《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Comparing the Effectiveness of two Innovative Slow-Release Fertilizers on Chemical Release Dynamics and Lettuce Plant Growth
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目的：传统肥料的使用引发了对养分损失、土壤退化和不可再生资源消耗的担忧。源自废物的缓释肥料（SRFs）可通过结合渐进式养分释放与残渣资源化来减轻这些影响。然而，完整的氮磷钾（NPK）玻璃基SRFs仍鲜有探索，尤其是当氮素通过有机相供给时。研究人员假设，冷固结与
目的：传统肥料的使用引发了对养分损失、土壤退化和不可再生资源消耗的担忧。源自废物的缓释肥料（SRFs）可通过结合渐进式养分释放与残渣资源化来减轻这些影响。然而，完整的氮磷钾（NPK）玻璃基SRFs仍鲜有探索，尤其是当氮素通过有机相供给时。研究人员假设，冷固结与热固结SRFs尽管具有相同的原料和NPK含量，但在养分释放和植物响应方面会存在差异。因此，本研究比较了它们的NPK释放特性、对欧洲SRF标准的符合性以及对莴苣（Lactuca sativa L.）生长和生理的影响。方法：通过柠檬酸和乙酸中的溶解度试验评估了这两种SRFs（其结晶相或无定形相取决于加工温度）的大量元素（N、P、K）释放动态。进行了两次重复的莴苣栽培生长试验，测量农艺参数（鲜生物量、株高、叶面积）以及基质化学参数与品质。利用氮平衡指数（NBI）评估植物的生理状态。结果：冷-SRF表现出显著更高的氮释放率（90天时为75.9%），而热-SRF则低于5%。柠檬酸中两种配方的磷释放率相当（约80%），而在乙酸中冷-SRF达到约70%，热-SRF则低于30%。钾呈现相反模式，热-SRF几乎完全释放（柠檬酸中约100%，乙酸中约90%），而冷-SRF在两种介质中均约为60%。与对照组和热-SRF相比，冷-SRF显著改善了植物生物量、株高和叶面积（p<0.05），且这一农艺表现得到了增强的NBI值的支持。结论：冷-SRF提供了更高且更持续的整体总养分释放（TNR：90天时为67.0%），相比之下热-SRF为59.4%，这主要由氮和磷的释放趋势驱动。这种更持续的养分有效性在为期28天的莴苣试验中转化为优越的植物表现：更大的叶面积、更高的株高、更高的地上部生物量以及增强的NBI值，表明更好的氮素状况和光合效率。由于养分释放在三个月内保持活跃，而农艺试验在28天内已显示出积极效果，冷-SRF也代表了低维护施肥策略的一个有前景的选择，即在减少施用次数、降低运营成本的同时维持充足的营养供应。
一、研究背景与意义
全球人口预计到2050年将接近97亿，这对农业系统施加了巨大压力。传统合成肥料虽在保障作物生产力中发挥核心作用，但其低效利用导致了严重的环境问题，包括养分淋失、土壤退化、水体富营养化以及温室气体排放。据联合国粮农组织（FAO）数据，每年通过农业和工业向陆地表面添加约150 Tg的活性氮，超过工业化前水平的两倍。因此，提高肥料利用效率同时维持作物产量成为可持续农业的关键需求。
在此背景下，利用废弃物资源开发缓释肥料（Slow-Release Fertilizers, SRFs）成为一种有前景的策略。SRFs能通过控制养分释放来提高利用效率并减少环境污染风险。其中，玻璃或微晶玻璃形式的SRFs因其能提供持久基质以实现持续养分递送而备受关注，可同时掺入微量与大量元素，但氮通常需额外非玻璃源补充。然而，完整的氮磷钾（NPK）玻璃基SRFs研究尚不充分，特别是当氮由有机相供给时。基于此，本研究提出假设：尽管采用相同原料和NPK含量，冷固结与热固结工艺制备的SRFs在养分释放和植物响应上会存在差异。该研究旨在比较两种新型SRFs的NPK释放动态、对欧洲SRF标准的符合性，并通过整合体外释放数据与体内植物响应，识别性能更优的配方及其适用场景。该论文发表在《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》。
二、关键技术方法
为探究两种SRFs的性能，研究人员采用了以下关键技术方法：
- 1.
SRFs制备：利用动物血粉、骨粉和浮石废料等回收原料，分别通过室温冷法造粒（冷-SRF）和高温熔融水淬玻璃化后混合有机氮源造粒（热-SRF）制备两种完整NPK缓释肥料。
- 2.
NPK释放动力学评估：使用2%柠檬酸和0.5 M乙酸溶液作为提取剂，模拟土壤腐殖质螯合作用和酸性降雨条件下的养分释放行为，在不同接触时间点测定氮、磷、钾的释放百分比，并计算总养分释放（Total Nutrient Release, TNR）。
- 3.
