《Biomass and Bioenergy》：Two-season effects of grape pomace biochar on soil properties, nutrient availability, plant growth and soil microbial communities
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为解决葡萄酒产业大量废弃物（葡萄渣）可持续利用及土壤改良需求，研究人员系统开展了葡萄渣生物炭（grape pomace biochar）施用于土壤的两季盆栽研究。结果表明，该生物炭可显著改善土壤pH、CEC、WHC，提升K、P、S等养分有效性，刺激土壤微生物活性（提高基础呼吸，改变群落结构），并在首季促进生菜（Lactuca sativa L.）生物量增加。这证实了葡萄渣生物炭是一种安全、有效的土壤改良剂，为酿酒副产物的高值化利用和可持续农业提供了新途径。
每年，全球葡萄酒产业都会产生数以千万吨计的葡萄渣——这是酿酒过程中剩下的果皮、种子和果梗。这些看似无用的“废料”如果处理不当，会带来一系列环境问题，比如堆积发酵产生异味，或者因其含有的酚类物质直接还田可能抑制植物生长。然而，这些废弃物同时也富含碳、氮、磷、钾等元素。如何在循环经济和可持续农业的理念下，将这些“放错位置的资源”变废为宝，是科研人员和产业界共同关注的焦点。将有机废弃物通过热解转化成生物炭（Biochar），再返还农田，是一条备受瞩目的技术路径。生物炭就像给土壤施加的“超级木炭”，它多孔、稳定，不仅能固碳，还能改善土壤结构、保水保肥，甚至成为微生物的“家园”。那么，用葡萄渣制成的生物炭，到底能不能安全、有效地改良土壤，并最终促进作物生长呢？这项发表在《Biomass and Bioenergy》上的研究，为我们提供了来自两个生长季节的详细答案。
为了回答上述问题，研究团队开展了一项为期7个月的盆栽控制实验。他们将从捷克南摩拉维亚获得的混合葡萄品种残渣，在350°C、氩气气氛下热解50分钟，制成了葡萄渣生物炭。随后，他们将这种生物炭以5%（B5）、10%（B10）和15%（B15）的重量比例与当地农田土壤混合，并以不添加生物炭的土壤作为对照（C）。每个处理设置5个重复。他们在混合均匀的土壤中种植生菜（Lactuca sativa L., var. Attraktion），进行了连续两个生长季（2024年4-7月，7-10月）的观测。在每个生长季结束时，研究人员系统采集了土壤和植物样本，运用了一系列关键技术方法进行评估：1. 对生物炭和土壤进行了全面的理化性质分析，包括pH、阳离子交换容量(CEC)、持水能力(WHC)、总有机碳(TOC)、总氮(TN)等。2. 使用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES) 测定了生物炭、土壤总养分及经Mehlich 3提取法获得的植物有效态养分含量，重点关注钾(K)、磷(P)、硫(S)等。3. 通过磷脂脂肪酸(PLFA)分析来表征土壤微生物的总生物量和群落结构（如革兰氏阳性/阴性细菌G+/G-、真菌F、放线菌Act的比例）。4. 测量了土壤的基础呼吸以评估微生物的整体活性。5. 测定了生菜的干物重和叶绿素荧光参数(Fv/Fm) 以评估其生长和光合生理状态。
3.1. 生物炭表征
研究制备的葡萄渣生物炭呈碱性(pH 8.98)，富含营养元素，尤其是钾(25.4 g·kg-1)和磷(4.93 g·kg-1)。其H/C和O/C原子比较低，表明碳化程度高，结构稳定。所有监测的风险元素（如Hg、As、Cd、Cr、Pb）和多环芳烃(?PAHs)含量均远低于捷克法规对土壤改良剂的限值，证明其环境安全性。
3.2. 植物参数
