由入侵植物互花米草（Spartina alterniflora）制成的钙木质醋改性生物炭：其对沿海“盐碱土壤-巨型羊茅（Pennisetum giganteum）”的改良效果

互花米草生物炭经250℃热解制备，钙木醋液改性后显著降低土壤pH（0.93）和交换钠百分比（46.05%），提升土壤养分积累指数（1.88%）及珍珠粟净光合速率（60.77%）、生物量（55.42%）和相对饲用价值（18.37%）。机制包括H?中和碱性离子、Ca2?置换土壤Na?及营养补充，与氨氧化菌、变红酵母及invertase活性密切相关。该成果为互花米草资源化利用提供理论支持。

　　

盛明平|田婷|程志涵|子少新|李佩文|朱文远|李有文|郭红燕

中国南京大学环境学院污染控制与资源再生国家重点实验室，南京，210023

摘要

土壤盐碱化和互花米草（Spartina alterniflora）的入侵在中国构成了紧迫的环境挑战。虽然由互花米草制成的生物炭（biochar）是一个潜在的解决方案，但其最佳热解条件和改性效果仍不甚明了。本研究制备了在250°C至650°C温度下生成的生物炭。基于最大土壤质量指数（2.08），确定250°C为最佳热解温度。随后开发了钙木醋改性的生物炭（CBC），并将其应用于盐碱土-巨芒草（Pennisetum giganteum，SAS-PG）系统中。CBC的应用降低了关键盐碱化参数（土壤pH值降低0.93，交换性钠含量降低46.05%），同时使SAS的肥力积累指数提高了1.88%，净光合速率提高了60.77%，生物量提高了55.42%，相对饲值提高了18.37%。潜在的改善机制包括：酸性官能团释放的H⁺中和碱性离子（OH^?、Na₂CO₃、NaHCO₃），Ca²⁺与土壤胶体Na⁺之间的交换，以及养分补充。AN和SOC的显著增加，以及它们与氨嗜菌（Ammoniphilus）、红细菌（Altererythrobacter）和转化酶活性的强正相关性，证实了它们在CBC增强土壤肥力中的关键作用。总之，本研究为利用互花米草作为钙改性酸性生物炭来改善中国东部沿海地区的“盐碱土-巨芒草”生态系统提供了实际支持。

引言

由于对粮食安全和土壤肥力的负面影响，土壤盐碱化是21世纪最受关注的环境问题之一（Rath和Rousk，2015）。全球约有1.1×10⁹公顷的盐碱地（占所有土地的7%），中国有9.913×10⁷公顷（Chen等人，2024；Liu等人，2023；Wu等人，2024）。盐碱土（SAS）是解决全球4亿多人面临的饥饿问题的关键耕地资源（Cao等人，2021；Zheng等人，2023）。然而，土壤盐碱化会导致耕作层和根区积累高浓度的可溶性盐或形成高比例的交换性钠盐，从而对多种土壤性质产生负面影响并抑制植物生长（Datta等人，2019；Rath和Rousk，2015）。每年全球有1.0-2.0×10⁶公顷的土地因盐碱化而无法用于作物种植（Chen等人，2024；Dong等人，2024）。

在各种盐碱土（SAS）修复策略中，生物炭受到了广泛关注（Gao等人，2024；Song等人，2024；Wu等人，2024；Zhang等人，2024）。生物炭是通过在厌氧条件下高温热解生物质废弃物产生的（Gao等人，2024）。生物炭释放的阳离子（如Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺）可以取代盐碱土中的Na⁺，提高团聚体稳定性并减少分散（Duan等人，2021）。生物炭的大孔结构降低了土壤容重，使土壤更加疏松。这种结构有助于通过灌溉去除SAS中的盐分（Yang等人，2021）。同时，其表面的碱性官能团吸附NO₃^?-N，防止无机氮的淋溶（Feng等人，2020）。通过刺激土壤磷酸酶活性，生物炭加速有机磷向植物可利用的无机形式的转化，从而提高磷的生物有效性（Jin等人，2016）。此外，生物炭改良可以增加土壤碳封存而不增加温室气体排放（Zhang等人，2023）。生物炭作为微生物的聚集点，其多孔结构和养分为微生物群落的多样性和丰度提供了栖息地，尤其是在盐碱胁迫下（Singh等人，2022；Zheng等人，2022）。最终，生物炭在改善SAS方面的效果取决于其内在的物理化学性质。

