工作介绍
传统生物炭作为土壤改良剂已有数百年历史，但其性能受限于比表面积、孔隙结构和活性位点。近年来，碳纳米材料（如石墨烯、碳纳米管）因其卓越的物理化学性质（如超高比表面积、丰富的官能团、优异的导电性）在农业领域展现出巨大潜力，能够显著改善土壤保水保肥能力并调控根际微生态。然而，传统制备方法（如化学气相沉积）成本高昂、工艺复杂，难以大规模应用于农业。因此，开发一种低成本、可规模化生产的类石墨烯碳材料，并系统阐明其在不同类型土壤（如贫瘠的沙漠土、盐碱土）中的功能机制，是当前该领域亟待解决的关键科学问题。
针对上述问题，郑州大学赵楠教授团队采用闪蒸焦耳热（FJH）技术，以木质素为前驱体，成功合成了具有石墨烯结构的生物炭（GSB）。通过将不同浓度的GSB施用于普通种植土、沙漠土和盐碱土，系统评估了其对土壤水分保持、养分循环、温室气体排放以及模式植物拟南芥生长的影响。研究结果表明，GSB凭借其独特的sp²碳骨架、高比表面积和丰富孔隙结构，显著提升了土壤保水能力（蒸发量最高降低21.2%）和养分保留率（如有效磷提升203%），并大幅减少了CO₂和CH₄的排放。同时，GSB能定向富集固氮、解磷等有益微生物，进而促进植物光合作用相关代谢物的积累与生长。该研究为开发低成本、多功能的新型土壤改良剂提供了新思路，并揭示了其在可持续农业管理中的巨大应用潜力。
核心创新点
- 采用闪蒸焦耳热技术以木质素为原料快速合成石墨烯结构生物炭；
- GSB在三种不同类型土壤中均表现出优异的保水保肥性能；
- 显著降低土壤温室气体（CO₂和CH₄）排放，降幅超过80%；
- 选择性富集有益微生物，构建健康根际微生态。
图文导读
图1. GSB的制备工艺及其与复合肥联用的土壤改良效果示意图
图1展示了GSB的制备及应用流程。如图1a所示，木质素与导电炭黑（CB）混合后，在闪蒸焦耳热装置中施加190 V的脉冲电压，瞬间升温至约3000 K，实现了木质素向石墨烯结构生物炭（GSB）的超快转化。该过程通过瞬态放电通道实现高温热冲击，碳原子发生重构。图1b呈现了GSB的应用策略：将GSB粉末与水混合制成浆料，通过旋转包覆工艺均匀涂覆在复合肥颗粒表面，形成”石墨烯涂层”肥料。该设计旨在实现GSB与肥料的协同施用，确保其在土壤中均匀分布，并利用其高吸附性延缓养分释放，从而提升改良效率。
图2. GSB的结构表征
图2通过拉曼、XRD和XPS光谱证实了GSB的石墨烯结构。图2a的拉曼光谱显示，GSB在~2707 cm⁻¹处出现了特征性的2D峰，且I₂D/Iᵧ比值为1.41，这是典型的多层石墨烯特征。较低的Iᴅ/Iᵧ比值（0.60）表明其缺陷较少，结构有序度高。图2b的X射线衍射图谱中，在26.1°和42.5°处出现了分别对应于石墨（002）和（100）晶面的特征峰，证实了层状石墨结构的形成。图2c和2d的高分辨XPS C1s谱图对比显示，相比于原始木质素（以C-O和sp³碳为主），GSB中的C=C（sp²）峰显著增强，C-O峰大幅减弱，表明木质素成功由sp³杂化向sp²杂化转变，形成了高度石墨化的碳网络。
图3. GSB对土壤水分保持的影响
图3揭示了GSB提升土壤保水性能的机制与效果。图3a-b展示了GSB在植物-土壤系统中的作用机制：其高比表面积和含氧官能团通过氢键与土壤水分子结合，显著增强了土壤的持水能力。图3c显示，在10天蒸发试验中，添加0.2% GSB的植物土壤最终含水量（13.3%）显著高于对照组（10.8%）及同浓度蛭石（VMT）处理组。图3d进一步表明，GSB同样能显著提升沙漠土和盐碱土的含水量。图3e和3f量化了GSB对水分蒸发和渗漏的抑制率，当GSB添加量从0.05%增至0.2%时，植物土壤蒸发抑制率从4.63%升至21.2%，渗漏抑制率从2.01%升至14.7%，其效果均优于同等浓度的传统改良剂（生物炭、CB、VMT），证明了GSB在极端土壤条件下优异的保水能力。
图4. GSB对植物代谢及温室气体排放的影响
图4展示了GSB对植物代谢产物和土壤温室气体排放的调控作用。图4a-b对比了拟南芥叶片在施用0.2% GSB前后的代谢组变化，结果显示，与光合作用和抗逆性密切相关的萜类化合物相对含量提升了69.6%，类黄酮、氨基酸等次生代谢产物也显著增加，表明GSB通过改善土壤环境，间接强化了植物的生理功能。图4c-d展示了GSB对土壤温室气体排放的抑制效应。在所有三种土壤中，CO₂和CH₄的排放速率均随GSB添加量的增加而显著降低。添加0.2% GSB后，植物土、沙漠土和盐碱土的CO₂排放量分别降低了80.8%、77.1%和79.4%；CH₄排放量分别降低了54.6%、74.4%和91.1%。这归因于GSB优化了土壤微环境，促进了土壤结构改善和通气性增强，从而抑制了厌氧产甲烷过程。
