空气供应量和秸秆改良对猪粪磷素径流潜力的影响

《Waste Management》：Effects of air availability and straw amendment on swine manure phosphorus runoff potential

磷形态转化与储存条件对猪粪磷有效性的影响及玉米秸秆改良机制研究。

　　

邢文超|马洪珍|薛振宇|徐世晓|贾立新|徐鹏翔|姜丹平|徐福清

陕西土地工程建设集团有限公司与西安交通大学人居与土木工程学院土地工程与人类居住技术创新中心，中国西安 710049

摘要

粪肥是磷（P）肥料的重要来源，但其磷的溶解度可能同时影响环境影响和肥料效果。长期储存过程中粪肥中磷形态的变化机制尚不明确。本研究评估了在未密封和密封条件下猪粪长期储存过程中磷形态的动态变化，并探讨了添加玉米秸秆作为改良剂对磷稳定性的影响。结果表明，在未密封条件下，Olsen-P（H₂O-P 和 NaHCO₃-P）浓度降低了16%，而 Fix-P（NaOH-P + HCl-P）浓度增加了150%，表明磷转化为了更稳定的形式。相比之下，密封条件对磷浓度和溶解度的影响较小，Fix-P仅增加了3%。在未密封系统中加入玉米秸秆后，总磷（TP）浓度增加了45%，Olsen-P浓度降低了12%，表明玉米秸秆的添加增强了磷的化学沉淀和有机络合作用。添加秸秆的密封条件下的变化趋势与未密封和未添加改良剂的条件相似。长期未密封储存过程中，猪粪中的可溶性磷转化为了更稳定的矿物，如 MgNH₄PO₄·6H₄、Fe₃(PO₄)₂·H₂O 和 AlPO₄·2H₂O，同时粪肥颗粒也发生了聚集。本研究为开发经济高效的猪粪管理方法以减少磷流失提供了有价值的见解。

引言

中国是世界上最大的畜禽生产国，每年产生约35亿至38亿吨粪肥，这既是一个重大的废物管理挑战，也是一项潜在的营养资源（Yu et al., 2019）。将粪肥施用于土地仍然是最经济高效且实用的粪肥管理方法，尤其是在支持可持续农业和生态系统健康方面（Gamage et al., 2023）。然而，中国的畜禽生产和农作物生产系统往往在空间上分离，导致养分循环效率低下，增加了土壤磷积累和下游流失的风险（Li and Shen, 2025）。1990年至2020年间，中国耕地通过地表径流平均每年损失148 ± 27 Gg磷（Pan et al., 2025），表明农业磷流失的趋势正在加剧。这种磷流失带来了多种负面影响，包括水体富营养化、藻类爆发和水质下降，从而影响渔业、人类健康和环境。

由于季节性和卫生考虑，畜禽粪肥通常需要在施用于土地之前在氧化池或厌氧池中储存一段时间，这显著影响了磷的流失潜力。储存过程中，磷会发生复杂的生物化学变化，这些变化极大地影响了磷的可用性和环境风险（Riano and Garcia-Gonzalez, 2015）。这些变化受到储存条件（如空气供应、温度和有机物含量）的强烈影响。我们之前的研究表明，将猪粪储存在未密封容器中可以显著降低可溶性磷的浓度，而密封储存对磷的溶解度影响不大（Xu et al., 2022）。其他研究也表明，厌氧消化产生的沼气浆液中含有高溶解度的磷，如果管理不当，这些可溶性磷会迅速释放到水体中，造成污染风险（Gonzalez-Garcia et al., 2021, Shao et al., 2023）。

