Environmental Chemistry Letters丨机器学习和计算化学改进生物炭肥料:综述

论文内容

研究背景：

生物炭是一种通过生物质热解产生的富含碳的材料，作为一种潜在的农业改剂和其他环境应用已经引起了人们的极大兴趣。由于生物炭具有高孔隙率和高表面积等独特特性，因此作为一种营养载体，生物炭在改善土壤质量和养分管理方面具有广阔的应用前景。本文综述了生物炭的生产方法、载磷技术以及影响磷释放的因素，以期更好地了解其潜在机制。该综述还强调了在气候智能型农业背景下最大化有机酸以提高生物炭磷生物利用度所涉及的策略和机制

研究内容：

传统肥料效率极低，营养流失严重，还会造成污染。另外，装载磷的生物炭是一种可持续的肥料，可以改善土壤结构，在土壤中储存碳，并从长远来看提供植物营养，但大多数生物炭不是最佳的，因为控制生物炭特性的机制尚不清楚。这个问题可以通过机器学习和计算化学的最新发展来解决。本文综述了载磷生物炭，重点介绍了计算化学、机器学习、有机酸、传统肥料的缺点、生物炭的生产、载磷和磷释放机制。建模技术允许破译个体变量对生物炭的影响，采用针对不同生物炭类型量身定制的各种监督学习模型。计算化学提供了控制磷结合因素的知识，例如，磷化合物的类型、土壤成分、矿物表面、结合基元、水、溶液pH和氧化还原电位。生物炭中磷的释放受共存阴离子、pH、吸附剂用量、初始磷浓度和温度的控制。低于600℃的热解温度提高了官能团的保留，而低于450℃的热解温度增加了植物有效磷。较低的pH值促进磷的释放，较高的pH值则阻碍磷的释放。物理改性，如增加表面积和孔隙体积，可以最大限度地提高生物炭的吸附能力。有机酸类型影响磷释放，低分子量有机酸有利于土壤利用。最后，生物炭基肥料释放养分的速度比传统肥料慢2-4倍。

研究结论：

含磷无机肥料在农业中促进植物生长，但其使用会导致环境污染、作物减产和水体富营养化。本文综述了含磷生物炭的相关研究热点，并利用计算化学和机器学习技术优化了含磷生物炭在可持续农业中的应用。研究了传统肥料对环境的不利影响，包括其效率低下和对土壤健康和生物多样性的有害影响。

阐述了生物炭的生产和装载技术，包括各种生产方法和装载生物炭的磷源。还讨论了负载生物炭的表征方法。探讨了生物炭释放磷的机制，包括影响释放的物理和化学性质以及所涉及的微生物和根介导的过程。分析了影响磷释放的因素、生物炭改性以及有机酸对磷释放的影响。重点介绍了工程生物炭缓控释磷的优点，并探讨了生物炭类型和施用量对磷释放的影响。指出了在植物生产中使用含磷生物炭的局限性，并对该领域未来的研究方向进行了讨论。

生物炭可以有效地吸附农药中的无机盐和重金属，提供了一种低成本和易于使用的处理选择。生物炭的生产方法包括热解、气化和低温碳化，其中热解是最常用的。含磷生物炭提高了吸附能力和效率，利用城市污泥和动物粪便作为磷源，促进固体废物循环利用。热解条件影响生物炭的性质，包括官能团类型、阳离子交换容量和pH，从而影响磷的释放。细菌收缩可以进一步提高生物炭的保留能力。虽然物理、化学和生化改性可以提高生物炭的吸附能力，但它们可能需要大量的时间。在气候智能型农业中，优化有机酸和利用机器学习来提高生物炭的磷生物利用度是必要的。将计算化学与实验数据相结合可以提高对磷生物利用度的理解。虽然载磷生物炭促进物质循环和重金属吸收，但由于生物质来源的潜在毒性和化学成分的变化，应谨慎使用。未来的研究应侧重于生物炭基磷肥的实地应用，评估二次污染的风险，特别是当来自高污染的生物质来源时。这种方法将在工厂生产中促进可持续、安全和环境友好的做法。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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