可持续农业的生物炭缓释肥料

GRADUATION

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文章信息

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【文章信息】

原名：Biochar-based slow-release of fertilizers for sustainable agriculture: A mini review

中文名：可持续农业用生物炭缓释肥料

期刊：Environmental Science and Ecotechnology

2022影响因子：12.6

在线发表时间：2022.5

通讯作者：王重庆

E-mail：[e-mail]

第一单位：郑州大学

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摘  要

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     论文总结了生物炭基SRFs的发展、合成、应用以及可能的作用机制。发展主要分为三个阶段：(i) 使用生物炭作为土壤改良剂，(ii) 营养物质与生物炭之间的相互作用，(iii) 基于生物炭的SRFs。为了提高生物炭的肥料效率，提出了多种方法，主要包括原位热解、共热解、浸渍、包裹和造粒。考虑到不同方法的特点，综合方法有望制备出有效的生物炭基SRFs。根据当前的知识，讨论了营养物装载和慢释放机制的深入理解。此外，还描述了基于生物炭的SRFs潜在应用的观点和挑战。

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研  究  背  景

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     本文主要关注了生物炭基缓释肥料（SRFs）在可持续农业中的应用。由于全球人口增长和耕地减少给农业生产带来了巨大压力，传统的化学肥料虽然可以提高产量，但同时也造成了严重的环境问题和经济负担。因此，生物炭因其独特的性质越来越受到关注，被认为是一种有潜力的土壤改良剂。尤其是基于SRFs缓慢释放营养物的特性，为解决上述问题提供了新的可能性。

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主要内容

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生物炭基固体燃料（SRFs）的研究进展

     生物炭表现出碳含量、pH值、表面积和阳离子交换能力的特性。将生物炭加入土壤会产生多种效益，包括改善物理化学和生物性、促进土壤肥力和作物产、控制植物疾病以及固定有毒金属和有机污染物。此外，生物炭增加了土壤养分的可利用性、阳离子交换能力和持水能力，并改善了土壤微生物群落和微生物活。生物炭促进了种子发芽、作物生长和作物生产。生物炭调控后，土壤中的微生物种群和活性显著提高。除此外，生物炭还可以改善土壤的水分保持能力。

     氮和磷是植物生长的必需营养素。生物炭具有强大的吸附性能，固定土壤中的氮和磷，提高作物生长的养分可用性。生物炭添加显著增加了土壤可用P45%，但降低了NO₃^-N 12% 和NH₄⁺-N 11% 。但吸附氮和磷的效果显著受到热解温度和生物质原料的影响。由不同生物质原料制备的镁负载生物炭被证明能有效从水溶液中吸附氮和磷，最大吸附容量为24.04mg g^-1(NH₄⁺-N)和31.15mg g^-1 (TP)。另外还包括生物炭的数量、溶液pH值、氮或磷浓度、吸附时间和温度。吸附机制涉及离子交换、疏水作用、氢键、电子相互作用和物理吸附。

    为了提高肥料效率，通过各种物理或化学技术（如浸渍、造粒和包裹）将生物炭与无机肥料结合，制备出基于生物炭的肥料。基于生物炭的SRFs可以通过单次施用为整个季节的作物生长提供营养，并减少根区过量营养带来的压力和毒性。土壤应用基于生物炭的SRFs同时显示出改善土壤、增加作物产量、保持营养和碳固存的好处。土壤应用生物炭增强了营养物质的缓释效果，为减少过量传统肥料的经济和环境负担提供了一种有吸引力的策略。

生物炭基SRFs的合成策略

      合成策略主要包含原位热解、共热解、浸染、包装、造粒、混合等。根据合成过程，营养物加载机制存在差异。浸染高度依赖于生物炭的性质，包括大的表面积、多孔结构和丰富的表面基团，为将营养物附着到生物炭上提供了有利的位点。造粒主要旨在增加扩散阻力以减少营养物的淋失损失。包裹主要将营养物通过相互作用嵌入SRFs的内部位点。生物质的原料含有丰富的营养元素，可以直接转化为基于生物炭的肥料。生物质经历了脱水、有机物质的蒸发和热解过程中的炭形成。通过FTIR光谱鉴定了营养物质的表面基团，SEM和EDS显示了大孔生物炭中磷的均匀分布。生物质与磷源的共热解是生产基于生物炭的缓释肥料的一种替代方法。共热解通过吸附和化学键使磷在生物炭中固定。通过共热解生产的基于生物炭的缓释肥料通常具有显著的优点，如易于合成，高磷负载，释放性能慢。

营养负荷机制

      生物炭是N、P、K等营养元素的优秀载体，这归功于其多孔结构的大负载能力和对硝酸根、铵、磷酸盐等的强吸附能力。P释放归因于在生物炭表面形成的Mg-P沉淀物以及MgO通过PO₄^3-沉淀过程的'P陷阱'效应。N释放主要由含N有机物的氢键和孔填充控制，以及对NH₄⁺的监禁效应和静电吸引。营养物质吸收到生物炭/蒙脱石复合物上表明，NH₄⁺吸附主要归因于与离子相关的表面吸附。

       肥料表面的涂层材料是阻止养分扩散的作用。从涂覆的SRFs中释放养分涉及：(i)将水分转移到肥料内部，(ii)养分的溶解，以及(iii)通过涂层释放养分。生物炭的存在有利于在基于生物炭嵌入半互穿聚合物网络的SRF中生成多孔结构和丰富的交联点，并且生物炭还提高了基于Semi-IPN的SRF的水分保持能力和可降解性。采用X射线衍射、红外光谱和X射线光电子能谱来揭示基于生物炭的SRFs的元素变化。

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结论与启发

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     生物炭基SRFs是促进可持续农业的一种可行方式。论文为未来生物炭基SRFs的研究和应用提供了有价值的参考和指导。但仍存在以下挑战：（i）有效生物炭基SRFs的合成，（ii）营养释放和生物有效性的评估，（iii）实际应用的长期评估。

声  明

Statement

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