利用形态发生多孔碳抑制黄土坡面径流：一种新型纳米工程化废物衍生土壤改良剂

《Soil and Tillage Research》：Suppressing runoff on sloping loess using morphogenetic porous carbon: A novel nano-engineered, waste-derived soil amendment

　　

•通过KOH活化从各类废弃物中制备了工程改性基因多孔碳（MGPC）•利用BET测试数据和博弈论筛选出优选的MGPC•扫描电镜揭示了MGPC成功实现的结构演变•研究用MGPC对所有水文变量的性能表现显著•三种不同用量的MGPC在三个坡度下的径流削减效果各异

**引言**

土壤是一种有限资源，对生态系统可持续性、生物多样性和通过碳封存调节气候至关重要（Davidson, 2000; Lal, 2020; Smith et al., 2021）。除了其生物功能外，土壤的渗透性和保水能力对于水资源管理、洪水缓解以及生物地球化学循环的调节也至关重要（FAO, 2015）。因此，可持续的土壤管理对于减少侵蚀、改善环境质量和确保这一重要资源的可持续利用至关重要，FAO（2024）及近期研究（如Garcia and Patel, 2024）对此予以强调。然而，土壤侵蚀仍是全球性的重大威胁，目前超过2500万平方公里的陆地面临风险（Wang et al., 2019），且预计到2070年水蚀将增加30-66%（Borrelli et al., 2020）。在伊朗，年均水蚀量估计超过10亿吨（Sadeghi and Hazbavi, 2022），凸显了问题的严重性。这种退化导致农业生产力、土壤健康和水质的显著下降，同时增加了灾难性灾害的风险（Lal, 2010; Talukder et al., 2021; Wang et al., 2022），迫切需要采取区域管理和控制措施（Zhou et al., 2016）。在坡地上，地表径流是土壤剥蚀和搬运的主要驱动力；因此，管理径流动力学是制定有效侵蚀控制策略的基本前提。

使用土壤改良剂和稳定剂是防治土壤侵蚀的有效方法，有助于降低侵蚀速率并维持土壤结构（Sadeghi and Gharehmahmudli, 2022; Jafarpoor et al., 2023; Liu et al., 2026）。然而，经济易得、环境友好的有机改良剂在该领域的应用仍较为有限。目前已有多种基于有机的改良剂用于改善土壤结构（Sadeghi et al., 2020a; Sadeghi et al., 2020b; M?der et al., 2021）和增加其有机质含量（Zhao et al., 2021; Kumar and Gautam, 2023; Rodriguez and Zhang, 2024）。它们有助于改善土壤通气、减少板结（Chaudhary et al., 2022）、增加保水能力（Zare et al., 2021; Matisic et al., 2024）、增强微生物活性并增加土壤微生物多样性，最终改善生物过程（Martinez and Lee, 2024）。

因此，利用各种改良剂，特别是碳（生物炭），因其独特的性质，已被提出作为该领域的有效工具。生物炭凭借其独特的物理化学性质、丰富的资源基础和广阔的应用潜力，已成为环境和能源领域的重要研究课题（El-Naggar et al., 2019）。生物炭由生物材料通过热解（无氧加热）制备（Pandey et al., 2020），因其众多优势而备受关注并被广泛研究和应用。碳具有高孔隙度和高比表面积，赋予其对养分和水的高吸附和保留能力（Cao and Harris, 2022; Brown and Wang, 2024）。这些特性有助于改善土壤结构、增加保水能力、提高土壤质量、增强微生物活性并减少土壤侵蚀（Zhang et al., 2016; Cheng and Lehmann, 2021; Zhao et al., 2023; Nguyen and Chang, 2024）。

另一方面，环境保护和材料回收被认为是人类社会最重要的议题之一。鉴于自然资源有限且需要优化资源利用，人类正寻求有效利用不可用材料，尤其是多孔碳材料的方法。多孔碳材料具有纳米级孔隙、高比表面积和高孔隙率（Wang and Zhang, 2020; Gonzalez and Chen, 2024; Zhang and Liu and Zhang, 2024; Sadeghi et al., 2026），这使其在反应性、净化、分离和药物递送等领域得到了广泛应用，并凸显了其在纳米技术中的作用（Liu et al., 2020）。最近，一种新型材料——形态发生多孔碳（MGPC）被开发出来，它能够交换小分子有机物和无机离子（Liu et al., 2020; Xiang et al., 2020）。这种精细分级的三维多孔结构是植物在数十亿年的进化中保持的。MGPC可以通过改善土壤化学和物理性质来增强碳的性能。这一过程利用了多孔碳材料的优势，提高了MGPC用于土壤改良的有效性。事实上，目前关于MGPC用于土壤改良或土壤侵蚀控制的研究很少。

