《Food and Bioproducts Processing》：Converting tender coconut waste into biochar-based nitrogen slow-release fertilizer: Advancing circular bioeconomy strategies
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摘要氮（N）肥通过淋溶、挥发和径流流失，削弱了可持续养分管理和作物生产力。基于生物炭的缓释肥（SRF）可能是一种可持续的解决方案。青椰子壳生物炭在此方面的研究尚不充分；因此，我们在300、500和700°C下对青椰子壳进行热解，随后用尿素溶液浸渍，制备了TCIBC300、TC
摘要
氮（N）肥通过淋溶、挥发和径流流失，削弱了可持续养分管理和作物生产力。基于生物炭的缓释肥（SRF）可能是一种可持续的解决方案。青椰子壳生物炭在此方面的研究尚不充分；因此，我们在300、500和700°C下对青椰子壳进行热解，随后用尿素溶液浸渍，制备了TCIBC300、TCIBC500和TCIBC700三种缓释肥。SEM-EDS、XRD、FTIR、BET和XPS分析表明，热解温度对材料表面性质有显著影响。土柱淋溶试验表明，TCIBC500在缓释研究中效果最佳，28天内的累计氮释放率最低（67.1%），而同期对照组（尿素）的释放率为96.8%。动力学模型和XPS分析表明，TCBC的氮释放与吸附质-吸附剂相互作用、孔隙网络、表面极性和增强的反应活性（由C=O和–OH引起）有关。植物功效试验显示，TCBC300使地上部分（29.1%）和根系（31.2%）长度相比其他TCBC有所提高。经济分析表明，TCBC肥料是一种具有成本效益的解决方案（每千克0.24至0.36美元），可减少氮肥投入量，为可持续农业系统提供经济和生态双重效益。
引言
氮是全球植物性食物生产中至关重要的常用肥料。尿素是全球广泛使用的氮肥，2022年全球产量约为1.8亿公吨（GPCA 2024）。然而，田间施用过程中的损失是最大的问题，据估计20%至60%的氮通过淋溶（Wang和Li，2019）、挥发（Pan等人，2016）、地表径流和气态排放（Chen等人，2023）而流失，导致其他环境问题，如大气氮循环的干扰（Wang和Li，2019；Yu等人，2023）、地下水资源污染（Ahada和Suthar，2018；Suthar等人，2009）以及水体富营养化（Rey-Romero等人，2022）。氮利用效率（NUE）低下与作物产量降低相关，对全球粮食供应和农业部门的可持续性构成挑战（Wei等人，2024；Zhang等人，2015）。因此，为解决这些问题，农业中急需可持续养分管理，而开发缓释肥（SRFs）有助于应对这些挑战（Bhatt等人，2023；Sharma等人，2023）。同时，基于生物炭的缓释肥引起了政策制定者的关注，因为它们能更长时间地保留养分并减少损失，从而改善养分吸收并减少淋溶（Pawaiya等人，2025；Sharma和Suthar，2025）。
生物炭（BC）是在无氧条件下通过高温热解生物质产生的。热解是一个两阶段过程。在第一阶段，木质素、纤维素和半纤维素的复杂分子键被分解，形成羧基、羰基和羟基，随后经历脱羧、脱水和脱氢形成大分子（D. Chen等人，2022；Zheng等人，2025）。在第二阶段，较大的分子进一步反应，产生生物炭、生物油和生物气（Bruun等人，2012；Zhang等人，2024）。由于其高度多孔结构，生物炭可以增强土壤物理性质，如总孔隙度、土壤密度、土壤含水量、持水能力和水力传导率（Guo等人，2022）。此外，将生物炭施入土壤会为微生物生长创造有利环境（M. Zhang等人，2023），促进其繁殖。因此，基于生物炭的缓释肥可以同时解决多个问题：减少通过淋溶造成的养分损失（Motasim等人，2024）、提高植物氮利用效率（Y. Jia等人，2021），并通过长期碳封存和微生物群落特征来增加土壤碳含量。
已有研究表明，不同木质纤维素生物质在制备富含尿素的生物炭基缓释肥方面具有潜力：叶片和树木修剪枝条（Shi等人，2020）、玉米芯（Wu等人，2022）、稻草和稻壳（Singh等人，2020）、香蕉叶鞘（Ramesh和Raghavan，2025）、锯末（Rubel和Wei，2022）等。同时，研究表明，除了用于热解的生物质木质纤维素特性外，热解温度在决定此类生物炭基缓释肥的表面化学性质和缓释行为方面也起着关键作用（Sharma和Suthar，2025；C. Wang等人，2022）。因此，将表面化学与热解温度策略联系起来，可以为设计用于土壤系统长期养分管理的高效缓释肥提供有价值的解决方案。
