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生物炭基缓释有机肥料（BCSROFs）通过改善土壤结构和养分释放特性，在缓解盐碱化和酸性土壤退化中展现潜力，但其pH调节机制及经济可行性仍存争议，需结合循环经济框架深化研究。
塔瓦苏尔·阿里（Tawasul Ali）|邱平宇（Pingyu Qiu）|刘平（Ping Liu）|尼萨尔·穆罕默德（Nisar Muhammad）|陈光全（Guangquan Chen）|傅腾飞（Tengfei Fu）|彭长胜（Changsheng Peng）
安徽工程技术大学化学与环境工程学院，中国芜湖241000
摘要
尽管传统化学肥料能提高作物产量，但其使用会带来严重的环境退化和高昂的经济成本。由有机残渣制成的生物炭作为一种重要的碳输入物，可以为土壤提供多种功能益处。基于生物炭的缓释有机肥料（BCSROFs）通过改善土壤性质，有望缓解环境压力。虽然人们对基于生物炭的缓释肥料在养分释放行为方面给予了相当多的关注，但对其对土壤pH值影响的全面评估仍然有限。这一知识空白导致人们对其在各种环境和管理条件下的表现存在不确定性。此外，BCSROFs在改善碱性和酸性土壤物理条件方面的能力仍存在争议，其作用机制也尚未完全阐明。本综述综合了目前关于BCSROFs的开发、合成和应用的研究成果，重点探讨了它们在改良盐碱地和酸性土壤中的作用、经济可行性以及对其功能的一些初步解释机制。基于现有的技术、环境和经济证据，强烈推荐使用BCSROFs作为提高土壤质量和推动可持续农业实践的有效方法。
引言
在不增加耕地面积的情况下保持土壤功能以确保未来几代人的粮食安全，是当今人类面临的最紧迫问题之一[1]、[2]。同时，随着耕地质量的持续恶化，需要持续和协调的努力来维持或增加农作物产量。
可溶性化学肥料的淋溶、径流和地表冲刷会导致大量养分流失[3]、[4]。据估计，含有40-70%氮、80-90%磷和50-70%钾的肥料会流失到环境中[5]。这些损失不仅造成严重的环境污染，还阻碍了全球可持续发展[6]。此外，过度使用化学肥料会消耗有机质并导致盐碱化，进一步恶化土壤质量[7]。缓释肥料（SRFs）正是为解决传统肥料的这些问题而开发的，目前在全球范围内受到了越来越多的关注[8]、[9]。SRFs能够延迟养分释放，从而确保植物在施用后逐步吸收养分[10]。与传统肥料相比，SRFs释放养分的速度更慢，这提高了植物对养分的利用率并减少了养分的环境损失[11]、[12]。其中，有机缓释肥料（SROFs）因其经济性和环境可持续性而受到研究人员的更多关注。本综述强调了SROFs在改善土壤质量方面的潜力和应用前景。
由于生物炭能够改善土壤质量并形成保持原始生物质成分优势特性的复合材料，因此它被广泛研究作为土壤改良剂[13]。由于其显著的特性，如高表面积、多孔微观结构、石墨骨架和丰富的功能表面基团，生物炭成为一种重要的材料[14]。这些特性使其在环境稳定性、生物利用度和养分保持方面表现出色[15]、[16]、[17]。生物炭的应用范围包括土壤改良、吸附、废物处理、催化、能量储存和碳封存等[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。尽管有这些积极的应用前景，但生物炭在各个领域的实际应用仍处于起步阶段[23]。生物炭非常适合用于土壤改良，因为它不需要精确控制其分子结构和形状[24]、[25]。多项研究表明，向土壤中添加生物炭可以提高养分利用率和作物产量，改善土壤质地和理化性质，并减少温室气体（GHG）排放[26]。此外，生物炭还能减少土壤中的养分流失并提高肥料的有效性[27]、[28]、[29]。然而，原始生物炭中的养分含量较低，因此需要对其进行养分富集以增强其肥料效果。近年来，人们对BCSROFs的开发给予了更多关注。
鉴于相关研究的显著进展，整合当前关于BCSROFs的信息至关重要。本分析揭示了需要进一步探索的研究课题，以填补现有的知识空白。据我们所知，关于BCSROFs的系统性研究较少。因此，本综述基于最新的文献，全面概述了这一领域的发展现状。
