水热炭处理有机肥料在减少氨挥发和成本效益方面优于热解炭处理：一项为期两年的田间研究

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Hydrochar conditioning organic fertilizer outperforms pyrochar in reducing ammonia volatilization and cost efficiency: A two-year field study

水稻田中水热碳化有机肥（HCOF）及改性生物炭有机肥（FeBCOF）对氨挥发抑制及水稻产量的影响研究。两年田间试验表明，HCOF和FeBCOF分别减少氨挥发45.9%和33.9%，其效果与水稻田水中铵离子浓度降低及土壤pH下降相关。综合评估显示HCOF在经济效益（年增1.47亿元）和环境效益（减少3%氨排放）上最优。

　　氨气挥发是稻田土壤中氮素损失的主要原因之一，对人类健康和生态环境造成严重威胁。研究发现，将热解炭（pyrochar）或水热炭化炭（hydrochar）作为堆肥调理剂使用，可以有效降低氨气挥发并提高肥料利用效率。然而，关于水热炭化炭作为氮素替代物在稻田中的应用效果及环境影响，目前的研究仍较为有限。因此，本研究在江苏地区开展为期两年（2023–2024）的田间试验，评估水热炭化炭调理有机肥对氨气挥发、土壤和稻田水体性质以及水稻产量的影响，并与未调理有机肥、热解炭调理有机肥以及铁改性热解炭调理有机肥进行对比，同时与化学肥料进行比较。

试验结果表明，在第一季中，水热炭化炭调理有机肥和铁改性热解炭调理有机肥分别比化学肥料减少了45.9%和33.9%的累积氨气排放。而在第二季后，这两类调理有机肥分别减少了26.0%和29.9%的氨气排放。这些数据表明，水热炭化炭调理有机肥在减少氨气排放方面表现出更显著的效果。线性回归分析显示，这些减排效果与稻田水体中铵离子（NH??）浓度的降低以及土壤pH值的下降存在正相关关系（p < 0.05）。进一步的分析表明，水热炭化炭调理有机肥在提高水稻产量、减少氨气排放和降低投入成本方面表现最佳，优于其他处理方式。

此外，根据对江苏地区稻田土壤中20%应用面积的估算，水热炭化炭调理有机肥每年可带来约14.714亿元的额外经济效益，并将平均每年的氨气排放量减少3%。这些田间试验为理解水热炭化炭调理有机肥对农业的影响提供了坚实的基础，并展示了其在广泛推广中的环境和经济优势。研究结果表明，水热炭化炭调理有机肥不仅有助于减少氨气挥发，还能改善土壤性质，提高水稻产量，从而为农业可持续发展提供可行的解决方案。

在农业生态系统中，氮素是作物生长和生产的关键资源，而氮肥的使用确保了这一需求。然而，全球农业供应链中大量氮素输入会通过各种途径流失，其中约有50%（120 Tg N）每年以气态和水体形式排放。例如，氨气（NH?）的排放主要来源于氮肥的氨化和反硝化过程，每年农业土壤中约有4.2 Tg N以氨气形式释放。与旱地土壤相比，稻田土壤在氨气损失方面具有更高的潜力。这主要是由于稻田土壤长期处于淹水状态，导致土壤中的氮素更容易转化为挥发性物质。

氨气作为一种主要的大气污染物，对生态环境和人类健康构成威胁。挥发的氨气通过沉降返回地表，而其余部分则与大气中的气态污染物反应形成细颗粒物（PM?.?），这是导致气溶胶类污染物的主要原因之一。长期暴露于PM?.?已被证实与严重的呼吸系统疾病密切相关，包括慢性阻塞性肺病和肺癌，并被认为是全球范围内过早死亡的重要因素。流行病学研究进一步表明，持续的炎症反应和系统性氧化应激会增加人口层面的健康风险。此外，水解产生的铵离子在土壤中的积累会引发一系列环境影响。经过硝化作用后，这些铵离子会通过淋溶或径流导致水体富营养化，从而促进藻类繁殖，消耗水中的氧气。

因此，迫切需要研究能够有效减少稻田氨气挥发的管理措施。水热炭化是一种热化学反应，通过将生物质转化为生物炭，具有可持续回收资源的潜力。水热炭化产生的固体产物——水热炭（HC）——通常具有富含氧官能团的活性壳层，如羧基、羟基和羰基。在水热炭化过程中，有机化合物的连续降解通常会导致小分子有机酸的形成，使HC呈现酸性特征。许多研究表明，将HC作为土壤改良剂使用，可以改善植物生长并减少氨气排放。HC的pH值是实现氨气减排的关键因素之一。尽管原材料和反应参数的不同会导致HC的酸碱性有所差异，但总体而言，HC的酸性有助于稳定铵离子并改变氨气与铵离子的平衡，从而降低氨气的挥发。

另一方面，使用碳材料作为堆肥调理剂生产有机肥是一种经济高效的方法。热解和水热炭化被用于将生物质转化为生物炭，不同的炭化条件会带来不同的炭化产物，从而影响其性质和应用效果。目前，已有大量研究关注热解炭调理有机肥在土壤改良、污染物控制和温室气体（GHG）排放方面的应用。例如，Feng等人（2024）发现，将6 Mg ha?1的热解炭调理有机肥应用于稻田，可以有效提高玉米产量9.1–32%，与对照处理相比。这种现象与土壤中微生物生物量碳、总氮、铵氮（NH??-N）以及氮素获取酶活性的增强有关。此外，经过6年的连续评估，热解炭调理有机肥在提高土壤微生物群落丰富度和多样性方面优于化学肥料，其主要变化与能量和氨基酸运输相关。Puga等人（2020）通过添加热解炭调理有机肥，实现了14%的温室气体减排，并促进了土壤碳固存。Huang等人（2024）发现，铁改性热解炭调理有机肥不仅能够减少氨气排放，还能在共堆肥过程中改善肥料质量。

然而，热解炭（BC）和水热炭（HC）在基本性质上的差异会影响有机肥的特性，从而导致其在稻田中的应用效果不同。HC调理有机肥和Fe改性BC调理有机肥能够产生更多的酸性物质，但它们对氨气排放的减少和水稻产量的影响尚不明确。目前，关于作物生长和环境评估的研究多在盆栽实验和短期研究中进行，使得研究结果难以合理推广到实际的农业生产中。因此，本研究在稻田中开展为期两年的田间试验，比较HC调理有机肥和不同BC调理有机肥对氨气挥发和水稻产量的影响，并评估其在水稻生产中的经济和环境可行性。

本研究的目的是：（1）系统评估HC调理有机肥和不同BC调理有机肥对稻田氨气挥发和水稻产量的影响及其作用机制；（2）评估HC调理有机肥在水稻生产中的经济和环境可行性。通过这些研究，可以更深入地了解其在农业资源利用中的潜力，并进一步优化农业生态系统中的资源管理，实现可持续的资源回收和利用。研究结果表明，HC调理有机肥不仅能够有效减少氨气挥发，还能改善土壤性质，提高水稻产量，从而为农业可持续发展提供可行的解决方案。