近期，江苏省农业科学院资环所农业面源污染治理创新团队在粪源水热炭资源化方面取得系列进展。水热炭化是处理粪便类湿废弃物并实现养分回收的高效技术。由于性质决定用途，面源污染团队科研人员将猪粪（PM）和牛粪（CM）及其制备的水热炭（PCs和CCs）进行比较，评价其作为肥料的可持续发展潜力。在完成粪源水热炭（MHCs）的评估后，从能源消耗、环境风险、养分及有效性的方面考虑，选取了部分处理进行农用，并评估了其环境影响。通过微宇宙培养实验并结合水稻全生育期土柱实验，我们探讨了（1）MHCs对土壤温室气体排放的影响；（2）受MHCs影响后，土壤基本性质和氮磷转化相关酶活性对土壤氮磷转化的影响机制；（3）以土壤的溶解性有机质（DOM）视角量化MHCs如何影响土壤碳库。此外，研究还关注了水热炭化液相产物的资源化利用。研究结果有助于改善粪源有机物在农业生产中的养分管理。
主要研究结果：
粪源水热炭（MHCs）总体呈中性和弱酸性，性质较为温和，对土壤酸度影响有限。MHCs中的氮（牛粪水热炭CCs增加了0.47-21.5%）和磷（猪粪水热炭PCs增加了74.1-132%，CCs增加了69.6-135%）呈现富集趋势，大量营养物质被保留在MHCs中（图1）。MHCs稳定性越好，抗降解性越强，越有利于固碳。较高温度下制备的的MHCs具有更多的钙结合态磷（PCs增加了2.26-2.44倍，CCs增加了4.78-5.38倍），这说明提高HTC温度可促进MHCs中磷的固定，进一步减少了养分流失和富营养化风险。相反，在较低水热反应温度制备的MHCs适宜提供相对可溶性磷供植物吸收。高灰分含量的MHCs可以补充土壤中植物生长所需的中微量营养素。在水热反应系统中，MHCs重金属含量没有明显变化，但是它的形态和有效性可能会受到影响。总体上，MHCs具有性质独特、养分丰富、磷流失风险小等特点，有良好的农业利用潜力。
图1. 猪粪，牛粪以及它们不同温度下烧制的水热炭的养分评估。（来源：ScienceDirect）
通过观察土水体系中养分形态和氮磷转化相关酶活的变化（图2），我们发现在淹水条件下，粪便和粪源水热炭的施加均可提升土壤pH（0.27–1.00个单位）。PC处理的上覆水氨氮浓度相对于PM以及CC的上覆水氨氮浓度相对于CM分别降低12.9–29.6%和21.6–36.9%。此外，PC和CC的上覆水TP含量相对于PM和CM减少11.7-20.7%。土壤可溶性P含量由于粪便和粪源水热炭的施加显著提高了31.2–124.0%。PM和PC的施加同时提高了15.1–47.5%土壤交换性P，33.6–110.0%铁铝结合态P和73.7–202.0%残留态P含量。和粪便相比，施加粪源水热炭对土壤脲酶活性和酸性磷酸酶的抑制率分别高达59.4%和20.3%，而对土壤硝酸还原酶和土壤亚硝酸还原酶有明显的促进效果（~69.7%和~64.0%）。粪便经过水热炭化之后仍具有明显的养分效应，PC的肥效更为突出，而这一效果有待田间试验的进一步验证。
图2. 粪便经过水热炭化后通过改变土水体系中的氮磷赋存形态，减少面源污染风险（来源：ScienceDirect）
通过探讨不同处理下土壤C、N、P，微生物量碳氮磷（MBC、MBN、MBP）化学计量以及温室气体的关系，我们发现由于外源碳含量的输入添加PCs和CCs能够使土壤的有机碳和磷分别显著提高8.4–13.7%和11.5–34.5%。此外，PC相对于PM减少甲烷（CH4）排放，而CC相对于CM增加CH4排放。低剂量的PC相对于PM通过增加氧化亚氮（N2O）排放量增加了全球增温潜势（GWP），而高剂量下粪源水热炭相对于粪便通过减少N2O排放降低GWP。图3对影响土壤温室气体排放的粪源物质输入因素（如种类，施加量，制备温度）进行更深入的分析。结果表明，直接施加高量猪粪会加剧全球变暖；而高施加量的粪源水热炭相对于低施加量可以显著减缓气候变暖，这与粪便的规律相反，研究结果支持将粪源水热炭作为缓解气候变化的策略。尽管低温制备的粪源水热炭相对于高温制备的水热炭具有更高的缓解温室效应的效果，但是低温制备粪源水热炭在土壤中的老化效应可能比高温制备的水热炭更为明显。因此，从长远来看，还需要系统分析具有较低光热稳定性的粪源水热炭对于温室气体减排的长期效应。
