改良生物炭降低茶叶氟含量与改善茶园土壤环境的机制探究

《Journal of Agriculture and Food Research》：Study on the mechanism of modified biochar in reducing fluoride content in tea leaves and improving soil environment

茶叶是全球第二大饮品，也是人体摄入氟的主要来源。过量氟摄入会导致骨骼氟中毒等健康问题，并制约茶叶出口。为此，本研究开发了钙改性生物炭，并揭示了其通过吸附土壤水溶性氟、提升土壤养分、调控微生物群落等多重协同机制，降低茶树对氟的吸收，为茶园氟污染治理提供了科学依据与应用策略。

　　

茶，这一风靡全球的饮品，在带来醇香与健康的同时，也潜藏着一个隐忧——氟。氟元素广泛存在于环境中，中国的土壤本底氟含量更是全球平均值的2.4倍。茶树作为一种对氟具有超富集能力的植物，能将土壤中的氟大量吸收并积累在叶片中，尤其是老叶。长期饮用氟含量过高的茶，可能导致氟斑牙、骨骼氟中毒等健康问题。此外，国际上（如欧盟）对茶叶氟含量设立了严格标准，这也成为了中国茶叶出口的“绿色壁垒”。因此，如何从源头——茶园土壤入手，有效降低茶叶中的氟含量，成为了一个关乎公众健康与茶产业可持续发展的紧迫课题。

传统的土壤修复技术虽有效，但往往成本高昂或可能带来二次污染。生物炭，一种由生物质在缺氧条件下热解产生的多孔富碳材料，因其出色的吸附性能和改良土壤的潜力，在环境修复领域备受关注。然而，普通生物炭在降低土壤-植物系统中氟迁移方面的机制尚不明确，尤其对茶树这一特定作物的影响研究仍存空白。基于循环农业的理念，湖南农业大学的研究团队独辟蹊径，利用茶产业自身的废弃物——黑茶茶渣，制备了一种新型的钙(Ca)改性生物炭，并系统探究了其在降低茶叶氟积累、改善茶园土壤环境中的作用与内在机制。这项研究发表在《Journal of Agriculture and Food Research》上，为茶园氟污染的绿色、低成本治理提供了创新思路。

为开展这项研究，作者团队运用了几个关键技术方法：首先，以黑茶茶渣为原料，通过硫酸钾(K₂SO₄)浸渍预处理和不同比例氧化钙(CaO)掺杂，在二氧化碳(CO₂)氛围下热解制备了系列改性生物炭。其次，通过盆栽实验，将生物炭以3%的比例与土壤混合，种植“中茶108”茶苗，并定期施加含氟化钠(NaF)的营养液，设置了纯水对照组和无生物炭的空白对照组，培养21天后采样分析。在分析表征方面，研究采用了傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析表面官能团，X射线衍射(XRD)分析晶体结构，扫描电子显微镜(SEM)和能量色散谱(EDS)观察表面形貌与元素分布。此外，还测定了生物炭和土壤中的氮(N)、磷(P)、钾(K)等养分含量，以及土壤pH值和有机质。最后，通过高通量测序技术分析了施用生物炭后根际土壤微生物群落结构的变化。

3.1. 生物炭特性

通过FTIR和XRD分析发现，经K₂SO₄预处理和3% CaO掺杂的KSC3生物炭，其表面具有更丰富的烷基和羰基/碳碳双键官能团。XRD结果证实，原料中的硫酸钙(CaSO₄)在热解后转化为碳酸钙(CaCO₃)，且随着CaO掺杂量增加，CaCO₃的衍射峰增强。SEM-EDS显示，KSC3生物炭表面沉积有大量固体颗粒，经鉴定主要为CaCO₃，而钾(K)元素则均匀分布。养分分析表明，K₂SO₄预处理显著提高了原料的钾含量，而CaO的掺杂在一定比例下能与预处理产生协同效应，影响氮、磷的保留。

3.2. 生物炭对茶叶氟积累的影响

盆栽实验结果表明，所有改性生物炭均能降低茶叶氟含量，其中KSC3处理组效果最优。与空白对照组(CK)相比，KSC3使茶叶新叶和老叶的氟含量分别降低了48.6%，降至124.96 mg/kg和180.55 mg/kg。同时，KSC3处理下茶茎中的氟含量相对较高，推测增加的钙离子(Ca²⁺)可能通过影响运输蛋白，将更多氟阻滞在茎部。在添加了腐殖酸肥料的FKSC系列中，氟降低效果有所减弱，表明生物炭与肥料的协同作用需要优化。土壤水溶性氟含量测定显示，KSC3处理使土壤氟含量降低了39.1%，而过高的CaO掺杂比例(5%, 7%)反而会导致土壤氟含量回升，这可能与过量钙离子促使结合态氟活化有关。

3.3. 土壤环境的变化

施用生物炭后，土壤pH值从强酸性（CK组5.11）升高至弱酸性（KSC3组6.05左右），有助于降低氟的生物有效性。土壤养分分析显示，氟处理本身降低了土壤氮含量，而KSC3处理组的土壤总磷(TP)含量在同系列中最低，这可能有利于生物炭对氟的吸附固定。钾含量变化趋势与氮磷不同，在中低剂量CaO与K₂SO₄预处理协同下更利于钾的保持。

3.4. 土壤微生物群落分析

微生物群落分析是揭示生物炭降氟机制的核心。研究发现，生物炭处理显著改变了细菌群落结构，而对真菌群落影响较小。在效果最好的KSC3处理组中，具有固氮功能的慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)和具有耐氟、固氟功能的假单胞菌属(Pseudomonas)丰度显著增加。同时，子囊菌门(Ascomycota)真菌（尤其是一些可作为氟污染指示菌的类群）在KSC3中丰度较高，这与土壤中水溶性氟被固定转化、氟的生物地球化学循环发生改变的结果相一致。主坐标分析(PCoA)表明，生物炭及其复合处理是驱动细菌群落分化的主要因素。

结论与讨论

本研究成功利用茶渣制备出钙改性生物炭，其中经K₂SO₄预处理和3% CaO掺杂的KSC3生物炭表现出最佳的降氟性能，在短期内（21天）即达到传统生物炭长期应用的效果。其降低茶叶氟积累的机制是一个多途径协同的过程：首先，生物炭通过表面吸附以及与钙离子共沉淀形成氟化钙(CaF₂)等方式，直接固定土壤中的水溶性氟。其次，生物炭改良了土壤理化性质，如提高pH值、增加有机质和调整N/P/K养分有效性，增强了茶树自身的抗逆性。最后，也是关键的生物学途径，生物炭调控了根际微生物群落结构，富集了如假单胞菌属(Pseudomonas)和子囊菌门(Ascomycota)等具有氟固定或耐受功能的微生物类群，从而在微生物层面构筑了一道阻碍氟向茶树迁移的“生物屏障”。

这项研究的重要意义在于，它不仅在应用层面为降低茶叶氟含量、保障饮茶安全与突破贸易壁垒提供了一种“变废为宝”、环境友好的新材料与新技术，更在理论层面深入揭示了生物炭在土壤-植物系统中，通过物理化学-微生物多维互作来阻控污染物迁移的复杂机制。它实现了茶园废弃物（茶渣）的就地资源化利用，契合循环农业的发展理念，为茶产业的绿色、可持续发展提供了重要的科学基础与实践范例。未来的研究可关注该改性生物炭对不同茶树品种的普适性及其在田间长期应用下的效果与稳定性。