从猪粪中回收的氮磷养分对黑麦草的农艺有效性研究：推动循环农业发展的新型肥料替代方案

这篇研究通过温室实验评估了从猪粪中回收的氮（RN）和磷（RP）与传统肥料（尿素CN、过磷酸钙CP）对黑麦草生长的影响。结果表明，RN与RP组合在协同提升生物量（干物质产量增加17%-114%）和养分吸收效率（P回收效率达41%）方面表现优异，尤其在92-184 mg N kg-1和39-78 mg P kg-1剂量下效果显著。研究为循环农业中废弃养分的资源化利用提供了科学依据，同时揭示了RN+RP组合替代传统化肥的潜力。

　　

1 引言
传统氮磷肥料（CN/CP）虽支撑了粮食生产，但其高能耗（占全球能源1.2%）和碳排放（5.5-9.5 kg CO₂-eq/kg N）问题日益突出。美国每年产生3800万吨畜禽粪肥，其中87万吨氮和39万吨磷未被利用。欧洲通过"硝酸盐指令"限制粪肥施用，而新技术能从猪粪中提取高纯度氮（RN，53,000 mg NH₄⁺-N L^-1）和磷（RP，24.4% P₂O₅）。本研究首次系统评估RN+RP组合的农艺有效性，为建立"养分循环经济"提供数据支撑。

2 材料与方法
2.1 养分回收工艺
RN通过气体渗透膜（GPM）技术从北卡罗来纳州猪场废水中提取，10批次浓缩后获得pH 1.03的酸性溶液；RP采用硝化-石灰沉淀法从相同来源粪污中回收，生成无定形磷酸钙（pH 7.71）。两种回收物与尿素（CN）、过磷酸钙（CP）进行化学表征（表1），其中RP含更高有机碳（76.79 vs 41.58 mg g^-1）但水溶性磷仅0.57%（CP为43.5%）。

2.2 实验设计
采用Uchee砂质土（pH调至6.8），设置2（N源）×5（N剂量：0-184 mg kg^-1）×2（P源）×3（P剂量：0-78 mg kg^-1）因子设计。黑麦草生长45天期间监测3次收获量，测定干物质、N/P吸收量及叶绿素含量。通过凯氏定氮法（TKN）和电感耦合等离子体（ICP-OES）分析植物组织与土壤残留养分。

3 结果
3.1 协同增效现象
无磷条件下CN与RN效果无差异，但添加P后呈现显著交互作用：

• 在CP背景下，CN在92/184 mg N kg^-1时产量比RN高16%-35%；
• 在RP背景下，RN反而使产量提升17%-114%，且P吸收效率达41%（CP仅8.87%）。
  最高剂量RN+RP组合的N回收效率（REfrtN）达126%，显著高于CN的52%（表3）。

3.2 生理指标关联
叶绿素与N吸收呈强正相关（r=0.908），但RN+CP组合出现负相关（r=-0.244），可能与两者酸性（pH 1.03 vs 2.94）导致的根际胁迫有关。RP的碱性特性（pH 7.71）中和了RN的酸性，形成理想生长环境。

3.3 环境风险
土壤残留无机N在两种N源间无差异，但RP处理的土壤有效P比CP低22%-54%（图5），表明其环境流失风险更低。

4 讨论
RN+RP的优异表现可能源于：
1）RP含K、Mg等微量元素（表1）促进代谢；
2）GPM工艺可能保留有机生长促进物质；
3）碱性RP缓解了NH₄⁺毒性。与传统肥料相比，该组合使P利用率提升3倍，为缓解磷矿资源枯竭提供新思路。

5 结论
猪粪回收的RN+RP可作为尿素和过磷酸钙的高效替代品，其协同效应使黑麦草产量最大化，同时减少土壤磷积累。未来需开展大田试验验证其长期效应，推动"从粪污到食物"的闭环农业实践。