表面氧化的生物炭作为一种减少油棕（Elaeis guineensis）种植中肥料投入的策略

《Biomass and Bioenergy》：Surface-oxidized biochar as a strategy for reducing fertilizer inputs in oil palm ( Elaeis guineensis) cultivation on Ultisols

本研究评估了过氧化氢氧化棕榈壳活性炭（OxyAChar）在提升酸性乌尔图尔土壤中油棕幼苗营养吸收、生理性能及生长的效果。六个月温室实验表明，OxyAChar联合30%化肥减少显著促进幼苗生长，叶绿素含量、株高、生物量等指标均优于对照，且接近全肥处理，为可持续油棕种植提供了新策略。

　　

作者：李子薇（Ziwei Lee）、罗莎兹琳·阿卜杜拉（Rosazlin Abdullah）、贾米拉·赛法瓦蒂·雅各布（Jamilah Syafawati Yaacob）、努尔·沙里娜·莫哈德·罗斯利（Noor Sharina Mohd Rosli）、陈颖茜（Yieng Xi Celine Chan） 所属机构：马来西亚马来亚大学理学院生物科学研究所，地址：50603，吉隆坡，马来西亚

摘要

在油棕种植中，高量的化肥投入是最大的重复性成本，尤其是在东南亚普遍存在的酸性、养分贫瘠的Ultisol土壤上。本研究评估了过氧化氢氧化后的棕榈壳生物炭（OxyAChar）在提高油棕（Elaeis guineensis）幼苗在酸性Ultisol土壤中的养分吸收、生理表现和生长方面的效果。实验持续了六个月，共设置了六种处理方式：对照组（C）、全量化学施肥（F100）、原始生物炭（BC）、氧化生物炭（OAC）以及它们与70%化肥的组合（BC + F70；OAC + F70）。与原始生物炭相比，OxyAChar具有显著改善的物理化学性质，包括更高的比表面积、孔隙率、表面官能团、持水能力和吸附能力。当应用于Ultisol土壤时，OxyAChar增强了养分保持能力，并显著提高了叶片和根部的氮、磷和钾的积累量。在所有处理方式中，尽管化肥用量减少了30%，但OAC + F70处理下的植物反应最为强烈。该处理方式使总叶绿素含量增加了103%，SPAD值增加了47%，叶绿素a含量增加了84%，并且显著促进了植株的生长，包括株高（+33%）、茎粗（+28%）、叶面积（+28%）以及地上部和根部生物量（地上部干重+53.7%；根部干重+85%），与全量施肥相当或更高。根部结构特征也得到了显著改善，总根长增加了58%，直径增加了23.9%，体积增加了43.3%，从而支持了更好的养分吸收。总体而言，OxyAChar在减少30%化肥用量的情况下，为退化热带土壤上的可持续油棕生产提供了一种实用、经济且可扩展的策略。

