钢渣与鸡粪的混合堆肥改善了产品的性能，并稳定了土壤-水稻系统中镉的活性

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Co-compost of steel slag and chicken manure improved product properties and stabilized Cadmium activity in soil-rice systems

钢渣与鸡粪共堆肥可有效改善镉污染稻田土壤，堆肥成熟且降低稻米镉含量达57%，满足食品安全标准。

　　

李远伟|郑楚静|黄静|陈哲|姜勇|丁阳|邱荣亮

教育部广西师范大学珍稀濒危物种生态与环境保护重点实验室，中国桂林541004

摘要

钢渣是一种普遍存在的工业副产品，作为土壤改良剂的应用越来越受到关注，尤其是在修复重金属污染方面。然而，其在可持续利用方面仍存在重大挑战，并伴随一定的环境风险，因此需要进一步研究适当的预处理方法。本研究首次探索了钢渣（SS）与鸡粪（CM）的联合堆肥，并全面评估了这种堆肥的成熟度、有机质转化情况以及在镉（Cd）污染的水稻土中的表现。结果表明，钢渣堆肥达到了成熟标准且没有植物毒性，其物理化学性质优于鸡粪堆肥，表现为更高的pH值和更低的电导率。三维激发-发射矩阵荧光光谱分析显示，钢渣堆肥中含有较高水平的类蛋白质物质，这些物质在5天内迅速降解并转化为腐殖酸和富里酸类物质，这一过程通过SUVA₂₅₄、SUVA₂₈₀和E₂₅₃/E₂₀₃值的增加得到了验证。盆栽实验表明，使用钢渣堆肥可使土壤中的DTPA-Cd含量降低7%~24%，并抑制其向水稻根部的转移，从而使得糙米中的总Cd浓度比对照组（CK）降低了12%~57%。其中，来自2克/千克钢渣处理的糙米中的Cd含量下降最为显著，符合国家食品安全标准（<0.2毫克/千克）。本研究强调了钢渣与鸡粪联合堆肥的可持续性，所得堆肥可作为农业实践中修复镉污染土壤的有效改良剂。

引言

由于采矿、冶炼、废水灌溉和施肥等人为活动，镉（Cd）污染的土壤已成为农业领域的一个严重问题[1]、[2]、[3]。作为全球最重要的粮食作物之一，水稻具有吸收镉的能力[4]，这可能通过日常消费对公众健康构成潜在风险。鉴于水稻种植的全球规模以及镉污染土壤的普遍存在，解决这一问题对于确保食品安全和保护人类健康至关重要。

最近的研究表明，具有碱性、富铁和高硅特性的土壤改良剂（如石灰、螯合铁肥和硅肥）可以有效减少水稻中的镉积累[4]、[5]、[6]、[7]。钢渣作为钢铁冶炼的工业副产品，具备这些有益特性，成为土壤修复的候选材料[8]。钢渣中的高碱性氧化物可以通过中和酸化的稻田土壤来抑制镉的迁移[9]、[10]，而这一问题由于氮肥过度使用和酸沉降而日益严重[11]。此外，钢渣中的铁元素可能通过根际界面上的Fe-Cd相互作用影响镉的吸收和内部运输[5]、[12]。钢渣还含有钙（Ca）、硅（Si）、磷（P）等对植物有益的元素，已被提议用于肥料应用[13]。2023年中国粗钢产量超过10亿吨[15]，但钢渣的综合利用率仍低于30%[16]，大部分钢渣被堆放或填埋，导致大量空间占用和潜在的环境风险。尽管钢渣具有优良的物理化学性质，但在直接施用于土壤时仍需谨慎，因为其强碱性和化学不均匀性可能导致土壤物理条件恶化及养分有效性降低[18]。此外，钢渣可能含有有毒元素，湿润和风化过程中产生的高pH值渗滤液会增强金属迁移性，增加长期积累或渗出的风险[19]、[20]。在稻田系统中，直接施用钢渣可减少水稻中的镉积累，但同时可能增加砷（As）的积累[21]。尽管已提出多种调理和预处理方法，但同时实现可靠金属固定和良好农艺效果的简单方法仍需进一步验证[22]、[23]。

