从生物质到颗粒肥料：基于格氏木豆的Green-N系统用于可持续有机农业

《Organic Agriculture》：From biomass to pelletized fertilizer: a Gliricidia sepium-based Green-N system for sustainable organic agriculture

　　

： 格氏木豆（Gliricidia sepium）生物质是有机系统中一种本地可获得的富氮资源，但加工过程可能改变其养分组成、堆肥动态及颗粒机械抗性。本研究利用叶片和/或茎秆，通过干燥与造粒、好氧堆肥5–120天或发酵，制备了八种Green-N配方，并评估了其理化性质及颗粒硬度。研究还于2021年（秋/冬季）和2022–2023年（春/夏季）分别开展了两次独立的120天堆肥试验，以量化温度、水分、干物质损失、氨挥发及氮素转化过程。堆肥时长显著影响碳氮比（C/N）、pH、养分浓度及颗粒硬度。N-LS30的硬度（6.26千克力（kgf））显著高于所有其他配方，而N-LS5、N-LS120和N-LS构成最低统计组。就全氮而言，N-LS5和N-LS15构成较低统计组（2.2–2.3%），而其余经化学组成评估的配方之间无显著差异。在两次堆肥试验中，干物质损失分别达到61.55%和62.85%，2021年的氨挥发集中在前45天。堆肥过程中C/N比下降，硝酸盐逐渐累积，表明材料趋于稳定。这些结果表明，加工时间可用于获得具有不同物理特性和养分释放特征的格氏木豆源有机投入品，其中30天堆肥有利于颗粒抗性，而较长堆肥时间有利于材料稳定化。在120天时，N-LS120的干物质基础组成为：碳41.80%、氮3.70%、磷0.27%、钾1.56%、钙1.53%、镁0.85%。

论文解读

一、研究背景与问题

化肥和土壤改良剂是提高作物生产力的最重要农业投入品，在土壤天然偏酸且自然肥力低的热带地区尤为关键。巴西仅有约15%的化肥为国内生产，绝大部分依赖进口，对外部市场存在显著依赖。在有机生产中，一个额外的制约因素是缺乏既在农艺上有效、又符合有机生产标准允许使用的标准化养分来源，尤其是氮素供应往往限制有机种植系统的生产力。巴西MAPA第52/2021号法令规定了有机生产系统的技术法规，要求肥料、土壤改良剂和接种剂须由附件V中授权的物质和产品组成，并纳入有机管理计划。附件V明确将绿肥和植物源生物肥料列为允许的肥力投入品。因此，源自格氏木豆的Green-N在概念上与这些植物源投入品类别一致，因其通过干燥、堆肥或发酵及造粒等工艺由植物生物质制成。但需要明确的是，这种法规兼容性不应被解释为实验原型的正式认证或注册。

具有高生物固氮（BNF）能力的豆科植物生物质可为有机生产系统提供可再生养分来源，同时向土壤输入有机质。通过干燥、堆肥、发酵和造粒等工艺加工这些生物质，可改善处理、储存和田间施用性能，但这些操作也可能改变养分浓度、氮素转化及所得肥料的物理性质。以往关于豆科植物源肥料的研究多集中于叶片生物质。利用格氏木豆全株地上部分（包括叶片和木质化程度较低的茎秆），可提高收获生物质转化为肥料的比例。尽管格氏木豆生物质具有农艺潜力，但关于茎秆的纳入及不同预处理路径如何影响颗粒机械抗性、肥料组成和堆肥过程中的氮动态，相关信息仍然有限。解决这些问题对于确定既能保持养分价值又能生产出物理上易于管理的有机投入品的加工条件十分必要。

因此，本研究旨在制备并表征由格氏木豆地上部生物质经不同加工路径和堆肥时长制备的颗粒化Green-N肥料，并量化120天堆肥过程中的干物质损失、氨挥发、理化变化及氮素转化。研究人员假设，生物质组成和加工路径会改变养分组成和颗粒硬度，且堆肥时长增加会降低C/N比并随材料稳定化而改变矿质氮形态。另一个目标是评估Green-N概念的法规相关性，考察其植物源原料和加工路径是否与巴西现行有机生产标准允许的投入品类别一致，但不暗示实验原型的正式认证。

二、研究开展情况与主要技术方法

研究在巴西里约热内卢州塞罗佩迪卡的Embrapa Agrobiologia Terra?o试验田和KM 47生态农业农场开展。格氏木豆生物质于2021年2月27日机械收获，约1.2 Mg鲜生物质。研究人员制备了八种Green-N配方，包括未堆肥的叶+茎配方（N-LS）、堆肥5、15、30、90、120天的配方（N-LS5、N-LS15、N-LS30、N-LS90、N-LS120）、纯叶配方（N-L）以及发酵28天的叶+茎配方（N-FER）。所有配方均经干燥、粉碎、造粒和最终干燥的标准化流程。关键技术方法包括：堆肥过程中温度、水分、电导率（EC）和pH的监测；总碳和总氮采用杜马斯（Dumas）干燃烧法测定；磷、钾、钙、镁按标准方法测定；颗粒硬度采用便携式数字压缩测试仪（IFDC S-115方法改编）对每处理25粒颗粒进行测定；氨挥发采用静态半开式收集器（SALEs）量化；两次独立的120天堆肥试验（2021年秋/冬季和2022–2023年春/夏季）各设四个独立堆条作为重复。统计分析采用Shapiro–Wilk和Levene检验验证正态性和方差齐性，满足假设后采用方差分析（ANOVA）和Scott–Knott检验（p≤0.05）进行均值比较。

