《Water Research》：Biochar reduces road-salt-induced osmotic stress and improves plant water availability in green stormwater infrastructure
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绿基础设施（GSI）在应对道路融雪盐分引发的盐胁迫问题时，生物炭可通过孔隙选择性结晶和溶胀释放机制增强水保持能力与植物可用性，其效果与盐度呈非线性关系。
马克斯韦尔·芬尼根（Maxwell Finnegan）|加内什·卡特伊（Ganesh Khatei）|露西·阿奇博尔德（Lucy Archibald）|托比亚·里纳尔多（Tobia Rinaldo）|乔舒亚·S·卡普兰（Joshua S. Caplan）|R·斯科特·范佩尔特（R. Scott Van Pelt）|桑杰·莫汉蒂（Sanjay Mohanty）|保罗·多多里科（Paolo D’Odorico）|苏吉思·拉维（Sujith Ravi）
美国宾夕法尼亚州费城天普大学地球与环境科学系
摘要
绿色雨水基础设施（Green Stormwater Infrastructure, GSI）越来越多地被应用于城市地区，以可持续管理雨水、改善生态系统功能并增强气候适应性。这些基于自然的系统依赖于植被和天然或工程化的土壤介质（如生物炭）来提高雨水处理效果。然而，它们的性能对盐度非常敏感，在寒冷气候区域，道路除冰盐的使用后盐度可能会突然升高。添加生物炭可能有助于缓解GSI中盐度带来的负面影响，尽管其在高盐度条件下的性能维持程度及其作用机制仍不甚清楚。本研究考察了生物炭在不同盐度条件（1-25 dS m?1，使用Na+盐）下对水分保持能力和植物可利用水分的影响。我们发现盐度显著降低了GSI介质中的植物可利用水分，但生物炭能够抵消这一损失，其益处的程度取决于盐度水平。生物炭还增加了整体水分容量，即介质能够储存并释放给植物的总水量。我们将生物炭在盐碱土壤中的有益效果归因于干燥过程中盐分在生物炭微孔内的优先结晶，而生物炭改良介质增强的水力传导性则归因于湿润过程中的盐分溶解。生物炭内结晶盐分的逐渐释放可能通过在生长季节降低极端盐浓度并延长盐分释放时间来保护GSI植被。这些发现表明，生物炭可以减轻暴露于道路除冰盐的GSI中的渗透压和基质应力，特别是在温度和降水量变化的背景下，它可能成为一种有效的管理策略。
引言
绿色雨水基础设施（GSI）在城市地区得到越来越广泛的应用，旨在减少洪水、增加雨水再利用的地下水补给量，并从径流中去除污染物（Holt等人，2022年；Yang等人，2022年）。特别是道路和停车场等交通基础设施在其表面积累了大量污染物，对地表水体造成显著负担（Awonaike等人，2022年；Masoner等人，2019年）。因此，许多GSI系统位于道路旁，以便在源头附近处理道路径流，主要分为生物沟渠（bioswales）、生物滞留系统（bioretention systems）或生物渗透系统（bioinfiltration systems）。这些系统的设计包括建造一个含有高渗透性介质的盆地，通常是沙子、天然土壤和堆肥有机材料的混合物，以支持植被生长、快速渗透地表径流，并具有去除多种污染物的能力（Mohanty等人，2018年；Tirpak等人，2021年）。然而，当介质变得含盐时，其提供水量和水质效益的能力会下降。这是一个问题，因为在冬季风暴前使用除冰盐和防冰溶液会使盐度增加数倍（Beral等人，2025年；Kakuturu & Clark，2015年；Caplan等人，2024年）。此外，气候变化导致的极端降水（包括强降雪事件）加剧可能要求在某些地区增加除冰材料的用量，从而使得更多的除冰盐进入道路旁的GSI系统。盐度的增加会减少植物可利用的水分，从而对植被健康产生不利影响（Hassani等人，2020年，2021年；Hopmans等人，2021年）。因此，能够减轻道路除冰盐及其相关盐度对道路旁GSI负面影响的工具将非常有益。
