《Biomass and Bioenergy》：Banana pseudostem waste-derived biochar amendment revitalizes the tea garden soil health for sustainable cultivation
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茶树种植中应用香蕉假茎生物炭（BPB）可改善土壤健康和茶树生理功能，土壤和叶面联合应用效果更显著。BPB通过补充钾、钙等营养元素及调节土壤理化性质，提升光合酶活性、抗氧化能力及土壤酶活性，浓度依赖效应明显。
Bhaskar Jyoti Parasar|Ramen Barman|Niraj Agarwala
印度阿萨姆邦古瓦哈提市Gopinath Bordoloi Nagar，高哈蒂大学植物学系，邮编781014
摘要
茶叶种植园因过度和长期使用化学肥料/农药而负担过重，这些污染物持续存在，对健康构成高风险。对农用化学品的过度依赖导致了土壤健康的退化，包括微生物多样性的减少和营养失衡，从而影响了植物的生理功能和产量，并增加了其对各种压力的敏感性。长期单一茶叶种植系统面临的两个主要挑战是养分耗竭，尤其是由于连续采收导致的钾元素流失以及土壤酸化。多项研究报道了使用生物炭作为土壤改良剂来解决这类问题。本研究调查了香蕉假茎生物炭（BPB）（施用于土壤和叶面）对茶叶植物物理化学特性的影响及其对土壤性质的相关变化。结果表明，以0.1%、0.3%、0.5%和1%的浓度施用于土壤（S）和叶面（F）的BPB能够提高茶叶的光合作用和酶活性（尤其是在0.5%以上浓度时效果最为显著），同时改善土壤健康指标，如pH值、有机碳含量、土壤酶活性和养分有效性。土壤和叶面联合施用生物炭的效果明显优于单独施用土壤生物炭，其中1 S + F处理在所有分析参数中均表现出最佳的促进生长效果。土壤施用生物炭改善了土壤肥力指标，而联合施用还提高了光合作用效率和抗氧化酶活性。基于此研究，我们建议将香蕉假茎废弃物制成的生物炭用于可持续茶叶种植。
引言
茶叶（Camellia sinensis (L.) Kuntze）是全球消费最广泛的饮料之一，因其强大的抗氧化特性和相关的健康益处而受到重视。茶叶的营养和健康促进作用归因于其丰富的生物活性化合物，包括儿茶素、茶黄素、黄酮类化合物和多种抗氧化酶[1]。然而，随着茶叶产量的增加，长期单一栽培和高化学投入加剧了农艺挑战，同时限制了有机物的循环利用[2]。这种限制导致了土壤退化、养分流失、土壤酸化以及微生物功能的下降[3,4]。化学肥料和农药的广泛使用进一步加剧了这些问题，威胁到了茶叶种植的长期可持续性。茶叶园土壤和茶叶中潜在有害物质（如持久性有机污染物（POPs）和重金属）的积累[5]，通过长期接触和定期饮用茶叶对人类健康构成了新的风险[6]。
生物炭是一种富含碳（C）的多孔材料，由有机生物质热解制成，作为一种有前景的有机替代品，可用于解决这些挑战。在用于生物炭生产的各种原料中，香蕉假茎是一种主要的农业副产品，全球种植量巨大，是一种未被充分利用的宝贵资源[7]。香蕉假茎主要由纤维素、半纤维素、果胶和木质素组成，提供了一种富含必需宏量和微量营养素的木质纤维素基质[8]，热解后会产生具有优异钾（K）保持能力的高孔隙率基质。与椰壳或稻草制成的生物炭不同，其独特的维管束排列和较低的硅含量使得钾的生物利用率更高，渗漏作用更小。这种结构和成分特性的结合使其作为缓释钾肥具有更高的农艺效率[9,10]。此外，BPB具有更高的灰分碱度、更大的阳离子交换能力和更快的养分释放动力学[11,12]。
研究表明，BPB可以增加土壤有机碳（SOC）含量，改善微生物生物量，并促进更好的养分循环[13]。此外，其中的钾和钙（Ca）含量有助于对抗土壤酸化，促进植物生长和产量[14]。土壤肥力的提高直接体现在叶片特性上（主要是氮和叶绿素浓度），这为植物表现提供了早期指标[15]。生物炭调节土壤养分动态和酶活性，从而影响植物生理，可能增强关键抗氧化酶的生物合成，如过氧化氢酶（l-CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、抗坏血酸过氧化物酶（APOX）和苯丙氨酸氨裂解酶（PAL）以及多酚氧化酶（l-PPO）[16]。BPB的高有机碳（OC）和矿物质含量刺激了土壤酶活性，这些酶是微生物功能、养分循环和土壤肥力的重要指标[17]。然而，这些变化的时间动态，尤其是在不同施用率和方法（土壤 vs. 叶面）下的变化，在茶叶农业生态系统中仍不甚明了。此外，由于茶叶的连续采收，茶叶植物常常容易出现钾缺乏。特别是含有高钾含量的BPB可以补充这一营养需求。尽管有这些公认的好处，但在茶叶种植中应用BPB的研究仍然相对较少。将生物炭的营养成分和物理化学特性与茶叶种植园的具体农艺需求相结合，评估其在调节pH值、丰富有机物和刺激根际微生物活性方面的潜力是及时且必要的[18]。
