超声辅助分离提取亚微米/纳米级秸秆颗粒：重构理化特性并突破秸秆还田技术瓶颈

针对传统秸秆还田分解慢、养分释放效率低等瓶颈问题，研究人员创新性地采用超声辅助离心分离技术（Ultrasound-assisted centrifugal separation）制备亚微米/纳米级秸秆颗粒，系统揭示了其尺寸依赖性特性。研究发现，当粒径达到1 μm阈值时，超声空化效应可高效去除木质素（77.45%）、降低纤维素结晶度，并显著提升氮（136.52%-193.60%）和钾（750.53%）的富集效率。土壤柱实验证实纳米秸秆可减少铵态氮（NH4+-N）流失76.16%，水稻盆栽试验显示增产25.27%，为农业废弃物高值化利用提供了新策略。

　　

秸秆还田是农业可持续发展的重要措施，但传统技术面临分解缓慢、养分释放效率低等瓶颈。中国作为全球最大水稻生产国，每年产生超过2.2亿吨稻秆，其中约50%仍被粗放处理，造成严重环境污染。现有秸秆还田技术如堆肥（生物预处理）和生物炭（热化学转化）各具局限：堆肥效率易受碳氮比制约，生物炭则成本高昂且综合改良效果有限。更关键的是，传统粉碎技术长期困于经验优化循环，难以突破木质纤维素复合体（Lignocellulosic complex）的物理屏障，导致秸秆分解进程受阻。

为破解这一难题，沈阳农业大学王宣明团队在《Ultrasonics Sonochemistry》发表研究，创新性地将超声空化技术（Ultrasonic cavitation）引入秸秆处理领域。研究人员通过响应面法（RSM）优化超声参数（功率90%、时间3 h、频率20 kHz），结合离心分离成功制备出亚微米（SMP, 77.4-1000 nm）和纳米级（NP, <100 nm）秸秆颗粒。借助SEM、XPS、FTIR等多尺度表征技术，系统解析了粒径减小引发的理化特性演变规律；通过土柱淋溶和盆栽试验，验证了纳米秸秆在土壤改良和水稻增产中的突出效果。

超声参数优化与颗粒制备

通过中心复合设计确定最佳制备条件为90%功率、3 h处理、30 g原料量，获得纳米秸秆产率8.0%。动态光散射显示NP呈单峰分布（主峰100-147 nm），TEM观测到其球形形貌及聚集倾向。

物理化学特性重构

当粒径<1 μm时出现性能跃变：XPS揭示C-N/C-O键比例从20.3%增至41.4%，FTIR检测到羟基（-OH）和羧基（-COOH）信号增强，水持能力提升18.52%。EDS显示NP的钾含量达MP的7.5倍，XRD证实纤维素结晶度降低17.02%。

土壤功能验证

淋溶实验表明NP处理使铵态氮流失减少76.2%，12次淋洗后表层土速效钾仍比对照高439.42%。盆栽试验中NP处理的水稻分蘖数增加19.48%，产量提升25.27%，且土壤NH₄⁺-N和速效钾含量分别显著提高21.05%和67.68%。

该研究首次证实亚微米尺度是秸秆性能突变的物理阈值：超声空化通过"物理纳米化-化学功能化"级联效应，将秸秆转化为速效性纳米肥料。其创新性体现在三方面：（1）突破传统粉碎技术极限，实现木质素高效去除（77.45%）；（2）发现粒径<1000 nm时钾元素表面富集现象，开辟秸秆直接供钾新途径；（3）通过构建亲水功能团网络，同步解决降解速率、养分释放和保水性能三大瓶颈。这种基于物理场强化的处理策略，为小麦秸秆、玉米芯等农业废弃物的高值转化提供了普适性方法学参考，对发展绿色农业具有重要意义。

未来研究可聚焦两个方向：一是验证纳米秸秆在大田条件下的长期效应，二是探索其与堆肥等生物处理工艺的耦合机制，以建立更完整的农业废弃物资源化技术体系。该成果不仅为秸秆还田技术提供了全新解决方案，也为生物质纳米材料在农业环境领域的应用奠定了理论基础。