《Soil Systems》：NPK-Enriched Date Palm Biochar Improves Soil Carbon–Nitrogen Status and Barley Yield Under Arid Conditions
Fatma Mekki,
Nissaf Karbout,
Habib Lamourou,
Houda Oueriemmi,
Ali Bennour,
Mohamed Moussa and
Mohamed Ouessar
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本研究通过为期两年的田间试验，探讨了在干旱绿洲生态系统中，利用本地椰枣废弃物制备的生物炭(B)与矿物肥料(NPK)及其复合物(NPK强化型生物炭，BNPK)对土壤肥力（总有机碳TOC、总氮TN）与大麦产量和品质的影响。结果表明，BNPK处理在提高和维持土壤碳氮含量、优化碳氮比(C/N)、提升大麦籽粒产量和氮含量方面表现最优，为解决干旱地区农业可持续性问题提供了一种将有机废弃物资源化与养分高效利用相结合的有效策略。
引言
气候变化是本世纪最紧迫的全球性挑战之一，在北非等脆弱地区影响尤为显著。突尼斯位于地中海中部，其大面积为干旱和半干旱区，面临水资源短缺、土壤退化（如土壤有机碳和总氮下降）的严峻威胁。在这种背景下，施肥策略，特别是矿物肥料的使用，对维持作物生产力至关重要，但其高成本和单独使用的局限性促使人们寻求与有机改良剂结合的可持续途径。突尼斯绿洲生态系统每年产生大量椰枣废弃物，这些富含纤维素和木质素的资源常被露天焚烧，造成环境污染，而通过热解生产生物炭(Biochar, B)为其资源化利用提供了可能。生物炭是一种稳定的富碳材料，能改善土壤结构、增强养分和水分保持能力。将生物炭与矿物肥料(NPK)结合形成的“养分强化型生物炭”(BNPK)，有望在提供速效养分的同时，实现养分的缓释与长效保持。然而，关于利用本地农业废弃物制备的强化生物炭在干旱北非条件下的田间农学表现，尤其是其对土壤碳氮状况的中长期影响，仍缺乏充分研究。因此，本研究旨在评估椰枣生物炭(B)、矿物肥料(NPK)及其复合物(BNPK)对突尼斯南部干旱地区退化土壤的改良效果，具体包括：(i) 对这些处理下土壤有机碳和氮状况的影响；(ii) 评估BNPK相对于单一处理的相对性能；(iii) 确定其在干旱田间条件下提高大麦产量的能力。
材料与方法
田间试验在突尼斯凯比利省阿提莱特试验农场进行，该地属于炎热沙漠气候，年降雨量低，蒸发强烈。供试土壤为砂质石膏土，有机碳和总氮本底值较低。试验采用随机区组设计，设置四种处理：对照(C)、椰枣废弃物生物炭(B, 10 t ha-1)、矿物肥料(NPK, 总量为468 N kg ha-1, 312 P kg ha-1, 312 K kg ha-1)以及NPK强化型生物炭(BNPK，即一半生物炭剂量与一半NPK剂量的组合)。所有改良剂均在第一个种植季开始时一次性深翻入土（深度20厘米），第二个种植季不再施用，以评估其残留效应。大麦连续种植两个季度（2022年11月至2024年6月）。分别在2023年和2024年收获时采集土壤和植物样品。测定指标包括土壤总有机碳(TOC)、总氮(TN)、碳氮比(C/N)、有机碳库(SOC stock)、氮库(N stock)，以及大麦籽粒产量、籽粒中可溶性糖（果糖、葡萄糖）含量和籽粒氮含量(Ngrains)。数据采用方差分析和主成分分析(PCA)进行处理。
结果
1. 土壤化学变化监测
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总有机碳(TOC)：含生物炭的处理(B和BNPK)在两个年份中均维持了最高且最稳定的TOC水平。例如，2024年，B处理使TOC升至0.5%（对照为0.18%）。NPK处理的TOC在2023年有所提高(0.28%)，但在2024年显著下降至0.20%。BNPK处理则兼具了生物炭的稳定性与养分添加的促进作用。
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总氮含量(TN)：BNPK处理在两个年份均获得了最高的TN含量（2023年0.039%，2024年0.027%）。NPK处理在2023年表现出高TN(0.037%)，但2024年急剧下降49%。单一生物炭处理(B)的TN含量(0.022–0.023%)略高于对照，但增幅有限。
