共同回收小麦秸秆和蛋壳以促进可持续农业发展：一种复合涂层尿素，能够协同作用减轻氮素流失和盐分胁迫

《Journal of Environmental Management》：Co-recycling wheat straw and eggshells for sustainable agriculture: A composite coated urea synergistically mitigating nitrogen loss and salt stress

基于低温热解小麦秸秆和蛋壳开发的生物涂层尿素（WSU、EGU、WS-EGU）可显著减少氮淋失（NH4+流失降低17.82%，NO3-流失降低19.97%），改善盐碱土结构并降低ESP值，其中WS-EGU因协同作用（扩散控制、Ca2+交换Na+）表现最佳，为农业废弃物资源化提供新策略。

　　

作者：徐宝阳|赵英楠|高Luke|王丽军|牛波

河北省农田生态环境重点实验室，河北农业大学资源与环境科学学院，中国河北省保定市071000

摘要

在盐碱土壤中，氮肥的低效使用严重限制了作物产量，并导致环境中的氮流失。为了解决这一问题，我们利用低温热解的小麦秸秆和蛋壳，通过膨润土辅助涂层技术开发了三种生物基涂层肥料：小麦秸秆涂层尿素（WSU）、蛋壳涂层尿素（EGU）和复合小麦秸秆-蛋壳涂层尿素（WS-EGU）。低温（250°C）热解的小麦秸秆呈接近中性（pH 7.04），与传统的高温生物炭不同；而蛋壳成分（CaCO₃）增强了涂层的致密性和机械耐久性。土壤淋溶实验表明，与未涂层尿素相比，这些涂层肥料分别减少了NH₄⁺-N和NO₃^?-N的淋失量，最多可达17.82%和19.97%。盆栽实验显示，所有涂层尿素都促进了小白菜的生长，并保持了较高的土壤NH₄⁺-N和NO₃^?-N水平。此外，它们还有效降低了可交换钠离子（Na⁺）和可交换钠百分比（ESP），从而改善了土壤的离子环境和养分保持能力。其中，WS-EGU复合肥料表现最为出色。其有效性归因于扩散控制、离子交换和吸附调节的协同机制，这得益于Ca²⁺-Na⁺交换过程以及蛋壳颗粒填充秸秆孔隙形成的致密复合涂层。本研究为农业废弃物的资源化利用、氮素管理的提升以及盐碱胁迫的缓解提供了一种绿色可持续的策略。

引言

土壤退化已成为全球性问题，尤其是盐碱土壤（Alqasemi等，2021；Du等，2023）。目前，全球约20%的耕地受到不同程度的盐碱化影响，且盐碱化土地面积正以每年约1.4%的速度扩大，预计到2050年这一趋势将进一步加快（Mukhopadhyay等，2021；Xiao等，2025）。中国盐碱土地总面积估计约为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，2026；Xiao等，2025）。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，2024）。在这种环境下，传统的尿素施肥方法效率极低。高pH值会显著促进氨的挥发，而不良的土壤结构和缺乏有机质则导致NO₃^?-N渗出到根区之外（Gu等，2015；Liu等，2025）。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，因此需要针对这些特殊土壤开发先进的施肥策略。

为了克服这些效率问题，功能性涂层尿素肥料已成为应用最广泛的产品之一（An等，2020）。涂层层作为物理屏障，控制氮的扩散和释放，从而减少挥发和淋失（Jia等，2020）。市售的涂层尿素通常依赖于石油衍生的合成聚合物。然而，这些材料不可生物降解、成本高昂且依赖有限的化石资源，引发了对其长期经济和环境可持续性的担忧（Majeed等，2015；Qiao等，2025；Tian等，2022）。因此，迫切需要可生物降解、低成本且资源高效的涂层材料，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涂层材料成为可持续农业的重点。其中，通过生物质热解产生的生物炭因其高度多孔的结构和优异的养分保持能力而受到广泛关注，是一种有前景的环保涂层材料。Cheng等人通过在聚乙烯醇/淀粉涂层中嵌入稻草生物炭，开发了一系列生物炭涂层肥料。结果表明，将生物炭嵌入内层的配置分别减少了70%以上的氮和磷的淋失，同时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，2024）。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，降低了氮的释放速率，保持了更长的NH₄⁺/NO₃^?比例，从而促进了玉米根系生长和氮素利用效率（Shi等，2020）。尽管这些研究证实了生物炭基肥料的优越性能，但由于高温生物炭的固有局限性，其在盐碱土壤中的直接应用仍具有挑战性。传统生物炭通常在500°C以上温度下制备，具有高碱性且难以降解，可能会加剧土壤pH值并延长降解周期（Song等，2025）。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。在这种温和条件下制备的材料酸度较低，有利于减少施肥后碱性土壤中的氨挥发（Zhu等，2024）。此外，该过程能耗更低，产物产量更高（Huang等，2023）。重要的是，低温产物含有丰富的氮含量和可降解的有机成分（如纤维素），使其不仅可作为肥料养分来源，还可作为土壤中的生物降解材料（Chen等，2025a；Sun等，2023）。这种性质的结合使得低温热解生物质成为盐碱土壤的理想涂层材料，但其在此特定用途上的应用尚未有报道。

