综述：源自农业食品加工副产品的土壤改良剂对土壤健康的影响：基于欧洲田间研究的系统综述

《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Impacts on Soil Health of Soil Improvers Derived from Agri-Food Processing Residues: a Systematic Review with a Focus on European Field Studies

本综述系统评估了源自农业食品加工副产品的土壤改良剂（如生物炭、堆肥、消化物）在欧洲田间应用中对土壤健康的综合影响。文章围绕循环生物经济原则，重点探讨了这些改良剂对土壤理化性质、微生物多样性、温室气体排放及潜在风险的作用，为可持续农业和土壤管理策略提供了科学依据。

　　

源自农业食品加工副产品的土壤改良剂对土壤健康的影响：基于欧洲田间研究的系统综述

本文献综述基于DeliSoil项目框架，系统回顾了2014年至2024年间在欧洲土壤上进行的田间研究，旨在评估源自农业食品加工副产品的土壤改良剂（如生物炭、堆肥、消化物）对土壤健康的影响。综述遵循PRISMA指南，通过严格的纳入与排除标准筛选文献，最终聚焦于74篇相关研究。

引言

农业与食品生产是欧盟经济的传统支柱产业。然而，全球食品链竞争、工业化进程及对高生产力的追求在推动农业发展的同时，也对环境构成了挑战。例如，农业约占欧盟温室气体排放总量的11%，并且是有害污染物的主要来源之一。土壤健康是农业的基石，健康的土壤不仅能支持植物生长和粮食生产，还在应对气候变化、维持生物多样性和实现联合国可持续发展目标方面扮演着关键角色。欧盟委员会提出的“土壤使命”旨在到2030年改善欧洲土壤的健康和恢复力，而《土壤监测法》的提案则旨在通过定期监测和统一评估方法来应对土壤退化问题。在此背景下，将农业食品工业残留物转化为土壤改良剂，符合循环生物经济的原则，即更好地实现生物质资源的闭环利用。

数据收集与方法

本系统综述检索了PubMed、EMBASE和Web of Science三个数据库，时间跨度为2014年1月1日至2024年9月25日。检索策略围绕三大主题展开：土壤改良剂的一般影响、理化-微生物-植物效应以及潜在风险。文献筛选采用ASREVIEW工具，并经过三轮过滤过程，最终确保纳入的研究均符合在欧盟土壤上进行田间试验、使用农业食品来源的改良剂等严格标准。

生物炭作为土壤改良剂

生物炭的特性取决于其生物质原料和热解工艺条件。慢速、快速、闪速、微波、真空和水热碳化等不同热解方式在处理时间、温度和压力上各有特点，产率在10-90 wt%之间。高质量的生物炭需符合国际标准，对其物理、化学、表面结构及潜在生态毒性进行表征。

研究表明，生物炭施用可改善土壤多项理化性质。它能提高土壤持水能力、阳离子交换量，降低土壤容重，并常能提高土壤pH值，尤其在pH低于6.5的酸性土壤中效果更明显。生物炭还能增加土壤有机质和碳储量，为微生物提供基质。在养分方面，生物炭通常有助于提高钾、磷、氮的有效性，但这取决于生物炭和土壤本身的特性。例如，由小麦和芒草秸秆在高温下热解制成的生物炭可能会降低马铃薯对磷的吸收。

生物炭对土壤微生物群落的影响较为复杂。其多孔结构可为微生物生长创造有利环境，有报道称植物残留物制成的生物炭能增加微生物生物量和活性，并影响微生物物种组成和多样性，例如增加蚂蚁（如铺道蚁）的丰度。纳米生物炭（尺寸小于100纳米）的应用则可能改变土壤微生物群落，如增加放线菌和拟杆菌门的丰度，减少变形菌门。

在环境效应方面，生物炭对温室气体排放的影响因条件而异。它可能增加CO₂排放，特别是在生物炭碳添加量超过土壤有机碳含量两倍时。但在淹水土壤（如稻田）和酸性土壤中，生物炭有助于减少CH₄排放。生物炭通过吸附铵根和硝酸根离子，能有效减少N₂O排放，施用1-2%的生物炭即可起到效果。此外，生物炭还能减少氮、磷的淋失风险。

