绿色废弃物生物炭与植物促生菌协同缓解番茄幼苗营养缺乏与盐胁迫的机制研究

《Scientific Reports》：Green waste biochar and plant growth-promoting bacteria enhance tomato growth under combined nutrient deficiency and salinity stress

本研究针对农业中化肥过度使用导致的土壤退化及盐渍化问题，探讨了利用本地植物废弃物制备的生物炭与耐盐芽孢杆菌混合菌剂在替代化肥和增强番茄耐盐性方面的潜力。结果表明，该组合处理能显著提升盐胁迫下番茄幼苗的生长指标、光合作用及养分吸收，并降低钠离子积累，为可持续农业提供了绿色解决方案。

　　

随着全球气候变化、人口增长以及土壤肥力的持续下降，农业部门正面临着前所未有的挑战。在干旱和超干旱地区，如阿拉伯联合酋长国，淡水短缺和土壤盐渍化问题日益严重。与此同时，城市化进程和集约化农业实践带来了新的环境难题：大量绿色废弃物的处理压力、过度使用化肥导致的土壤退化以及营养径流对水生生态系统的威胁。在此背景下，循环生物经济和可持续发展理念显得尤为重要。将绿色废弃物转化为有益的土壤改良剂——生物炭，并利用植物促生细菌来促进作物生长，被认为是应对这些挑战的可行策略。然而，以往的研究多集中于单一胁迫因素或仍需依赖化肥补充，对于生物炭与PGPB在营养缺乏和盐渍化双重胁迫下的协同效应，尤其是完全替代化肥的潜力，尚缺乏系统研究。由Soumaya Tounsi-Hammami、Munawwar Ali Khan等人组成的研究团队在《Scientific Reports》上发表的最新研究，正是为了填补这一空白。

为了探究绿色废弃物生物炭与植物促生细菌能否协同作用，替代化学肥料并增强番茄幼苗在盐胁迫下的适应性，研究人员开展了一项系统的实验。研究首先将来自海枣树(Phoenix dactylifera)和牧豆树(Prosopis cineraria)的绿色废弃物在450°C下热解制备生物炭，并对其产率、pH值、电导率、 proximate analysis（工业分析，包括水分、灰分、挥发分、固定碳等）、表面形态、元素组成及重金属含量进行了详细表征。研究核心采用盆栽实验，以番茄(Solanum lycopersicum cv. Shourouq)为模型作物，设置了完全随机设计，考察了不同NPK施肥水平（0%、50%、100%）、生物炭添加（2%， w/w）、以及由两株本地分离的耐盐芽孢杆菌(Bacillus sp.)菌株E1和E3组成的混合菌剂接种处理，在正常灌溉和100 mM NaCl盐水灌溉条件下的组合效应。在播种后45天，研究人员全面评估了番茄幼苗的形态学指标、植被指数、生理参数以及植株体内的营养元素含量。关键技术方法包括生物炭的热解制备与物理化学表征、盆栽实验设计、植物生长表型分析（采用Phenospex PlantEye F500系统无损测量数字生物量(DB)、叶面积(LA)、绿叶平均指数(GA)、归一化植被指数(NDVI)等）、生理指标测定（叶绿素含量、叶片相对含水量(RWC)）以及植物组织养分分析（采用凯氏定氮法、分光光度法、电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)等）。

生物炭表征

研究人员成功地从海枣树和牧豆树绿色废弃物混合物中热解制备出生物炭，产率约为45.74%。热解过程显著改变了原料的特性：生物炭的pH值从原料的6.45升高至9.05，电导率(EC)从0.42 dS/cm增至0.63 dS/cm。工业分析显示，生物炭的灰分和固定碳含量分别大幅增加了85.40%和421%，而水分、挥发分和有机质含量则显著下降。扫描电子显微镜(SEM)图像显示生物炭表面具有丰富的、呈蜂窝状排列的多孔结构。能量色散X射线光谱(EDS)分析表明，生物炭中碳(C)、氮(N)、磷(P)、钾(K)等多种营养元素的原子百分比相较于原料均有增加，碳氧比(C/O)从1.14显著提高至4.34。重金属分析显示，生物炭中仅检测到铋(Bi)和铟(In)且含量极低，表明其作为土壤改良剂是安全的。