环境保护和材料回收是人类社会最重要的议题之一，鉴于储量有限，人类正寻求优化利用不可用材料的方法。全球每年因工业、农业和市政活动产生数百万吨废弃物。这些废弃物若能妥善管理，可提供大量有机质来源并改善土壤肥力的机会。然而，废弃物的产生和管理带来了严重的经济和环境后果的重大问题。工业和农业活动产生的废弃物可能造成严重的环境问题（Jin et al., 2021; Miller and Thompson, 2024）。有效的废弃物管理可以显著改善土壤质量并减少环境问题（Ferronato and Torretta, 2019）。将废弃物作为土壤有机质来源的可持续废弃物管理方案有助于提高肥力并减少污染（Pervaiz and Khan, 2019; Zhang et al., 2021; Kumar and Liu, 2024; Singh and Patel, 2024）。

同时，不同土壤对改良剂的需求取决于其对土壤侵蚀的敏感性及其失水倾向。其中，黄土由于其分选性好且粒径范围窄，极易遭受土壤侵蚀。干旱地区的黄土通常有机质含量低。有机质在改善土壤结构、增加保水能力和为植物提供养分方面发挥着重要作用。因此，黄土由于粉粒含量高而对侵蚀的抵抗能力较差。这一特征使这些土壤极易遭受风蚀和水蚀，导致肥沃土壤流失和质量下降（Huang and Zhang, 2018; Zarei and Faramarzi, 2024; Jafari and Khademi, 2024）。此外，在坡地上，即使降雨有限且分散，水也会迅速从土壤表面径流，使土壤难以吸收和保持水分。地势的陡峭增加了径流速度，从而加剧了土壤侵蚀的强度（Mao and Zhao, 2020; Jafari and Akbari, 2024）。这些地区的土壤侵蚀会导致肥沃土壤层的丧失和生产力下降。因此，在坡地上采取有效的侵蚀控制措施、改善土壤结构以及合理耕作和田间管理至关重要（Liang et al., 2015; Smith and Anderson, 2024）。这需要使用土壤改良技术，如有机改良剂、水土保持方法和水分优化技术（Gharehmahmudli et al., 2023; Hosseini and Mahdavi, 2024）。

另一方面，伊朗东北部大部分地区属于黄土沉积区，面临特定问题；该地区的一大挑战是干旱和缺水，严重影响了可持续发展（Sadeghi et al., 2017; Sadeghi and Hazbavi, 2017）。这些黄土区通常由细颗粒和风力搬运的沙粒堆积而成。由于其特殊的土壤和结构特性，这些地区往往植被覆盖差，极易遭受侵蚀（Sadeghi et al., 2017; Sadeghi and Hazbavi, 2017; Ahmadzadeh and Yari, 2024）。该地区面临水资源短缺，导致肥沃土壤层丧失和保水能力下降（Farhadi and Rahimi, 2024）。因此，有效利用有限的雨水资源和控制土壤径流是伊朗黄土区面临的长期挑战（Gharehmahmudli et al., 2023）。鉴于这些挑战，评估新理念在黄土坡地水入渗和储存过程综合管理中的潜力至关重要。