关于风险，生物炭可能含有的重金属来源于原料，但通常浓度较低且低于欧盟肥料产品法规的阈值，且高温热解通常会降低其生物有效性。生物炭还能稳定土壤中的重金属。多环芳烃、二噁英/呋喃和挥发性有机化合物等污染物可能在热解过程中形成，但来自农业食品残留物的生物炭中总多环芳烃含量通常较低。生物炭老化对污染物生物有效性的长期影响以及纳米生物炭的潜在环境风险（如生态毒性、影响养分吸附）仍需进一步研究。

堆肥作为土壤改良剂

堆肥是有机物和养分的重要来源，对维持土壤生物多样性至关重要。它可由多种原料制成，其质量取决于原料和堆肥过程。堆肥能显著改善土壤性质，如提高土壤有效磷、钾含量，增加溶解性有机碳浓度，并提升土壤有机质含量、pH值、电导率、持水能力和有效磷含量。这些变化为微生物活动提供了底物，从而增加土壤微生物丰度和呼吸速率。

堆肥施用对植物生长多有裨益，能增加植物生物量和产量，改善植物营养状况。然而，其对微生物群落的影响结果不一，可能改变细菌群落结构，但对真菌丰度影响不显著。由咖啡渣、脱脂橄榄渣等农业工业残留物与植物废弃物混合制成的堆肥，有助于园艺作物抵御土传病原体。

堆肥的应用也存在一定风险。它可能增加温室气体排放，例如新鲜有机肥的CO₂-C排放高于堆肥。在重金属方面，堆肥添加可降低生菜对镉、铬、铜、铅的吸收，但也可能因增加可溶性有机质或改变土壤条件而提高某些金属的溶解度和有效性。长期重复施用堆肥有导致铜、锌在土壤中积累的风险。此外，堆肥中的可溶性有机质可能增加土壤中有机污染物（如农药、药品）的淋溶风险。城市或城市生物废物制成的堆肥是土壤中微塑料的一个重要来源，长期试验表明即使施用数十年后，土壤中仍可残留大量微塑料颗粒。

消化物作为土壤改良剂

消化物是厌氧消化的产物，富含氮、磷等养分，但碳氮比较低。其养分含量因原料和消化后处理工艺而异。消化物施用能促进作物生长，但其中的有效养分易淋失，氮也可能以氨或N₂O形式损失。

研究表明，消化物施用可能增加土壤CO₂排放，需谨慎管理以减轻对碳固存的潜在负面影响。消化物应用可能导致氨排放增加，采用注入土壤等施用方式有助于减排。与生物炭配施可降低N_2</O排放，生物炭还能吸附消化物中的铵态氮，减少氮素损失。

在污染物方面，厌氧消化对抗生素和抗生素抗性基因的去除能力有限，但在高温热消化或结合巴氏杀菌等预处理时，能增强对病原体和抗性基因的去除。水产养殖沉积物制成的消化物若在生产过程中使用抗生素，则可能存在抗性基因风险，可通过堆肥、厌氧消化或热解等处理技术降低风险。

非传统土壤改良剂的相关风险

除堆肥、消化物和生物炭外，还有一些通过热处理、发酵或未经特殊加工的非传统土壤改良剂。关于这些材料养分损失的研究多基于培养实验，缺乏田间试验数据。例如，动物副产品经热处理后，在砂质土壤中可能轻微增加CO₂排放并减少N₂O排放。乳品加工污泥等新鲜材料通常会增加土壤温室气体排放，而将其转化为生物炭则可减少排放。

未经处理的材料可能含有病原体，而热处理能基本消除此风险。浓缩脱钾甜菜酒糟、橄榄厂废弃物等可能增加土壤中锰、锌的有效性。橄榄厂废弃物中的酚类化合物可能导致植物毒性，这些化合物在消化物中可能依然存在。酿酒厂废弃物中的膨润土废料可能铜含量超标，连续施用需谨慎。

结论与未来展望

本综述表明，源自农业食品加工副产品的土壤改良剂（生物炭、堆肥、消化物等）在改善土壤健康、促进循环生物经济方面具有巨大潜力。它们能有效改善土壤理化性质，影响微生物群落，并对温室气体排放和养分循环产生复杂影响。然而，其应用效果和风险受到原料特性、生产工艺、施用条件、土壤类型和气候环境的显著影响。当前研究多关注短期效应，缺乏长期田间试验的评估。未来研究应优先开展长期定位试验，全面评估土壤改良剂的长期效应和可持续性，并深入探讨其与不同土壤、气候和耕作制度的互作机制，以制定更具针对性的施用策略，同时需要建立统一的监测协议和风险评估框架，确保其安全、有效地融入农业实践。