**中文标题：** 鸟粪石-堆肥混合肥料（COM-VITE）在酸性森林土壤中实现持续磷释放且性能优于三重过磷酸钙

《Soil & Environmental Health》：Struvite-compost blends outperform triple superphosphate for sustained phosphorus release in acidic forest soils

　　

磷（phosphorus, P）是农业和林业中不可或缺的关键肥料元素。欧盟在2022年消耗了超过100万吨磷肥，且磷已被欧盟列为关键原材料（Critical Raw Material）。据估计，施入土壤的总磷中仅10%至20%被植物有效吸收，相当一部分流失至周边水体，引发水体富营养化。鸟粪石，即磷酸铵镁六水合物（MgNH₄PO₄·6H₂O），是欧盟目前最主要的从废弃物中回收的磷肥。由于其溶解度较低，鸟粪石被认为比传统化肥如三重过磷酸钙（triple-super-phosphate, TSP）更不易导致富营养化。然而，在酸性土壤中鸟粪石的磷释放较快且难以预测。为实现更好的磷释放控制，鸟粪石与具有碱化作用的城市废物堆肥（municipal waste compost, MWC）联合施用具有潜在优势。本研究提出了COM-VITE（compost + struvite）作为一种新型混合肥料，旨在作为传统颗粒化肥的替代方案用于酸性森林土壤。研究人员假设，以城市餐厨废物堆肥（COM-VITE brown, CVb）或园林废物堆肥（COM-VITE green, CVg）制备的COM-VITE能够在爱尔兰酸性森林土壤中实现磷的持续释放，且磷淋溶损失低于传统颗粒TSP。本研究的主要目标是：在实验农场田间条件下，利用采集自森林站点的土芯比较COM-VITE与TSP的表现。研究人员评估了：（a）绿色与棕色COM-VITE与TSP处理间磷释放的差异；（b）田间条件下肥料表观磷质量损失；（c）利用梯度扩散薄膜技术（diffusive gradients in thin-films, DGT）测定的潜在磷生物可利用性（P_DGT）。

**论文解读：鸟粪石-堆肥混合肥料在酸性森林土壤中的磷释放特性及环境效益研究**

**一、研究背景与科学问题**

磷（phosphorus, P）是植物生长必需的大量营养元素，也是农业和林业生产中的核心肥料成分。欧盟在2022年的磷肥消耗量超过100万吨，鉴于其重要性和供应风险，磷已被欧盟列为关键原材料（Critical Raw Material）。然而，施入土壤的磷肥中仅有10%至20%被植物有效吸收，其余大部分通过径流和淋溶进入水体，引发水体富营养化等严重生态问题。这一现实对磷的可持续管理提出了迫切要求，尤其是在高度依赖磷进口的欧盟地区，磷的回收与循环利用成为关键战略方向。

鸟粪石（struvite），即磷酸铵镁六水合物（MgNH₄PO₄·6H₂O），是目前欧盟最主要的从废弃物中回收的磷肥产品。由于其溶解度较低，鸟粪石被认为比传统高溶性化肥（如三重过磷酸钙，triple-super-phosphate, TSP）更不易引发富营养化。已有研究表明鸟粪石作为磷源在农业中具有良好的农艺有效性，属于高纯度缓释肥料。然而，在草地和森林作物偏好的酸性土壤中，鸟粪石的磷释放速度更快且难以预测。为在酸性条件下实现更好的磷释放控制，将鸟粪石与具有碱化作用的城市废物堆肥（municipal waste compost, MWC）联合施用被认为是一种有前景的策略。

MWC是通过微生物催化的有机碳分解过程制备的稳定且具有生物活性的腐殖质，按原料来源可分为棕色堆肥（餐厨废物）和绿色堆肥（园林植物废物）。目前MWC在农业中的应用严重不足，尽管其具有可观的营养潜力。在此背景下，将MWC与鸟粪石混合制备新型肥料，兼具磷氮供应和有机质补充功能，且MWC的碱性pH可调节鸟粪石的溶解，有望在酸性土壤中实现磷的持续稳定释放。

**二、研究目标与总体设计**

研究人员提出了COM-VITE（compost + struvite）作为一种由鸟粪石与MWC混合制成的新型颗粒肥料，旨在作为传统化学肥料的替代方案用于爱尔兰酸性森林土壤。研究假设：以城市餐厨废物堆肥（COM-VITE brown, CVb）或园林废物堆肥（COM-VITE green, CVg）制备的COM-VITE能够在爱尔兰酸性森林土壤中实现磷的持续释放，且磷淋溶损失低于传统颗粒TSP。

