《Waste Management》：Straw ash-derived black carbon particles: Insights into potassium release and transport mechanisms
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黑碳迁移与钾释放耦合机制研究：基于DLVO理论分析烟草秸秆与玉米秸秆灰中黑碳的钾动态迁移规律，发现亲水性黑碳（TC）钾释放更高效但迁移率低，而亲脂性黑碳（CC）迁移率高但钾释放受限，环境pH和离子强度显著调控双电层压缩效应及物质迁移行为。
作者：Lezhu Su、Yuanqi Peng、Yan Tan、Yuzhen Chen、Bo Xiang、Kailiang Xie、Fushan Zhang、Nan Zhou
单位：湖南农业大学生物质炭工程研究中心，中国长沙410128
摘要
几个世纪以来，植物灰烬因其富含养分而被重新用作肥料。植物灰烬中的黑碳颗粒是钾的传输载体之一；然而，它们的高稳定性导致其在土壤中积累和迁移，从而影响钾和其他养分的释放。本研究基于DLVO理论，通过浸出实验研究了黑碳和内源钾的传输过程，并比较了烟草秸秆（TC）和玉米秸秆（CC）中的黑碳对不同条件下钾离子（K+）释放的影响。结果表明，TC中的内源钾含量为144 mg·g?1，其中约78%为易利用钾，是CC钾供应能力的1.5倍。相比之下，CC具有更高的疏水性，导致其迁移速率远高于TC。值得注意的是，随着pH值的升高，排斥力、离子浓度和离子价态也随之增加，加剧了双电层的压缩，影响了黑碳和钾的传输。这项研究为生态肥料的发展提供了宝贵的见解，突显了黑碳性质对农业系统中钾动态的影响。
引言
生物质灰（BA）是植物纤维、木材和其他有机材料燃烧的副产品。研究表明，农业秸秆灰（ASS）可以改善土壤的缓冲能力、渗透性和团聚体结构（Murtaza等人，2024年）。此外，ASS是丰富的养分来源，尤其是钾（Brownlie等人，2024年），在中国和其他农业国家已被用作钾肥数千年。然而，需要注意的是，BA含有黑碳颗粒，这些颗粒具有很强的抗性，可能在土壤中积累，从而影响土壤环境（Vassilev等人，2013年）。这种积累引发了人们对BA在农业中应用长期可持续性和生态影响的担忧（Taupedi和Ultra，2022年）。
黑碳（BC）是由化石燃料或有机物不完全燃烧产生的碳质颗粒物（Coppola等人，2022年；Zou等人，2024年）。它的结构类似于芳香化合物，具有抗分解性，并且在土壤中可以存在数千年（Coppola等人，2022年）。此外，BC稀疏的多孔物理结构和化学上较弱的极性使其具有强大的吸附能力，能够吸附土壤环境中的各种物质（Taupedi和Ultra，2022年；Yin等人，2022年）。因此，研究BC在土壤中的稳定性至关重要，尤其是在外源BC的情况下及其潜在的生态影响。Burke等人的研究表明，BC在土壤中的降解时间可以从几十年到几千年不等，这主要取决于BC的初始特性、形成时的温度以及周围的环境条件（Burke等人，2024年；Li等人，2024年；Shi等人，2022年）。一旦BC进入土壤基质，它可能会发生迁移和转化，这些过程可能受到非生物因素或土壤内生物活动的影响（Burke等人，2024年；Gao等人，2023年；Zou等人，2024年）。研究表明，碳质材料在土壤中的迁移和扩散取决于材料本身的性质和环境条件（Gao等人，2023年；Li等人，2024年）。颗粒大小、表面电荷、亲水性、环境pH值和土壤离子组成等因素起着重要作用（Coppola等人，2022年；Gao等人，2023年）。然而，大多数关于BC在土壤或多孔介质中传输的研究都集中在均匀的生物质炭材料上。相比之下，人们对来自生物质燃烧的天然BC的传输关注较少。这种BC通常在物理结构（如颗粒大小分布、孔隙率）、化学组成（如灰分含量、可溶性盐涂层）和表面性质方面表现出更大的复杂性和异质性，与实验室制备的均匀生物质炭不同。这种内在的复杂性可能导致其在环境中的迁移、转化和与养分的相互作用与常规生物质炭有显著差异。