植物生长试验：以莴苣（Lactuca sativa L.）为模式植物，在受控生长箱中进行为期28天的栽培试验，设置未施肥对照（CNTR）、冷-SRF和热-SRF三个处理组，每处理4个重复，试验重复两次。
- 4.
农艺与生理指标测定：收获时测定地上部与地下部鲜重/干重、株高、根长、叶面积等农艺参数；并使用Dualex传感器测定叶片叶绿素、花青素、黄烷醇含量及氮平衡指数（Nitrogen Balance Index, NBI）。
- 5.
基质与植物化学分析：对种植前后基质的总有机碳、全氮、有效磷、交换性钾及硝酸盐、重金属等含量进行分析，并对莴苣叶片进行相应元素含量检测，以确保食品安全。
三、研究结果
3.1 SRFs释放动力学
在柠檬酸中，冷-SRF和热-SRF的质量损失曲线相似，均在168小时内快速损失，之后趋于平缓，最终热-SRF质量损失约40%，冷-SRF低于30%。在乙酸中，冷-SRF质量损失基本不变，而热-SRF溶解度下降至与冷-SRF相当。对于NPK释放，冷-SRF在柠檬酸中90天时释放了75.9%的氮，远超其硝酸盐含量，表明约70%的有机氮被动员；而热-SRF氮释放低于5%，可能源于玻璃基质对蛋白质的吸附或包埋作用。磷在柠檬酸中两者释放率均约80%；在乙酸中，冷-SRF释放约70%，热-SRF低于30%。钾释放模式相反，热-SRF在柠檬酸和乙酸中分别达到约100%和90%，而冷-SRF均约为60%。两种肥料均满足欧洲SRF标准（24小时TNR<15%，28天TNR<75%）：24小时TNR均为7.3%，28天时冷-SRF为59.0%，热-SRF为55.9%。
3.2 植物生长试验
冷-SRF处理显著促进了莴苣地上部生长：地上部鲜重达7.6±1.6 g，显著高于对照（3.7±1.3 g）和热-SRF处理；单株鲜重、株高（7.3±1.8 cm）和叶面积（20.1±4.0 cm2）也均为最高。热-SRF处理则诱导了不同的生长响应：叶片数量较多但单个叶面积较小，且地下部干重（0.3±0.1 g）和根长（20.2±2.3 cm）显著高于冷-SRF处理，表明其将更多生物量分配至根系。
3.3 生理与化学指标
冷-SRF处理的NBI值（6.10±1.00）显著高于对照（4.14±1.37）和热-SRF（3.86±0.76），表明其氮营养状况更佳。冷-SRF叶片叶绿素和花青素含量也显著升高，黄烷醇含量则显著降低。基质化学分析显示，种植后热-SRF基质中残留的全氮、硝酸盐和有效磷含量均显著高于冷-SRF和对照，但并未转化为相应的地上部生物量。主成分分析（PCA）清晰地分离了三种处理，冷-SRF主要与地上部生长性状正相关，而热-SRF则与基质硝态氮、有效磷及根系干重相关联。
四、讨论与结论
讨论总结：本研究表明，冷-SRF和热-SRF在养分溶解性、基质化学性质及莴苣生长分配上存在显著差异。两种配方均符合缓释肥料标准，证实了利用农业工业废弃物生产功能性肥料的潜力。冷-SRF中，氮和钾呈渐进式释放，磷来自羟基磷灰石，在螯合剂作用下溶解良好；其较高的总养分释放（TNR 67.0%）更好地匹配了短生育期作物的需求。热-SRF中，磷和钾被固定在玻璃-陶瓷基质中，钾通过离子交换易于释放，而磷需依赖基质解体；其氮释放几乎为零，研究人员推测是由于有机氮源与玻璃基质共定位导致蛋白质被硅胶层物理包埋或静电吸附，限制了其矿化。这一延迟的氮有效性解释了为何热-SRF处理后基质中残留养分较高，但植物地上部生物量较低，同时刺激了根系扩展以补偿养分获取不足。
研究结论：冷-SRF提供了更高且更持续的整体总养分释放（TNR：90天时为67.0%），相比之下热-SRF为59.4%，这主要由氮和磷的释放趋势驱动。这种更持续的养分有效性在为期28天的莴苣试验中转化为优越的植物表现：更大的叶面积、更高的株高、更高的地上部生物量，以及增强的NBI值，表明更好的氮素状况和光合效率。由于养分释放在三个月内保持活跃，而农艺试验在28天内已显示出积极效果，冷-SRF也代表了低维护施肥策略的一个有前景的选择，即在减少施用次数、降低运营成本的同时维持充足的营养供应。
