生物炭基缓释肥料(BSRFs)的优化：粘结剂类型、热解温度和养分配方对机械强度和养分释放动力学的综合影响

本研究针对传统化肥利用率低、环境污染严重等问题，系统探究了粘结剂类型(钙基膨润土/CB、羧甲基纤维素/CMC、可溶性淀粉/SS、高岭土/Kao)、热解温度(300-600℃)和肥料配方(尿素、磷酸二铵、氯化钾)对玉米秸秆生物炭基缓释肥料(BSRFs)性能的影响。研究发现CMC粘结的BSRFs具有最优机械强度(16.78N)，550℃热解温度下制备的BSRFs总养分含量达24.83%，生物炭包膜使尿素、P2O5和K2O的淋失分别减少39.2%、15.7%和37.6%。该研究为农业废弃物资源化利用和可持续施肥提供了重要理论依据。

　　

随着全球人口增长和粮食需求增加，现代农业面临提高产量与环境保护的双重挑战。传统化学肥料虽然显著提高了作物产量，但存在严重的环境问题——近70%的氮(N)和80-90%的磷(P)通过淋溶、挥发或径流损失，导致土壤退化、水体富营养化和气候变化。此外，有限的磷矿资源枯竭和生产成本上升，迫切需要开发创新的养分回收策略。生物炭作为一种多孔、富碳的生物质热解材料，因其高比表面积、优异的阳离子交换能力(CEC)和通过吸附或化学键固定养分的能力，成为缓释肥料(SRFs)开发的理想载体。与传统SRFs相比，生物炭基缓释肥料(BSRFs)无需脲酶或硝化抑制剂即可实现养分控释，还能通过农业废弃物(如秸秆)热解生产，间接将废弃物通过BSRFs应用返还土壤，实现"废弃物资源化利用-土壤改良-养分高效利用"的良性循环。

吉林农业科技大学的研究团队系统研究了粘结剂类型(钙基膨润土/CB、羧甲基纤维素/CMC、可溶性淀粉/SS、高岭土/Kao)、热解温度(300-600℃)和肥料配方(尿素、磷酸二铵、氯化钾)对BSRFs性能的影响。研究发现CMC粘结的BSRFs具有最优机械强度(16.78N)，550℃热解制备的BSRFs总养分含量达24.83%，生物炭包膜使尿素、P₂O₅和K₂O的淋失分别减少39.2%、15.7%和37.6%。该研究为设计高效环保的缓释肥料提供了重要理论依据，相关成果发表在《Industrial Crops and Products》上。

研究采用玉米秸秆为原料，通过不同温度(300-600℃)热解制备生物炭，与四种粘结剂和三种肥料配方制备BSRFs。通过压缩强度测试、扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和10天土柱淋溶实验评估BSRFs性能，并采用主成分分析(PCA)确定关键影响因素。

3.1. BSRF颗粒的SEM图像
电镜分析显示粘结剂类型显著影响BSRFs微观结构：CMC粘结的BSRFs表面光滑，具有部分晶格纤维结构；Kao粘结的BSRFs呈多孔球形结构，结合松散；SS粘结的BSRFs表面褶皱明显，具有中孔和大孔结构。热解温度高于500℃时，生物炭微孔融合为中孔/大孔，碳骨架变薄。

3.2. BSRFs的FTIR光谱
红外光谱分析表明Kao和SS粘结的BSRFs羧基保留最多((a+b)/c=0.52)，CMC粘结的BSRFs羟基含量最高(45.3%)。550℃热解温度下制备的BSRFs芳香性最高((a+b)/d=1.17)。

3.3. BSRFs的抗压强度
CMC粘结的BSRFs抗压强度最高(16.78±2.25N)，比CB和SS粘结的分别高88.8%和117.4%。热解温度与抗压强度呈负相关(R²=0.97916)，温度每升高100℃，强度下降3.15%。

3.4. BSRFs的pH和有机质含量
SS粘结的BSRFs有机质含量最高(40.77±0.82%)，Kao粘结的最低(32.64±1.15%)。pH值排序为CB(6.40)>Kao(6.08)>CMC(5.85)≈SS(5.73)。550℃热解时pH急剧升至7.35。

3.5. BSRFs的养分组成
Kao粘结的BSRFs总养分含量最高(28.4%)，其中N(22.94%)和P₂O₅(3.31%)保留效果最好。热解温度升高至600℃时，总养分含量线性增至24.83±0.41%(R²=0.94)。

3.6. 养分释放特性
BSRFs显著降低养分淋失：尿素、P₂O₅和K₂O分别减少39.2%、15.7%和37.6%。尿素释放符合ExpAssoc模型，P₂O₅符合Logistic模型，K₂O符合Allometric1模型。

3.7. 主成分分析
PCA显示550℃热解温度和生物炭-粘结剂相互作用是影响养分生物有效性的关键因素。KCl包膜的BSRFs结构最致密(PCA评分2.263)，得益于K⁺-多糖交联。

该研究系统阐明了粘结剂化学性质和热解驱动的孔隙演化对BSRFs性能的关键影响。CMC通过氢键和静电交联赋予BSRFs最优机械强度；Kao通过Al³⁺-PO₄^3-络合有效固定磷；550℃热解温度平衡了生物炭芳香性和孔隙率，优化养分保留。生物炭包膜通过孔隙限制和静电相互作用，显著减少养分淋失，使尿素、P₂O₅和K₂O的淋失分别降低39.2%、15.7%和37.6%。研究提出的BSRFs设计原则，为协调养分释放与作物需求、实现农业废弃物高效回收提供了重要科学依据，对推动可持续农业发展具有重要意义。