推进农业养分循环：对回收衍生生物基肥料生产与推广挑战的批判性视角

《Journal of Environmental Management》：Advancing nutrient circularity in agriculture: Critical perspectives on recycling-derived bio-based fertilisers, production, and adoption challenges

　　

• 再生衍生生物基肥料可由多种废弃物来源生产。
• 多种再生衍生生物基肥料显示出与合成肥料相当的地力表现。
• 物质流分析（MFA）和生命周期评估（LCA）是评估再生衍生生物基肥料的分析评估工具。
• 法规正逐步扩展以纳入更多再生衍生生物基肥料。
• 目前再生衍生生物基肥料的使用有限，显示出巨大的增长潜力。

**引言**
化学肥料的使用导致农业产量和生产率的显著增加。然而，目前的常规矿物肥料来源于有限资源，且需要高能耗过程（Egan et al., 2022）。因此，迫切需要从这些稀缺资源转型，并促进从有机废物中回收和重用氮（N）、磷（P）和钾（K）等必需养分，从而推动循环经济。循环经济旨在通过将其返回产品循环来最小化生命周期末端的废物产生，同时保持产品、材料和资源的价值（Eurostat, 2024）。欧盟（EU）已将转向由堆肥、沼液和生物废物等二次源材料制成的再生肥料作为重点优先考虑事项。诸如肥料产品条例 2019/1009 等政策使得在肥料产品中更容易使用有机和再生材料。

制造矿物肥料需要能源和天然气，并排放温室气体（Wang et al., 2024a）。在欧盟内部，天然气是合成 N 肥料生产的主要原料和能源（Liu et al., 2020）。哈伯 - 博施工艺在高压下使用 N2 和 H2 生产氨，需要大量的天然气，占世界能源的大约 1-2%。该工艺还会产生大量二氧化碳排放，凸显了对更环保选项的迫切需求。氨随后被转化为 N 肥料产品，如尿素、硝酸铵、硝酸钙铵等（Lim et al., 2021）。磷矿石是 P 肥料的主要来源，是一种有限资源。磷矿石生产主要集中在少数国家，使供应链易受地缘政治紧张局势和市场波动的影响（Behjat et al., 2022）。持续的全球中断，包括伊朗和乌克兰战争等地缘政治冲突、因 COVID-19 造成的供应链中断以及常规肥料成本的上升，都凸显了对替代养分来源的迫切需求。天然矿物储量的枯竭，尤其是 P，对农业生产力构成重大威胁。这一担忧进一步强调了欧洲联盟将 P 列为关键原材料的重要性，因为它于 2014 年（磷矿石）和 2017 年（白磷）被加入其清单（European Commission, 2014, 2017）。这一分类强调了 P 在促进可持续农业实践和确保粮食安全方面的战略重要性（Symanczik et al., 2023）。在欧盟，钾肥料是从地下盐层中开采的钾盐生产，并加工成氯化钾（KCL）等可销售产品。浮选和相关处理步骤用于将钾盐从盐杂质中分离出来（Shemet and Kologrivko, 2015）。据报道，钾盐开采和提取会导致土地扰动、地面沉降、矿井淹没、倒塌风险，并由于盐类污染物的释放而影响地表水和地下水（Ushakova et al., 2023）。

