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Robiul Islam RUBEL, Lin WEI, Salman ALANAZI, Abdulkarim ALDEKHAIL, Anne C. M. CIDREIRA, Xufei YANG, Sanjita WASTI, Samarthya BHAGIA, Xianhui ZHAO. Biochar-compost-based controlled-release nitrogen fertilizer intended for an active microbial community. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(2): 326‒343 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024571
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本研究开发了一种新型生物炭–堆肥基质控释尿素肥 (BCRUF)，旨在保留堆肥中的微生物活性。BCRUF的制备过程包括将生物炭与堆肥按1:1比例混合，制成颗粒后喷涂聚乳酸 (PLA) 形成控释层。实验表明，BCRUF在不同温度 (4 °C、23 °C和40 °C) 下均能缓慢释放氮素，释放80%氮的时间长达6 h，显著优于传统尿素和商业环境智能氮肥 (ESN)。通过傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 分析确认，BCRUF释放过程中未产生新的有害化学物质。差示扫描量热法 (DSC) 测试显示其热稳定性高达160 °C。微生物分析表明，尽管制粒和干燥过程会减少微生物种群，但BCRUF颗粒在水中浸泡4天后仍能保持一定的细菌活性。这些特性使得BCRUF在提高农业氮利用率和促进可持续性方面具有显著潜力。
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本研究开发的5%聚乳酸 (PLA) 溶液是一种白色半透明液体，能在室温下迅速附着于BCRUF表面形成涂层。该PLA涂层具有良好的生物降解性，有助于在肥料颗粒表面形成均匀扩散层，其固化速度受溶剂蒸发速率影响。通过DSC和FTIR分析，确认了PLA的热稳定性和化学结构，其熔点约为15 °C，热分解温度范围在300 °C至370 °C之间。PLA涂层相较于传统无机涂层材料，具有更低的爆裂风险，更符合植物生长需求。
BCRUF颗粒在制造和应用过程中显示出良好的结构稳定性和强度，颗粒形状在涂层后保持不变，且具有高抗压强度。BCRUF-WOC和BCRUF-WC在水中表现出不同的浮力特性，未涂层颗粒完全浮起，而涂层颗粒大部分沉没，这可能影响肥料在田间的保持能力。PLA涂层对BCRUF颗粒的浮力和可能的水洗流失有显著影响，涂层颗粒的吸水速度较慢，但涂层提供了额外的浮力。颗粒的物理特性，如强度和浮力，对肥料的田间表现和环境影响具有重要意义，BCRUF颗粒的设计满足了这些要求。
BCRUF颗粒的氮释放模式受到颗粒表面裂缝和针孔的影响，这些特性对控制氮的释放速率至关重要。在不同温度条件下，BCRUF颗粒的氮释放速率表现出对温度的响应，其中BCRUF-WC由于涂层的存在，释放速率在所有测试温度下都较慢 (图1)。在室温下，BCRUF颗粒的氮释放速度慢于传统尿素和ESN肥料，显示出更好的控释特性。在土壤中，BCRUF颗粒的氮释放速度进一步减慢，与水浸测试相比，显示出更长时间的氮保持和释放，这有利于提高氮的利用效率并减少氮损失。尿素和ESN在大约4天内释放了约84%的氮，而BCRUF-WOC和BCRUF-WC在4天和8天时分别释放了70.6%、87.5%和67.7%、81.8%的氮。研究结果表明，BCRUF颗粒作为一种控释肥料，在提高作物氮利用效率和促进农业可持续性方面具有潜在的应用价值。
温度对BCRUF颗粒中氮的释放速率有显著影响，高温条件下释放速度加快 (图1)。在40 °C时，BCRUF-WOC和BCRUF-WC的氮释放速度均比室温更快，尤其是涂层颗粒BCRUF-WC。温度升高促进了尿素的扩散和氮的释放，可能还促进了肥料中有机物质的分解，使氮更易于植物吸收。PLA涂层的玻璃化转变温度约为45 °C，在此温度下聚合物链更易移动，可能有助于氮的扩散。在低温 (4 °C) 条件下，水的对流和尿素的分子扩散速率降低，导致氮释放速度减慢。研究结果表明，BCRUF颗粒的氮释放特性对温度变化敏感，这为实际应用中根据环境温度调整施肥策略提供了依据。
BCRUF颗粒展现出良好的吸水性和保水性，在高湿度 (100%相对湿度) 环境下能快速饱和，且涂层不会影响其吸水和保水特性 (图2)。BCRUF-WOC和BCRUF-WC颗粒的水保持能力分别为27.0%和24.5%，与尿素和ESN相比，具有更高的水保持能力，这有助于提高土壤的水分利用率并减少水分流失。BCRUF颗粒的保水性得益于生物炭的多孔结构，能吸附和保持水分，而堆肥则有助于减少土壤结皮，促进水分吸收和渗透。涂层的PLA虽然本身具有疏水性，但由于涂层的不连续性，并未显著影响颗粒的吸水性或保水性。研究结果表明，BCRUF颗粒在提高土壤水分保持能力方面具有潜在优势，有助于提升农业生产的可持续性。
BCRUF颗粒展现出良好的生物降解性，聚合物涂层在土壤中可被微生物分解，有助于减少对土壤的潜在毒性。与ESN相比，BCRUF颗粒的生物降解速度更快，这可能得益于其生物炭和堆肥的核心成分，这些成分可能促进了微生物活动。在土壤埋藏测试中，BCRUF-WC显示出更快的重量损失，表明其在土壤中的降解速度较快。在储存和运输过程中，BCRUF颗粒没有出现结块现象，显示出良好的稳定性和适用性。BCRUF颗粒的粉尘量很低，这有助于减少使用过程中可能的粉尘问题，提高肥料的实用性和安全性。
SEM图像显示了BCRUF-WC颗粒横截面的微观结构，揭示了生物炭的孔隙结构，包括宏观孔和微观孔。这些孔隙结构被认为对控制氮释放和保持水分有积极作用。FTIR光谱显示，尿素和BCRUF的光谱具有相似的吸收带，表明在BCRUF中没有引入新的官能团。DSC曲线显示，与纯尿素相比，ESN、BCRUF-WOC和BCRUF-WC的熔点有所降低，表明涂层样品的热稳定性较纯尿素差，但与ESN相似。
生物炭和堆肥作为BCRUF的关键成分，对氮的释放特性有显著影响。生物炭的多孔结构和高比表面积有助于控制氮的释放，而其稳定的化学官能团不会对环境产生负面影响。在BCRUF的生产过程中，没有形成可能影响氮保留或释放的新化学键，这确保了肥料的化学稳定性和安全性。生物炭的阳离子交换容量是其能够吸收和保留氮的关键因素，有助于提高氮的利用效率。
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本研究成功合成了一种新型BCRUF颗粒，内含活跃的微生物群落，有助于提高未来农业的营养管理和作物产量。尽管制粒和干燥过程对微生物种群有所影响，但所合成的BCRUF颗粒具有高稳定性和强度，其在水中的氮释放时间可达4–6 h，而在土壤中可延长至192 h (8天)。BCRUF对温度变化敏感，但其聚乳酸涂层未引入新的化学危害。肥料的低水分吸收、无粉尘和抗结块特性有助于农业的可持续性。FTIR分析确认了BCRUF在制备过程中未产生有害的新化学键，且其保湿性有助于微生物群落的恢复。BCRUF作为一种新型的堆肥–生物炭复合肥料，为农业提供了一种减少化学肥料使用、增强微生物活性和控制氮释放的新型肥料选择。
编辑 | 唐静月 李云舟
审稿 | 许建香
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