三、研究结果

1. 1.
   格氏木豆生物质加工及Green-N肥料生产

研究获得了八种不同原料组成和加工路径的Green-N配方。2021年原型生产堆肥期间，水分保持在50–68%之间，温度迅速进入嗜热范围随后向环境温度下降。嗜热期集中在前几周，与强烈微生物降解一致，而后期中温阶段表明材料逐步稳定化。pH从N-LS的5.9升至N-LS90和N-LS120的7.4–7.5，与堆肥高度稳定化一致。EC在各配方间无显著差异（2.7–3.2 mS cm?1），低于常用的4 mS cm?1堆肥使用阈值。N-LS120（11.2）和N-L（11.3）的低C/N比表明施入土壤后可能具有相对快速的氮矿化潜力，而N-LS5（20.8）和N-LS15（19.8）的较高C/N比可能贡献更缓慢的释放模式。

1. 2.
   肥料化学表征

化学组成分析显示，N-LS5和N-LS15的全氮构成较低统计组（2.2–2.3%），而N-LS、N-LS30、N-LS90、N-LS120、N-L和CAB之间无显著差异。磷方面，30–120天堆肥配方和N-L构成相同中间组。钙和镁将较长堆肥配方与若干早期或未堆肥材料区分开来。堆肥伴随多种养分浓度的增加，尤其在后期采样时间。这些增加不应被解释为净养分增益，因为干物质分解和碳损失减少了材料质量，从而使非挥发性养分在剩余堆肥中浓缩。

1. 3.
   Green-N肥料颗粒硬度评估

颗粒硬度在各配方间存在显著差异。N-LS30构成最高统计组（6.26 kgf）。N-LS90、N-LS15、N-L和N-FER构成中间组（4.16–5.25 kgf），而N-LS5、N-LS120和N-LS构成最低组（2.76–3.31 kgf）。所有配方均超过2.3 kgf的颗粒抗性理想值。研究人员推测N-LS30的较高硬度可能与中间堆肥阶段有机粘合化合物和颗粒相互作用的短暂变化有关，但该机制未经直接验证。

1. 4.
   堆肥过程中的温度、水分、质量损失和氮挥发

两次堆肥试验表现出相似的温度模式：温度在前约25天进入嗜热范围，随后降至中温范围。干物质损失在2021年达到61.55%，2022年达到62.85%，最大减少发生在前期的堆肥阶段。2021年测定的氨挥发集中在堆肥初期：前15天占总NH?损失的54.19%，前45天占93.82%。这一模式与早期强烈氨化及高温高pH一致，随后随易矿化氮减少和硝化作用增强而NH?排放下降。

1. 5.
   堆肥过程中的理化特征

碳随堆肥进程下降，C/N比在2021年从17.6降至11.1，在2022年从14.9降至9.5，最终值在成熟堆肥常见范围内或以下。EC在两次试验中均增加但保持在4.0 mS cm?1以下。pH从酸性初始值（2021年5.9，2022年5.7）向堆肥结束时的近中性条件上升。氮、磷、钾、钙和镁浓度在堆肥过程中显著变化，后期采样时间通常占据与较高养分浓度相关的统计组。NH??在初始阶段增加随后下降，而NO??在后期堆肥中增加，这一模式与从氨化向硝化的转变一致。矿质氮先增后趋于稳定，有机氮在整个过程中始终是主导氮库。

四、讨论与结论

从法规角度看，Green-N的植物源原料和加工路径与巴西有机生产规则中认可的肥力投入品类别一致，特别是绿肥和植物源有机投入品。经济上，其潜在优势并非已证实的较低单位成本，因为生物质生产、收获、干燥、粉碎、造粒、劳动力、运输和储存成本未在本研究中量化。该概念可能将可重复收获的、具有生物固氮能力的生物质转化为可储存和致密化的养分载体，在格氏木豆已建立的地区可能减少对外购允许氮源的依赖。从生理和功能角度看，N-LS120的低C/N比和硝酸盐的逐步形成表明其是更稳定的材料，对需氮作物具有潜力，但土壤中的养分释放动力学未在本研究中测定。目前该颗粒化格氏木豆概念最强的作物特异性证据来自有机生菜研究，因此叶菜类和其他高价值、氮响应型园艺作物是合理的优先验证目标。

研究结论：加工路径和堆肥时长显著影响格氏木豆源Green-N肥料的理化和机械特性。三十天堆肥产生最大的颗粒硬度，而较长堆肥降低C/N比、增加硝酸盐形成并促进材料稳定化。在两次120天试验中，大部分干物质损失发生在早期阶段，2021年测定的氨挥发集中在前45天。这些发现支持使用格氏木豆地上部生物质作为颗粒化有机投入品的原料，并表明可根据所需的物理抗性和堆肥成熟度选择加工时间。在120天时，N-LS120的干物质基础组成为：碳41.80%、氮3.70%、磷0.27%、钾1.56%、钙1.53%、镁0.85%。其植物源原料和加工路径与巴西有机生产规则允许的类别一致，但须经合格性批准和适用的肥料质量要求。当前证据支持叶菜类，特别是有机生菜作为优先验证作物组；更广泛的作物推荐和经济优势的声明需要田间养分回收研究和与其他允许有机氮源的全面成本比较。该论文发表于《Organic Agriculture》。