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SEH综述

来源：花匠小妙招时间：2024-11-12 12:47

导读

中国海洋大学郑浩教授&美国麻省大学邢宝山教授团队在Soil & Environmental Health（SEH-《土壤与环境健康》）期刊发表题为“生物炭作为改善盐渍土壤健康的可持续工具（Biochar as a sustainable tool for improving the health of salt-affected soil；2023, 1(3): 100033）”的综述。土壤健康是指土壤维持植物、动物和人类的重要生命生态系统功能的持续能力。盐渍化形成的盐渍土壤（包括盐质土、盐化-钠质土和钠质土）已成为土壤健康的重要威胁。生物炭是指生物质在低温限氧条件下热解制备的高度芳香化的碳质材料，具有丰富的孔隙结构和表面官能团，已被广泛应用于土壤改良和固碳。然而，生物炭对用于评估盐渍土壤健康的物理、化学和生物指标的影响的定量评价及潜在机制还尚未有系统总结。本文通过对89项研究的831组数据进行了荟萃分析，从土壤健康评估的物理指标（如团聚体稳定性、孔隙度、容重、含水量、温度）、化学指标（如盐度、pH、阳离子交换能力、土壤有机碳、氧化还原特性、养分含量）和生物学指标（如细菌、真菌、酶活性、植物）三个方面定量评估了生物炭对盐渍土壤健康的影响，并对生物炭影响土壤关键理化和生物学性质的潜在机制进行了系统的梳理。在此基础上，从指标选择和评价方法等方面总结了盐渍土壤健康评价的研究进展，并指出未来盐渍土壤的健康评价应侧重于生物炭施用后的土壤生态系统的多功能性。最后，本文讨论了盐渍土壤改良中生物炭研究和土壤健康评价技术的局限性和未来需求。总体而言，生物炭作为一种负碳工具能够有效改善盐渍土壤的物理、化学和生物健康，且可实现盐渍土壤绿色改良和可持续利用管理。该综述加深了对盐渍土改良中生物炭的作用机制的科学认识，为开发适用于盐渍土健康修复的功能化生物炭材料和技术提供了理论依据。

图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

土壤物理健康指标主要包括质地结构、容重、孔隙度、含水率和温度。土壤化学健康指标包括盐度、pH、阳离子交换量、土壤有机碳、氧化还原特性和养分含量等。目前土壤健康的量化评估主要由这些化学指标主导，在90%的土壤健康评估框架中，它们至少占所用评估指标的40%。高含量的Na+聚集在盐渍土壤胶体表面形成较厚的离子层，导致土壤胶体彼此排斥分散，土壤颗粒不易形成团聚体，稳定性极差。这直接造成了土壤板结，孔隙度降低，容重升高，限制了土壤中水分和空气的传输和供给。此外，盐渍土中可溶性盐大量累积，且面临pH较高的问题，导致SOM易分散和溶解，土壤养分贫瘠。越来越多的研究表明，生物炭可以有效改善盐渍土壤的物理化学性质。Meta分析表明，生物炭可通过提高团聚体稳定性（15.0~34.9%）、孔隙度（8.9%）、保水能力（7.8~18.2%）、阳离子交换量（21.1%）、有机碳含量（63.1%）和养分有效性（31.3~39.9%），降低容重（6.0%）和缓解盐胁迫（4.1~40.0%），从而显著改善盐渍土壤的物理和化学健康（图1）。生物炭的特性如pH、电导率、孔隙度、养分含量、比表面积和含碳量，以及添加量，决定了其在盐渍土壤健康改善中的作用。