持续改进土壤修复技术对于实现可持续农业系统至关重要[30]。已经使用了多种土壤改良剂来对抗土壤盐碱化和酸化带来的不利影响，目的是改善土壤的水力性质和促进土壤团聚体的形成[31]、[32]、[33]。虽然石膏等无机改良剂在置换钠方面有效，但它们同时增加的碱饱和度可能会对植物生长产生不利影响。在本综述中，我们重点关注BCSROFs在提高土壤质量方面的作用，从而支持作物产量的提升。此外，本文还指出了现有的知识空白，并对碱性和酸性土壤的改良剂进行了比较分析。评估强调了在循环经济框架内整合未来经济和环境评估的必要性。本文的结构如下：第1节为总体介绍；第2节提供文献研究和记录；第3节概述了SROFs的关键特性、必要性、制备方法和作用机制；第4节介绍了与肥料生产和配方相关的生物炭特性；第5节深入讨论了BCSROFs在改良盐碱地和酸性土壤中的应用；第6节重点介绍了BCSROF的制备和应用机制；第7节根据文献总结了成本经济评估；第8节提出了未来的研究方向和以往研究中的空白；第9节总结了结论。
虽然以往的综述主要集中在基于生物炭的肥料的养分输送能力上，但本研究通过综合分析其在土壤修复中的双重作用（特别是改良酸性和碱性土壤的作用），进一步推进了这一领域的研究。本分析的核心在于探讨热解温度如何影响生物炭的pH值，从而决定其在不同退化土壤中的修复效果。此外，本综述还批判性地评估了当前的配方策略，评估了经济可行性，并指出了持续存在的研究空白。通过结合基础机制与应用农学和环境因素，本综述旨在为设计针对性的、可持续的BCSROFs提供指导，以实现土壤健康的综合管理。
文献研究和记录
本研究回顾的文献来自ScienceDirect、Google Scholar和其他相关在线资源，使用关键词进行检索：'缓释肥料'、'基于生物炭的肥料'、'改良盐碱地'、'改良酸性土壤'、'微生物剂肥料'、'氮磷钾肥料'和'有机化合物肥料'。数据分析显示，相关研究主要集中在环境科学（27.3%）和土壤科学（14.1%）等领域。
关键特性、优势及必要性
传统化学肥料的高溶解度使其属于快速释放养分源，这导致了大量的养分流失，促使研究人员探索提高肥料效率的同时提升农业生产力的方法。实现这一平衡对于维持养分循环和长期生态稳定性至关重要。一个有前景的解决方案是开发先进的...
与肥料生产相关的生物炭特性
将生物炭与肥料结合使用是提高养分缓释性能的重要方法。生物炭因其多孔结构和丰富的表面功能基团而被广泛认为是一种有效的养分保持和控释载体。除了作为载体外，生物炭还是一种有价值的土壤改良剂，大量研究表明它可以改善土壤结构...
盐碱地修复
土壤盐碱化是指盐分在盐分过高或碱性的土壤中积累的现象，这类土壤通常具有高盐浓度。这是威胁农业生产和生态稳定性的主要土地退化形式。据估计，全球干旱和半干旱地区约有9.35亿公顷的土地受到盐碱化的影响，占灌溉土地的20%以上。
BCSROFs的作用机制
了解BCSROFs的制备机制和释放动态对于优化土壤系统中的养分保持和控释至关重要。如图S 1所示，BCSROFs通过物理吸附和化学吸附来保留养分。其较大的表面积、多孔微观结构和丰富的表面基团使其能够通过配位、物理吸附、沉淀、静电吸引和离子交换等方式吸附无机元素。
成本经济评估
成本评估在评估BCSROFs用于土壤修复的可行性方面起着关键作用。BCSROFs的总体生产成本主要取决于原材料的获取难度和类型，以及加工所需的能源。由于生物炭成分通常来自有机物质、动物废弃物或农业废弃物，因此开发BCSROFs在经济上具有可行性[128]。
未来展望和研究空白
本综述探讨了BCSROFs的有效性及其对土壤改良的贡献。不可避免地，未来还需要认识到一些研究方向和空白。当前研究主要集中在有机改良剂上，而对配方优化的关注不足。一些研究表明，过量或不适当的BCSROF应用可能会产生不良后果，这突显了确定特定应用剂量的重要性...
结论
先前的研究已经证明了生物炭作为土壤改良剂的有益作用，特别是其作为养分载体和提高肥料使用效率的能力。传统肥料受限于养分流失快、环境污染严重和高昂的经济成本，这推动了人们对BCSROFs的兴趣。尽管提出了多种制备方法，但每种方法都有其优势和局限性，难以确定最佳方案...
作者贡献声明
邱平宇（Pingyu Qiu）：撰写——审稿与编辑。刘平（Ping Liu）：撰写——审稿与编辑。塔瓦苏尔·阿里（Tawasul Ali）：撰写——初稿撰写、正式分析、概念构思。傅腾飞（Tengfei Fu）：撰写——审稿与编辑。彭长胜（Changsheng Peng）：撰写——审稿与编辑、验证、项目管理、资金获取、概念构思。尼萨尔·穆罕默德（Nisar Muhammad）：撰写——审稿与编辑。陈光全（Guangquan Chen）：撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了安徽工程技术大学引进人才创业基金会（2022YQQ076）和自然资源部莱州湾海水入侵与土壤盐碱化观测研究站开放研究基金（2024LZORS002）的支持。
