《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Effect of Aloe Vera Residue Hydrochar on Two Successive Sowings of Cherry Tomato and on Soil Microbial Activity
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本研究针对农业废弃物资源化利用与土壤改良的迫切需求，探讨了以芦荟加工残渣为原料制备的水热炭作为土壤改良剂的潜力。研究人员通过两项实验，系统评估了不同浓度（0.5%-4%）新鲜及老化水热炭对樱桃番茄生长、生理生化指标以及土壤酶活性、微生物群落功能的剂量依赖性和时间动态影响。结果表明，水热炭的效应多为剂量依赖性且随时间推移减弱或消失，老化六个月后的水热炭对农业应用是安全的，并揭示了水洗预处理可缩短其安全应用等待期，为芦荟残渣的高值化利用提供了科学依据。
在当今追求可持续发展的背景下，如何将农业废弃物“变废为宝”成为了一个重要的科学议题。与此同时，集约化农业生产模式导致了全球范围内大面积的土壤退化，尤其是有机质下降和生物多样性丧失，严重威胁着农业的可持续性。欧盟超过45%的土壤被归类为退化土壤，其中有机质含量低是南欧国家尤为关切的问题。传统的有机改良剂，如动物粪便或植物残体，虽能改善土壤，但通常需要预处理。 hydrothermal carbonization (HTC) 技术应运而生，它能在相对温和的条件下（150–250°C）将湿生物质转化为一种称为 hydrochar（水热炭）的材料，为废弃生物质的处置和土壤改良提供了新思路。
芦荟（Aloe vera）作为一种重要的经济作物，其凝胶广泛应用于化妆品、药品和保健品行业，随之产生了大量的加工残渣。全球芦荟市场价值预计到2032年将增长至5340亿美元，其残渣的处置与高值化利用迫在眉睫。将芦荟残渣通过HTC转化为水热炭，正符合循环生物经济的理念。然而，未经处理的水热炭通常呈酸性，且可能含有对植物和土壤微生物有毒的有机化合物（如呋喃、酚类、有机酸和醛类），其农业应用的安全性需要全面评估。此前的研究关于水热炭对植物的效应报道不一，有的显示抑制作用，有的则表明有促进生长作用；对土壤微生物的影响也存在类似争议。因此，系统评估芦荟残渣水热炭对植物-土壤微生物系统的综合影响，特别是其效应随时间的变化，对于判断其农业应用潜力至关重要。
本研究旨在填补这一知识空白，全面评估芦荟残渣水热炭对樱桃番茄（Lycopersicon esculentum var. cerasiforme）生长发育、氧化应激生物标志物以及对土壤微生物功能和多样性的影响。研究假设，若新鲜水热炭表现出负面效应，则通过老化或洗涤可能降低其毒性。为此，研究人员设计了两项实验。实验一遵循环境可持续性原则，评估了新鲜水热炭直接施用于土壤后的效应，并提出了老化作为降低潜在风险的策略。该实验设置了0.5%、1%和3%（w/w）三个添加比例，并在35天后（试验1）和间隔110天老化后进行第二轮种植（试验2），总实验周期180天，监测了番茄发芽、生长、叶片光合色素（叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素）、氧化应激指标（活性氧ROS、丙二醛MDA、蛋白质含量）以及抗氧化酶（愈创木酚过氧化物酶GPOD、过氧化氢酶CAT）活性，同时测定了土壤脱氢酶DH、磷酸酶PH、铵氧化酶AO、脲酶UR活性以及碳转化率。实验二则预先评估了水洗和己烷洗涤对水热炭毒性的削减效果，重点研究了不同处理后的水热炭对土壤呼吸和微生物群落功能多样性（使用BIOLOG? ECO微平板分析）的短期影响（7天）。
关键实验方法概述：
研究采用了两类土壤进行实验。水热炭（AV-220-4）由芦荟残渣在220°C下水热碳化4小时制得。实验一将不同比例的水热炭与马德里农田土壤混合，进行为期180天的盆栽实验，分两轮种植樱桃番茄，系统监测植物生理生化指标和土壤酶活性动态。实验二将未处理、水洗和己烷洗涤的水热炭以2%和4%的比例与希腊Mouries-Kilkis的酸性农田土壤混合，短期培养后测定土壤基础呼吸，并利用BIOLOG ECO平板分析微生物群落对31种碳源的利用模式，计算平均吸光度AWCD、香农指数等参数以评估功能多样性。土壤理化性质（pH、电导率EC）在不同时间点均有监测。数据采用单因素方差分析和主成分分析PCA进行统计学处理。
研究结果：
1. 水热炭添加对土壤理化性质的影响