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碳氮比(C/N)：单一生物炭处理(B)的C/N比最高（约21.8），反映了其高碳、低氮的输入特性。NPK处理在第一年C/N比最低(7.31)，第二年回升。BNPK处理的C/N比处于中间值（2024年为16.7），显示了碳氮输入的良好平衡。
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土壤有机碳库与氮库：B和BNPK处理显著提高了土壤有机碳库(SOC stock)，是对照的2.4-2.8倍。BNPK处理的氮库(N stock)在两个年份均为最高。NPK处理的氮库在第一年与BNPK相当，但第二年大幅下降。
2. 大麦农艺响应监测
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籽粒产量：所有处理均显著提高了大麦籽粒产量。2023年，NPK和BNPK处理的产量最高（约5.6-5.7 t ha-1）。2024年，NPK处理产量减半，而BNPK处理仍维持较高产量(4.6 t ha-1)。单一生物炭处理(B)的产量稳定在3.8-3.9 t ha-1，始终高于对照。
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籽粒可溶性糖与氮含量：所有改良处理均显著降低了籽粒中果糖和葡萄糖的含量。其中，BNPK处理对葡萄糖的降低效果最显著且最持久。在氮同化方面，BNPK处理使籽粒氮含量(Ngrains)在两个年份均保持在最高水平（2023年1.80%，2024年1.70%），显著高于对照。NPK处理在第一年籽粒氮含量也较高，但第二年急剧下降。
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主成分分析(PCA)：主成分分析清晰地区分了不同处理。第一主成分(PC1，解释了66.38%的方差)代表了土壤肥力梯度，与TOC、SOC库、TN、氮库、籽粒产量和籽粒氮含量正相关，与葡萄糖和果糖含量负相关。生物炭基处理(B和BNPK)集中在PC1的正侧，表明它们与土壤肥力和作物生产指标的强关联。NPK处理在两年间沿第二主成分(PC2)分离，显示了其年度不稳定性，而生物炭基处理在不同年份间的位置更集中，表明其效果更稳定。
讨论
本研究的发现揭示了不同土壤改良策略的独特作用机制与时效性。单一生物炭的施用直接为土壤注入了稳定的芳香碳结构，其抗分解特性使其成为干旱条件下长效的碳汇，有效提升了土壤总有机碳(TOC)和有机碳库(SOC stock)。然而，其自身的低氮含量导致了较高的碳氮比(C/N)，可能限制短期内氮的有效性。相比之下，矿物肥料(NPK)提供了速效氮源，在施用当年迅速提升了土壤总氮(TN)和作物产量与籽粒氮含量，但这种“脉冲式”营养供给无法持久，由于淋失、挥发等损失途径，其效果在第二个种植季大幅衰退，对土壤碳库的贡献也有限。
NPK强化型生物炭(BNPK)则展现出了“1+1>2”的协同效应。生物炭的多孔结构和吸附特性如同一个“养分海绵”和“保护罩”，它能够有效吸附NPK中的铵态氮和硝态氮，减少养分通过淋失和挥发途径的损失，从而提高了氮的利用效率。同时，生物炭改善的土壤结构和保水能力为微生物活动和养分循环创造了更有利的环境。来自NPK的速效养分促进了作物生长，增加了根茬和残留物等碳输入，而这些新的有机碳又可能在生物炭表面或孔隙中被物理保护或通过与矿物、生物炭形成团聚体而趋于稳定。这种协同作用使得BNPK处理在提升和维持土壤总氮、优化碳氮平衡、以及最终反映在作物高产和优质（高籽粒氮含量、低冗余可溶性糖积累）上，均表现出最佳且最稳定的综合效果。籽粒中可溶性糖的降低与氮含量的升高，暗示了在BNPK改善的养分条件下，植物的碳代谢更倾向于将光合产物用于生长和蛋白质合成，而非以简单糖的形式储存，体现了更高的代谢效率。
结论
综合来看，在干旱绿洲生态系统中，单一的矿物肥料虽能带来立竿见影的增产，但其效果短暂且不利于土壤长效固碳；单一生物炭是卓越的长期固碳剂，但对短期内氮素供应的提升有限。而将两者优势结合的NPK强化型生物炭(BNPK)策略，成功融合了速效养分的即时供应与生物炭的长效保蓄和稳定功能。它不仅在两个种植季中持续改善了土壤碳氮状况，实现了更优的碳氮平衡，还保障了大麦产量的显著提升和籽粒品质（氮含量）的实质性改善。因此，BNPK代表了一种极具前景的土壤改良策略，它能够有效利用本地农业废弃物，在提升干旱地区农业生产力、恢复退化土壤的同时，增强生态系统的韧性与可持续性，为应对气候变化下的农业挑战提供了可行的技术路径。未来的研究可关注其更长时期的效应及在不同作物和气候区的推广潜力。
