應(yīng)用案例 ：污泥土地利用對(duì)土壤溫室氣體排放的影響

原文以Greenhouse gas emissions of sewage sludge land application in urban green space: a field experiment in a Bermuda grassland 為標(biāo)題發(fā)表在Science of The Total Environment（IF=8.2）上

作者 | 楊航等

2024年5月，上�？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司的楊航博士，聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)、上海城市水資源開發(fā)利用國(guó)家工程中心有限公司的研究者們，在《Science of The Total Environment》期刊上發(fā)表了題為“Greenhouse gas emissions of sewage sludge land application in urban green space: a field experiment in a Bermuda grassland”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)，施肥顯著促進(jìn)了土壤N₂O和CO₂的排放，同時(shí)輕微降低了土壤對(duì)CH₄的吸收。基肥旋耕的土壤N₂O排放顯著低于追肥處理。研究還發(fā)現(xiàn)，氮輸入量與肥料誘導(dǎo)產(chǎn)生的N₂O排放存在對(duì)數(shù)響應(yīng)關(guān)系，表明在氮素含量一樣的情況下，污泥土地利用，特別是堆肥污泥，可產(chǎn)生比化肥更低的肥料誘導(dǎo)N₂O排放。 

污泥作為廢水處理過(guò)程的副產(chǎn)物，如何對(duì)其進(jìn)一步處置已成為日益突出的城市環(huán)境問題。實(shí)現(xiàn)污泥減量化、無(wú)害化及資源化是當(dāng)前污泥管理的核心目標(biāo)。目前，已開發(fā)出多種污泥處理技術(shù)，包括熱干化與焚燒、厭氧消化與堆肥，以及建材化利用等。

污泥土地利用作為一種潛在的資源化途徑，可實(shí)現(xiàn)氮（N）、磷（P）等營(yíng)養(yǎng)元素的土壤回用。研究表明，污泥中的營(yíng)養(yǎng)成分與有機(jī)肥料具有相似性，可部分替代化肥用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，在提高作物產(chǎn)量的同時(shí)還能改善土壤肥力。在城市綠地生態(tài)系統(tǒng)中，污泥施用可有效提升表層土壤有機(jī)氮含量，增強(qiáng)觀賞植物的氮素利用效率，其中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮可通過(guò)淋溶作用向深層土壤遷移。

從土壤改良角度來(lái)看，污泥中的有機(jī)質(zhì)可顯著提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤理化性狀。同時(shí)，部分有機(jī)碳可通過(guò)微生物代謝過(guò)程被固定于土壤中，從而減少CO₂向大氣的釋放。這些特性使得污泥土地利用被認(rèn)為是一種可持續(xù)的污泥資源化方法。

2022年6月15日，大都會(huì)水回收區(qū)的污泥被灑播在威爾縣的農(nóng)田上(圖源/Erin Hooley/Chicago Tribune) 

然而，污泥農(nóng)業(yè)利用存在潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。污泥中的有害化學(xué)成分可通過(guò)食物鏈在作物和動(dòng)物體內(nèi)富集。長(zhǎng)期施用污泥與土壤重金屬的增加呈正相關(guān)關(guān)系。研究證實(shí)，高劑量污泥施用會(huì)導(dǎo)致綠豆種子內(nèi)的重金屬累積，類似現(xiàn)象在水稻的田間實(shí)驗(yàn)中也有報(bào)道。此外，污泥中微塑料也增加了作物的吸收風(fēng)險(xiǎn)。一些研究表明，污泥中植物可利用的養(yǎng)分含量相對(duì)較低，若不配合施用化肥中的水溶性無(wú)機(jī)養(yǎng)分，這可能會(huì)導(dǎo)致作物減產(chǎn)。因此，污泥替代化肥的農(nóng)業(yè)應(yīng)用仍需審慎評(píng)估。

在城市綠地利用方面，污泥在園林綠化、草地管理和綠化帶建設(shè)等領(lǐng)域中，展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。我國(guó)已制定相關(guān)實(shí)施計(jì)劃和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范污泥在城市綠地中的土地利用方式。這不僅能有效阻斷有害成分進(jìn)入食物鏈，而且運(yùn)輸成本較農(nóng)田施用更具優(yōu)勢(shì)。通過(guò)改良土壤、促進(jìn)植物生長(zhǎng)，污泥施用可增強(qiáng)植物碳匯能力，并能通過(guò)部分替代化肥而減少相關(guān)的碳排放。

但一些研究表明，污泥土地利用會(huì)增加土壤溫室氣體（GHG）排放。污泥中的氮組分可通過(guò)土壤微生物轉(zhuǎn)化為氧化亞氮（N₂O），導(dǎo)致其排放量增加。多項(xiàng)研究證實(shí)，在氮素含量一樣的情況下，污泥施用較化肥施用會(huì)產(chǎn)生更多N₂O排放。污泥利用導(dǎo)致的溫室氣體排放增加，可能部分或完全抵消其替代化肥所帶來(lái)的碳減排效益。盡管大量研究證實(shí)了污泥施用與土壤溫室氣體排放的正相關(guān)關(guān)系，但對(duì)排放量的定量評(píng)估尚未達(dá)成共識(shí)。

本研究通過(guò)田間實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)土壤溫室氣體通量動(dòng)態(tài)，系統(tǒng)研究了污泥土地利用對(duì)溫室氣體排放的影響。實(shí)驗(yàn)在典型人工草地上開展，設(shè)置了七種氮輸入處理（CK、D100、C100、D200、C200、D300 和 C300），其中分別對(duì)應(yīng)氮輸入量為0、100、200 和 300 kg N/ha，D 和 C 代表消化污泥和堆肥污泥。研究者測(cè)定了生長(zhǎng)季內(nèi)土壤N₂O、CH₄、CO₂的排放通量，并在不同生長(zhǎng)階段采集土壤樣品進(jìn)行分析。

LI-7810和LI-7820在本研究中的作用

1. 土壤溫室氣體通量測(cè)量系統(tǒng)組成

• LI-7810 高精度CH₄/CO₂/H₂O和 LI-7820高精度N₂O/H₂O 氣體分析儀
  這兩款高精度溫室氣體分析儀都是采用光反饋-腔增強(qiáng)激光吸收光譜技術(shù)（OF-CEAS），光腔僅6.41cm³，測(cè)量響應(yīng)時(shí)間≤2s，工作溫度-25℃到45℃。LI-7810的CH₄測(cè)量精度是0.25ppb；LI-7820的N₂O測(cè)量精度是0.2ppb。
• 8200-01S 智能測(cè)量室
• 該測(cè)量室內(nèi)嵌土壤溫室氣體通量計(jì)算模塊，與LI-7810和LI-7820連接組成閉路測(cè)量系統(tǒng)。

2. 測(cè)量實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理

• 測(cè)量時(shí)間
  • 施肥后每周測(cè)量1次，在上午9:00到11:00之間進(jìn)行。
• 通量數(shù)據(jù)計(jì)算
  • CH₄ 和CO₂ 通量使用線性擬合函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
  • N₂O 通量使用指數(shù)擬合函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
• SoilFluxPro™軟件
  • 所有數(shù)據(jù)都進(jìn)行了質(zhì)控，剔除了低質(zhì)量值或異常值。
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• • 使用SoilFluxPro™軟件自動(dòng)計(jì)算和處理溫室氣體通量數(shù)據(jù)。