水产养殖矿物质改良剂(石莼水华物种的巨藻生物炭对拟南芥幼苗生产力的影响)

来源：村晓农业网|更新时间：2023-11-29|点击次数：次

«——【·摘要·】——»

集约化农业实践和有机废物管理不善对水生生态系统产生不利影响，大型藻类过度增殖可能形成“绿潮”，对环境、生态和社会经济产生负面影响。由于元素组成高，这种资源可能适合纠正土壤缺陷和改善土壤肥力。

来自石莼属的绿色大型藻类，具有叶片状、管状和混合形态表型，用于生产生物炭。在受控环境室内进行盆栽试验，以确定用藻类生物炭改良高肥和低肥堆肥对藻类生长速率的影响。

在类似的处理下使用商业木质生物炭作为对照。每周成像和最终收获重量提供了额外的生长数据；还进行了成分数据，包括最终分析和工业分析、pH、表面积以及干燥大型藻类和藻类生物炭的水热解。

在高肥或低肥堆肥中，未观察到使用生物炭改良剂生长的幼苗生长显着增强，并且在高肥土壤中添加5%的藻类生物炭显着降低了植物生长。藻类生物炭含有大量碱性元素，包括钠。

尽管藻类源自河口环境，但在较高生物炭施用率下，盐度是影响植物生长的主要因素。生物炭的来源和成分非常重要：使用“生物炭”这个包罗万象的术语忽略了可用于制造它的材料和成分的范围及其随后对土壤的影响。

«——【·介绍·】——»

集约化的农业生产加速了全球自然系统的退化，包括土壤、气候和水生生境。与此同时，对食品、饲料和纤维的需求持续增加。土壤健康通过提供生态系统服务对作物生产和环境可持续性至关重要，包括支持植物生产和气候调节。土壤肥力描述了土壤在支持作物生产中的具体作用并且可以通过测量初级生产力来确定。

将固体烧焦的生物质“生物炭”掺入土壤已被证明可以长期提高土壤肥力和碳储量。热解的原料和条件影响生物炭的性质及其对土壤物理、化学和生物特性的影响，而土壤的物理、化学和生物特性决定了肥力，生产力的提高归因于直接添加植物养分、增强土壤特性。

观察到产量下降，可能是由于高硫含量、高盐度、铝或锰毒性，或由于不带电的活性炭减少了养分利用率，特别是在肥沃的土壤中。生物炭颗粒表面的活性碳可以在接触时吸附养分，通过减少植物对氮和磷的利用率来有效降低肥力。

在热解过程中，任何原料中存在的 70-90% 的氮都会挥发；大量残留在固体炭中，尽管其中大部分以杂环形式不易释放到土壤氮库中。营养丰富的生物炭既可以直接向土壤中添加铵盐，又可以通过减少一氧化二氮排放、氨挥发和淋滤造成的损失来提高土壤中的氮含量。生物炭还可以通过增强营养循环微生物和菌根真菌的丰度和多样性来提高固氮率和植物营养。

钾和磷也通过生物炭添加到土壤养分库中，主要以无定形含钾盐的形式存在。矿物质风化后，磷和钾可被植物利用，但也可以快速以无机形式隔离或被土壤微生物吸收。大多数生物炭具有中性至碱性 pH 值。

可以改善酸性土壤，提高这些情况下的生产力。生物炭的石灰效应减少了土壤溶液中铁和铝的含量，从与这些阳离子的键中释放出更多的磷。在碱性土壤中，石灰效应可能是不理想的。

键合增加，从而降低了磷效性和偏爱酸性土壤的作物的产量。由于生物炭的存在而导致增加，还可以通过将营养离子吸附到生物炭颗粒的表面来更好地保留这些离子。

生物炭表面积与其吸附气体和溶剂等小分子的能力有关，生物炭可以通过改变 pH 值来增加微量营养素的可用性，包括钙、镁、硼和钼并且它可以通过吸附某些植物生长抑制剂来减少它们的存在。

大型藻类作为生物炭原料似乎很有吸引力，因为它们含有高密度的植物营养素，而且它们在富营养化水道中的过度积累会带来生态和社会经济成本。与使用海藻相关的挑战包括能源密集型干燥、生长的季节性以及元素成分的高时间和空间变异性。

某些金属元素含量高的藻类也可能不适合作为生物炭原料，因为这些元素会在土壤中积累，产生有毒或不利于作物健康生长的水平。与木质纤维素原料制成的生物炭相比，藻类生物炭具有较低的碳含量、表面积和阳离子交换能力，但 pH 值和养分含量较高，包括氮和可提取的无机养分如，磷钾钙和镁。

由青贮巨藻棕色海带制成的生物炭对生菜植物的发芽和健康以及黑麦草幼苗的生长普遍具有负面影响。作者假设生物炭释放的化合物共同抑制植物生长，尽管分析的所有元素均低于有毒水平。

对于绿色海藻，研究结果更为积极。谁研究了两种绿色大型藻类生物炭对高粱生长的影响。在这项研究中，将 0.35%的藻类生物炭施用于两种不同的土壤，第一种土壤贫瘠，第二种富含有机碳和养分。

在低肥力土壤中，在试验过程中，与无生物炭对照相比，使用生物炭观察到的生长速度分别高出 15 倍和 32 倍。在高肥力土壤中，生产力的提高不太明显，但仍然很重要。在这两种土壤类型中，发现原料对产量的影响比肥料的添加更强，肥料的施用量为 50 gm –2。