联合堆肥已成为钢渣农业应用前的有前景的预处理策略。在堆肥过程中，微生物分解会产生低分子量有机酸和富含含氧官能团的腐殖质，这些物质可以缓冲钢渣的碱性、减少团聚[24]、[25]，并通过络合、螯合和表面结合作用固定金属[22]、[26]。钢渣的多孔结构和高比表面积还有助于改善堆肥结构与通气性，尤其适用于高水分基质。相关研究显示，添加钢渣可提升堆肥的物理化学性质、增强酶活性并加速有机质降解，从而促进前体转化和腐殖化[27]。

然而，现有的钢渣堆肥研究主要涉及城市污泥[28]、[29]、[30]和植物来源的材料[31]、[32]，对动物粪肥的关注较少，这些堆肥产品的农艺相关性和实际应用潜力尚未得到充分探索。动物粪肥含有丰富的有机碳和肥料养分（如氮和磷），而污水污泥则因含有多种污染物而受到更严格的监管和管理限制[33]。随着畜牧业的发展，全球每年产生约4.57亿吨鸡粪[34]，迫切需要有效的处理方法[35]。为此，我们首次全面评估了鸡粪与钢渣的好氧联合堆肥，以实现两种材料的增值利用并生产土壤改良剂。通过紫外-可见光光谱和三维荧光结合平行因子分析研究了堆肥过程中的有机质动态。同时进行了水稻盆栽实验，以探讨堆肥产品对土壤和水稻之间镉迁移的抑制效果。本研究旨在提供一种成本效益高且环保的钢渣和动物粪肥回收方法，同时减轻稻田土壤-水稻系统中的镉污染。

材料

堆肥实验使用了鸡粪和米糠作为原料，钢渣作为辅助材料。鸡粪来自广西桂林凤越农业科技发展有限公司，米糠购自广西贺州农丰宝公司，钢渣来自广西柳州钢铁集团有限公司。盆栽实验所用的土壤取自桂林某铅锌矿区附近的镉污染农田。

钢渣对堆肥物理化学性质的影响

堆肥温度是衡量堆肥无害性和成熟度的重要指标。在初始发酵阶段，两个堆的温度在24小时内迅速上升。鸡粪堆在48小时内达到60°C，而钢渣堆则在24小时内达到60°C（图1a）。两者在5天内均保持高温，符合NY/T标准中规定的杀菌要求。

钢渣对堆肥性质的影响

研究表明，添加钢渣可以提高堆肥过程的效率和最终产品的质量。两种堆肥产品中的有害元素（砷、镉、铅、铬和汞）浓度均符合中国肥料污染物标准（GB 38400-2019；表S2），表明按测试比例添加钢渣不会影响产品安全性。堆肥过程中，两个堆均表现出典型的温度上升后冷却现象，符合好氧堆肥的特点。

结论

总体而言，添加钢渣的堆肥达到了标准的成熟度和卫生要求。钢渣的加入提高了堆肥的pH值、电导率和胶体渗透率（GI）。紫外-可见光指数（UV–Vis）和EEM/PARAFAC分析表明堆肥提取物经历了显著的腐殖化过程，其中钢渣堆肥的腐殖化程度优于单独使用鸡粪的堆肥。将这些堆肥应用于镉污染的土壤中可以有效降低镉含量。

作者贡献声明

丁阳：撰写、审稿与编辑、验证、软件应用。邱荣亮：撰写、审稿与编辑、方法学设计。陈哲：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、监督、软件应用、资源管理、项目协调、方法学设计、研究实施、资金获取、数据分析、概念构建。姜勇：撰写、审稿与编辑、方法学设计、数据分析。郑楚静：初稿撰写、数据可视化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（41807136）、广西自然科学基金（2025GXNSFAA069356）、广西创新研究团队项目（2018GXNSFGA281001）以及国家大学生创新创业培训计划（202410602054）的支持。