引言

油棕（Elaeis guineensis）是全球主要的油料作物，约占全球植物油产量的35%，对马来西亚经济贡献巨大，占该国国内生产总值（GDP）的3.7%[1,2]。该作物的高经济价值和广泛种植使其成为全球食用油产业的基石。然而，油棕的生产力常常受到热带土壤化学和物理特性的限制，尤其是养分贫瘠和酸性的Ultisol土壤。这类土壤的特点是pH值低、必需养分（如氮和磷）含量有限、阳离子交换能力（CEC）差以及土壤有机质含量低[3,4]。这些条件严重限制了根系的生长和养分吸收，最终影响了幼苗的发育、早期生长表现和长期种植产量[5,6]。 克服养分限制的传统方法是大量使用化学肥料，这仍然是维持油棕种植园作物生长和产量的最普遍和有效方法。仅化肥成本就占油棕种植总支出的46–85%[7]。虽然化学肥料能有效提高作物产量，但过度依赖它们会带来重大的经济和环境挑战。过量施肥会加速土壤有机质分解，减少微生物生物量，导致土壤酸化，并促进养分淋失。此外，还会导致温室气体排放，污染水源、空气和土壤，从而威胁生态系统健康和人类福祉[8]。因此，迫切需要开发在不降低生产力的前提下减少化肥依赖的可持续策略。 生物炭是一种富含碳的副产品，通过生物质热解产生，作为一种有前景的土壤改良剂，可以改善土壤肥力并缓解化学肥料的一些缺点。生物炭的应用可以改善土壤物理结构，增强持水能力，提高养分有效性，并促进根系和地上部的生长[9][10][11]。尽管有这些好处，原始生物炭的农艺效果往往不稳定，其对作物产量的影响范围从-11%到+28%不等，具体取决于生物炭类型、原料和施用条件[12]。这些不一致性主要归因于未经改性的生物炭表面功能性和孔隙可及性的限制，这可能限制了其与土壤养分和水的相互作用。 为了解决这些问题，提出了对生物炭进行表面氧化的方法来改善其物理化学性质。氧化剂可以渗透到生物炭的内部层，溶解堵塞孔隙的化合物，并生成新的微孔，为含氧官能团（如–COOH、–OH）提供活性位点[13]。因此，表面氧化可以增加比表面积，提高阳离子交换能力，增强水分和养分保持能力，并促进与土壤的养分交换[14,15]。在各种氧化剂中，过氧化氢（H₂O₂）因其环境友好性、经济性和多功能性而特别具有吸引力。重要的是，H₂O₂分解后只产生水和氧气，不会在生物炭表面留下残留污染物[16]。因此，H₂O₂改性的生物炭是一种有前景的工具，可以改善土壤肥力并减少化学肥料的需求，尤其是在酸性热带土壤中。 尽管氧化生物炭显示出潜力，但在多年生作物（包括油棕）中的应用仍很大程度上未被探索。大多数研究集中在实验室表征上，而没有在苗圃或田间条件下评估其效果[13,16,17]。此外，表面氧化生物炭与减少化肥用量之间的协同作用在Ultisol土壤中尚未得到系统评估。理解这种相互作用对于开发高效和可持续的管理实践至关重要，特别是在苗圃早期阶段，因为幼苗的建立对后续种植园的生产力有重要影响。 在马来西亚，棕榈壳（PKS）是油棕加工过程中产生的丰富副产品，由于其高碳含量和木质素含量、结构稳定性以及大规模的可获得性，成为生产生物炭的理想原料[18]。利用PKS不仅为农业废弃物管理提供了增值解决方案，还符合循环经济原则，将种植园废弃物回收为功能性土壤改良剂[19]。在本研究中，使用H₂O₂对PKS进行表面氧化，生成了OxyAChar，并在受控温室条件下对其在3个月大的油棕幼苗中的农艺效果进行了评估。具体而言，本研究旨在确定OxyAChar是否可以在不损害幼苗生长和表现的情况下，弥补30%的化学肥料用量减少。我们假设OxyAChar能够改善土壤化学性质，增强养分保持能力，克服养分缺乏问题，促进根系和地上部的生长，最终实现与全量施肥相当或更好的生长结果。

实验地点描述

实验于2024年11月至2025年4月在马来西亚吉隆坡马来亚大学Rimba Ilmu植物园进行（坐标：3.131140° N, 101.657134° E）。实验在自然光照的温室中进行，温度维持在28–33°C。Ultisol土壤取自表层（0–20厘米），风干后通过2毫米筛子筛选使用。土壤的基本物理化学性质如下：pH 3.83，总氮（N）0.10%，有效氮（可用氮）...（数据未提供）

OxyAChar增强了Elaeis guineensis的叶片和根部养分吸收

在油棕幼苗的叶片和根部组织中，观察到氮（N）、磷（P）和钾（K）浓度因处理方式而异（p < 0.05），表明生物炭表面氧化和化肥用量减少共同调节了酸性Ultisol条件下的养分吸收和内部养分分配。详细养分浓度见表2。

结论

本研究表明，OxyAChar显著增强了在酸性Ultisol土壤中生长的油棕（Elaeis guineensis）幼苗的生长表现。OxyAChar的应用促进了叶绿素的合成，促进了根系的强劲发育，从而显著增加了地上部和根部的生物量。重要的是，OxyAChar与30%的化学肥料用量减少相结合，实现了与全量施肥相当或更高的生物量产出。

作者贡献声明

李子薇（Ziwei Lee）： 文章撰写、审稿与编辑、软件使用、项目管理、方法论设计、数据收集与分析。 罗莎兹琳·阿卜杜拉（Rosazlin Abdullah）： 监督工作、资源调配、资金获取、概念构思。 贾米拉·赛法瓦蒂·雅各布（Jamilah Syafawati Yaacob）： 文章撰写、审稿与编辑、监督工作、资金获取、概念构思。 努尔·沙里娜·莫哈德·罗斯利（Noor Sharina Mohd Rosli）： 文章撰写、审稿与编辑、监督工作。 陈颖茜（Yieng Xi Celine Chan）： 数据可视化、结果验证、项目管理工作。

致谢

作者衷心感谢马来西亚教育部通过基础研究资助计划（FRGS/1/2023/STG01/UM/02/2；FRGS: FP053-2023）提供的财政支持。同时，我们也感谢马来亚大学提供了完成本研究所需的实验室设施和技术支持。