松木工程化生物炭作为养分淋失管理的解决方案：饱和多孔条件下缓解禽粪磷素和硝酸盐流失

《Journal of Environmental Management》：Pinewood engineered biochar as a solution to nutrient leaching management: Mitigating phosphorus and nitrate loss from poultry litter under saturated porous conditions

　　

摘要
家禽粪肥（PL）是磷（P）和氮（N）有价值且廉价的来源。然而，反复将 PL 施用于土壤会导致磷分层，并通过地表径流和淋溶增加磷酸根（PO43?）和硝态氮（NO3??N）的损失，这可能导致地表水和地下水污染。因此，本研究评估了原始生物炭（PBC）、铁改性生物炭（Fe-PBC）和镁改性生物炭（Mg-PBC）使用柱实验和批次实验固定从 PL 中提取的 PO43?和 NO3??N 的效果。柱实验表明，PBC 和 Fe-PBC 中 PO43?早期穿透，表明固定化能力有限，而 Fe-PBC 显著固定了 NO3??N，Mg-PBC 有效固定了 NO3??N 和 PO43?。镁改性生物炭表现出 PO43?的实验最大吸附容量（qmax）为 (1.25 ± 0.003 mg g?1)，而 Mg-PBC (0.1 ± 0.001 mg g?1) 和 Fe-PBC (0.09 ± 0.0003 mg g?1) 的 NO3??N qmax 几乎相同。PBC 和 Fe-PBC 上的磷酸盐吸附动力学最好由 Elovich 模型描述，而 NO3??N 吸附动力学更好地由伪一级、伪二级和 Elovich 模型解释。Sips 等温线最适合 PBC 和 Mg-PBC 上的 PO43?吸附，以及所有生物炭上的 NO3??N 吸附，表明非均匀多层吸附。Langmuir 拟合很好地描述了 NO3??N 吸附，但对 PO43?吸附描述较差，而 Freundlich 模型更好地反映了非均匀吸附。结果表明，Fe-PBC 可作为 NO3??N 吸附剂，而 Mg-PBC 可作为 PO43?和 NO3??N 的有效吸附剂，表明养分管理的潜在解决方案。本研究有助于理解化学复杂的 PL 溶液下生物炭与养分的相互作用，并为施粪地区开发可持续养分管理策略提供见解。

引言
家禽业是美国东南部主要的农业部门之一，2024 年生产了约 94.1 亿只肉鸡（USDA-NASS, 2025），并产生了约 1300 万吨家禽粪肥（PL）（Katuwal 等，2023），这是粪便和垫料的混合物。在美国各州中，阿拉巴马州是第二大家禽生产州，生产了近 11.7 亿只肉鸡，每年产生约 150 万至 200 万吨 PL（Singh 和 Prasad, 2025）。在阿拉巴马州，PL 通常施用于牧场，最近施用于行栽作物的情况有所增加，因为与商业肥料相比，其成本相对较低且含有各种大量和微量养分（Tewolde 等，2024）。

反复将 PL 施用于农田导致磷分层，与较深层土壤层相比，靠近土壤表面的浓度升高，这与地表径流和淋溶中的磷损失有关（Hussain 等，2021），从而对地表水和地下水质量构成风险（Malhotra 等，2024）。另一方面，硝酸盐（NO3?）具有高水溶性和迁移性，因此不易被带负电荷的土壤颗粒吸附，使其易受淋溶并污染附近水体（Tang 等，2025）。

硝酸盐和磷酸盐（PO43?）是导致水体富营养化的主要养分（Yin 等，2018a），并影响美国各地的地表水体（Chang 等，2023）。此外，饮用水中过量的 PO43?和 NO3?与不良健康效应有关（Biswas 等，2024）。因此，需要可持续的养分管理实践来减少施 PL 农田的营养场外运输（Zhang 等，2020）。

