香蕉是世界上第四大粮食作物，又是重要的经济作物。香蕉植株生长过程会产生大量的茎叶，然而，茎叶通常被丢弃于田间地头，这不仅浪费了大量生物质，还会传播香蕉枯萎病，造成环境污染。由于香蕉茎叶生物质中含有丰富的的纤维素和木质素，使得田间降解较慢，直接还田利用存在病害扩散和传播、土壤和环境污染等较多问题。因此，如何无害化、高效化和增值化的利用香蕉茎叶是香蕉可持续发展生产中值得研究的方向之一。利用农作物秸秆制备生物炭已经有多年的历史，已经证明生物炭应用于农业上有许多优点。事实上，香蕉秸秆（茎叶）制备的生物炭比大田作物秸秆的生物炭优点更突出。将香蕉秸秆制成生物炭，不仅仅是其资源化利用的途径之一，更重要的是可以同时根治香蕉秸秆携带和传播枯萎病的难题。生物炭又可以用于制造炭基复合肥、用于改良土壤结构。香蕉产业技术体系土壤肥料与水分管理岗位在樊小林教授的指导下，近些年来，在香蕉秸秆生物炭制造及其综合利用方面做了大量的研究。前期工作表明，炭基碱性肥料可以明显的改良土壤结构（Soil Aggregate Construction: Contribution from Functional Soil Amendment Fertilizer Derived from Dolomite. Sustainability, 2022）、可以明显降低土壤Cd污染（Response of Alkaline Functional Fertilizer on Cd Absorption and Transportation in Soil-rice System. Ecological Indicators, 2022）、可以明显的降低香蕉的枯萎病发病率（Synchronized Efficacy and Mechanism of Alkaline Fertilizer and Biocontrol Fungi for Fusarium oxysporum f. sp. cubense Tropical Race 4. Journal of Fungi，2022）。近期就如何高效利用香蕉秸秆以及KOH改性技术提高生物炭的产量和吸附容量，通过采用响应面法和中心复合设计（RSM-CCD）对活化剂浓度、热解温度和时间以及三者的交互作用进行了深入的研究。研究结果对于以香蕉茎叶为原料制备高附加值生物炭具有重要的意义。

        该研究结果于2022年11月发表在Journal of Analytical and Applied Pyrolysis（JCR Q1，IF=6.437），论文题目是Optimizing Cd²⁺ adsorption performance of KOH modified biochar adopting response surface methodology（论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jaap.2022.105788）。研究采用基于中心复合设计的响应面法（RSM-CCD）建立了三个因素同时作用下香蕉茎叶制备生物炭的产率及其对Cd吸附量的二次回归模型。用三维曲面图和等值线图说明了各变量的影响及其交互作用。

图1 生物炭产率的三维曲面图和等高线图

研究表明，活化剂浓度(A)、热解温度(B)和热解时间(C)对KBC产率的影响顺序为B > C > A(图1a和d、B和e、C和f)，产率随A、B和C的增加而降低。

图2 KOH改性香蕉生物炭（KBC）镉吸附量的三维曲面图和等高线图

活化剂浓度(A)、热解温度(B)和热解时间(C)对KBC吸附Cd的能力的影响顺序为:B > A > C。随着因子A、B的增加，吸附能力先增大后减小，但对因子C不敏感。

通过利用期望函数进行多目标优化，同时获得最大的Cd吸附量和最大生物炭产率的最佳工艺条件：活化剂浓度为1.33 mol/L、热解温度为721℃、热解时间为76min，在此条件下，所制备的生物炭产率为36.41%，对Cd的吸附量为480.94 mg/g。实验结果与预测结果吻合，进一步验证了模型的准确性。

本研究第一作者是在读硕士生丁尔全。2022年以来，樊小林教授和孙少龙教授在碱性功能肥料、炭基碱性功能肥料研发与应用方面发表了4篇SCI研究论文，对于香蕉秸秆制备生物炭，以生物炭再制造碱性功能肥料、炭基碱性功能肥料，最后以功能肥料治理蕉园土壤酸化、防治香蕉枯萎病，为携带病菌的香蕉秸秆资源化、高效化和增值化利用提供了新思路，新技术，对于促进香蕉产业体系可续发展有重要意义。

系列研究成果均由国家现代农业产业技术体系（CARS-31）资助，由香蕉产业技术体系土壤肥料与水分管理岗位全体成员和学生完成。

碱性功能肥料、炭基碱性功能肥料系列研究成果：

1. Ding E, Jiang J, Lan Y, et al. Optimizing Cd2+ adsorption performance of KOH modified biochar adopting response surface methodology[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2022: 105788. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2022.105788.

2. Fan J, Jiang J, Zhang L, et al. Response of alkaline functional fertilizer on Cd absorption and transportation in soil-rice system[J]. Ecological Indicators, 2022, 145: 109584. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2022.109584.

3. Zhan Y, Jiang K, Jiang J, et al. Soil Aggregate Construction: Contribution from Functional Soil Amendment Fertilizer Derived from Dolomite[J]. Sustainability, 2022, 14(19): 12287. https://doi.org/10.3390/su141912287.

4. Li Y, Jiang S, Jiang J, et al. Synchronized Efficacy and Mechanism of Alkaline Fertilizer and Biocontrol Fungi for Fusarium oxysporum f. sp. cubense Tropical Race 4[J]. Journal of Fungi, 2022, 8(3): 261. https://doi.org/10.3390/jof8030261.

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