供给是其中关键环节。南非政府推行的《生物燃料工业战略》要求建立能够在低农艺投入条件下维持高产的生物能源作物系统，尤其要在边际土壤和雨养环境中实现稳产。甜高粱（sweet sorghum）因具备较强的耐旱性、耐涝性、耐盐碱性以及对低肥力土壤的适应性，被视作极具潜力的生物能源作物，且不引发粮燃油冲突。然而，南非对于甜高粱在边际土壤上的可持续生产研究仍然不足，特别是在如何避免传统集约化生产对土壤造成退化方面存在明显空白。
传统上，生物能源作物生产常采用大量无机肥料和彻底清除生物量的方式。尽管这一方式短期内能提升产量，但长期施用无机肥料可能导致土壤理化性质劣化、养分失衡和土壤侵蚀加剧。南非部分前黑人聚居区被推荐用于种植生物能源作物，但该区域土壤本身肥力低下、退化严重，若继续沿用传统农艺措施，将进一步恶化土壤质量并最终导致减产。因此，亟需探索低无机肥料依赖、不损害土壤质量的可持续生产途径。已有研究表明，施用有机改良剂（organic amendments），如生物炭（biochar）和堆肥（compost），可以改善土壤结构、提高养分保持能力并促进作物生长，但针对甜高粱这类生物能源作物的专门研究较少，尤其是关于其对茎秆糖分积累和乙醇产量影响的信息十分有限。因此，研究人员设计了这一田间试验，以明确生物炭、堆肥及其混合物相比无机肥料是否能够更有效地提升甜高粱的鲜生物量、白利糖度（Brix）以及估算乙醇产量。
## 2 主要关键技术方法
研究地点选在南非豪登省Cullinan的Fine Living农场（25°38′59.0″ S，28°26′31.9″ E），该地区为半干旱气候，年均降雨647 mm，土壤为Hutton和Clovelly类型，表层砂粒含量84%，有机碳含量仅9.3 g kg
?1，是典型的边际雨养土壤。试验采用随机完全区组设计，设置4个处理：无机肥料对照（300 kg ha
?1 2:3:4（30）底肥加400 kg ha
?1石灰硝铵追肥）、生物炭、堆肥以及生物炭-堆肥混合物（1:1），有机改良剂每个生长季按7 Mg C ha
?1施入，每处理重复3次，小区面积为1.8 m×3.6 m。连续开展两个生长季（2023/2024和2024/2025）。关键测定技术包括：使用便携式折射仪在硬面团期测量甜高粱基部和第三茎节处的白利糖度；称量鲜生物量；通过标准公式估算乙醇产量（乙醇产量l ha
?1＝白利糖度（%）×鲜生物量（t ha
?1）×10×0.511×0.85×0.90×1/0.79）；数据处理采用JMP? 18软件进行方差分析，处理间均值比较采用最小显著差法（P≤0.05）。
## 3 研究结果
### 3.1 对甜高粱鲜生物量产量的影响
两个生长季的测定结果显示，所有有机改良剂处理的鲜生物量均显著（P<0.05）高于无机肥料对照。生物炭-堆肥混合物在季节1中表现最优，比对照高出50.07%，显著高于单独施用生物炭，但与堆肥无显著差异；季节2中各有机改良剂处理的鲜生物量均显著优于对照，但彼此之间差异不显著，混合物、堆肥和生物炭分别比对照高38.72%、37.20%和27.02%。这表明有机改良剂，尤其是混合施用，能够有效促进生物量积累，且其优势在短期内即可显现。
### 3.2 对甜高粱白利糖度的影响
白利糖度是反映茎秆可溶性固形物含量的重要指标，直接影响乙醇发酵潜力。在季节1中，各处理间的白利糖度没有显著差异，但有机改良剂仍表现出提高趋势，混合物、堆肥和生物炭分别比对照高16.67%、16.67%和13.89%。进入季节2后，有机改良剂处理的白利糖度显著（P<0.05）高于对照，混合物、堆肥和生物炭分别提高48.43%、44.29%和43.91%，而各有机改良剂间无显著差异。这说明随着有机改良剂的持续施用，其改善糖分积累的作用逐渐增强，但不同改良剂类型之间的差异并不明显。
### 3.3 对甜高粱估算乙醇产量的影响
估算乙醇产量综合了生物量与糖分两个核心指标。在季节1中，有机改良剂处理的估算乙醇产量显著高于对照，其中生物炭-堆肥混合物产量最高，比对照提高75.4%，且显著高于单独施用生物炭和堆肥；季节2中，各有机改良剂处理的估算乙醇产量均显著高于对照，混合物、堆肥和生物炭分别提高100%、96.54%和88.67%，但三者间无显著差异。整体来看，有机改良剂在雨季边际土壤中能够显著提升甜高粱的生物乙醇生产潜力，且生物炭-堆肥混合物在较早生长季中具有明显优势。
## 4 讨论与结论
有机改良剂提升甜高粱表现的原因可从土壤改良角度解释。供试土壤低有机碳、高砂粒比例，导致养分保持能力和水分有效性差。无机肥料在这样的土壤中容易淋失，尤其在雨养条件下限制了作物生长。有机改良剂则能改善土壤物理结构、增强水分渗透和持水能力，并促进养分循环与有效供给。生物炭具有高孔隙度和巨大比表面积，能够增加土壤孔隙和水分保持能力；堆肥则提供作物所需的大量及微量养分。两者的混合施用可能产生协同效应，因此本研究中生物炭-堆肥混合物在多数指标上表现最佳。一个有趣的现象是，生物炭处理尽管外源氮输入非常低（仅0.84 kg总N ha
?1），但其鲜生物量仍然显著高于无机肥料处理，这表明生物炭对作物生长的促进作用不止在于养分供应，更可能通过优化土壤微环境、提高养分利用效率来实现。不过，两个生长季的结果显示各有机改良剂处理间的差异往往不显著，这提示短期试验中协同效应可能尚未充分显现，长期施用或更有利于发挥不同改良剂的互补优势。白利糖度的增加与水分和养分利用效率的改善密切相关，在缺水断断续续的雨养条件下，良好的水分供应有助于光合产物向茎秆中的糖分转运。最终，估算乙醇产量的提高直接来源于鲜生物量和白利糖度的同步增长。
综上所述，该研究得出以下结论：在雨养边际土壤条件下，与无机肥料相比，施用有机改良剂能够提高生物能源甜高粱的生物量产量和白利糖度，进而增加估算乙醇生产产量。其中生物炭-堆肥混合物（1:1）在测试的各有机改良剂中表现出最高的应用潜力，可作为一种可持续的施肥生产实践用于边际土壤甜高粱生产。建议未来开展更多关于生物炭-堆肥联合施用的研究，并考虑结合其他保护性耕作措施，以建立完整的可持续生物能源生产体系。