研究主要目标为：在田间条件下比较COM-VITE与TSP在森林站点采集土芯中的表现。具体评估内容包括：（a）CVb、CVg与TSP处理间磷释放的差异；（b）田间条件下肥料表观磷质量损失；（c）利用梯度扩散薄膜技术（diffusive gradients in thin-films, DGT）测定的土壤潜在磷生物可利用性（P_DGT）。此外，研究还开展了植物生长评估、土壤pH长期监测以及生命周期评估（life cycle assessment, LCA）。

**三、关键技术方法**

土壤样本采集自爱尔兰共和国三个针叶林站点：Cavan郡的Bailieborough（BL）和Fort Valley（FV），以及Mayo郡的Kilmovee（KM），采样时间为老针叶树采伐后与新树种植前的间歇期（2022年12月至2023年3月）。每个站点采集9个40厘米深土芯，共27个土芯，按原始土壤剖面重新组装于容器中，并种植代表性树种西加云杉（Picea sitchensis），在自然条件下进行实验。COM-VITE棕色（CVb）由71%餐厨废物堆肥与29% Crystal Green鸟粪石混合制成，总磷含量3.9%；COM-VITE绿色（CVg）由70%园林废物堆肥与30%鸟粪石混合，总磷含量3.8%。采用Rhizon孔隙水采样器在三个土层深度收集孔隙水，在施肥前及施肥后15、30、75、115和227天共六个时间点采样，以比色法测定可滤过钼酸盐活性磷。利用铁氢氧化物结合凝胶（FH-DGT）和氧化锆结合凝胶（ZrO-DGT）分别进行土芯垂直剖面和实验室水平分布的磷生物可利用性测定。通过田间部署袋实验评估肥料表观质量损失。采用生命周期评估方法比较COM-VITE与传统化肥的环境表现。数据统计采用线性混合效应模型、Friedman检验、Wilcoxon检验等方法进行分析。

**四、主要研究结果**

**（一）土壤特性**

所有分析土壤均呈酸性，pH_CaCl2范围为3.0（BL）至6.0（KM），符合爱尔兰森林土壤的总体趋势。所有站点pH值均低于通常与最大磷可利用性相关的范围，这主要归因于铝和铁促进的强烈化学迁移。土壤有机质（soil organic matter, SOM）在表层（L1）最高，随深度增加而降低（KM除外）。Olsen-P浓度在FV表层最高（72.9 mg kg^-1），在KM表层最低（3.6 mg kg^-1），所有土壤中Olsen-P占总磷比例不足8%。元素组成分析显示铝和铁浓度较高，其中KM的Fe浓度达103,000 mg kg^-1，约为爱尔兰非污染土壤上限值的八倍，这对酸性条件下磷的强烈吸附具有重要意义。

**（二）再生肥料对土壤碳氮比的影响**

在全部土芯中，COM-VITE（绿色和棕色）处理使土壤碳氮比（C:N）从施肥前（T0）的14.6（±4.4）显著下降至227天后（T227）的2.2（±4.7）（Wilcoxon符号秩检验，P=7.63×10^-6）。TSP处理同样观察到C:N从8.0（±7.0）下降至1.9（±4.1）。表层土壤（L1）的碳平衡为负值，COM-VITE施用227天后碳含量显著降低22%；而深层土壤碳平衡为正，表明碳含量有所增加。

**（三）肥料处理后土芯中磷的分布**

孔隙水样品分析表明，背景（T0）孔隙水P浓度在站点间差异显著。COM-VITE（CVb和CVg）施用后孔隙水P随时间增加，FV的释放起始较早（T15），KM较晚（T30），BL在T227时浓度峰值达168 mg L^-1。混合效应模型分析证实处理、时间、站点和深度均具有显著效应。TSP处理在最初30天内产生的孔隙水P显著高于COM-VITE（Tukey校正P<0.0001），但此后浓度逐渐下降，至75天后COM-VITE与TSP之间不再存在显著差异。两种COM-VITE配方（CVb与CVg）之间在任何采样时间均未检测到统计学显著差异。上述结果揭示了COM-VITE在田间条件下的两个关键特征：与TSP相比存在初始释放延迟，以及最终可接近或匹配传统肥料的持续释放。

