Chemical Engineering Journal | 姜晓谦副教授课题组揭示镁改性生物炭和铁氧化物对磷酸盐迁移的影响机制

       生物炭对磷的吸附能力及其与铁氧化物的相互作用过程，显著影响着生物炭对土壤磷迁移的控制效果。然而，目前仍不清楚生物炭和铁氧化物如何共同影响磷酸盐的迁移行为，以及这些影响如何受到不同土壤环境条件的控制。近日，我院姜晓谦副教授课题组在期刊Chemical Engineering Journal（IF=13.3）在线发表题为“Combination of magnesium modified biochar and iron oxides down-regulates phosphates transport in porous media”的研究论文，揭示了镁改性生物炭和铁氧化物的共同作用对磷酸盐迁移的影响机制。

       磷作为重要的作物养分和不可再生资源，在不合理的磷肥施用下正渐渐枯竭，成为“正在消失的营养元素”。据统计，目前施用于土壤的磷的年利用率仅为10%- 20%，未利用的部分很容易通过侵蚀、径流和淋滤等过程进入水体，造成严重的环境污染。为了提高农田磷肥的利用效率，减轻土壤磷素淋溶过程的负面生态影响，生物炭作为土壤磷素高效管理的改良剂被广泛重视。生物炭对土壤磷的调节，受到生物炭特性和土壤环境的双重影响。生物炭特性主要由热解温度决定，而土壤环境则涉及土壤矿物、理化性质和溶解有机质(DOM)组成等多个方面。尤其是铁氧化物作为土壤中常见且含量高、活性高的金属氧化物，易与磷酸盐产生吸附作用，影响土壤磷的行为。但到目前为止，关于生物炭与铁氧化物共同影响磷迁移的研究还相对较少。

       本项研究通过吸附和解吸实验，结合拟合方程和多项表征技术，分析了镁改性生物炭在热解过程中的变化及其对生物炭吸附磷能力的影响。吸附实验表明，热解通过丰富表面形貌和孔隙结构、优化官能团组成和形成MgO晶体，提高了镁改性生物炭对磷的吸附能力，磷的吸附主要受表面沉淀、静电吸引和孔隙填充控制。同时，磷的解吸对pH变化敏感，稳定性不高，在酸性环境中缓慢释放，符合作为土壤环保型肥料的条件。

图1 生物炭对磷酸盐的吸附与解吸实验结果

       石英砂柱与HYDRUS-1D数值模拟相结合的方法，有效简化了复杂体系中溶质迁移机理的研究，为研究生物炭与铁氧化物的作用对磷迁移的影响创造了条件。结果表明，铁氧化物对磷迁移有明显的抑制作用，表现为针铁矿>赤铁矿。针铁矿与生物炭通过配体反应更显著地降低了磷的迁移。环境条件的改变（如阳离子类型、离子强度和pH等）通过改变磷酸盐的有效保留位点数量影响了磷的迁移行为。此外，由于生物炭与针铁矿通过配体反应产生的磷吸附更为稳定，因此，pH的变化不再引起磷的释放，但土壤中常见的柠檬酸和草酸可以通过螯合、配体交换和增溶作用，激活并缓慢释放砂柱中截留的磷，以满足低磷条件下植物的养分需求。

图2：砂柱截留磷酸盐在不同条件下的释放

       这些发现表明，镁改性生物炭在减少磷的损失和促进磷的高效利用方面具有很大的潜力。但这种潜力可能受到生物炭的制备过程及施用的环境条件的影响。这些认识将有助于更好地理解镁改性生物炭作为土壤磷素改良剂的应用，并为生物炭的实际应用提供理论和经验证据。

图3：镁改性生物炭和铁氧化物对磷酸盐转运的影响机制

       我院姜晓谦副教授为本文的通讯作者，已毕业本科生王宁为本文的第一作者，在读硕士研究生潘思彤、已毕业硕士研究生李双驰和中山大学环境科学与工程学院张妙月副教授参与了本项研究。本研究得到了国家自然科学基金项目的资助。

       论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155151

（初稿：王宁   初审：姜晓谦   审核：辛国荣   终审：程月华）