利用海枣生物炭增强干旱条件下水培罗勒生长的电化学机制研究

本研究针对干旱地区极端环境制约作物生产及化学肥料的环境负面影响问题，通过将海枣（Phoenix dactylifera）叶片、叶柄和果实转化为生物炭，系统评估其理化特性及电化学性质（电压、电流），并结合霍格兰营养液（Hoagland）开展水培罗勒（Ocimum basilicum）实验。结果表明，3%叶片生物炭与Hoagland联用显著促进罗勒地上部生长（株高16 cm，叶片数14.25）和叶绿素含量（SPAD值31.52），且电化学参数与植物生长指标呈强相关性（r=0.62–0.98）。该研究为干旱地区可持续农业提供了新型生物炭-水培整合策略。

　　

在干旱地区，极端环境条件严重制约农作物生产，而传统化学肥料的大量使用虽能短期提高产量，却导致土壤退化、生态系统功能受损和气候变化加剧。面对不断增长的粮食需求与有限自然资源之间的矛盾，开发可持续农业技术已成为迫切需求。生物炭（Biochar）作为一种多孔性碳材料，因其优异的保水能力、养分保留特性及碳封存潜力受到广泛关注，但其在 hydroponic（水培）系统中的电化学特性与植物生长的关联机制仍缺乏系统研究。

阿联酋作为海枣（Phoenix dactylifera）生产大国，每年产生大量农业废弃物（如果实、叶片、叶柄），传统堆肥处理效率低下。本研究创新性地将海枣不同部位废弃物转化为生物炭，并探究其作为水培基质对罗勒（Ocimum basilicum）生长的促进作用，尤其聚焦生物炭的电化学属性（电压、电流）与植物生理响应的关联性，为干旱地区农业废弃物的资源化利用和可持续作物生产提供了新思路。

本研究由 Fujairah Research Centre（阿联酋）的 Fran?ois Mitterand Tsombou 团队完成，成果发表于《Scientific Reports》。研究人员通过低成本热解法制备海枣叶片、叶柄和果实生物炭，表征其理化特性（pH、EC、TDS、排水性、矿物质含量）及电化学参数（电压、电流）；采用随机区组设计，设置14种处理（包括生物炭类型（0%、1.5%、3%）± Hoagland营养液），在水培系统中培育罗勒30天后测定生长指标（根长、株高、生物量、叶绿素SPAD值）并进行统计学相关性分析。

生物炭理化特性分析

海枣不同部位生物炭的理化性质存在显著差异（p<0.001）：叶片生物炭钙含量最高（18538 ppm），叶柄生物炭钾含量突出（19664.67 ppm），而果实生物炭排水性最佳（42 ml）。电化学特性显示，3%叶柄生物炭在不添加Hoagland时pH（8.38）和EC（3452.66 μS/cm）最高，而电压值（2.93 V）在叶柄生物炭处理中稳定较高。电流（0.14 mA）和TDS（1285.33 mg/L）则在果实和叶柄生物炭中表现最优。

生物炭对罗勒生长的影响

生物炭类型、浓度及Hoagland的交互作用对罗勒生长指标影响显著（p<0.05）。3%叶片生物炭+Hoagland处理组在所有生长参数中表现最佳：株高（16 cm）、叶片数（14.25）、最大叶长（4.79 cm）、叶宽（2.48 cm）、地上部干重（0.34 g）和SPAD值（31.52）。相反，根部长度（26.75 cm）在无Hoagland的3%叶片生物炭组中最高。结果表明，生物炭与营养液协同效应显著优于单独使用。

电化学特性与植物生长的相关性

电压、电流与罗勒生长参数呈强正相关（r=0.62–0.98，p<0.01–0.001），其中无Hoagland时叶宽与电压相关性最高（r=0.98），而添加Hoagland后地上部干重与电压相关性显著（r=0.76）。SPAD值与生长指标相关性均达0.74–0.96（p<0.001），进一步证实生物炭通过改善养分状态和电化学环境促进光合作用。

本研究证实海枣生物炭可通过提升水培系统的电化学活性（电压、电流）和养分有效性（EC、TDS）显著促进罗勒生长，其中叶片生物炭在3%浓度下与Hoagland联用效果最优。生物炭的高孔隙度和矿物质含量（如Ca、K、Mg）为植物提供了关键营养元素，而其电化学特性可能通过增强离子交换能力（CEC）和养分迁移效率进一步优化根系微环境。该成果不仅为干旱地区农业废弃物高值化利用提供了技术路径，也为电化学修饰型水培系统的开发奠定了理论基础，对推动可持续精准农业具有重要实践意义。