利用磷酸盐尾矿与多功能材料共同修复酸性土壤：减轻铝的毒性、保持铵态氮以及重塑土壤微生物群

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Restoration of acidic soils using phosphate tailings coupled with multicomponent materials: aluminum toxicity mitigation, ammonium nitrogen retention, and microbiome remodeling

　　

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  一种基于磷酸尾矿生产调理剂的新方法。
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  从放线菌门向假单胞菌门作为优势门的转变。
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  氮和磷循环相关基因的丰度增加。

引言

酸性土壤的改良对于全球农业的可持续发展至关重要，对确保粮食安全也起着关键作用。酸性土壤（pH < 6.5）在全球范围内广泛分布，占无冰土地面积的约30%到40% [16], [33]。土壤酸化主要是由于碱金属阳离子的淋溶、过量施用铵态氮肥以及酸沉降等因素造成的 [35]。土壤酸化会导致一系列问题：首先，它会增加土壤中铝和锰离子的毒性，抑制作物根系生长 [4]；其次，作物生长所需的养分（如磷、钙和镁）容易从土壤中流失 [39]；第三，作物产量显著下降，同时土壤微生物群落的多样性降低，导致土壤微生态系统失衡 [41]。因此，改善酸性土壤已成为一个亟需解决的科学问题。

在各种改善酸性土壤的方法中，使用土壤调理剂是一种经济且方便的选择 [5]。目前常用的土壤调理剂各有优缺点：无机调理剂（如石灰）可以直接中和土壤酸性并迅速提高pH值，但长期使用容易导致土壤紧实和养分比例失衡 [2]；有机土壤改良剂（如生物炭）可以通过分解产生碱性物质并吸附铝离子来温和调节土壤酸性，但其成本相对较高 [21]；生物改良剂（如微生物制剂）依赖微生物群体的代谢活动来分泌碱性物质或中和铝的毒性，但见效时间较长 [10]。更重要的是，上述大多数传统土壤调理剂都以粉末形式施用，在运输和施用过程中容易引起粉尘污染。一旦施用，粉末会立即与土壤中的游离酸反应，导致pH值迅速升高。这种剧烈的化学扰动不仅会导致吸附的NH₄⁺脱质子化，转化为氨气并挥发 [25]，还会过度刺激微生物的短期呼吸作用，从而加速有机碳的矿化 [1]。因此，开发具有有效改酸能力、低成本、可控释放和多功能协同特性的新型土壤调理剂成为当前研究的关键焦点 [13]。

磷酸尾矿（PT）是磷酸矿石选矿过程中产生的副产品，其主要矿物成分是白云石、磷灰石和少量石英。中国对PT的利用率仅为约7%，大量PT被直接用于矿场回填，导致宝贵元素的浪费 [13]。研究表明，白云石可作为有效的酸性土壤调理剂，这为在土壤改良中利用PT提供了理论基础 [31], [37]；此外，[8]的研究通过作物产量、土壤质量和微生物群落反应评估了利用磷酸尾矿改良酸性土壤的效果。基于这些研究，本课题将PT与硅锰渣（SMS）结合，并加入生物材料，制备了一种基于硅酸钙水合物（C-S-H）的多孔调理剂，研究了其相变过程、养分释放机制以及参与土壤氮磷循环的相关基因。先前的研究表明，通过与火山灰反应原位形成的硅酸钙水合物凝胶在固化干燥过程中会自组装成纳米级孔网络。然而，目前还缺乏将碱激活凝胶的结构调控原理系统应用于酸性土壤改良领域的研究，目标是在实际土壤环境中实现逐步的质子缓冲，同时保留铵态氮并固定有机碳，从而恢复参与土壤氮磷循环的功能基因。

基于以上研究结果，本研究提出了一种通过机械力激活和碱刺激诱导的协同晶格重构策略来改良酸性土壤。通过引入富含活性成分的硅锰渣（SMS），在原位形成了多孔的C-S-H凝胶网络。该凝胶网络进一步与酵母代谢物（y）、聚谷氨酸螯合的生物土壤调理剂（b）和功能性微生物制剂（c）结合，制备出了颗粒状、多孔的复合土壤调理剂（PT-CA）。本研究的主要目标是：(1) 提出一种结合机械力激活和碱刺激的协同设计策略，策略性地整合PT和SMS，制备出具有C-S-H凝胶结构的PT-CA；(2) 通过系统材料表征和养分释放分析揭示PT-CA的相变规律和养分控制释放机制；(3) 通过土壤改良实验、盆栽实验和宏基因组分析全面评估PT-CA改善酸性土壤的整体效果。

节选内容

原材料

本研究中使用的磷酸尾矿来自湖北省宜昌市的一家磷酸化工企业，硅锰渣（SMS）来自宁夏回族自治区的一家工厂。酵母代谢物（y）来自湖北省宜昌市的Angel Yeast Co., Ltd.，生物土壤调理剂（b）来自湖北省的Hubei Kangxin Biotechnology Co., Ltd.，功能性微生物制剂（c）来自湖北省的Hubei Fubang Technology Co., Ltd. PT和SMS的主要化学成分见表1。

复合土壤调理剂的制备

PT-CA的制备过程如下：首先，将PT和SMS在60°C的烤箱中干燥。

多孔复合调理剂的表征与分析

XRD分析表明，S样品中氟磷灰石和白云石的主要衍射峰强度减弱，峰形变宽，表明PT原本高度结晶的晶格结构在碱激活作用下发生了破坏（图1(a)）。在氧化钙形成的碱性环境中，SMS中的二氧化硅和三氧化铝与PT反应生成非晶态或无定形的硅酸钙。

结论

本研究提出了一种结合机械激活和碱刺激的策略，制备出具有介孔C-S-H结构的PT-CA。主要结论如下：

• (1)
  在30天时，最佳处理组YC使土壤pH值从CK的4.33升高到6.91，Ex-Al³⁺降低到1.02 mmol/kg，CEC升高到26.43 cmol/kg，SOM升高到30.07 g/kg，NH₄⁺-N升高到78.46 mg/kg，从而改善了酸性土壤的理化性质。
• C-S-H凝胶

CRediT作者贡献声明

赵培铮：撰写——初稿、方法学、数据分析。徐向群：数据分析。马文博：软件处理。杜亚光：实验调查。杜东云：撰写——审稿与编辑、监督、资金申请、数据分析。王仁忠：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究工作的财务利益或个人关联。

致谢

本研究获得了湖北省重大创新项目（2019ACA156）和农业农村部中部耕地重点实验室（2025FBKL1804）的资助。

赵培铮|马文博|徐向群|杜亚光|王仁忠|杜东云