青椰子壳是椰子果实的显著组成部分。根据椰子发展局（2025）的数据，2021-22年度，印度是主要生产国，产量达20,736百万颗，其次是菲律宾（14,717百万颗）和印度尼西亚（14,200百万颗）。在印度，青椰子壳在公路和街道两旁、路边和椰汁铺的售卖非常普遍。然而，废弃的青椰子壳往往被不当丢弃，通过直接弃置和露天焚烧等方式管理不善，导致环境污染。一种实用技术解决方案是将其热转化生物炭，用于农业用途和碳封存。近期研究表明，青椰子壳生物炭在多种应用中具有潜力，如吸附去除有害物质（Anshary和Napitupulu，2022；Kapoor等人，2024）、改善土壤性质和作物生长（Gopal等人，2020）、生产生物燃料（Taveira等人，2025）等。然而，据我们所知，此前研究者尚未充分研究青椰子壳生物炭在开发缓释肥方面的潜在应用。此类废弃物可以成为开发缓释肥的宝贵原料，有助于实现多个可持续发展目标（SDGs），推动废弃物增值和可持续农业系统。本研究的新颖之处在于系统地将近热解温度与生物炭表面化学联系起来，阐明其对养分释放行为和植物生长的综合影响，从而为基于生物炭的缓释肥的合理设计提供新的科学见解。
因此，本研究调查了基于青椰子壳、浸渍尿素的缓释肥的开发。为优化表面化学和释放行为，在无氧环境下以300、500和700°C进行热解，并利用SEM-EDX、BET、FT-IR、XRD和XPS分析研究了表面化学和形貌。进行土柱试验以检测氮释放，并使用PFO、PSO、PDM和KPM动力学模型进行释放动力学研究。还进行了盆栽试验以评估缓释肥对玉米幼苗的影响。最后，进行了经济评估以估算缓释肥生产的经济可行性，供农业应用参考。
章节摘要
材料
青椰子生物质采集自印度德哈杜恩（30.3165°N, 73.0322°E）的街头商贩，随后在60°C下清洗并干燥至完全干燥。然后进行研磨和筛分（<1 mm），并记录以下性质：pH = 6.5 ± 0.2，电导率（EC）= 1 ± 0.04 dS/m，水分含量（M%）= 8.7 ± 2.0，挥发分（VM%）= 77.8 ± 4.3，固定碳（%）= 8.09 ± 1.04，灰分（%）= 5.38 ± 1.3。浸渍所用的尿素（粉末形式）购自Fisher Scientific。
缓释肥的SEM-EDS、BET、FT-IR、XRD和XPS分析
SEM-EDS分析用于揭示生物炭的表面形貌（图1），结果表明其具有高孔隙结构，且形状和大小各异。TCBC300和TCBC500的形状一般不规则，呈五边形至六边形，类似蜂窝状结构。这类结构在植物源木质纤维素材料中很常见，具有维管束特征（Q. Wang等人，2022）。TCBC700的表面呈不规则、断裂的片状结构，并且
结论
缓释肥表现出优异的缓释特性和促进植物生长的效果。缓释主要通过生物炭基质内尿素的强吸附作用驱动，提高了植物对氮的可用性。TCIBC500表现出最佳的缓释性能，28天内的累计氮释放率仅为67.1%。此外，经济可行性分析表明，缓释肥可以以合理的成本大规模生产，使其成为传统尿素的可行替代品。
未引用参考文献
（Chen等人，2022；Jia等人，2021；Vendra Singh等人，2020；Wang等人，2021；Wang等人，2022；Zhang等人，2023）
资助
AS由印度教育部通过UGC NET JRF奖学金计划提供资金支持（NTA参考编号：190520683265）。
CRediT作者贡献声明
Riya Soin：研究方法、正式分析、数据整理。Surindra Suthar：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、验证、监督、资源、研究方法、调查研究、概念构思。Ashish Sharma：撰写—初稿、可视化、研究方法、调查研究、正式分析、数据整理。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
我们非常感谢大学管理部门为我们提供的机构研究支持。我们同样感谢两位匿名审稿人的宝贵建议。
Ashish Sharma|Riya Soin|Surindra Suthar
杜恩大学环境与自然资源学院，印度北阿坎德邦德哈杜恩，邮编248001
