闭环磷回收与循环利用，助力可持续水培农业

《Journal of Sustainable Agriculture and Environment》：Closed Loop Phosphorus Recovery and Recycling for Sustainable Hydroponic Farming

水培废营养液回收利用研究通过碱处理制备微钙磷液体肥料（Part C），替代40%常规磷肥（Part B），在温室雪豌豆种植中验证其可行性。结果显示Part C系统减少33%化肥用量，维持植物生长及营养吸收稳定，EC和pH波动更小，成本降低，为可持续农业提供新方案。

　　本研究探讨了一种在水培系统中回收废营养液中磷源的新方法，通过碱处理和酸化技术将钙磷转化为可再利用的液态磷肥（称为Part C），并将其作为传统商业磷肥（Part B）的替代品。实验使用雪豆（*Pisum sativum L*）作为试验作物，在一个配备自动灌溉系统的温室中进行了为期21天的种植试验，并与使用商业肥料的对照系统进行了比较。结果显示，使用Part C的试验系统仅需33%的商业肥料，同时保持了植物生长、产量和营养吸收的相似水平。除叶绿素含量略低外，试验系统的植物未表现出任何营养缺乏症状，并且在磷、钙和镁的吸收方面表现出稳定性甚至提升。此外，Part C还提高了营养液的pH值和电导率（EC）的稳定性，减少了频繁调整营养液的需要。经济分析表明，这种循环利用方法不仅显著降低了成本，还不会影响植物的健康和产量，为可持续水培农业提供了可行的解决方案。

### 背景与意义

磷是全球农业生产中不可或缺的营养元素，但其主要来源是有限的磷酸盐矿石。传统的磷酸盐开采和加工过程通常包括机械选矿和酸化，以提取磷酸（H?PO?），而这些过程不仅消耗大量资源，还对环境造成显著影响。同时，由于磷资源的全球分布不均和地缘政治因素，磷肥价格波动较大，威胁着农业生产的稳定性。例如，俄罗斯与乌克兰的冲突以及中国等主要供应国的出口限制，导致磷肥价格的不稳定，影响了农业供应链的安全性。

为了解决这些问题，研究者们开始探索优化现有磷资源的使用方式，包括提高矿石开采效率以及从废水（包括农业径流）中回收磷。化学沉淀、生物处理、人工湿地和微藻等技术已被广泛研究，以实现磷的回收和再利用。在作者之前的研究中，Malkawi等人已经探讨了从水培废液中回收微钙磷酸盐的可行性，并对其经济性进行了评估。在此基础上，本研究进一步探索了一种“就地回收”钙磷酸盐的方法，即将其转化为液态磷肥Part C，用于水培系统中的再利用。这种方法不仅减少了对新制造肥料的需求，还为可持续农业提供了一条可行路径。

### 方法与实验设计

实验中，研究团队从新南威尔士州（NSW）的一家番茄水培农场收集了1000升的废营养液（HWNS）。该农场采用滴灌技术，在四个温室中种植了约9000平方米的特色番茄。营养液的管理通过一个自动化的灌溉系统（INTA）进行，确保营养液的精确供应和环境控制。收集的废液被运送到西悉尼大学Kingswood校区的温室设施进行处理和磷回收。

为了回收钙磷，研究团队采用了碱处理技术，将废液的pH值调整至9.5。在之前的实验中，研究人员曾使用氢氧化钠（NaOH）进行处理，但为了避免钠离子在营养液中的积累，本研究改用氢氧化钙（Ca(OH)?，即石灰）。通过测试，确定了每升废液需要1.1±0.015克石灰。随后，将240升废液进行处理，共使用了26.4克98%纯度的石灰，处理后营养液的pH值和EC值分别被测量为3.19和6.15 mS/cm。

为了确保Part C与商业肥料（Part A和Part B）兼容，研究团队对Part C的pH值进行了调整，使其接近3.2±0.25。这一pH值处于商业肥料Part A（pH≈2.2）和Part B（pH≈3.8）之间，便于混合使用。Part C的制备过程涉及使用98%的硫酸和70%的硝酸进行酸化，以释放磷元素并提供氮元素，从而模拟商业肥料的成分。

为了比较试验系统与对照系统的性能，研究团队分别准备了两个200升的营养液罐。对照系统仅使用Part B作为磷源，而试验系统则采用Part B和Part C的混合比例（Part B占60%，Part C占40%）。此外，为了维持营养液的EC和pH值，系统中还加入了3%的硫酸。整个实验过程中，营养液的EC和pH值被严格控制在2.5 mS/cm和6.0左右，以确保植物的健康生长。

### 实验结果与讨论

实验结果显示，试验系统在多个方面表现出良好的性能。首先，试验系统在植物生长指标方面与对照系统相似，包括植物高度、多胚率、鲜重和干重。然而，在叶绿素含量（SPAD值）方面，对照系统的植物表现略优于试验系统，这可能与Part C的磷浓度较低有关。此外，试验系统在营养液的EC和pH稳定性方面表现更优，这表明Part C具有一定的缓冲能力，有助于减少营养液的频繁调整。

在营养成分分析方面，试验系统中的植物表现出更高的磷、钙和镁含量，尤其是在茎部和根部。这表明Part C不仅能够提供磷元素，还可能对其他营养元素的吸收产生积极影响。相比之下，对照系统的氮含量（TN）没有显著差异，这可能与Part C中硝酸的使用有关。同时，试验系统在营养液的长期稳定性方面表现更好，说明回收的钙磷具有缓释特性，可能有助于维持植物对营养元素的持续吸收。

从经济角度来看，试验系统在总成本方面明显优于对照系统。通过回收和再利用钙磷，试验系统减少了33%的商业肥料使用量，同时保持了相似的产量和植物生长效果。成本分析显示，试验系统的总成本为$10.37，而对照系统的总成本为$14.89。这一差异主要来源于Part C的使用，其成本仅为$0.14，远低于商业肥料的成本。此外，试验系统在酸化过程中消耗的酸量也减少了40%，进一步降低了成本。

尽管试验系统在短期内表现出良好的经济性和环境效益，但在大规模应用方面仍面临挑战。首先，基础设施需求较高，尤其是自动化pH调节和沉淀池的建设，这在小型农场中可能难以实现。其次，酸化过程需要进一步优化，以适应不同规模的废液处理需求。最后，虽然Part C在本实验中表现出良好的效果，但需要更多的长期研究来验证其在多种作物和不同水培条件下的适用性。

### 结论与展望

本研究的结果表明，通过碱处理和酸化技术回收水培废液中的钙磷，并将其转化为液态磷肥Part C，是一种具有广阔应用前景的可持续农业方案。这种方法不仅减少了对新制造肥料的依赖，还降低了农业生产的运营成本，同时提升了营养液的稳定性。此外，Part C的缓释特性可能有助于提高植物对营养元素的利用效率，从而减少营养浪费。

然而，尽管试验系统在小规模应用中表现良好，但要将其推广至大规模商业水培农场，仍需解决一系列挑战。例如，需要更高效的自动化系统来处理大量废液，同时确保酸化过程的稳定性。此外，还需要进一步研究Part C在不同作物和生长周期中的长期效果，以及其对环境的潜在影响。

未来的研究应聚焦于验证这些方法在更大规模和不同作物上的适用性，探索如何优化回收和再利用过程，以提高其经济性和环境效益。同时，应关注如何将这些技术与现有的水培系统无缝整合，确保其在实际应用中的可行性和可持续性。通过这些努力，水培农业有望在资源利用和环境管理方面取得更大的突破，为全球粮食安全和可持续发展提供有力支持。