用于磷素循环回收和缓释施肥的油棕树干生物炭 - 水凝胶珠：砖红壤改良与生命周期评价

《Biomass and Bioenergy》：Oil palm trunk biochar-hydrogel beads for circular phosphorus recovery and slow-release fertilization: Ultisol amelioration and life cycle assessment

　　

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  OPT 生物炭 - 藻酸盐水凝胶珠可实现磷肥缓释。
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  封装将 20 天内的磷释放量降低至 0.39% (OPT-B-P-HB20)。
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  最高 Na₂CO₃ 剂量赋予最高 CaCO₃ 当量含量。
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  封装肥料改善了砖红壤的 pH 值、CEC 及生菜生长。
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  工业情景 LCA 显示温室气体减排潜力高达 98.71%。

引言

磷 (P) 是植物生长所必需的大量营养元素，然而其低效管理带来了农业和环境方面的挑战。施用磷的很大一部分未被作物吸收，而是被固定在土壤中或运输到水生系统中，过量的磷输入会导致富营养化 [[1], [2], [3]]。与此同时，作为矿物磷肥主要来源的磷矿石是一种有限且在地理上集中的资源 [4,5]。因此，从水系统中回收磷并将其返还给农业土壤可以同时减少磷污染并改善资源循环性。然而，这种方法的有效性不仅取决于回收磷，还取决于土壤施用后维持其有效性。回收的磷必须以与植物吸收相容的速率释放，同时避免快速淋溶或被土壤矿物固定。

吸附提供了一种从水系统中回收磷的简单且相对较低能耗的方法 [6]。在潜在的吸附剂中，生物炭特别具有吸引力，因为它可以由丰富的生物质残渣生产，并通过表面络合、配体交换、静电相互作用和矿物沉淀保留磷 [[7], [8], [9], [10], [11], [12]]。重要的是，载磷生物炭可以直接作为肥料施用，从而为营养物质的回收和循环利用创造途径 [13,14]。然而，载磷生物炭的肥料价值受其磷释放行为的强烈影响。当直接施用于土壤时，水可以快速渗透生物炭基质并与含磷位点相互作用，可能导致磷释放初始阶段不希望的快速释放。例如，一项研究报告称，一种基于生物炭的磷肥在 144 小时内达到平衡 [9]，而另一项研究报告称 5 天内约有 40% 的磷释放 [15]。这种快速的磷释放可能会增加磷损失的风险，并降低使营养物质有效性同步于植物需求的能力。因此，控制磷释放速率是开发有效磷肥料的关键材料挑战。

这一挑战在砖红壤中尤为重要，砖红壤是强烈风化和酸性的土壤，含有大量反应性含 Al 和 Fe 的相，强烈结合磷并降低其对植物的有效性 [16,17]。传统方法通常将磷肥与石灰化处理结合以缓解土壤酸度并减少磷固定 [18,19]。然而，传统石灰化处理需要改良相对较大的土壤体积，而可溶性磷在施用后可能会立即遇到反应性 Al 和 Fe 表面 [20,21]。因此，更有针对性的策略将是调节磷释放，同时改性肥料周围立即周围的化学环境。水凝胶珠封装提供了一种实现控制释放的潜在手段，因为其三维网络结构限制了水的渗透并调节溶质扩散 [22]。最近的研究探索了生物炭 - 水凝胶系统，包括马铃薯淀粉的离子交联 [23] 和含有 Ni–ZnO 交联羧甲基纤维素的水凝胶珠 [24]。然而，这些方法主要集中于控制磷释放速率，而不是同时改性释放磷所引入的土壤化学环境。这一区别很重要，因为仅较慢的磷释放并不一定能在强磷固定土壤中防止磷固定。在酸性砖红壤土壤中，肥料中逐渐释放的磷在可供植物吸收之前仍可能被反应性 Al 和 Fe 固定。

将无机矿物相掺入藻酸盐水凝胶中提供了通过聚合物网络的扩散控制之外的额外功能引入机会。以前的研究证明了在藻酸基质中原位形成 CaCO₃ 和磷酸钙，表明藻酸盐可以作为矿物形成的模板 [25]。据报道，含 CaCO₃ 的藻酸盐珠可以改性 pH 依赖性溶质释放 [26]，而矿物 – 藻酸盐复合材料已被研究用于磷回收和控制营养物质释放 [27,28]。最近，含 CaCO₃ 的藻酸盐系统已被探索用于营养物质释放调节和土壤 pH 改性。这些研究表明，矿物 – 水凝胶组合可以提供仅通过聚合物基质无法实现的功能。然而，将原位 CaCO₃ 形成与载磷生物质衍生生物炭具体整合以同时调节磷扩散并改性肥料周围酸性环境的研究仍然不足，特别是对于强磷固定的砖红壤。