土壤介质中的盐分会影响GSI的核心功能，如降低水分保持能力和渗透性、损害植物，以及改变土壤介质对污染物的吸附和解吸能力（Burgis等人，2020年；Behbahani等人，2022年；Caplan等人，2024年）。大多数关于土壤盐度的研究是在农业环境中进行的，而这些环境与GSI的环境有很大不同。与农业土壤不同，GSI介质含有大量沙子，促进了快速排水和蒸发，导致干燥期较长，湿润期较短（取决于降雨或融雪频率）。在这种情况下，含有除冰盐的径流可能会加剧生理干旱对GSI植被的负面影响。此外，盐度还会从GSI介质中解吸金属，通过改变土壤表面化学性质和介质微生物群落来减少养分吸收，并增加温室气体排放（Gong等人，2025年；Szota等人，2015年）。植物是GSI功能的重要组成部分，但盐度可以通过多种途径影响植物健康，包括减少植物可利用的水分、增加渗透势和损害根系生长（Munns等人，1986年；Zou等人，2022年）。然而，很少有研究探讨盐度如何影响植物可利用的水分，或研究潜在的GSI设计改进措施以减轻道路盐应用带来的负面影响。
在农业环境中，会施用生物炭等土壤改良剂来减少盐分对土壤的损害（Huang等人，2023年；Murtaza等人，2025年）。生物炭是一种多孔、富含碳的材料，通过在缺氧条件下热解生物质制成，由于其能够去除多种污染物而成为GSI中的有前景的改良剂（Mohanty等人，2018年；Tirpak等人，2021年）。生物炭具有独特的物理化学性质，包括高孔隙率、低体积密度（Aller等人，2017年；Xie等人，2026年）和强吸附能力（Hussain等人，2020年；Qiu等人，2022年），使其成为改善土壤结构和功能的有效改良剂。已有研究表明，生物炭在盐碱土壤中的应用具有多种益处，包括吸附可溶性盐分（Gong等人，2025年；Zhang等人，2010年）、降低钠吸附率（Amini等人，2016年；Awan等人，2021年）以及减轻NaCl引起的植物氧化应激。此外，生物炭的高孔隙率和表面积使其能够显著提高介质的持水能力（Caplan等人，2025年；Jones等人，2011年），这可能促进盐分淋溶并在受控水分输入下减少渗透压。然而，GSI中生物炭的用量（通常占体积的30%以上）远高于农业土壤中的用量。这些比例可能会显著改变介质的孔径分布，使其能够捕获盐分并影响水分在重力排水和蒸腾作用之间的分配。结合干湿循环和孔径变化的影响，生物炭可能显著改善GSI中的盐度效应。然而，关于生物炭对生物炭改良GSI介质中植物可利用水分影响的机制研究较少。这类研究主要探讨了生物炭如何通过改变整体孔隙率和孔隙连通性来增加土壤介质中的水分保持能力（Abel等人，2013年；Liu等人，2017年）。但这些研究是在生物炭特性和介质组成的背景下进行的，并未在盐度升高的GSI条件下进行评估。
本研究调查了生物炭作为修复剂的使用，旨在减轻由土壤盐度引起的渗透压应力及其对土壤水分保持能力的变化。我们假设生物炭可以通过改变用于水分储存的孔径大小范围，并在干燥和湿润阶段选择性地沉淀孔隙中的盐分来显著减少盐度对植物可利用水分的负面影响。为了验证这一假设，我们测量了土壤水分保持曲线，在加盐过程中监测了电导率，并使用电子显微镜观察了盐分在土壤-生物炭基质中的积累情况。研究结果有望为道路旁GSI中生物炭的应用提供实际设计指导，目标是在寒冷气候地区减少盐度对植物的损害。
数据片段
土壤和生物炭样品制备
本研究中使用的工程土壤介质取自美国费城95号州际公路附近的一个生物渗透盆地（39.9677° N, 75.1325° W）。费城具有湿润的亚热带气候，冬季温度会导致多次冻融循环。这导致土壤膨胀、基础设施受压以及降水类型多变。在该地区，道路除冰盐的使用非常普遍，导致全年大部分时间道路旁和GSI土壤介质的盐度升高（Caplan
不同盐度下生物炭对水分保持能力的影响
