通过低温热解将小麦秸秆废弃物转化为非碱性涂层材料，以减少盐碱土壤中尿素氮的流失

土壤盐碱化导致作物产量低且尿素利用率差，本研究将小麦秸秆热解（250/350/500°C）与 bentonite 复合制备涂层尿素（WSU250/350/500），发现低温热解（250°C）的涂层尿素材料产量高、pH近中性，显著减少硝态氮流失（13.16%），促进作物生长和土壤改良，同时成本最低且碳排放少。

作者：徐博阳、赵英楠、高卢克、王立军、韩冰、徐振明、牛波

河北省农业大学资源与环境科学学院，河北省保定市071000，中国

摘要

盐碱土壤由于高pH值、盐分积累和氮素快速流失而限制了作物生产力，这降低了传统尿素肥料的效果。同时，农业生物废物的处理和利用仍然是可持续农业面临的关键挑战。将此类生物质转化为功能性肥料材料提供了一种双重解决方案。本研究将小麦秸秆在250°C、350°C和500°C下热解，然后与膨润土混合，制备了包膜尿素肥料（WSU250、WSU350、WSU500）。系统研究了热解温度对包膜性能、氮素释放动态、土壤改良效果以及经济和环境可持续性的影响。在所制备的包膜尿素中，WSU250具有接近中性的pH值和最高的材料产量，是最适合用于包膜的选项。所有包膜肥料都实现了较高的包膜率（>78%）和良好的机械强度，而WSU250形成的水分渗透路径更为复杂，有效延缓了尿素的溶解。土壤柱淋溶实验表明，与传统尿素相比，包膜尿素显著减少了氮素流失；WSU250使NO₃⁻-N的淋溶量减少了13.16%。氮素释放遵循一级反应和扩散控制动力学。盆栽实验进一步显示，包膜尿素促进了植物生长、叶绿素含量和生物量的增加，同时通过降低土壤pH值、电导率、交换性Na⁺和交换性钠百分比（ESP）减轻了盐碱胁迫。综合成本和环境分析表明，WSU250的生产成本和二氧化碳排放量最低。这些发现为盐碱土壤的可持续管理提供了科学依据，并为农业生物质在循环低碳农业系统中的利用指明了方向。

引言

土壤退化已成为全球性问题，其中盐碱土壤尤为突出（Alqasemi等人，2021年；Du等人，2023年）。目前，全球约20%的耕地受到盐碱化的影响，且受影响面积正以每年1.4%的速度扩大。预计到2050年，这一趋势可能会进一步加速。中国盐碱土地总面积约为1.1亿公顷，位居世界第三，这对农业发展构成了重大挑战，同时也意味着巨大的未开发农业潜力（Wang等人，2026年；Xiao等人，2025年）。这类土壤的特点是盐分积累过多、pH值高、结构不良且养分有效性低，这些因素都限制了作物的发芽、生长和产量（Gang等人，2024年）。在这种条件下，传统的氮肥（如尿素）效率极低。高pH值会显著促进氨的挥发，而土壤结构差和缺乏有机物则会导致NO₃⁻-N渗出根区（Gu等人，2015年；Liu等人，2025年）。因此，氮素利用效率（NUE）极低，导致巨大的经济损失和环境污染，从而需要开发适用于这类挑战性土壤的先进肥料策略。

为了解决这些效率问题，功能性包膜尿素肥料已成为最广泛采用的产品之一（Abbas等人，2022年；An等人，2020年）。包膜层作为物理屏障，减缓氮素的扩散和释放，从而减少挥发和淋溶损失（Jia等人，2020年）。市售的包膜尿素通常依赖石油衍生的合成聚合物。然而，这些材料价格昂贵、不可生物降解且依赖于有限的化石资源，引发了长期环境可持续性的担忧（Majeed等人，2015年；Qiao等人，2025年；Tian等人，2022年）。因此，迫切需要可生物降解、低成本、资源高效的包膜材料，以适应可持续农业实践和循环经济。