将生物炭对低肥力土壤生长率的巨大影响归因于其直接的养分贡献以及由此导致的根部穿透阻力的降低、土壤栖息地的提供以及在较小程度上提供的不稳定碳。这些发现证实了其他研究，这些研究表明生物炭改良剂的肥力效益高度依赖于基线土壤健康。

本研究的目的是进一步探索源自绿色大型藻类的低温生物炭作为土壤改良剂的潜力，并确定所生成的生物炭的物理化学特性。这是通过使用来自石莼属绿色大型藻类的绿色大型藻类来生成低温生物炭来实现的。

将这些炭以一定浓度用于堆肥混合物中，以评估它们如何影响水芹A的生长速度。在受控环境盆栽试验中对拟南芥进行了成分数据和特性分析，包括最终分析和工业分析、pH 表面积和加氢热解。

藻类在运往阿伯里斯特威斯之前在淡水流中彻底清洗，以去除泥土和动物。对材料进行二次取样以进行鉴定，这些样品储存在 -20°C 下，大部分剩余物在干燥箱中于 60°C 下干燥 72 小时直至完全干燥。

然后将该干燥材料在热解之前在黑暗的环境条件下储存在拉链袋中。大型藻类被鉴定为叶片形态和管状形态通过显微镜观察。挑出后，所有盆立即随机放置在托盘中，并放置在受控环境柜中，每天 8 小时使用白色灯；温度在20°C至22°之间波动，湿度不受控制。

在设置后以及随后的第 7、14 和 21 天，使用相机从上方以固定高度对盆进行拍摄。前 2 天覆盖盆以减轻幼苗应激，并将幼苗大约每天从下面浇水，并根据需要从上面额外浇水。生长试验在第 21 天终止。拍照后，将植物在地面处掐断、清洁、称重、在 50°C 下干燥 24 小时，然后重新称重以获得湿和干生物量重量。

叶表面积是根据每周拍摄的航空照片确定的。初始重量通过将初始乘以第 21 天所有植物的单位面积平均干重来估算。基于最终干重的两个总体生长率对每个盆进行计算，在试验期间取平均值。

与已死亡植物相关的值被删除，因为这些植物在试验初期就停止生长，因此对治疗手段产生了不成比例的影响。增长率也进行了平方根转换以满足方差分析的假设。

生物炭来源和生物炭大小嵌套为生物炭部分中的固定因素，以解释因素的非独立性。与不同因素相关的效应大小是根据“广义 eta 平方”计算的。通过采用调整的配对治疗之间的事后测试，进一步研究了显着的主效应和因素之间的相互作用。7 天后，所选处理之间的叶表面积进行了类似比较。

藻类样品之间的钙水平差异显着，管状藻类的钙含量是叶状藻类的约 3 倍，是混合藻类的 1.5 倍。高含量和物种之间的差异至少部分归因于覆盖藻类的的存在。

这种蜗牛的壳主要由碳酸钙，与单独的海藻相比，会人为地提高样品中的钙浓度，但没有大规模的加工能够在烧焦藻类之前将它们全部去除。在干燥之前清洗生物质去除了一些，但由于管状藻类的三维重叠，从管状藻类中去除的壳比从叶状藻类中去除的壳要少。

与对照相比，所有藻类样品中的钠含量相对较高，特别是在管状藻和混合藻样品中。藻类样品之间的镁含量相似，其中叶片藻的镁含量略高于其他样品。相比之下，管状样品比刀片样品含有最多的铜和更多的锌，但少于混合样品。

所有藻类样品中的钙、钠、镁和其他植物微量营养素含量均远高于木材对照中的预期，部分原因是木材的碳含量较高。

藻类生物炭含有比木材来源的生物炭相对含量高得多的钙钠和镁相似含量的铜和较低含量的锌。炭化过程使炭中的钙含量增加了 3.2-5.8 倍，这种增加同样与材料中存在的一些的保留有关。

在溶液中，藻类生物炭的 pH 值彼此相似，但平均而言比木材生物炭碱性更强。藻类生物炭堆肥混合物的 pH 值与木材生物炭堆肥混合物的 pH 值大致相同，这可能是由于堆肥的缓冲能力，这意味着所有幼苗，无论炭浓度或类型如何，在相似的 pH 值下生长。

«——【·讨论·】——»

尽管有时会观察到磷的限制，但关键肥料成分氮最常限制陆地生态系统的初级生产力。由营养丰富的原料生产的非风化生物炭可提供高度可用的营养盐来源，为植物提供直接、短期的营养促进由于本研究中使用相对较低的热解温度 350°C 来生产藻类生物炭，并且生物炭的化学分析证实氮含量与原料中的氮含量大致成正比，因此营养盐，特别是铵，作为残留物积聚在藻类生物炭的表面。

由于用于生产藻类生物炭的碳化温度和停留时间较低，藻类生物炭的含量低于木材生物炭。相比之下，由于较高的生产温度和停留时间，生物炭的量非常高，占总碳的 81.4%。

藻类生物炭的表面积也低于木材生物炭，可能降低了藻类生物炭吸附磷和钾等营养离子的能力。这也意味着生物炭内的孔隙数量较少，从而减少了官能团的呈现以及与存在的微生物的相互作用。