全球肥料市场受到美国、以色列与伊朗之间的战争以及俄罗斯 - 乌克兰战争的重大影响，主要由于这些国家在生产和出口天然气、农业商品和肥料中发挥的关键作用。正在进行的美国 - 以色列与伊朗冲突扰乱了霍尔木兹海峡的贸易，导致全球天然气短缺并影响区域供应（Hebebrand et al., 2026）。氮肥料供应链依赖于以化石燃料为原料的氨生产中心，尤其是天然气和煤炭。虽然大多数消费地区依赖进口、长距离运输和市场冲击（Tonelli et al., 2024; Mingolla and Rosa, 2025）。与此同时，对俄罗斯和白俄罗斯实施新或加强经济制裁加剧了这些国家肥料出口的不确定性。俄罗斯和白俄罗斯是肥料中三种主要养分的生产大国。2020 年，白俄罗斯和俄罗斯供应了全球 40% 的钾盐贸易，而俄罗斯分别占全球尿素和磷酸盐贸易的 16% 和 12%（Hebebrand and Glauber, 2024）。值得注意的是，中国在 2021 年中实施出口限制后，肥料出口急剧下降（Hebebrand and Glauber, 2023）。与 2021 年相比，中国尿素出口在 2022 年下降了 47%，而通常占世界 DAP 贸易 30% 的磷酸二铵（DAP）出货量在 2022 年下降了 43%（Hebebrand and Glauber, 2023）。在战争之前，俄罗斯是世界上最大的肥料生产国之一，特别是 N 和钾盐（Shahini et al., 2022）。这些供应的中断导致肥料市场价格和波动性增加，加剧了全球粮食安全担忧。世界某些地区依赖枯竭的 K 储备，鉴于气候极端情况，K 在植物和土壤活动中发挥着越来越重要的作用，包括土壤保水能力和减少干旱胁迫（Cakmak and Rengel, 2024; Van Der Wiel et al., 2021）。一方面矿物肥料正在枯竭，另一方面大量的有机物质成为市政机构、农食企业、牲畜农场和污水处理厂的难题，由于地表水径流和淋失导致水污染和富营养化（Aarikka-Stenroos et al., 2023; Johannesdottir et al., 2020）。这些原料为养分回收提供了极好的原材料。

欧盟委员会提出了欧洲绿色协议（EGD），旨在到 2050 年将欧盟转变为一个可持续的、碳中和的经济体（European Commission, 2019）。该计划的一个关键重点是鼓励采用循环经济原则，尤其是在农业领域。在解决与传统肥料相关的环境问题时，EGD 重视向更可持续的农业实践转型，减少矿物肥料的使用（Kurniawati et al., 2023）。这包括促进有机农业、利用缓释肥料以及纳入生物炭等生物基改良剂（Prandecki et al., 2021）。鼓励改善土壤肥力和生物多样性的做法是 EGD 减少对合成肥料依赖的目标。这将进而支持农业系统的长期可持续性（Montanarella and Panagos, 2021）。EGD 强调到 2030 年将从农业活动中减少 50% 的养分损失（Prandecki et al., 2021; Wynants et al., 2024）。这一目标将通过减少肥料使用和改善从废物来源回收养分来实现。研究表明，再生衍生养分的广泛采用可替代约 5.5 – 54% 的矿物肥料 N 和 13 - 40% 的欧盟 P 需求，使用由污泥或粪便生产的再生肥料，如鸟粪石、生物炭或焚烧灰（Aarikka-Stenroos et al., 2023; Chen et al., 2022; Corona et al., 2026; Drangert and Kjerstadius, 2023）。

随着气候变化和资源枯竭使可持续农业实践的压力加大，再生衍生生物基肥料（RD-BBFs）的利用成为实现更可持续养分管理的一种可行解决方案。

本文旨在解决主要研究问题：RD-BBFs 能在多大程度上有助于关闭农业系统中的养分循环，以及其广泛采用的关键障碍是什么？

本研究旨在全面审查 RD-BBFs 的生产过程、环境影响和经济可行性，同时评估监管、经济和社会维度中其采用的各种障碍。通过强调公众认知和社区关注的重要性，本评论将促进 RD-BBFs 的策略置于更广泛的可持续农业和循环经济原则话语中。理解并解决这些多样化因素对于促进 RD-BBFs 的采用至关重要，从而为全球农业系统中的生态韧性和粮食安全做出贡献。

**章节片段**

**方法学**
本评论使用来自包括谷歌学术、Scopus、Wiley、Web of Science、美国化学学会（ACS）、Nature、ScienceDirect、Springer Nature 等搜索引擎的科学和灰色文献进行。使用以下关键词完成了对农业中再生衍生生物基肥料和回收肥料的详细搜索：生物基肥料、回收肥料、鸟粪石、回收硫酸铵、矿物浓缩物、厌氧消化、堆肥、肥料、再生衍生生物基肥料。