钾是一种不可或缺的养分，在作物的生长和发育中起着关键作用（Brownlie等人，2024年）。多年来，农业秸秆灰（ASS）在农村地区被用作钾肥的替代品。然而，黑碳（BC）对钾动态的影响尚未得到充分研究。已知碳质材料会与土壤中养分离子的转化相互作用，并表现出很强的养分保持能力（Liang等人，2022年）。将生物质炭施用于土壤可以显著提高氮、磷和钾的吸收，尤其是钾的吸收，同时减少养分淋失（Hien等人，2020年）。Gross等人的研究表明，土壤有机质含量、养分的可用性和生物转化速率与BC在土壤中的长期积累有关（Gross等人，2024年；Shi等人，2022年）。据观察，BC构成了土壤有机碳库中最肥沃和可耕种的部分（Jiang等人，2024年）。然而，大多数这些研究都集中在作为独立土壤改良剂的外源生物质炭上，养分相互作用通常在静态或均匀条件下进行评估。一个被忽视但至关重要的情况是，当黑碳作为BA的成分进入土壤时，它并不是孤立存在的，而是与BA中的可溶性养分（如K+）和灰分矿物紧密相关或共封装的。这种“共存”状态如何影响黑碳颗粒通过土壤孔隙的传输？同时，这些颗粒的传输过程如何调节其自身养分和周围土壤环境中养分的空间分布和释放动力学？这种动态的“共传输”过程对于准确评估BA施用于土地后的实际养分可用性和环境风险至关重要，但目前仍缺乏系统的研究。Kong等人的研究发现，随着生物质炭在土壤中的迁移，其中不溶性的钾会逐渐释放，从而减少钾的淋失（Kong等人，2014年；Xiu等人，2023年）。这提出了一个关键问题：自然产生的、结构复杂的黑碳颗粒在通过多孔介质迁移时，是否不仅会逐渐释放自身的钾，还会通过表面介导的物理化学过程（如吸附-解吸或改变局部微环境pH值和氧化还原条件）积极“干预”钾的形态和传输，从而实现协同或拮抗的共传输效应。
基于上述假设，本研究首次探讨了生物质灰衍生的黑碳颗粒和钾在多孔介质中的共传输机制。选择了玉米和烟草茎秆这两种典型的草本生物质，在模拟的露天燃烧条件下生成黑碳颗粒。研究了这些碳颗粒的物理化学性质以及内部结合钾的形态。利用饱和多孔介质柱实验，同时追踪了黑碳颗粒的传输轨迹和钾的释放动力学（包括颗粒结合部分和环境影响部分）。通过应用Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）理论分析了颗粒传输行为，并系统研究了pH值和离子强度等环境因素的调节作用。本研究旨在阐明：（1）生物质灰衍生的黑碳在多孔介质中的传输模式；（2）颗粒传输与钾释放动力学之间的耦合关系；（3）环境条件对共传输过程的调节机制。研究结果有望为理解养分的空间可用性和评估生物质灰施用于土地后的环境风险提供机制基础，为优化生物质灰资源利用策略提供重要指导。
材料与化学品
秸秆原料（烟草秸秆和玉米秸秆）来自湖南农业大学的城市公园教学与研究基地。石英砂购自上海Aladdin工业公司。氢氧化钠、盐酸、氯化钾、氯化锌、氯化镁、氯化钙等分析级试剂购自中国上海的Aladdin工业公司。
烟草碳和玉米碳
对烟草和玉米茎秆进行自然燃烧；火焰熄灭后...
内源钾的形态分布
图1显示了烟草碳（TC）和玉米碳（CC）中各种形式的内源钾的分布。TC中的可溶性钾（64.55%）、缓释钾（19.40%）和交换性钾（13.73%）的比例较高，而CC中的结构钾（37.64%）比例较高。通常，水溶性和交换性钾部分是快速利用钾的主要成分（Xiu等人，2023年）。
结论
总之，含有内源钾的木炭颗粒的迁移与木炭材料的组成和表面性质有关。不同来源的黑炭在内源钾含量和化学形式上存在差异，但主要是水溶性的。CC由于具有更高的疏水性，其整体迁移速率高于TC，并且没有明显的内源钾释放模式。TC由于具有更高的亲水性和极性，释放了更多的...
作者贡献声明
Lezhu Su：撰写——初稿、软件、方法论、调查、概念化。
Yuanqi Peng：撰写——初稿、软件、调查。
Yan Tan：软件、数据管理。
Yuzhen Chen：撰写——审稿与编辑。
Bo Xiang：形式分析。
Kailiang Xie：软件。
Fushan Zhang：方法论。
Nan Zhou：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可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢湖南省青年基金会（编号2022JJ10030）、湖南省关键研发项目（编号2022NK2044）、湖南省自然科学基金（编号2021JJ40261）、湖南省科技创新计划（编号2022WZ1022）、湖南省农业农村厅项目（编号XIANG CAI JIAN ZHI [2025] No.137）以及芙蓉计划的支持。