图3. 粪源水热炭的来源，制备温度和施加量对土壤温室气体排放的影响（来源：Springer）
土壤中的DOM是碳库中最敏感、易反应、能够起到指示作用的一类有机物。三维荧光光谱结果表明MHCs的施加提升了土壤的类腐殖酸物质和类酪氨酸物质的荧光强度。红外光谱说明CM和CCs的应用没有新增加土壤溶解性有机质的峰，仅改变了峰的强度。官能团强度变化主要集中在3600-2800cm-1和1750-750 cm-1波段，施用MHCs后土壤中的羧基和羟基等含氧官能团强度减少，土壤中溶解性有机质的亲水性降低，并且CC260会为土壤带来更多的饱和有机小分子。在二维红外相关分析谱图中的1750-750 cm-1波段，官能团的变化顺序为苯环C-H>甲基>硝基>脂肪醚>酚C-O>碳碳双键；在3600-2800 cm-1波段，官能团的变化顺序为羟基>N-H（图4）。
图4. 粪源水热炭应用后土壤DOM的傅里叶变换红外光谱二维相关分析（来源：ScienceDirect）
我们进而发现水热炭化液相产物（HAP）含有丰富的有机物和氮磷等营养物质，因此有潜力作为液体肥料还田应用。本研究通过为期两年的原位微区试验，在稻田中施加粪源HAP。结果表明土壤NH4+-N、溶解有机碳(DOC)和有效磷(AP)分别显著（P < 0.05）提高了36.4- 130.0%、36.4-130.0%和47.8-82.6%。 HAPs处理增加了细菌丰富度，但是细菌多样性减少。参与葡萄糖苷酶(bglB和malZ)，脲酶(ureC)，固氮(nifD)，反硝化(nirK和nirB)和酸性磷酸盐(phon)代谢的细菌丰度略有增加。同时，所有HAP处理均比对照增产6.7-29.2%。结构方程模型结果表明，土壤NH4+-N及DOC含量是水稻增产的主要驱动因素(P < 0.05)。本研究为高效资源化处置水热炭化液相产物提供了借鉴。
图5. 水热炭化液相产物还田对土壤微生物群落结构的影响（来源：ScienceDirect）
综上，碳达峰、碳中和战略背景是水热炭化技术发展的一个良好机遇，通过水热炭化技术将粪便转化为粪源水热炭还田具有良好的农业应用潜力。相对于粪便还田，粪源水热炭应用于土壤不仅可以提高土壤碳和磷储量，减少氮磷损失，降低面源污染风险，而且具有更高的氧化亚氮减排潜力，更有利于降低全球增温潜势。这种协同增效的固碳减排能力对碳中和目标的实现以及农业废弃物的清洁化资源循环利用将有重要意义。
上述研究结果分别发表于多个国际知名刊物，由研究生付海彬、冯渊圆、丁曙东、李德天分别起草完成，第一完成单位或通讯作者单位均为江苏省农业科学院。南京理工大学谢慧芳副教授、王冰玉副教授，江苏大学李冠霖副教授，澳大利亚墨尔本大学陈德立（Deli Chen）教授，澳大利亚默多克大学Gerrard Poinern教授等为相关研究或论文修改提供了指导意见。项目获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划等课题的资助。在此一并致谢。
相关文献：
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联系作者：
冯彦房，研究员，江苏省农业科学院，Email：jaasfengyanfang@163.com，yfeng@jaas.ac.cn
团队简介：
江苏省农业科学院农业资源与环境研究所农业面源污染治理创新团队冯彦房研究员等人在农业废弃物热转化技术产品研发及其在面源污染风险减控领域的应用开展了系列研究工作。近年来，在相关领域以第一/通讯作者在Q1区发表论文50余篇（累积IF>400），H指数31，论文他引3000余次。获授权国家发明专利十余项、获神农奖和省农业科技奖各2项。