氮强化纳米生物炭对土壤特性、根系生长及巴斯马蒂稻产量的协同增效机制研究

本研究针对氮素缺乏土壤中过度依赖矿物肥料(MF)导致的生态问题，创新性地开发氮强化纳米生物炭(NBN)作为缓释肥料。通过12种处理组合实验发现，75%矿物氮(N75)与5 kg ha-1 NBN联用(N75NBN5)使土壤有机碳(SOC)、有效氮(NH4+/NO3-)提升1.06-1.22倍，稻米增产26.8%，为农业废弃物资源化与可持续种植提供新范式。

　　

在全球粮食安全与生态环境平衡的双重挑战下，水稻种植系统正面临氮肥过度使用的恶性循环。印度作为世界第二大稻米生产国，每年因焚烧稻秸损失数百万吨生物质资源，同时巴斯马蒂稻主产区的土壤有机碳和有效氮持续下降。传统矿物肥料(MF)的过量施用不仅加剧温室气体排放，更导致土壤结构退化——这个看似无解的农业困局，催生了Sher-e-Kashmir大学团队在《Biochar》发表的突破性研究。

研究团队独辟蹊径，将稻壳热解获得的纳米生物炭(NB)通过酸-碱杂交处理和表面活性剂修饰，成功制备出氮强化纳米生物炭(NBN)。这种新型材料在扫描电镜(SEM)下呈现独特的垂直原木状结构，能谱分析(EDX)证实其氮含量达11.23%，傅里叶红外光谱(FTIR)检测到-OH、-COOH等关键官能团。研究人员设计12组处理方案，系统评估不同比例MF(50-100%)与NBN(1-5 kg ha^-1)组合对土壤-植物系统的调控效应。

关键技术方法

采用专利技术(No.537907)制备NBN，通过SEM-EDX和FTIR表征材料特性。设置盆栽试验测定土壤理化性质(OC、NH₄⁺、NO₃^-等)、水力参数(渗透率、导水率)及水稻生长指标(根系体积、产量构成)。数据采用OPSTAT进行ANOVA分析和主成分分析(PCA)。

土壤物理性质改良

N₇₅NBN₅处理使土壤团聚体稳定性(AS)提升12.2%，导水率(H_c)增加36%，这归因于NBN的纳米多孔结构促进微生物分泌粘合物质。相比单施MF，联合处理使土壤最大持水量(MWHC)提高12.3%，为水稻创建"海绵型"根际环境。

养分动态与作物响应

NBN的缓释特性使NH₄⁺和NO₃^-含量分别提升6%和4%。PCA分析显示，76%的产量变异与OC(载荷0.955)、H_c(0.928)等参数强相关。N₇₅NBN₅处理的水稻根系体积增加18.7%，千粒重达22.20g，验证了"纳米孔隙-养分缓释-根系发育"的级联效应。

环境与经济价值

研究测算印度每年可转化2.12亿吨生物炭，NBN联用方案减少25%MF用量同时增产26.8%。FTIR揭示的C≡N和NH₂基团证实其碳封存潜力，为解决秸秆焚烧和碳中和提供双赢方案。

这项研究开创了纳米材料与传统农艺结合的创新路径，NBN作为"智能肥料"精准调控养分释放，其技术路线已获沙特阿拉伯ORF-2025-134项目资助推广。正如作者Vikas Abrol强调的，这种"农业废弃物-纳米材料-土壤健康"的正向循环，或将成为热带稻作系统可持续发展的新引擎。