图1 生物炭对盐渍土壤物理性质影响的可能机制示意图

土壤生物对土壤管理措施或外部环境变化的反应较迅速，因此生物指标比物理和化学指标更适合于土壤健康的预测和评估。然而，在目前的土壤健康评估中，生物指标的使用相对较少，占总指标的比例不到20%。盐渍土壤会对微生物产生盐胁迫（如Na+毒性）和渗透压胁迫，导致栖息环境恶化，营养底物减少，从而对微生物的生物量，组成，活性和功能产生直接负面影响。生物炭施加后可显著改善盐渍土壤生物学健康，主要表现在微生物生物量增加（7.1~25.8%），群落结构改变，酶活性提高（20.2~68.9%）。生物炭改善盐渍化土壤中微生物群落结构的机制主要包括（图2）：（1）生物炭可以通过提供直接庇护或间接改善土壤性质为微生物创造更好的栖息地；（2）生物炭可以直接向微生物提供碳、氮、磷等营养物质。此外，生物炭对盐渍土壤微生物功能的影响已受到广泛关注。生物炭可以通过影响与碳周转、氮循环和磷增溶相关的微生物群来影响土壤养分循环和温室气体排放。病毒在土壤中起着五个关键作用，包括病毒分流、“Forever Young”、调控胞外代谢、调控碳的稳定和封存以及微尺度下C/N/P化学计量比变化。然而，与细菌或真菌相比，生物炭对盐渍化土壤中病毒群落的影响尚未得到重视。此外，土壤动物与土壤物理、化学和微生物的变化密切相关，是土壤健康评估的最有前景的指标之一。高盐胁迫及较差的土壤结构极大地限制了盐渍土中大多数土壤动物的生长、代谢及其多样性。目前，仅有零星的研究报道了盐渍土壤中动物对生物炭施加的响应。探明植物对生物炭施用的响应可以从土壤肥力、质量和初级生产力等方面促进对盐渍土壤健康改善的理解。越来越多的研究证实，生物炭改良剂可以促进盐渍土壤中不同类型植物的生长，主要机制包括三个方面（图2）：(1)改善土壤性质；(2)提高养分有效性；(3)增强植物耐盐性。此外，也有研究表明，盐渍土壤中生物炭的施用对植物生长具有抑制作用或无影响。这些负面影响主要是由于生物炭的添加导致土壤性质恶化，如土壤盐度和pH值升高；或生物炭中有毒物质的释放。通过改性（如酸浸渍、共堆肥、共热解和纳米颗粒负载）、接种耐盐微生物菌剂以及将生物炭与其他改良剂（如化肥、粪肥和木醋液）联合施用来开发功能性生物炭，是克服生物炭在改良盐渍土壤植物健康中潜在风险所必需的。植物群落的相关指标比单个植物生长指标更能真实地反映土壤生态系统的整体健康状况。然而，植物群落指标很少用于土壤健康评价。土壤盐渍化可能会导致植物群落的逆行演替和植物多样性的减少，从而加剧盐渍土壤的形成。值得注意的是，盐渍土壤还塑造了盐生植物的出现和进化，丰富了地球上物种的多样性。此外，提高植物的耐受性是适应非生物胁迫（如盐、旱、冷、热）和生物胁迫（如抗病性和抗虫性）的根本策略，可以有效提高作物生产力和产品质量，促进土壤生态系统结构和功能的稳定。研究表明，生物炭可以通过调节植物细胞Na+/K+稳态，减轻氧化损伤，增强植物光合作用有效提高盐渍化土壤中植物的耐盐性和抗旱性（图2）。

图2 生物炭对盐渍土壤生物性质的影响及可能机制示意图

筛选合适的物理、化学和生物学指标是盐渍土壤健康评估的基础。土壤健康评价的指标体系和方法并不统一，从大量的物理、化学和生物指标中选择具有高度代表性的指标是一个很大的挑战。目前盐渍土壤的健康评价指标选择主要基于电导率、pH、养分含量和作物产量等，旨在评估其农艺价值。然而，目前的指标体系忽略了盐渍土壤在缓解气候变化、确保水质安全和维护人类健康方面的重要功能。筛选和监测能够反映生态服务功能的新指标，开发新的评估方法，是评估生物炭改良的盐碱土壤健康的核心任务（图3）。特别地，在碳中和时代，应考虑与盐渍土壤碳汇功能相关的指标，特别是干旱地区盐碱土壤中的无机碳含量，或者与微生物碳封存功能相关的微生物残体碳。此外，还需要考虑生物炭改良后与地下水质量和人类健康有关的土壤污染指标，例如重金属、农药和多环芳烃浓度。此外，不同空间尺度（即全球、国家、区域、地方和田间）土壤健康评价的目标完全不同。大空间尺度（如国家、区域）评价主要关注土壤整体资源利用和保护，而田间尺度评价主要关注土壤生产功能。盐渍化土壤健康评价方法一般局限于田间土壤质量分析，旨在提供服务（如粮食、薪柴）和配套服务（如养分循环、提供初级生产），但通常忽略了调节服务（如气候、水、气、病虫害调节）。未来的研究应侧重于生物炭施用后盐渍土壤的多功能性健康评价，量化土壤健康水平与土壤功能之间的关系，建立一个综合的盐渍土壤健康评估框架，从而更好地指导生物炭的应用和盐渍土壤的可持续管理（图3）。