在第一个生长季，生菜生物量随着生物炭添加量的增加而增加，在最高的15%添加量下，干重比对照显著增加了27%。这表明在适宜条件下，葡萄渣生物炭能促进生菜生长。但在第二生长季，所有处理的生物量均大幅下降（约为首季的八分之一），且处理间无显著差异。研究人员认为这主要归因于第二季播种过晚导致的环境条件（如更长的日照、更高温度）不适宜该生菜品种，而与生物炭处理无关。两个季节的生菜光合系统II最大光化学效率(Fv/Fm)值均接近健康植物的理论最大值(约0.83)，且处理间无差异，表明即使高剂量生物炭也未引起光合生理胁迫。
3.3. 土壤特性
3.3.1. 土壤理化性质
生物炭的添加显著且呈剂量依赖性地改变了土壤性质。土壤pH从对照的中性显著升高，在B15处理下达到约8.7-8.8。CEC（阳离子交换容量）在首季变化不显，但在第二季于生物炭处理中显著升高，表明其对土壤保肥能力的提升作用需要时间显现。WHC（持水能力）则随生物炭用量增加而持续显著提高。
3.3.2. 总元素含量
土壤总养分含量变化直接反映了生物炭的输入。总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总钾(K)和总磷(P)均随生物炭剂量增加而显著升高。例如，在第二季，B15处理的TOC、TN、总K和总P分别比对照增加了约211%、100%、123%和28%。相反，铝(Al)、铁(Fe)、锰(Mn)、锌(Zn)等元素的总量则因生物炭的“稀释效应”而降低。
3.3.3. 生物有效态元素含量
Mehlich 3提取法测得的植物有效态养分变化趋势更为明显。有效钾(K)和有效磷(P)急剧增加，在第二季B15处理下，分别比对照增加了约872%和123%。有效硫(S)也呈剂量依赖性增加。而有效态Al、Fe、Ba、Zn等则普遍降低，这既与总含量降低有关，也可能与pH升高导致其可溶性下降有关。
3.4. 土壤微生物群落
生物炭处理并未显著改变土壤总微生物生物量(PLFAtot)。然而，土壤基础呼吸在生物炭处理中，特别是高剂量下显著增强，表明微生物的整体活性被激发。同时，微生物群落结构发生了剂量依赖性的改变：革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌比值(G+/G-) 以及放线菌与总细菌比值(Act/B) 随生物炭用量增加而下降，而真菌与细菌比值(F/B) 在首季高剂量下升高。这表明生物炭的添加创造了一个更有利于革兰氏阴性菌和真菌活动的土壤微环境。
3.5. 对植物-土壤-微生物系统的综合阐释
相关性分析显示，在两个生长季中，生物炭剂量与土壤理化参数（pH、TOC、有效养分等）均呈强正相关，说明其对土壤的改良效应是即时且持续的。然而，植物生物量仅在首季与这些改良参数显著相关，在第二季则无关联，印证了植物生长更易受短期环境条件制约，而生物炭对土壤的改良作用则更为稳定和持久。
4. 结论
该研究得出结论，葡萄渣生物炭是一种安全有效的土壤改良剂。即使在5%的最低施用量下，也能显著改善土壤pH、持水能力(WHC)，大幅提高钾(K)、磷(P)、硫(S)等关键养分的生物有效性，并激发土壤微生物活性，同时不增加环境风险。在条件适宜时（如第一生长季），它能直接促进生菜生长，提高生物量。尽管植物响应可能因环境波动而不同，但生物炭对土壤理化性质和微生物功能的改善作用在两个生长季中均持续存在，表明其对土壤的积极影响比植物的短期生长响应更为稳健。研究指出，5%的用量可能在农学效益与资源投入间达到了最佳平衡，最具实际应用潜力。这项工作为葡萄酒酿造副产物的高值化、资源化利用提供了一条切实可行的途径，有助于推动农业的可持续发展。未来需要在真实农田条件下进行长期田间试验，并开展全生命周期和经济性评估，以最终确定其规模化应用的最佳策略。
