生物炭提升埃及四种典型土壤钾有效性及热力学参数的效应研究

《Scientific Reports》：Enhancing potassium availability and dynamics in some Egyptian soils through biochar application

本文报道了一项针对埃及土壤钾（K）缺乏问题的研究。研究人员通过盆栽试验，评估了450°C热解下四种农业废弃物生物炭（甘蔗渣、橄榄核渣、柑橘果渣、玉米秸秆）以3%用量施用于砂土、壤土、粘土和石灰性土壤后，对土壤钾有效性、热力学参数及小麦生长的影响。结果表明，生物炭（尤其是玉米秸秆炭MSR）能显著提升土壤持水能力（WHC）和阳离子交换量（CEC），改善钾素热力学参数（如KL、PBCK），并促进小麦生物量和养分吸收。这为解决农业废弃物资源化、降低对化肥依赖及干旱地区土壤可持续管理提供了重要策略。

　　

钾（K）是植物生长不可或缺的三大营养元素之一，对于作物产量和环境胁迫抗性至关重要。然而，在包括埃及在内的许多干旱半干旱地区，土壤钾素缺乏已成为制约作物生产力的主要瓶颈。特别是埃及的砂土、壤土和石灰性土壤，钾的有效性普遍偏低。虽然施用钾肥可以暂时缓解这一问题，但长期依赖化肥不仅增加生产成本，还可能对土壤质量和周边环境造成负面影响。与此同时，大量农业和农产品加工废弃物（如果汁、橄榄油、蔗糖和谷物生产残留物）的不当处理或露天焚烧，又带来了环境污染和温室气体排放的新挑战。因此，如何将这些废弃物变废为宝，并找到一种可持续的方法来改善土壤钾素供应，成为一个兼具环境与农业双重意义的科学问题。本研究正是针对这一现实需求，探讨将农业废弃物转化为生物炭后施用于不同类型土壤，能否有效提升钾素的动态供应能力，并促进作物生长。

为了回答上述问题，研究人员在埃及选取了四种代表性土壤（砂土、壤土、粘土和石灰性土壤），并在盆栽试验中，以3%（质量比）的用量施用了由甘蔗渣（SBR）、橄榄核渣（OSP）、柑橘果渣（OFP）和玉米秸秆（MSR）在450°C下热解4小时制备的生物炭。研究评估了生物炭对土壤理化性质（pH、EC、CEC、WHC）、钾素热力学参数（基于Q-I关系的K_L、AR₀^K、PBC^K、ΔG、K_G）以及小麦生长和养分吸收的影响。

主要技术方法包括：土壤与生物炭的理化性质分析（如pH、EC、CEC、WHC、养分含量测定）；基于Q-I（数量-强度）关系的钾素热力学参数计算，具体涉及通过0.01 M CaCl₂背景电解质中添加不同浓度KCl的平衡实验，获取并计算ΔK、AR^K等参数；小麦盆栽培养实验，评估生物量与养分吸收；以及使用BET法测定生物炭比表面积和FTIR（傅里叶变换红外光谱）分析其官能团。

结果

生物炭特性评估

四种生物炭的比表面积在23.72至41.82 m2 g?1之间，其中玉米秸秆生物炭（MSR）最高。FTIR光谱显示它们含有不同的含氧官能团（如O-H， C=O）。MSR炭的有效养分（N， P， K）和总养分含量最高，而橄榄核渣生物炭（OSP）的阳离子交换量（CEC）最高（56.78 cmol₍₊₎kg?1）。相关性分析表明，生物炭的EC与有效氮、总钾含量高度相关。

生物炭对土壤理化性质的影响

施用生物炭显著提高了所有供试土壤的持水能力（WHC）和阳离子交换量（CEC）。其中，MSR炭在砂土中对WHC的提升最大（35.5%），OSP炭在石灰性土壤中对CEC的提升最大（163%）。土壤pH和电导率（EC）也有不同程度的增加。

生物炭对钾素热力学参数的影响

生物炭的施用显著改善了钾素的热力学参数。例如，在砂土中，MSR炭使易变态钾（K_L）增加了103.6%；在石灰性土壤中，MSR炭使K_L增加了惊人的849%。钾的潜在缓冲容量（PBC^K）在所有土壤中均有显著提升，在石灰性土壤中使用OSP炭时增加了421.39%。吉布斯自由能（ΔG）变得更负，表明钾的交换过程在热力学上更为有利。Gapon选择性系数（K_G）也普遍增加，表明土壤对钾离子的选择性保留增强。MSR和OSP炭在改善钾素参数方面表现最为突出。

生物炭对小麦生长和养分吸收的影响

与未改良的对照相比，生物炭处理显著增加了小麦的鲜重和干重，以及植株组织对氮、磷、钾的吸收。在砂土中，OSP炭使小麦鲜重和干重分别增加了84.6%和63.8%，钾吸收增加了111.6%。MSR炭在壤土、粘土和石灰性土壤中对生物量和养分吸收的提升效果普遍最佳。

参数间相关性分析

相关性分析表明，土壤的CEC、WHC与钾素热力学参数（如PBC^K）及小麦生长指标（生物量、养分含量和吸收）之间存在显著的正相关关系，证实了生物炭通过改善土壤理化性质进而促进钾素有效性和植物生长的机制。

结论与讨论

本研究系统评估了四种农业废弃物生物炭对埃及四种典型土壤钾素动态、热力学参数和小麦生长的影响，得出以下核心结论：

1. 1.
   生物炭类型与土壤特性存在交互作用：生物炭的效果取决于其原料（Feedstock）和土壤类型。总体而言，玉米秸秆生物炭（MSR）在不同土壤类型中表现出最稳定的性能提升，尤其是在改善钾素热力学参数（如K_L和PBC^K）方面；而橄榄核渣生物炭（OSP）则在提升土壤CEC和石灰性土壤的钾素缓冲能力方面具有优势。
2. 2.
   显著提升土壤理化性质与钾素有效性：生物炭的施用有效提高了土壤持水能力（WHC）和阳离子交换量（CEC），为养分（尤其是钾离子）的吸附和保持提供了更多位点。这直接导致钾素热力学参数的全面改善，包括易变态钾（K_L）的增加、潜在缓冲容量（PBC^K）的增强、吉布斯自由能（ΔG）变得更负（更利于钾释放）以及Gapon选择性系数（K_G）的提高。这些变化共同意味着土壤供应和维持钾素有效性的能力得到了强化。
3. 3.
   有效促进作物生长与养分吸收：生物炭处理，特别是MSR和OSP炭，显著增加了小麦的生物量（鲜重和干重）以及植株对氮、磷、钾养分的吸收。这归因于土壤物理化学性质的改善和钾素有效性的提高，为植物生长创造了更有利的环境。
4. 4.
   为可持续农业提供实践路径：本研究结果表明，将农业废弃物转化为生物炭并施用于土壤，是一种“一石二鸟”的有效策略。它不仅实现了废弃物的资源化利用，减少了环境污染，还能作为矿物钾肥的部分替代品，提升钾素利用效率，降低农业对化肥的依赖。这对于在干旱半干旱条件下（如埃及）进行可持续的土壤肥力管理具有重要意义。

综上所述，这项发表于《Scientific Reports》的研究，通过严谨的实验设计和详实的数据分析，揭示了农业废弃物生物炭在改善土壤钾素状况和促进作物生产方面的巨大潜力。研究强调了根据土壤特性选择合适生物炭类型的重要性，为未来在类似生态区域推广基于生物炭的土壤改良和养分管理实践提供了重要的科学依据。