盆栽实验：营养生长指标和形态参数

方差分析表明，不同处理、盐度水平及其交互作用对番茄幼苗的生长产生了显著影响。在正常条件下，施用生物炭联合细菌混合菌剂且在0% NPK施肥水平下(BM-0%NPK-N)，番茄的数字化生物量(DB)、叶面积(LA)、株高(PH)、叶片数(LN)、根长(RL)、茎粗(SD)、地上部干重(SDW)和根部干重(RDW)等参数均达到最高值，甚至优于接受100% NPK施肥的对照植株(C-100%NPK-N)。盐胁迫对对照植株造成了严重抑制，例如，C-100%NPK-S处理的DB、LA、GA和NDVI分别比C-100%NPK-N下降了42%、38%、24%和15%。然而，BM-0%NPK-S处理有效地缓解了盐害，使上述参数显著增加（例如，DB增加81%，LA增加98%），其数值与正常条件下100% NPK处理的植株相当甚至更高。这表明，生物炭与细菌菌剂的联合应用不仅能完全替代化肥，还能显著增强番茄幼苗的盐胁迫耐受性。

生理参数

盐胁迫显著降低了番茄叶片的光合色素含量和叶片相对含水量(RWC)。例如，与C-100%NPK-N相比，C-100%NPK-S处理的叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)和总叶绿素(Chl_Tot)含量分别下降了33%、30%和31%，RWC下降了48%。相比之下，BM-0%NPK-S处理则显著提升了这些生理指标，Chl a、Chl b和Chl_Tot分别比盐胁迫对照增加了51%、63%和59%，RWC增加了94%，恢复至正常灌溉植株的水平。这反映了该组合处理有助于维持叶片水分平衡和光合系统的健康。

番茄地上部的微量和大量营养元素含量

营养元素分析进一步证实了联合处理的优势。盐胁迫导致对照植株对氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、铁(Fe)、锌(Zn)的吸收显著减少，而钠(Na)的积累增加了60.51%。单独施用细菌菌剂(M-50%NPK-S)或生物炭(B-50%NPK-S)在一定程度上改善了养分吸收，但效果最佳的是BM-0%NPK-S处理。该处理使N、P、K、Ca、Mg、Fe、Zn的含量分别比盐胁迫对照增加了40.76%、63.30%、34.85%、55.71%、49.37%、60.06%和40.38%，同时使Na的积累降低了42%。这表明，生物炭与PGPB的协同作用不仅促进了必需养分的吸收，还有效抑制了有害钠离子的积累。

不同处理与测量参数之间的关系

主成分分析(PCA)直观地展示了各处理的效果。第一主成分(PC1，解释87.9%的变异)与大多数形态、生理和营养指标呈正相关，而第二主成分(PC2，解释4.4%的变异)则主要与植株钠含量相关。分析结果显示，BM-0%NPK处理（无论是否盐胁迫）与C-100%NPK-N处理聚集在一起，均与积极的生长指标密切相关，而高盐对照处理(C-50%NPK-S和C-100%NPK-S)则与高钠含量和较差的生长表现相关联。这从统计学上证实了生物炭与细菌菌剂联合应用在促进植物生长和缓解盐胁迫方面的卓越效果。

该研究得出结论，利用本地绿色废弃物制备的生物炭与耐盐芽孢杆菌混合菌剂联合施用，是一种极具潜力的可持续农业策略。这种组合能够在不施用任何化学NPK肥料的情况下，有效促进番茄幼苗的生长，其效果等同于甚至优于常规施肥。更重要的是，在盐胁迫条件下，该组合能通过改善土壤结构、为有益微生物提供栖息地、增强养分和水分的保持与吸收、以及调节植物体内的离子平衡（如降低Na⁺积累）等多种机制，显著提升作物的抗逆性。这不仅为应对土壤盐渍化和化肥依赖问题提供了具体方案，也符合循环经济原则，实现了废弃物的资源化利用。研究结果强调了将微生物技术与有机改良剂相结合，在干旱半干旱地区发展气候智能型农业的巨大潜力。未来的研究需要关注该策略的长期田间效应、对土壤微生物群落的影响以及在不同农业系统中的经济可行性，并利用转录组学和代谢组学等先进技术深入揭示其内在的分子机制。