添加生物炭后，接近饱和状态时的水分保持能力有所提高，但在干燥条件下水分保持能力下降（图1a）。由于生物炭颗粒的形状和大小比土壤颗粒更具变异性，生物炭改良土壤的孔隙分布更加不均匀；这可能导致生物炭改良介质在曲线湿润端的水分含量变化更大。在饱和状态下，含有生物炭的样本的水分含量大约高出20%
生物炭对盐碱土壤中植物水分可用性的影响
我们的研究表明，通过添加生物炭可以缓解低至中等盐度对水分保持能力和特别是植物可利用水分的负面影响（图1）。在这个范围内，生物炭的添加增加了植物可利用的水分，我们认为这是由于生物炭增加了多孔网络，这些网络保留了植物可利用的水分，并在干燥期间沉淀了盐分，这些盐分在流体动力学上与主要流动路径断开（Acharya等人，2024年；Amini等人，2016年
结论
本研究探讨了生物炭改良剂如何减轻城市和道路旁GSI中的盐度应力，这是现代径流和雨水管理的关键组成部分。由于气候变化导致的除冰盐使用增加以及更频繁、更强烈的降水事件，土壤盐度水平正在上升，威胁着GSI的性能。我们的研究结果表明，生物炭能够增强水分保持能力并减少渗透压应力，有助于维持植被和良好的水力特性
作者贡献声明
马克斯韦尔·芬尼根（Maxwell Finnegan）、加内什·卡特伊（Ganesh Khatei）、苏吉思·拉维（Sujith Ravi）、保罗·多多里科（Paolo D’Odorico）、桑杰·莫汉蒂（Sanjay Mohanty）、斯科特·范佩尔特（Scott Van Pelt）：概念构思、方法论、研究；马克斯韦尔·芬尼根（Maxwell Finnegan）、加内什·卡特伊（Ganesh Khatei）、托比亚·里纳尔多（Tobia Rinaldo）：初稿撰写；所有作者：审稿与编辑；马克斯韦尔·芬尼根（Maxwell Finnegan）、加内什·卡特伊（Ganesh Khatei）、露西·阿奇博尔德（Lucy Archibald）：正式分析、数据管理、可视化；苏吉思·拉维（Sujith Ravi）、保罗·多多里科（Paolo D’Odorico）、乔舒亚·S·卡普兰（Joshua S. Caplan）：监督、资金获取
未引用的参考文献
He等人，2013年；Kharel等人，2019年；Slavich和Petterson，1993年；Antonangelo等人，2024年；Zou等人，2022年
CRediT作者贡献声明
马克斯韦尔·芬尼根（Maxwell Finnegan）：审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念构思。加内什·卡特伊（Ganesh Khatei）：审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念构思。露西·阿奇博尔德（Lucy Archibald）：审稿与编辑、方法论、研究、正式分析、数据管理。托比亚·里纳尔多（Tobia Rinaldo）：审稿与编辑、初稿撰写
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
苏吉思·拉维（Sujith Ravi）报告获得了国家科学基金会的财政支持。保罗·多多里科（Paolo D’Odorico）报告获得了国家科学基金会的财政支持。乔舒亚·卡普兰（Joshua Caplan）报告获得了宾夕法尼亚交通部的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系致谢
本研究由美国国家科学基金会（NSF；奖项EAR-2054170）资助，资助对象为S. Ravi和P. D’Odorico。M. Finnegan获得了天普大学的创意艺术、研究与奖学金（CARAS）资助，L. Archibald获得了NSF的研究生地球科学研究体验（GEO-REPS）项目资助。此外，宾夕法尼亚交通部（SR 0095 Section GIR项目）通过AECOM的分包也提供了额外资金。