文献综述证实，由于粉粒含量高、坡度陡峭和有机质含量低，受土壤侵蚀和缺水影响的黄土地区仍是重大问题。虽然生物炭作为改良剂已得到广泛研究，但传统生物炭由于活化条件和前驱体来源不当，缺乏强健的孔隙结构发育，且水文性质变异较大。本研究提出了一种新概念：通过800°C的KOH控制活化，从八种农业和工业废弃物中制备形态发生多孔碳（MGPC），以改善黄土地区的水文控制。这一方法此前尚未被研究。以往研究仅评估了单一来源的生物炭和传统土壤改良剂，而本研究独特地将BET比表面积分析与博弈论（孔多塞）优化相结合，基于孔隙率和结构性能确定最佳废弃物衍生MGPC。此外，此前没有研究同时评估MGPC类型、用量（300-1500 g m?2）和坡度（8-27%）对三种径流特征（即径流起始时间、径流总量和径流系数）的联合影响。因此，本研究旨在：（1）通过扫描电镜观察所选MGPC的结构发育；（2）测量不同处理水平和坡度下径流各分量的削减情况；以及（3）确定用于研究区域黄土可持续土壤和水分保护的最佳废弃物衍生MGPC。

在此过程中，利用来自农业、工业、畜牧和园艺等来源的废弃物制备的MGPC，不仅为管理各行业的海量废弃物提供了有利框架，还可被视为土壤和水资源保护、水分储存与保持以及可持续土地开发的一项新颖见解和有效策略。

**部分摘要**

**原料的选择**

本研究选择了农业、工业、畜牧和园艺废弃物，包括稻草、纸巾厂废料、锯末、葡萄园废弃物、造纸业废料、家禽屠宰场废料、棕榈修剪废料和废液渣。选择这些材料是因为它们目前缺乏利用或存在现有问题、可获得性高且易于获取，以及具有特定性质和效果，如有机质、氮或碳含量丰富，等等。

**所选原料**

各种活动产生的废弃物造成了短期和长期的环境不利影响。工业和农业生产企业面临的问题之一是生产过程中产生大量废弃物，具有重大的环境成本和成本影响。因此，本研究选择了农业和工业废弃物，包括稻草、纸巾厂废料、锯末、葡萄园田间废弃物、造纸业废料、家禽屠宰场废料。

**所选原料**

在生物炭和先进碳材料的制备中，废弃物类型的选择是决定最终产品性能的根本性和关键性步骤，因为废弃物的化学组成、物理结构和可回收性都对确定最终产品的质量和应用起着至关重要的作用（Lehmann and Joseph, 2015）。本研究初级样本的选择是基于由异质性积累引起的环境问题。

**结论**

本研究提供了有力证据，证明通过KOH活化从农业和工业废弃物中获得的形态发生多孔碳（MGPC）作为纳米工程土壤改良剂，在黄土坡地径流削减方面具有显著效果。通过将BET比表面积指标与孔多塞博弈论巧妙结合，我们筛选出了具有最佳表面和保水性能的MGPC。在模拟强降雨（70 mm h?1）条件下，使用MGPC显著增加了土壤的

**研究局限性与未来研究方向**

尽管取得了令人鼓舞的结果，本研究仍存在某些局限性。首先，实验是在实验室条件下以70 mm h?1的模拟降雨强度持续30分钟进行的。这种恒定降雨可能无法代表田间观测到的复杂降雨模式。其次，本研究侧重于短期效果，仅限于即时水文响应，因此未能考虑形态发生多孔碳（MGPC）在多次干湿循环条件下的长期稳定性、生物降解性或老化。

**CRediT作者贡献声明**

Seyed Hamidreza Sadeghi：撰写–审阅与编辑，验证，监督，项目管理，方法论，经费获取，形式分析，概念构思。Sudabeh Gharehmahmudli：撰写–初稿撰写，资源，调查，数据管理，概念构思。Somayeh Zare：撰写–初稿撰写，资源，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念构思。Padideh Sadat Sadeghi：资源，调查，数据管理。

哈比布拉·尤内西：利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。
致谢
本工作获得了伊朗国家科学基金会（INSF）在 INSF-NSFC 联合研究项目（编号：4021328）下的财政支持。该工作还获得了中国国家自然科学基金委员会（编号：42361144707）的共同资助。伊朗国家科学基金会（INSF）在项目编号 4039768 下，部分资助了此处呈现的研究。
赛义德·哈米德雷扎·萨迪基|苏达贝·加雷赫马赫穆德利|索梅叶·扎雷|帕迪德·萨达特·萨迪基|哈比布拉·尤内西|张丰宝|马布贝·米尔扎胡塞因尼|梅赫迪·霍马埃|亚兹亚·帕尔维齐|沈楠|李尧