废水回收鸟粪石替代磷酸一铵对土壤氮磷淋失的抑制作用：粒径效应与溶解机制解析

推荐：本研究针对高水溶性磷肥(MAP)伴随的氮(N)磷(P)淋失问题，通过土壤柱实验比较废水回收鸟粪石(MgNH4PO4·6H2O)与MAP的淋失差异。发现颗粒状鸟粪石可减少4.1倍N和316倍P淋失，但细颗粒(0.3 mm)仅保持P减排优势。结合15N示踪技术揭示溶解非均质性现象，为废水磷回收产品的农用环境效益评估提供新见解。

　　

在当今全球面临粮食安全与环境污染双重挑战的背景下，农业施肥管理亟待优化。美国玉米带广泛使用高水溶性磷酸一铵(MAP)作为磷(P)肥，却忽视了其伴随的铵态氮(NH₄⁺-N)经硝化转化为硝态氮(NO₃^--N)后的淋失风险。据估算，仅伊利诺伊州通过MAP共施的氮量就超过该州氮减排目标的120%，而传统磷肥分类体系使这一环境风险长期被低估。与此同时，从废水回收的鸟粪石(struvite)因其低水溶性(<3%)被寄望成为环境友好型替代品，但既往研究多聚焦磷行为，对其氮素归趋的认识存在空白。

为系统评估鸟粪石的环保潜力，Margenot和León团队在《Geoderma》发表研究，创新性地采用双轨验证策略：一方面通过土壤柱模拟自然降水，比较颗粒状(2.8 mm)与细颗粒(0.3 mm)鸟粪石和MAP的淋失差异；另一方面利用¹⁵N标记肥料直接追踪氮素去向。实验选用美国中西部典型的Aquic Argiudoll土壤（粉砂壤土，pH 6.3），按农艺推荐量以磷为基础等量施用肥料，通过8次淋溶事件（累计3.67孔隙体积）监测氮磷动态。关键技术包括：1）同位素比值质谱(IRMS)分析¹⁵N标记肥料的δ¹⁵N值；2）钒(III)还原法测定NO₃^--N；3）钼蓝比色法量化钼酸盐活性磷(MRP)；4）通过肥料残余质量计算溶解率。

研究结果揭示三个关键发现：

3.1 颗粒状肥料的氮磷淋失差异

颗粒状鸟粪石表现出显著的环保优势：累计N淋失量仅为MAP的24%（19.6% vs 80.6%），P淋失量更降至MAP的0.3%（0.16% vs 50.6%）。值得注意的是，MAP-P淋失在后期（3.67 v_p）出现爆发式增长（单次事件达15.4%），而鸟粪石-P始终维持<0.07%的低水平。

3.2 粒径效应的不对称影响

粒径缩小至0.3 mm时，鸟粪石与MAP的N淋失差异消失（92.8% vs 93.9%），但P淋失仍保持10.7倍差距（6.0% vs 64.3%）。溶解率测定显示，鸟粪石溶解度始终比MAP低4倍左右（21.7% vs 95.5%），且粒径变化未显著影响溶解率。

3.4 溶解归一化揭示异常现象

当按溶解率校正数据时，细颗粒鸟粪石表现出惊人的N超量淋失：通过^{15N直接追踪发现淋失N量是溶解N量的3.1倍（307.1%），暗示可能存在NH₄+优先释放的非均质溶解。这种效应在颗粒状鸟粪石中较弱（104.6%），而在MAP中未观察到。}

讨论部分指出，该研究首次证实鸟粪石在颗粒形态下具有"双减排"效益，但细颗粒产品仅能保持P减排优势。溶解归一化数据揭示的异常现象，可能源于细颗粒鸟粪石界面区域发生的边界相反应，如转化为Mg₃(PO₄)₂·8H₂O（鲍勃里石）等次生矿物。从实践角度看，虽然废水处理厂常产的细颗粒（<1 mm）鸟粪石仍具P减排价值，但颗粒状产品才能实现氮磷协同控制。研究建议未来应开发兼顾粒径控制与成本效益的结晶工艺，并通过³³P/¹⁵N双标记实验验证溶解机制。这项工作为制定基于废物资源化的面源污染防控策略提供了关键科学依据。