热解温度、原料和改性是决定生物炭物理化学性质的关键因素（Gao等人，2024；Li等人，2024）。通常，温度越高，pH值、比表面积（SSA）和碳含量越高，而挥发性物质、阳离子交换容量（CEC）和表面官能团（SFG）越低（Tomczyk等人，2020）。这主要归因于：1）碳酸盐和总碱金属离子随温度升高而增加，300°C以上碱盐开始从有机基质中分离，导致pH值升高（Tomczyk等人，2020；Zhao等人，2017）；而纤维素和半纤维素在200-300°C左右分解，产生酚类物质和有机酸，降低pH值（Yu等人，2014）。2）酯基团、烷基基团和孔阻塞物质的热裂解，以及芳香木质素核心的暴露，导致SSA增加（Tomczyk等人，2020）。3）生物质脱水和脱氧，结合芳构化和石墨化作用，导致SFG减少和电荷减少，从而降低CEC（Chen等人，2018；Tomczyk等人，2020）。与木质生物炭相比，非木质生物炭（来自城市废弃物、作物残渣和动物粪便）通常碳含量、挥发性物质和表面积较低，但灰分含量（如Ca、N、S、P）和CEC较高（Jafri等人，2018；Tripathi等人，2016）。这是由于生物质组成的差异，如水分、纤维素和木质素含量（Tripathi等人，2016）。具体来说，生物炭孔隙度的增加是由于H₂和CH₄的快速释放、木质素分解和芳香缩合反应（Zhao等人，2017）。为了满足特定应用需求，生物炭经常通过物理化学方法进行活化或改性（Wu等人，2019）。例如，酸改性可以增加SSA、微孔体积和含氧官能团，同时降低pH值——这些性质对SAS修复至关重要（Chen等人，2021；Gao等人，2024；Yang等人，2021）。木醋来自生物炭制备过程中的烟气冷凝，富含有机酸和微量元素（Ca、K、Mg、Zn等），可用作酸改性的可行原料（Zhao等人，2024）。值得注意的是，钙改性的生物炭在SAS修复中表现出优异的性能，通过Ca²⁺与土壤胶体Na⁺的交换，降低了钠吸附比（SAR）和交换性钠含量（ESP）。

互花米草（Spartina alterniflora）是一种原产于北美东海岸的盐沼植物，因其高度适应性而被引入中国用于海岸防护，但已变得具有入侵性（Zhao等人，2025）。1990年至2022年间，其在中国的沿海湿地的覆盖面积从43.76平方公里扩大到680平方公里（Jiang等人，2024）。作为回应，中国生态环境部于2022年12月5日发布了《2022-2025年互花米草控制专项行动计划》。由于其高生物量和C4维管结构，互花米草是生产生物炭的有效原料（Qiu等人，2020）。将其用作生物炭是一种有前景的替代传统控制方法的方式。互花米草衍生的生物炭已应用于镉污染土壤的修复（Qiu等人，2020）、沿海湿地和盐碱土的改善（Cui等人，2021；Wang等人，2024）、光催化剂合成等多种用途（Zhou等人，2023）。然而，针对SAS修复的互花米草生物炭的最佳热解温度仍需进一步研究。

巨芒草（Pennisetum giganteum）于2006年被引入中国，用于食用菌栽培、牲畜饲料和土壤侵蚀控制。最新研究表明其具有耐盐性，灌溉水中NaCl浓度可达550 mM，使其能够成功应用于中国东部盐分含量低于10‰的盐碱土修复（Hayat等人，2020；Lin等人，2013；Yan等人，2019）。尽管生物炭或改性生物炭对植物生长的益处已被证实，但仍可能存在潜在的不利影响（Xiang等人，2021），包括植物吸收生物炭中渗出的多环芳烃和由于生物炭吸附导致的养分竞争（El-Naggar等人，2019；Wang等人，2018；Xiang等人，2021）。然而，盐碱土-巨芒草系统对来自互花米草的钙改性酸性生物炭的生态响应尚未有报道。

本研究的目标是：（1）在250至650°C的热解温度下制备互花米草衍生的生物炭（BC），并表征其物理化学性质；（2）基于土壤质量指数（Guillaume等人，2020；Song等人，2024）确定用于SAS修复的最佳热解温度；（3）评估SAS-巨芒草系统对掺钙和木醋改性的BC的生态响应，从而评估利用入侵植物互花米草改善中国东部沿海地区“盐碱土-巨芒草”生态系统的潜力。

章节摘录

在250°C至650°C下制备互花米草衍生的生物炭

互花米草秸秆在中国江苏省盐城市（120.8667°E，33.0644°N）采集，并放入管式炉（ZHK-05123K，天津）中通过热解制备生物炭。氮气（保护气体）的流速为0.1 L min^?1。在维持最终温度（250、350、450、550和650°C）4小时后，生物炭冷却至室温（图S1A），收集并分别标记为BC250、BC350、BC450、BC550和BC650。

改性生物炭（CBC）。互花米草秸秆

互花米草衍生生物炭的物理化学性质

BC250至BC650的物理化学性质如图1和图2所示。

结论

本研究利用互花米草作为钙木醋改性的生物炭来改善盐碱土-巨芒草系统。结果表明，巨芒草的肥力积累指数、净光合速率、生物量和相对饲值分别提高了1.88%、60.77%和18.37%。氨嗜菌（Ammoniphilus）、红细菌（Altererythrobacter）和转化酶活性的增加与土壤性质密切相关

CRediT作者贡献声明

盛明平：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。田婷：可视化，方法学，调查，正式分析，数据管理。程志涵：调查，正式分析，数据管理。子少新：方法学，正式分析，数据管理。李佩文：可视化，调查，数据管理。朱文远：可视化，调查。李有文：资源管理，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了新疆维吾尔自治区中央指导地方科技发展项目（ZYYD2024CG10）和云南省科技计划（202503AT100008）的财政支持。