全球人口的增长和随之而来的食品需求 necessitated（需要）向更可持续的农业实践转型，包括使用 RD-BBFs。在农业中施用的养分最终积累在作物废物、食品或粪便中，或流失到环境中。在消费之后，这些养分进入废水流或被归类为生物废物。虽然一些养分返回土壤，例如通过动物粪便，但并非所有养分都被重新整合。

**欧洲肥料产品条例**
欧洲肥料产品条例（FPR）力求为认证和推广有机及废物基肥料创建统一框架（European Commission, 2016）。这一努力支持使用再生材料、养分回收和污染物管理 - 这些是增强 RD-BBFs 在农业实践中采用的关键因素（European Union, 2019）。FPR（2019/1009）通过产品功能为围绕肥料的法律框架提供结构。

**分析方法**
虽然监管框架为肥料产品及其使用创造了要求，但同样重要的是考虑这些材料如何流经并影响环境和农业系统。物质流分析（MFA）和生命周期评估（LCA）等分析工具提供了一种系统的方法来衡量资源流和评估环境影响，为 RD-BBF 管理策略的有效性和可持续性提供更深入的见解。

**关闭养分循环**
为了关闭农业系统中的养分循环并实现更可持续的养分管理方法，RD-BBFs 是至关重要的。循环经济模型强调从不同的废物来源回收养分，这大大减少了对合成肥料的依赖，同时最大限度地减少了其使用和生产带来的环境影响。根据美国的一项研究（McCartney et al., 2021），从废水中去除 N 和 P 并在农业系统中重用它们。

**RD-BBFs 广泛采用的障碍**
RD-BBFs 养分含量存在差异是一个主要问题。这种差异使标准化工作变得复杂，使农民难以施用针对作物需求量身定制的精确养分量。这种差异源于几个因素，包括所使用的原材料、采用的加工方法以及养分本身的固有特性。此外，RD-BBFs 的养分释放模式可能不如合成。

**克服障碍并促进 RD-BBF 采用的策略**
增强可持续性、减少废物和改善养分管理都需要促进在农业作业中使用回收肥料。尽管如上一节所述这些肥料显示出优势，但它们的广泛使用受到几个障碍的阻碍。一些克服这些障碍的策略包括经济激励、教育举措、立法框架和社区参与（Pi?eiro et al., 2020）。经济激励，如补贴。

**结论**
本评论阐明了 RD-BBFs 在可持续农业中的潜在作用，特别是在促进循环经济方面。已经审查了各种来源，如牲畜浆液、动物浆液和粪便、乳品加工污泥、食物残渣、城市固体废物和污泥，以及厌氧消化、堆肥、氨剥离和洗涤、沉淀和结晶以及热化学过程等生产方法。本评论表明有众多。

**CRediT 作者贡献声明**
Milka Susan Kollannur Biju：写作 – 原稿、可视化、正式分析、数据整理、概念化。S.M. Ashekuzzaman：写作 – 审阅与编辑、验证、监督、概念化。Ciaran O'Donnell：写作 – 审阅与编辑、可视化、验证、监督、概念化。Ivona Sigurnjak：写作 – 审阅与编辑、可视化、验证、监督、方法论、正式分析、概念化。Erik Meers：写作 – 审阅与编辑，

**利益冲突声明**
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Niamh Power 报告获得 Interreg North West Europe 提供的财政支持。Erik Meers 报告获得 East Flanders 省提供的财政支持。

如果有其他作者，他们声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能被认为会影响本论文所述的工作。

致谢

作者们感谢欧盟西北欧区域合作计划 (NWE) 通过“养分循环——从中试生产到农田” (ReNu2Cycle – NWE0100073) 项目为本研究提供资金支持，该项目由东佛兰德省共同资助，以及“在农场试验中评估的多绩效系统性创新” (SIMONE – NWE0200226) 项目。

Milka Susan Kollannur Biju|S.M. Ashekuzzaman|Ciaran O'Donnell|Ivona Sigurnjak|Erik Meers|Niamh Power