图3 生物炭对盐渍化土壤健康和全球生态系统服务功能的调节作用

总结与展望

本综述通过荟萃分析首次量化了生物炭对土壤健康评价中涉及的主要物理、化学和生物指标的影响。作为一种负碳材料，生物炭能够有效改善盐渍土壤的物理、化学和生物健康，从而实现盐渍土壤的可持续利用和管理。然而，生物炭改良盐渍土壤的研究还存在大量的知识空白，阻碍了生物炭的大规模工程应用。未来研究应重点关注：（1）探明不同气候条件下，不同类型盐渍土壤施加生物炭后的长期修复效果；（2）开发功能化生物炭（酸性改良剂、缓释肥料、保水剂、抗盐剂、抗旱剂）以克服其负面影响；（3）使用超高分辨率显微镜成像技术（如荧光显微镜和纳米二次离子质谱NanoSIMS同位素成像技术）和现代分子生物学技术等先进的分析测试方法原位可视化生物炭和盐渍化土壤组分之间的相互作用过程和机制；（4）基于现代分析技术原理，如近红外光谱、便携式X射线荧光、X射线断层扫描和遥感技术，开发便携、快速和低成本的土壤性质监测和健康诊断的工具或技术；（5）根据区域需求和气候、地理、地形、社会经济发展和优势等特征开展土壤健康评价，建立多目标协同、不同时空尺度的盐渍土壤健康评价体系；（6）加大生物炭生产制备和应用技术的升级，并实现生物炭盐渍土壤管理的智能感知、预警、智能决策。

原文链接：

https:///10.1016/j.seh.2023.100033

作者简介

共同第一作者简介：

袁延飞：中国海洋大学在读博士生，2020年于青岛农业大学获得理学学士学位，之后在中国海洋大学郑浩教授课题组进行硕博连读。她目前的研究兴趣集中在盐渍土壤的改良与固碳方面的研究。

刘强：中国海洋大学在读博士生，2021年于中国海洋大学获得工学硕士学位，之后在中国海洋大学郑浩教授课题组继续攻读博士学位。他目前的研究兴趣集中在生物炭对滨海湿地碳循环方面的研究。

共同通讯作者简介：

郑浩：中国海洋大学教授，博士生导师。国家高层次青年人才计划入选者，山东省杰出青年基金获得者。任中国环境科学学会水处理与回用专业委员会委员，中国环境科学学会海洋环境保护专业委员会。获山东省水处理协会科学技术一等奖、全国高校环境类专业本科生优秀毕业论文指导教师、2020年度 Environ. Sci. Technol.最佳论文奖等奖励。主要从事微塑料、抗生素抗性基因等新污染物的环境地球化学过程与污染控制、滨海盐碱地的改良与固碳方面的研究。主持国家自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金杰出青年基金项目、海南省重点研发计划等科研项目15项。共发表学术论文80余篇。其中，以第一/通讯作者在Environ. Sci. Technol.、Water Res.、Environ. Int.、Chem. Eng. J.和J. Hazard. Mater.等环境领域顶尖期刊上发表SCI论文50余篇。论文他引3000余次，4篇论文入选“ESI高被引论文”。参与撰写英文专著2部。以第一发明人授权国家发明专利6项。担任SCI期刊Biochar、Rev. Environ. Contam. Toxicol.、国内自主新办英文期刊Carbon Res.、Watershed Ecol. Environ.、iMeta等学术期刊的青年编委。

邢宝山：麻省大学阿默斯特分校环境与土壤化学终身教授，麻省大学农学院主任。一直从事工程纳米材料环境影响和农业应用、有机污染物吸附与归宿、微塑料和纳米塑料分析和环境过程等研究。其研究团队在Nat. Nanotechnol.、PNAS、ACS Nano和 ES&T等高影响力期刊发表论文700余篇，其中ES&T论文150余篇，H指数140，被引量80000余次。被Clarivate Analytics评为“我们这个时代杰出的科学家”，获美国土壤科学学会杰出研究成果奖、世界最佳科学家、麻省大学科学研究与技术创新突出成就奖、麻省大学 Distinguished Professor以及Spotlight Scholar等荣誉称号。