为弥补这一差距，本研究将 Na₂CO₃ 掺入藻酸前驱体中，随后用 CaCl₂ 交联聚合物，以促进水凝胶珠中原位 CaCO₃ 的形成。所得矿物相旨在提供两种互补功能：调节封装生物炭中磷的扩散和在肥料 – 土壤界面提供局部碱性。CaCO₃ 相可以通过封装基质增加对磷传输的阻力，而碳酸盐碱性可以局部调节土壤酸度并减少肥料表面附近 Al 和 Fe 的反应性。因此，建议的系统旨在将控制营养物质输送与磷释放所引入的化学环境的局部改性相结合，而不是仅仅依赖较慢的磷释放或大量土壤石灰化处理。重要的是，这种方法的新颖性不在于使用矿化藻酸盐水凝胶本身，这已被以前证明，而在于将原位 CaCO₃ 形成与载磷生物炭整合，用于同时调节磷释放和局部缓解砖红壤土壤中的磷固定条件。

生物质原料的选择对于开发可持续的磷回收肥料也很重要。油棕干 (OPT) 在油棕重植过程中大量产生，每年每公顷约 74.48 吨 [29]，然而这些生物质大部分被留在种植园或用于相对低价值的用途。因此，OPT 代表了生物炭生产丰富且未充分利用的含碳原料。此外，低温工艺可以保留更大比例的含氧表面官能团，降低能源需求，并提供比传统高温热解更高的固体产率 [30,31]。这些特性使低温 OPT 生物炭成为磷回收和后续肥料开发的有前途的平台。

因此，关键的知识缺口不仅在于缓释磷肥的开发；它在于缺乏一种集成肥料系统，该系统能同时实现磷回收、控制营养物质释放和局部缓解磷固定土壤条件。虽然生物炭已证明具有磷回收潜力，且水凝胶珠可以调节营养物质扩散，但尚未系统研究将载磷 OPT 生物炭与封装基质中原位 CaCO₃ 形成结合作为碱性源用于强磷固定的砖红壤。

在本研究中，我们通过改变 Na₂CO₃ 浓度开发了一种多功能肥料，并系统地评估了其理化特性和磷释放行为。随后通过砖红壤中的土壤孵化和生菜种植评估了其对磷有效性、土壤化学特性和植物性能的影响。选择生菜是因为其生长迅速且对营养物质有效性高度敏感，能够在相对较短的实验期内获得可测量的响应。最后，生命周期评估 (LCA) 用于评估环境权衡并确定与肥料生产相关的潜在热点。虽然以前的 LCA 研究强调了生物炭在废物利用和碳储存方面的潜力。结合磷回收、控制释放、土壤改良和碳固存的集成系统的环境性能仍然知之甚少 [32,33]。因此，本研究整合了材料、农业和 LCA 以确定建议的 OPT 衍生肥料是否能提供环境和农业利益，同时支持磷循环和农业废物利用。

章节摘要

材料和吸附质储备液

油棕干生物质 (OPT) 购自印度尼西亚棉兰的 PT. AASP。盐酸 (HCl)、藻酸钠 (SA)、氯化钙 (CaCl₂)、碳酸钠 (Na₂CO₃) 和氢氧化钠 (NaOH) 由日本 Kanto Chemical Co. Inc. 供应。Super Phosphate-36% (SP-36) 购自 PT. ECA TANI BAROKAH (SNI 2803-2022)，用作传统肥料。

生物炭制备和磷吸附

首先用去离子 (DI) 水彻底洗涤 OPT 生物质以去除杂质，然后使用磨机粉碎

OPT 和 OPT-B 表征

OPT-B 的理化特性总结在表 1 中，而 OPT、OPT-B 和 OPT-B-P 的表面形态和表面官能团呈现于图 1、图 2 中。工业分析显示 OPT-B 含有 1.50% 水分、36.70% 挥发分、44.89% 灰分和 16.91% 固定碳。低水分含量表明热解材料已充分干燥，适合吸附实验。最显著的特征是相对较高的灰分

结论

本研究通过结合载磷油棕干 (OPT) 生物炭、藻酸盐水凝胶封装和原位 CaCO₃ 形成开发了一种多功能肥料。与未封装的 OPT-B-P 相比，封装显著减少了磷释放，其中 OPT-B-P-HB20 显示最低累计磷释放 (20 天内 0.39%) 和最高 CaCO₃ 当量含量 (15.39%)。封装配方还改善了砖红壤的几项化学特性，包括土壤 pH 值、有机碳、CEC，

CRediT 作者贡献声明

Endar Hidayat: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，可视化，验证，软件，资源，项目管理，方法论，调查，正式分析，数据整理，概念化。Sadaki Samitsu: 写作 – 审阅与编辑，指导，资金获取。Hamad Zaki Rabbani: 可视化，验证，调查，正式分析，数据整理。Gusmini: 验证，资源。Andik Irawan: 验证，正式分析，数据整理。

致谢

作者感谢印度尼西亚 PT Anugerah Agro Sawit Perkasa (AASP) 提供油棕干样本。本研究由 JSPS KAKENHI 资助，项目编号 25KF0084，日本。此外，本研究还受 KEMENDIKTISAINTEK 资助，合同编号 189/C3/DT.05.00/PL-BARU/2026，印度尼西亚。

Endar Hidayat|Sadaki Samitsu|Hamad Zaki Rabbani|Gusmini|Andik Irawan