为了减少粪肥施用于土地后的磷流失，人们提出了多种控制策略，主要集中在使用富含钙（Ca）、镁（Mg）、铝（Al）或铁（Fe）的矿物添加剂来固定磷（Moore, 2016, Chakraborty et al., 2023, Li et al., 2023）。固定磷后，处理过的粪肥可以重新用作有机肥料，从而降低磷的迁移性和环境风险。先前的研究表明，不同的矿物改良剂可以通过不同的机制将可溶性磷转化为更稳定的矿物形式。例如，厌氧储存结合鸟粪石结晶可以回收高达74%的磷，尽管添加钙可能会促使鸟粪石向磷酸钙转变（Schott et al., 2022）。催化水热处理和Ca/Al改性的水碳材料在猪粪中表现出强烈的磷亲和力（He et al., 2022），而含铝或铁的改良剂能有效将易变磷转化为更稳定的Al-P和Fe-P形式（Saracanlao et al., 2024）。总体而言，这些方法显著降低了磷的迁移性和粪肥改良土壤中磷流失的风险。

尽管这些方法有效，但由于经济和实际考虑，矿物添加剂的广泛应用受到限制。例如，虽然磁性Fe₃O₄/FA复合材料已被证明可以增加猪粪厌氧消化过程中的甲烷产量（Liu et al., 2019），但其整体经济可行性受到材料合成、运输和外部投入等隐性成本的制约。因此，在资源有限的地区，依赖矿物添加剂可能会阻碍其大规模应用（Liu et al., 2022）。

秸秆改良是一种在中国正在研究的低成本粪肥管理方法，但其环境影响尚未完全了解。将禽粪与秸秆混合施用可以提高土壤团聚体的稳定性并增加磷的保持能力，从而减少大团聚体中的易变磷含量，同时降低微团聚体中的磷含量，从而降低整体磷流失风险（Zhang et al., 2025）。尽管在上述方法上已取得进展，但它们对粪肥储存的影响仍不清楚。

本研究考察了猪粪储存180天内磷形态的时间演变。通过实验室规模的模拟储存实验，研究了在未密封和密封条件下添加玉米秸秆的协同效应。我们假设，根据储存系统的有氧或厌氧性质，玉米秸秆的添加会通过不同的途径影响猪粪中磷的形态和稳定性。通过量化关键的磷形态，本研究为通过优化储存策略来减少磷流失提供了机制框架。

材料

新鲜猪粪样本是从中国西安的一个小型家庭养猪场收集的，收集后立即在4°C下储存1天，然后用于储存实验。玉米秸秆也从中国西安收集，将其机械研磨成1–2厘米的碎片并风干后使用。新鲜猪粪的物理化学性质如下：pH 6.78 ± 0.03，总固体（TS）27.37 ± 1.01%，挥发性固体（VS）85.04 ± 0.52%，总磷（TP）

预处理方法对粪肥磷测量的影响

新鲜粪肥的平均总磷含量为24.2 g kg^?1，经过ND预处理后降至22.5 g kg^?1。无机磷（Pi）占所有粪肥样本的78%至88%。然而，不同处理组之间无机磷形态的分布存在显著差异，而在新鲜猪粪（UD）中，有机磷的比例最高（22%），超过了所有测试的预处理方法（图1a）。

H₂O-P在UD、FZD、D65和D105处理组中占TP的37–40%

结论

本研究阐明了不同储存条件下猪粪中磷形态转化的途径。在未密封系统（有氧条件下），磷的转化主要由微生物矿化驱动，有机磷释放出的磷酸根离子与金属离子（如Mg²⁺）结合形成结晶相，如MgNH₄PO₄·6H₂O。而在密封条件（厌氧条件下），还原性微生物过程促进了磷与Fe²⁺的结合沉淀

作者贡献声明

邢文超：撰写 – 原始稿撰写、可视化、验证、方法学设计、实验实施、数据分析、概念构建。马洪珍：可视化、数据管理。薛振宇：可视化、数据管理。徐世晓：方法学设计。贾立新：方法学设计。徐鹏翔：撰写 – 审稿与编辑。姜丹平：指导、监督、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：徐福清报告称得到了西安交通大学的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作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（编号52300174）、中国博士后科学基金一般项目（编号2023M732804）以及土地工程与人类居住技术创新中心（编号201912131-D2）的支持。作者感谢西安交通大学核心设施共享平台在化学分析方面的协助。