除了使用低温处理过的秸秆作为主要基质外，通过引入补充材料还可以增强涂层的功能性。例如，加入细颗粒材料可以帮助密封基质孔隙，进一步微调养分释放（Piash等，2022）。更重要的是，这种添加剂可以根据其在缓解盐碱胁迫方面的特定功能进行选择。蛋壳主要由碳酸钙（CaCO₃组成，占比约94%），是一种富含钙的无机材料。食品加工和蛋类加工行业会产生大量蛋壳废弃物，全球每年产生的蛋壳废弃物约为858万吨（Waheed等，2020）。目前，大部分废弃物被填埋，既造成了环境负担，也浪费了资源。因此，由于其高CaCO₃含量和丰富的可用性，蛋壳具有作为低成本土壤改良材料的巨大潜力。当应用于土壤时，从蛋壳中释放的钙离子（Ca²⁺）与土壤胶体上吸附的钠离子（Na⁺）发生关键的离子交换反应：土壤胶体-Na⁺ + Ca²⁺ → 土壤胶体-Ca²⁺ + Na⁺。被置换的Na⁺可以通过灌溉从根区淋出，有效降低土壤pH值、钠含量和碱度，同时改善土壤结构（Xiang等，2024）。因此，整合蛋壳来源的CaCO₃可以创建一种多功能涂层，不仅控制氮的释放，还能积极促进土壤修复。

在这项研究中，我们首次提出了使用低温热解的小麦秸秆和蛋壳，结合膨润土粘土，开发出专门用于盐碱土壤改良的复合涂层尿素。研究旨在合成和表征这些废弃物衍生的涂层材料，并通过多方面的实验方法评估其效果。这包括土壤柱淋溶试验以量化氮释放动态和淋失量，以及小白菜盆栽试验以验证在盐碱条件下的农艺表现。此外，还通过研究离子交换过程和涂层材料与土壤物理化学性质之间的相互作用，探讨了氮素保持和土壤改良的机制。总体而言，本研究提出了一种可持续策略，将农业和食品废弃物转化为多功能肥料，不仅提高氮素利用效率，还能促进盐碱土壤的生态恢复。

材料

小麦秸秆（WS）采集自中国保定市的当地农田。秸秆经过7天风干，直至含水量低于8%。蛋壳（EG）从河北农业大学食堂收集，手动去除残留的蛋膜后，用去离子水进行三次超声波清洗（每次10分钟，25°C），以去除有机残留物。农业尿素（含氮46%）购自中国农业资本集团有限公司，膨润土也来自该公司。

原始材料及改性材料的结构表征

原始小麦秸秆、原始蛋壳、WS、EG和WS-EG的FTIR光谱如图2a所示。原始小麦秸秆和WS在约3373 cm^?1处显示出宽吸收带，归因于O-H伸缩振动，同时在2920 cm^?1（烷基C-H伸缩）和1055 cm^?1（C-O-C伸缩）处也有特征性带（Fu等，2021；Zhao等，2025）。经过250°C的热处理后，功能团峰没有显著消失。

结论

本研究利用低温热解的小麦秸秆和蛋壳，通过膨润土辅助涂层方法，开发了三种用于盐碱土壤的涂层尿素肥料：WSU、EGU和WS-EGU。与具有高碱性的传统高温生物炭不同，低温热解的小麦秸秆pH值为7.04。同时，蛋壳的引入提高了涂层的致密性和机械耐久性。土壤淋溶实验表明...

CRediT作者贡献声明

徐宝阳：撰写初稿、正式分析、数据管理。 赵英楠：撰写、审稿与编辑、监督。 高Luke：正式分析、数据管理。 王丽军：正式分析、数据管理。 牛波：撰写、审稿与编辑、监督、资金获取。

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

本工作得到了Jing-Jin-Ji区域综合环境改善-国家重点科技项目（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FTIR和XRD分析方面提供的宝贵帮助。