生物炭作为叶面喷雾剂可以改善植物健康的多项指标，如促进植物生长和产量[19]、生理生化特性（如初级和次级代谢物、抗氧化剂、氮代谢酶[20,21]），以及作为可持续肥料的使用[22,23]。虽然我们的研究试图探讨BPB叶面施用的效果及其对茶叶叶片生化参数的影响，但我们认识到此前研究在理解这一实践的机制和农艺原理方面存在基础性空白[19,24]。BPB的低密度和高孔隙率特性（从其原料形态可以推断）使其能够在不使用表面活性剂的情况下产生稳定的亚微米级水悬浮液，这对叶面施用至关重要，而在密度更大、木质化程度更高的原料（如木质生物炭）中可能不那么明显。我们的研究结合现有的有限报告，提出了未解答的问题：叶面施用的生物炭是否在叶界面起到补充作用，与土壤施用共同促进植物生长？喷施后的生物炭中的水溶性养分（K
+, Ca
2+, PO
43?）是否会改变光合作用和酶参数？先前的研究已经揭示了生物炭对茶叶植物养分吸收、叶片叶绿素含量和酶抗氧化活性的积极影响[25],[26],[27]，但缺乏全面评估BPB土壤和叶面施用的研究，特别是在时间和浓度依赖性框架下的研究。此外，在商业香蕉种植中会产生大量废弃物，导致高温室气体排放。将假茎废弃物转化为生物炭可以提供一种绿色解决方案，有助于碳保护。因此，迫切需要全面研究BPB在改善茶叶植物生理反应和土壤健康方面的作用。本研究旨在填补上述空白，为可持续和气候适应型的茶叶生产做出贡献。研究目标包括：
•评估BPB土壤和叶面施用对茶叶植物的影响
•研究指示土壤健康的关键参数及其对茶叶植物的相应影响
•采用精确的时间和浓度依赖性方法评估生物炭施用的影响。
部分内容
BPB和实验土壤的制备
香蕉假茎来自印度阿萨姆邦一种广为人知的高营养本地香蕉品种Bhim Kol（Musa balbisiana），坐标为26°36′37″N, 92°78′80″E）。按照Liu等人的方法[28]，将香蕉假茎清洗后切成小块并在60°C下干燥。然后将其研磨成粉末，并在马弗炉中以350°C热解30分钟，冷却至室温。所得原始生物炭在研磨机中均质化并通过0.037毫米筛子过滤。
香蕉假茎生物炭的特性
香蕉假茎生物炭表现出较高的水分保持能力（WHC）（162.66 ± 13.31%）和33.56 ± 2.67%的产率，以及其他显著的物理化学特性（表1）。扫描电子显微镜（SEM）图像显示其表面多孔且呈碎片状，这是木质纤维素生物质热解后的典型特征。这种形态特征表明颗粒不规则，具有众多微孔和大孔结构，这是由于热解过程中的挥发作用所致。
结论
BPB改良剂在改善茶叶植物生理和土壤健康方面展示了其从废弃物转化为宝贵资源的潜力，这种效果与施用时间和浓度有关。BPB中含有的必需养分（如钾、镁、磷和钙）显著增强了关键生理参数，包括叶绿素、类胡萝卜素含量和抗氧化剂以及茶叶植物中的酶活性。这些改善得益于BPB诱导的养分有效性提高。
作者贡献声明
Bhaskar Jyoti Parasar：撰写初稿、方法论设计、实验实施、数据分析。Ramen Barman：数据可视化、软件应用。Niraj Agarwala：撰写修订稿、监督工作、资源协调、资金获取、概念构思。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的情况说明
作者在某些部分使用了[DeepSeek]来改进手稿的语言。使用该工具/服务后，作者对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全责。
资金支持
Anusandhan国家研究基金会（ANRF），印度政府资助的核心研究项目（CRG/2023/002423）致谢
作者感谢印度科技部（DST）为高哈蒂大学植物学系提供的DST-FIST支持，以及DST-PURSE [文件编号：SR/PURSE/2022/116 (C)] 对高哈蒂大学的支持。同时感谢印度科技部提供的INSPIRE奖学金（DST/INSPIRE Fellowship/IF230161）、IASST（古瓦哈提）提供的CIF设施，以及Bijoya Lakshmi Goswami博士在土壤分析方面的指导，以及Sangram Kataki在野外实验设置方面提供的支持。