利用DGT测定潜在生物可利用磷（P_DGT）显示，两种COM-VITE配方在所有土壤中均使P_DGT相对于基线（T0）产生显著增加。在BL土壤中，TSP的P_DGT始终高于COM-VITE处理，与其在酸性条件下的快速溶解一致。在FV中，TSP的P_DGT在T15至T30间出现峰值，至T75时TSP与CVb或CVg之间无显著差异。在KM中，由于极高的Fe（103,000 mg kg^-1）和Mn（11,700 mg kg^-1）浓度导致的强吸附能力，TSP的P_DGT显著高于CVb，但与CVg仅在T30时存在显著差异。总体而言，COM-VITE的P_DGT模式代表了在较长时间内以低于TSP的浓度持续供给潜在生物可利用磷，而TSP的P_DGT库在30天后即部分耗尽。

**（四）COM-VITE对土壤pH和植物发育的长期影响**

施肥后18和36个月的土壤pH测量表明，COM-VITE肥料使酸性较强的BL和FV土壤pH提升高达0.7个单位，体现了堆肥预期的碱化效应。KM土壤在同一时期pH略有下降，可能反映了较高的初始pH和独特的矿物学特征。西加云杉在36个月后的全株生物量、地上部和根系生物量在各处理间均无统计学显著差异（单因素方差分析，P>0.05），表明在测试的田间条件下，COM-VITE的养分持续供给足以满足西加云杉长期稳定的营养需求，未检测到早期磷缺乏症状。叶片金属含量在处理和站点间也无显著差异。

**（五）肥料表观质量损失**

田间部署袋实验表明，经112天后TSP的表观磷质量损失率最高，为80.2 mg P day^-1，CVb为15.6 mg P day^-1，CVg为19.3 mg P day^-1。COM-VITE的质量损失模式与土壤pH密切相关：最低损失出现在最酸性站点BL（pH 3.0），最高损失出现在KM（pH 5.1–6.0）。这一趋势与纯鸟粪石在酸性条件下溶解度升高的常规行为相反，提示堆肥基质可能通过物理屏障作用和局部pH缓冲效应调节鸟粪石溶解。降水差异与观测模式不一致，表明土壤化学和物理性质对磷损失的决定性作用大于降雨因素。COM-VITE的磷损失速率远低于TSP，有利于降低富营养化风险。

**（六）COM-VITE的环境性能**

生命周期评估结果显示，以淡水富营养化作为影响类别，COM-VITE相对于传统矿物肥料可将淡水富营养化影响降低60%至76%。但需注意，COM-VITE在其他影响类别中可能存在环境权衡，这与堆肥生产施用过程中的直接排放以及鸟粪石沉淀所用镁盐的生产有关。镁盐来源被确认为决定COM-VITE环境表现的关键因素，替代镁源（如飞灰、卤水、海水、木灰或氧化镁副产物）的研究正在进行。此外，当以长期植物可利用氮而非总氮为基础计算活性氮排放时，整体环境影响可降低17%至42%。

**五、总结与结论**

本研究首次在田间条件下研究了将鸟粪石与城市废物堆肥混合制成的颗粒肥料。结果表明，堆肥基质通过物理屏障和局部pH缓冲等机制调节鸟粪石溶解，而高分辨率DGT成像揭示了COM-VITE磷释放在垂直和水平方向上的空间异质性。这些机制尚需进一步实验验证。

研究结论为：COM-VITE能够在酸性森林土壤中实现磷的持续释放且磷淋溶低于传统颗粒TSP的假设得到证实。COM-VITE肥料具有维持孔隙水磷水平的潜力，而TSP随时间推移趋于成为较差的磷源。DGT实验表明，COM-VITE施用后潜在磷生物可利用性在初始增加后保持相对稳定，且维持在低于TSP的水平，尤其在实验最初30天内。植物生物量在COM-VITE与TSP处理间经三年后无统计学显著差异，但需注意两者在磷源之外还在有机质和其他养分供应方面存在差异，因此观测到的响应应解释为肥料配方整体表现而非磷释放动力学的孤立效应。COM-VITE总体上代表了一种有前景的循环经济替代方案，有助于减少对进口肥料的依赖，前提是其原材料可持续获取并遵循生产与施用的最佳实践。未来研究应关注有机质和伴随养分（如氮、钾和镁）与磷的各自贡献，以及这些肥料对碳固存和土壤生物过程的潜在影响。