近年来，从农业废弃物中开发环保型包膜材料成为可持续农业的重点（Abbas等人，2025年；Liu等人，2019年；Yang等人，2025a；Yuan等人，2023年；Zhang等人，2026年）。其中，热解生物质（尤其是生物炭）因其多孔结构和高的养分保持能力而受到广泛研究，是一种有前景的环保包膜材料。Cheng等人通过将稻草生物炭嵌入聚乙烯醇/淀粉包膜的不同层中，开发了一系列生物炭包膜肥料。结果表明，生物炭嵌入内层的配方分别将氮素和磷素的淋溶减少了70%以上和40%，显著提高了养分利用效率和植物生长表现，显示出优异的缓释特性和经济可行性（Cheng等人，2024年）。此外，生物炭-矿物尿素复合肥料（Bio-MUC）通过将生物炭与膨润土和海泡石混合制备，通过增强生物炭-矿物表面的尿素氮吸附和结合作用，降低了氮素释放速率。它能在更长时间内保持较高的NH₄⁺/NO₃⁻比例，从而促进玉米根系生长和氮素利用效率（Shi等人，2020年）。尽管基于生物炭的肥料表现出强大的养分保持性能，但由于高温生物炭的特性，其直接应用于盐碱土壤仍有限制。通常在500°C以上的高温下制备生物炭，虽然高温热解会产生更大的比表面积，但同时减少了表面官能团的数量，降低了材料的反应性（Song等人，2025年）。此外，高温生物炭往往具有强碱性，在土壤中难以分解。这些特性共同限制了其在盐碱土壤中的应用。一方面，过高的碱性可能进一步提高土壤pH值；另一方面，缺乏官能团及其顽固的性质削弱了其肥料保持能力和促进土壤生态系统恢复的能力。相比之下，低温热解（约250°C）提供了一个有吸引力的替代方案。与直接添加秸秆相比，低温热解不仅通过高温处理有效杀菌，减少了病虫害传播的风险，还分解了一些易分解的成分（Chen等人，2025年）。这稳定了材料结构，防止了遇湿时快速膨胀或分解。因此，避免了包膜不稳定和氮素释放失控的问题。此外，与高温热解不同，低温转化保留了更多的含氧官能团，防止了强碱性灰分的形成（Chen等人，2025年）。这保持了较高的化学反应性和中性pH值，有助于调节氮素转化、缓冲碱度并恢复盐碱土壤的环境。此外，低温热解显著降低了能耗，同时保留了更多的养分和可降解的有机成分（如纤维素），使材料兼具结构稳定性和环境友好性（Su等人，2025年）。这些特性使得低温热解生物质成为盐碱土壤改良的高效方法。现有研究表明，低温热解秸秆可以缓解盐碱土壤中的氨挥发问题（Zhu等人，2025年），但其作为盐碱土壤包膜肥料的应用尚未得到系统研究。

在实际应用中，形成稳定均匀的包膜层通常需要添加粘合剂以提高粘附力和机械强度。如果没有足够的粘合支持，仅使用生物质颗粒可能无法形成连续的包膜，导致开裂、覆盖不完整或缓释效果不佳（Singh，2025年）。常用的天然粘合剂中，膨润土因其广泛的可用性、适度的膨胀性和环境安全性而经常被使用，它可以在不损害土壤系统的情况下提高包膜的凝聚力（Neto等人，2023年）。因此，将生物质材料与适当的粘合剂结合是开发结构稳定包膜肥料的重要技术基础。

本研究以尿素作为养分核心，使用250°C热解的小麦秸秆作为主要包膜材料，并与膨润土结合制备包膜尿素（WSU250）。为了系统比较不同热解温度的影响，还制备了350°C（WSU350）和500°C（WSU500）热解的小麦秸秆包膜尿素样品。评估了包膜尿素的物理性质，并使用SEM成像技术评估了包膜结构的完整性。进行了土壤柱淋溶实验，以研究包膜尿素在盐碱土壤中的氮素释放行为，并利用动力学模型表征了氮素释放机制。进一步进行了小白菜盆栽实验，以评估盐碱条件下的植物生长表现和土壤改良效果。最后，经济和环境评估表明，低温包膜尿素的表现与高温材料相当，但生产成本更低，产生的温室气体排放也更少。总之，这项工作展示了将农业废弃物通过低温热化学转化生产环保包膜材料的潜力，提高了肥料效率，支持了盐碱土壤的可持续管理和利用。

材料

小麦秸秆（WS）来自中国保定市的当地农田。秸秆经过7天风干，使其水分含量低于8%。农业尿素（含氮46%）、膨润土和小白菜种子均为商业购买。本研究中使用的所有化学品均为分析级，实验过程中使用去离子水。

WS的热解处理

预处理后的小麦秸秆（WS）进一步用小型破碎机研磨并通过80目标准筛网筛选。

热解秸秆材料的物理化学性质

表1显示了不同热解温度对秸秆材料产量、pH值和电导率（EC）的影响。随着热解温度的升高，材料产量显著下降，WS250的产量为82.30%，而WS350和WS500的产量分别降至48.66%和39.86%，反映了半纤维素、纤维素和木质素在高温下的逐步热解（Yang等人，2025b）。WS250的相对较高产量表明其结构破坏较小。

结论

本研究通过将不同温度热解的小麦秸秆与膨润土结合，制备了三种包膜尿素配方（WSU250、WSU350和WSU500），并系统评估了它们的包膜性能、氮素释放行为、农艺表现、土壤改良效果及在盐碱土壤中的整体可持续性。包膜量、耐磨性和SEM微观结构的测量证实，所有配方都产生了连续且机械稳定的包膜。

作者贡献声明

牛波：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取。 韩冰：监督、方法学。 徐振明：监督。 高卢克：正式分析、数据管理。 王立军：正式分析、数据管理。 徐博阳：撰写 – 初稿、正式分析、数据管理。 赵英楠：撰写 – 审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

☒ 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了Jing-Jin-Ji区域综合环境改善-国家科技重大项目（2025ZD1205400, 2025ZD1205402）、河北省科技计划（23567601H）和河北省教育厅科研项目（YJZ2024001）的支持。作者感谢Scientific Compass公司的Mengmeng Wang女士（www.shiyanjia.com）在BET分析方面提供的宝贵帮助。