生物炭是一种多功能、含碳、多孔吸附剂，具有较大的比表面积（SSA）、高阳离子交换量、pH 缓冲能力、表面官能团和有效螯合作用（Kumar 等，2025）。施用于土壤的生物炭已被证明可通过特异性和非特异性吸附机制吸附 NO3?和 PO43?，因此可作为富 N 或富 P 的投入（Zhang 等，2020）。因此，生物炭有潜力作为缓释肥料，增强土壤肥力，刺激作物生长，增加作物产量（Wang 等，2020）。然而，原始生物炭中存在含氧、氮和硫的表面官能团导致表面带负电荷（Deng 等，2021）。因此，静电排斥限制了生物炭对阴离子物种的亲和力，特别是 PO43?和 NO3?（Liang 等，2021）。几项研究还报道，由于带负电荷的表面官能团，原始生物炭的 PO43?和 NO3?吸附容量（qe）有限（Yin 等，2018）。因此，为了提高原始生物炭对 PO43?和 NO3?的 qe，提出了几种物理化学改性方法。其中，使用 Mg2+（Nardis 等，2021）、Ca2+（Fang 等，2020）、Fe2+/Fe3+（Li 等，2019）、Al3+（Novais 等，2018）和 La3+（Shakoor 等，2021）离子的金属盐浸渍已成为最有效的方法。具体而言，Fe 和 Mg 因其高养分 qe 和环境相容性而被认为是生物炭改性的有前景的替代品（Huang 等，2024；Biswas 等，2024）。此外，Fe 在地壳中的丰富性确保了其可用性，其长期环境可持续性使其成为环保应用的优选元素（Li 等，2020）。同样，Mg 在生物圈中丰富且生态无毒，使其成为可持续生物炭改性的有效选择（Vamvuka 等，2024）。

尽管 Mg 和 Fe 改性生物炭在合成溶液中表现出强烈的养分吸附潜力（Biswas 等，2024），它们在反映施粪农田淋溶液化学复杂性和养分固定化的条件下的有效性仍知之甚少。缺乏对生物炭减轻粪便养分损失能力的机制理解，限制了施粪密集地区田间养分管理策略的开发。因此，本研究旨在实现以下目标：（i）量化在掺入原始、Mg 和 Fe 改性生物炭的饱和多孔介质中从 PL 淋出的 NO3??N 和 PO43?的吸附和运输行为，（ii）阐明不同类型生物炭和施用量下控制的养分吸附机制，（iii）比较不同剂量下原始、Mg 和 Fe 改性生物炭的效率，以确定最大化养分保留同时最小化淋溶损失的条件。

章节片段
生物炭制备与表征
商用松木生物炭采购自 BioChar Now（科罗拉多州伯瑟德）。原始松木生物炭样品是通过在回转管炉（Carbolite Gero TSR 11/125/1000, Carbolite Gero Ltd., 英国德比郡霍普）中于 700 °C 下热解商用生物炭 5-6 分钟停留时间制备的。镁改性生物炭和铁改性生物炭是通过用六水合氯化镁（MgCl2·6H2O）和四水合氯化亚铁（FeCl2·4H2O）预处理原始生物炭制备的

家禽粪肥溶液的物理化学性质
本实验使用的 PL 溶液分析了总氮（TN）、总磷（TP）、溶解活性磷（DRP）、总溶解磷（TDP）和 pH 值（表 S1）。PL 溶液中 TN、TP、TDP 和 DRP 的浓度分别为 28.6 ± 0.97 g kg?1、18.5 ± 0.15 g kg?1、4.83 ± 0.62 g kg?1 和 4.27 ± 0.36 g kg?1。PL 溶液的 pH 值约为 9.3，PL 含水率约为 13.1 ± 2.13%（湿基），这低于其他报道的典型 PL 含水率

结论
本研究证明，生物炭改性显著改善了从 PL 溶液中养分固定化。镁改性生物炭同时吸附 NO3??N 和 PO43?，表明其具有减少施 PL 田地养分迁移性的潜力。然而，需要更长期的淋溶和植物有效性研究来确定保留的养分是否能在田间条件下作为 N 和 P 的缓释来源。另一方面，Fe-PBC 有效吸附了硝态氮。

CRediT 作者贡献声明
Atiqur Rahman：概念化、数据整理、形式分析、调查、方法论、资源、软件、可视化、写作 – 初稿。Rakesh Kumar：概念化、形式分析、调查、方法论、资源、验证、写作 – 审查与编辑。Gurparshad Singh Brar：数据整理、资源、写作 – 审查与编辑。Jasmeet Lamba：概念化、形式分析、资金获取、调查、方法论、项目管理、资源，

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
该研究得到了国家自然科学基金会资助 # 2316278 的支持。Rakesh Kumar 部分得到了美国农业部 - 农业研究服务局（USDA-ARS）在非援助合作协议（58-6010-2-005）下的支持。该研究还得到了 USDA-NIFA Hatch 项目（ALA014-2-19254）和阿拉巴马农业实验站的支持。

阿蒂库尔·拉赫曼 | 拉凯什·库马尔 | 古尔帕沙德·辛格·布拉尔 | 贾斯米特·兰巴 | 苏希尔·阿迪卡里 | 尼特什·库马尔·卡塞拉 | 亨利·艾伦·托伯特 | 德克斯特·瓦茨 | 托马斯·R·韦
美国阿拉巴马州奥本大学生物系统工程系，奥本，AL，36849