图5. GSB对根际土壤微生物群落多样性的影响
图5分析了GSB对根际土壤细菌和真菌群落α和β多样性的影响。图5a显示，添加0.2% GSB后，土壤细菌的香农指数（Shannon index）显著升高（p< 0.05），表明GSB提升了细菌群落的多样性，而丰富度指数（Chao， ACE）无显著变化。对于真菌群落（图5b），GSB处理对多样性和丰富度均无显著影响。图5c-d的Beta多样性分析（ANOSIM， p=0.098）表明，GSB的添加并未引起细菌和真菌群落结构的显著改变，说明其在提升有益菌群多样性的同时，并未破坏土壤微生物生态系统的整体稳定性。
图6. GSB调控土壤微生物群落结构的机制与门水平组成
图6阐述了GSB调控微生物群落的潜在机制及在门水平的群落组成变化。图6a提出了GSB的”选择性调控”机制：一方面，GSB通过改善土壤结构、保水保肥性，为有益菌（如固氮、解磷菌）创造有利生境；另一方面，其表面活性可能通过诱导细胞膜损伤或活性氧产生，抑制某些病原微生物。图6b和6c展示了细菌和真菌在门水平上的相对丰度变化。GSB处理促进了放线菌门（Actinobacteria，许多成员具有抗病促生功能）和子囊菌门（Ascomycota）的富集，同时降低了担子菌门（Basidiomycota）中部分潜在有害类群的丰度，验证了其选择性调控作用。
图7. GSB对关键细菌和真菌属水平相对丰度的影响
图7在属水平上揭示了GSB对特定微生物类群的定向调控作用。在细菌属水平，GSB显著提高了根瘤菌属（BCP）、未分类微杆菌科（Unclassified-f-Micobacteriaceae）和嗜酸栖热菌属（Acidothermus）的相对丰度。这些菌属在生物固氮、磷溶解、纤维素降解及促进植物抗逆性方面发挥着关键作用。同时，GSB处理降低了被认为与作物病害相关的酸球形菌属（Acidipila）的丰度。在真菌属水平，GSB处理显著降低了与农产品霉变相关的丝衣霉属（Byssochlamys）的丰度，同时提升了具有生防和促生功能的假丝酵母属（Candida）、梅林菌属（Melinomyces）和木霉属（Trichoderma）的丰度。这进一步证实了GSB通过”扶益抑害”的途径优化微生物群落结构。
图8. GSB的应用成本与市场优势分析
图8通过经济性对比，论证了GSB的商业化潜力。表格数据显示，GSB的生产成本为9.69美元/千克，与市售土壤改良剂蛭石（7.67-10.2美元/千克）相当，但远低于传统方法制备的石墨烯（>100美元/千克）。更重要的是，GSB的性能远超同成本的传统材料。例如，要达到相同的土壤改良效果，GSB的施用量仅为生物炭的1/4至1/2（0.5-1.5 kg/单位面积 vs. 2-4 kg/单位面积），这得益于其更高的比表面积、更强的养分吸附能力和更优的微生态调控能力，从而显著降低了单位面积的应用成本。
研究总结
本研究提出了一种基于闪蒸焦耳热技术制备石墨烯结构生物炭（GSB）的新策略，并系统阐明了其作为多功能土壤改良剂的协同增效机制。该策略利用木质素生物质为原料，通过毫秒级高温热冲击实现碳原子从sp³到sp²的快速重构，构建出具有高比表面积、丰富孔隙及优异导电性的类石墨烯三维网络结构。
机制层面，GSB通过其sp²碳骨架与含氧官能团，一方面通过氢键和阳离子-π作用增强土壤对水分子和营养离子（如NH₄⁺、K⁺）的吸附与保持，显著抑制水分蒸发与养分淋失；另一方面，通过优化土壤孔隙结构与通气性，抑制了厌氧产甲烷菌的活性，实现了CO₂和CH₄排放的双重削减。同时，GSB能够选择性富集根际固氮、解磷等功能微生物，并抑制潜在病原菌，构建了一个更健康、更具韧性的微生态环境。
性能层面，0.2%的GSB施用量可使植物土壤蒸发量减少21.2%，有效磷保留率提升203%，并降低超过80%的温室气体排放。
应用价值，该材料以农林废弃物为原料，生产成本低（9.69 USD/kg），施用效率高，在改良贫瘠、盐碱土壤、促进作物生长（拟南芥生物量增加64%，小麦株高增加23.5%）方面展现出远超传统生物炭和蛭石的性能，为应对全球土壤退化与粮食安全问题提供了兼具高效性与经济性的解决方案。未来可探索GSB与纳米肥料、生物农药的复合应用，以及其在更大尺度田间试验中的长期生态效应与碳汇潜力。
Graphene-structured biochar produced via Joule heating enhances soil functions, microbial communities, and plant growth
https://doi.org/10.1016/j.jaap.2026.107759
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