水热炭的添加显著改变了土壤的pH和电导率。尽管水热炭本身呈酸性（pH 4.73），但施入土壤后却引起了pH的升高，这可能是由于其表面的酸性含氧官能团被微生物快速降解，释放出钾K+、钠Na+、镁Mg2+、钙Ca2+等阳离子所致。这种升碱效应在实验二中更为明显。随着老化时间延长（实验一），所有处理的土壤pH均呈现下降趋势，表明水热炭在土壤中继续转化。电导率EC则随水热炭添加比例增加而显著上升，在3%添加量下土壤甚至达到强盐化水平，但水洗处理能有效降低EC的增加幅度，说明水洗去除了部分可溶性盐分。
2. 水热炭对番茄植物的影响
2.1 发芽与生长
在试验1（新鲜水热炭）中，3%添加比例显著抑制了番茄种子发芽（抑制率达20.8%），但在老化后的试验2中，所有处理组的发芽率与对照组无显著差异。这表明新鲜水热炭中含有的植物毒性物质影响了早期发芽过程，而这些物质在土壤中经过6个月的老化已被降解。然而，在两个试验中，番茄植株的地上部鲜重均未受到水热炭添加的显著影响，即使土壤盐度有所增加，也表明樱桃番茄对中等盐分胁迫具有一定的耐受性。研究未观察到老化水热炭对第二茬番茄生长的促进作用，这可能与养分的缓释特性或残留毒性物质的抵消作用有关。
2.2 番茄叶片的生化响应
叶片光合色素是对水热炭较为敏感的指标。叶绿素a在1%和3%处理下均降低，而类胡萝卜素在所有处理中下降最为显著，即使在最低浓度下也受影响，表明其作为非酶抗氧化系统的重要组成部分，可能因应对氧化胁迫而消耗。在氧化应激生物标志物方面，高浓度（3%）新鲜水热炭导致叶片蛋白质含量和MDA水平下降，同时激活了抗氧化酶GPOD和CAT的活性，以清除可能产生的过量ROS。在老化水热炭处理的第二茬作物中，GPOD活性依然升高但幅度减小，CAT活性则转为抑制，MDA和蛋白质含量恢复正常，表明随着水热炭老化，其对植物造成的氧化胁迫及膜脂过氧化损伤显著减轻。
3. 水热炭对土壤微生物的影响
3.1 土壤酶活性与碳转化
土壤脱氢酶DH活性对水热炭添加响应迅速，在试验1中显著激活（3%处理下活性为对照的近4倍），即使经过6个月老化，其活性仍高于对照，表明水热炭为土壤微生物提供了易于降解/氧化的有机碳源。相反，磷酸酶PH活性在所有水热炭处理下均受到持续抑制，铵氧化酶AO活性在初期受抑制，但在180天后恢复至对照水平，而脲酶UR活性始终无显著变化。PH和AO的抑制可能与水热炭本身含有的毒性物质或其高C/N比（44）导致的氮磷微生物固定作用有关。碳转化率在老化6个月后，仅在3%处理下出现轻微抑制（17%），低于25%的生态毒理学关注阈值，表明老化水热炭对土壤基础呼吸无长期负面影响。
3.2 土壤微生物群落多样性
实验二的短期培养结果表明，所有水热炭处理均提高了土壤微生物呼吸速率，且呈剂量依赖性，其中未处理的水热炭刺激作用最强，水洗处理最弱，说明水洗去除了部分易分解碳源。BIOLOG分析显示，在培养73小时，水洗和己烷洗涤的水热炭处理下的微生物群落对底物的利用模式与对照出现差异，表现为对羧酸和酚类化合物利用的提前或加速，香农指数也略高于对照。主成分分析PCA进一步证实了这种群落功能结构的分离，提示洗涤可能降低了有机毒物的浓度，使得特定微生物类群能更有效地利用水热炭中残留的有机物，导致了微生物群落功能的适应性变化。
结论与讨论
本研究系统阐明了芦荟残渣水热炭作为土壤改良剂对植物-土壤系统的综合效应。其主要结论是：芦荟水热炭的效应具有剂量和时间依赖性，其初期负面效应（如抑制种子发芽、增加土壤盐分、引起植物氧化应激、改变土壤酶活性和微生物群落）随着在土壤中老化（6个月）而显著减弱或消失。类胡萝卜素水平和土壤DH、PH、AO酶活性是监测水热炭效应的敏感指标。水热炭为土壤微生物提供了可利用的碳源，促进了微生物活动，但其高C/N比和可能含有的毒性物质短期内可能影响氮、磷循环相关微生物功能。
这项研究的重要意义在于：首先，它证实了经过充分老化（或通过水洗预处理）的芦荟残渣水热炭在农业应用中是安全的，为芦荟加工废弃物的资源化利用提供了一条切实可行的路径，符合循环经济原则。其次，研究采用了连续两茬作物种植的长期实验设计，揭示了水热炭效应的时间动态变化，为评估其田间应用的长期效应提供了宝贵数据。最后，研究结合植物生理生化指标与土壤微生物生态参数，全面评估了水热炭的环境影响，为制定安全的水热炭农业应用指南提供了科学依据。
当然，研究也指出，在应用此类水热炭的初期，可能需要辅以外源肥料以弥补可能发生的养分固定作用。未来的研究可进一步探讨水热炭在更复杂田间条件下的长期效应、其对作物养分吸收和最终产量的影响，以及其促进土壤固碳的潜力。总之，本研究为推动农业废弃物转化为高价值土壤改良剂，实现农业可持续发展提供了有力的科学支撑。
