西南喀斯特地区是世界典型的生态环境脆弱区之一，该地区水土流失严重，对人类健康和生态系统稳定造成了潜在的威胁。因此，如何有效地控制和减少喀斯特地区土壤养分的流失对于该地区生态环境的保护至关重要。基于此，本研究利用水稻秸秆为原材料制备生物炭，结合包埋法技术制备了海藻酸钙-水稻秸秆生物炭复合材料用于石灰土中养分的固持。通过批量吸附实验、土柱淋滤实验和盆栽实验，结合生物炭理化性质和土壤酶活性分析，探讨了复合材料对石灰土中养分的固持机制及对作物生长的影响。

主要研究结果如下：

1. 土壤养分的吸附实验和土柱淋滤实验结果均表明，添加海藻酸钙-水稻秸秆生物炭复合材料有利于石灰土中PO₄³⁻和NO₃⁻的固持，且添加比例越高，对PO₄³⁻和NO₃⁻的固持效果越好。但复合材料的添加会导致土壤中NH₄⁺和K⁺的浸出增加，且添加比例与浸出量成正比（图1）。

图1 不同处理对渗滤液中累积PO₄³⁻（a）、NO₃⁻（b）、NH₄⁺（c）和K⁺（d）含量的影响

2. 海藻酸钙-水稻秸秆生物炭复合材料提高了石灰土中碱性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶的活性（图2），脲酶活性的提高可以进一步加速石灰土中的尿素水解为NH₄⁺，从而促进石灰土NH₄⁺的释放。此外，复合材料可以通过表面沉淀和物理吸附作用固持石灰土中的PO₄³⁻和NO₃⁻。

图2 不同处理对土壤碱性磷酸酶（a）、脲酶（b）和蔗糖酶（c）活性的影响

3. 海藻酸钙-水稻秸秆生物炭复合材料的应用能够增加大豆根系丰富度并促进大豆的生长，且单独施用复合材料比将复合材料与肥料联合施用更有利于大豆的生长（图3）。相关性分析结果表明，复合材料可以通过增加石灰土中K⁺、Ca²⁺和有机碳的含量以及碱性磷酸酶和蔗糖酶的活性来间接影响大豆的生长。

图 3 不同处理对大豆鲜重（a）、干重（b）、茎长（c）和叶绿素含量（d）的影响

综上所述，海藻酸钙-水稻秸秆生物炭复合材料可作为一种潜在的土壤改良剂以减少喀斯特土壤养分的流失，并可作为一种缓释肥促进作物的生长。该研究不仅为喀斯特土壤养分的固持提供了新途径，还为农业废弃物的资源化利用提供了新思路。

上述研究成果发表于环境科学与生态学领域二区Top期刊Environmental Technology & Innovation（IF=7.1）。贵州大学资源与环境工程学院博士研究生冯乾伟为第一作者，吴攀教授为通讯作者，贵州大学资源与环境工程学院王兵教授、陈淼副教授、张建特聘教授和徐州工程学院张学杨教授参与了此项工作。本研究得到了国家自然科学基金项目（41977297）、贵州省科技计划项目（黔科合支撑[2022]一般222；黔科合平台人才-GCC[2023]045）、贵州省优秀青年科技人才计划项目（黔科合平台人才-YQK[2023]014）和贵州大学培育项目（贵大培育[2019]08）的联合资助。

论文信息：Feng Qianwei, Wang Bing, Chen Miao, Zhang Jian, Zhang Xueyang, Wu Pan*. Calcium alginate−biochar composite promotes nutrient retention, enzyme activity, and plant growth in lime soil. Environmental Technology & Innovation, 2024, 35: 103670.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.eti.2024.103670