综述：利用生物炭和水凝胶缓解非生物胁迫及促进树木生长的研究进展

《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Mitigating Abiotic Stresses and Enhancing Tree Growth with Biochar and Hydrogels: A Review

　　本综述系统探讨了生物炭（biochar）和水凝胶（hydrogel）作为土壤改良剂在地中海地区果树生产中的应用潜力。文章聚焦于这两种材料对土壤肥力、持水能力、养分动态及树木生理的调控机制，为应对气候变化引起的干旱等非生物胁迫提供了创新解决方案，并强调了将农业废弃物转化为高值土壤改良剂的循环经济模式（如CYCLOLIVE案例）。

　　

Abstract

在地中海地区，气候变化通过长期影响树木物候和生产力，对农业（特别是水果生产系统）构成重大威胁。可持续农业实践和土壤管理策略对于缓解这种非生物胁迫至关重要。本综述聚焦于生物炭和水凝胶作为有前景的土壤改良剂，以增强多年生果树对环境制约的适应性。其目的是审视这些材料目前如何被用于缓解非生物胁迫，并提供其农艺潜力的最新综合。我们总结了近期关于应用于农业的不同类型生物炭和水凝胶的研究发现，并评估了它们对土壤肥力、持水能力（water-holding capacity）、养分动态、树木生长、生理以及对干旱和其他胁迫耐受性的影响。特别强调了多年生树种，因为它们的长寿命使其特别容易受到气候变异性的影响。通过提供对其机制以及与气候条件、土壤类型和植物相互作用的全面理解，本研究将为研究人员和农民提供新的知识。这些发现将有助于处理废物管理问题，并尝试找到缓解非生物胁迫对树木生长影响的解决方案。据我们所知，本综述是首个强调生物炭和水凝胶在改善地中海条件下果树性能方面潜力的文章。它还解决了一个主要空白，即与将农业工业副产品有限回收为这些改良剂相关的问题，正如CYCLOLIVE案例研究所示例的那样。

引言：应对地中海农业的挑战

地中海地区农业，尤其是水果生产系统，正面临气候变化的严峻挑战。其长期效应体现在树木物候和生产力的显著变化上。为了应对这一非生物胁迫，采用可持续的农业实践和创新的土壤管理策略变得至关重要。生物炭（biochar）和水凝胶（hydrogel）作为两种具有潜力的土壤改良剂，近年来受到广泛关注，它们被认为能够增强多年生果树对不良环境条件的适应能力。

生物炭：特性与应用机制

生物炭是一种由生物质在限氧条件下热解产生的富碳材料。其多孔结构、高比表面积和表面官能团赋予了其独特的性质。在农业应用中，生物炭主要通过以下途径发挥作用：改善土壤物理结构，如增加孔隙度和团聚体稳定性；增强土壤的持水能力（water-holding capacity），尤其在砂质土壤中效果显著；影响土壤养分动态，通过其吸附特性调节养分的保留和释放，减少淋失；改变土壤微生物群落结构和活性。这些综合效应有助于缓解干旱胁迫，促进树木根系发育和养分吸收，进而支持树木的健康生长和生理功能。

水凝胶：功能与协同效应

水凝胶是能够吸收并保持大量水分的三维网络聚合物。在农业中，它们主要用作保水剂。其作用机制在于遇水膨胀，将水分锁在其网络结构中，然后在土壤干燥时缓慢释放水分供植物利用。这显著提高了土壤的有效水含量，延长了作物在干旱期间的生存窗口。与生物炭类似，某些类型的水凝胶也能吸附和缓释养分。当生物炭与水凝胶结合使用时，可能产生协同效应：生物炭改善的土壤结构为水凝胶提供了更稳定的存在环境，而水凝胶锁住的水分则促进了生物炭表面微生物的活动和养分转化效率。

对果树生长和胁迫耐受性的影响

本综述特别关注多年生果树，因为它们生命周期长，对气候变化的适应性调整更为困难。研究表明，施用生物炭和水凝胶能对果树产生多方面的积极影响：促进新梢生长和生物量积累；改善叶片水分状况和气体交换参数（如光合速率、蒸腾速率）；增强对干旱、盐碱等非生物胁迫的耐受性。其根本原因在于这些改良剂通过优化根区土壤环境，间接改善了树木的水分和营养状况，从而增强了树木的生理活力。

案例研究：CYCLOLIVE与废弃物循环利用

综述指出了一个重要的研究空白，即如何将大量的农业工业副产品有效地回收利用，转化为生物炭或水凝胶等有价值的土壤改良剂。CYCLOLIVE案例研究 exemplify 了这一方向。该案例探索了将特定农业废弃物转化为改良剂的可能性，这不仅有助于解决废弃物管理问题，也为降低改良剂生产成本、实现农业循环经济提供了思路。

结论与展望

综上所述，生物炭和水凝胶作为土壤改良剂，在缓解地中海地区果树非生物胁迫、促进可持续水果生产方面展现出巨大潜力。它们通过改善土壤理化性质和生物学特性，间接但有效地增强了果树的生长和抗逆能力。未来的研究应更深入地揭示其具体作用机制，优化其应用配方和方法，并大力推动农业废弃物的资源化利用，以应对日益严峻的气候挑战和资源环境压力。