原文以Greenhouse gas emissions of sewage sludge land application in urban green space: a field experiment in a Bermuda grassland 為標題發表在Science of The Total Environment（IF=8.2）上
作者 | 楊航等
2024年5月，上海勘測設計研究院有限公司的楊航博士，聯合同濟大學、上海城市水資源開發利用國家工程中心有限公司的研究者們，在《Science of The Total Environment》期刊上發表了題為“Greenhouse gas emissions of sewage sludge land application in urban green space: a field experiment in a Bermuda grassland"的研究論文。該研究發現，施肥顯著促進了土壤N2O和CO2的排放，同時輕微降低了土壤對CH4的吸收。基肥旋耕的土壤N2O排放顯著低于追肥處理。研究還發現，氮輸入量與肥料誘導產生的N2O排放存在對數響應關系，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，可產生比化肥更低的肥料誘導N2O排放。
污泥作為廢水處理過程的副產物，如何對其進一步處置已成為日益突出的城市環境問題。實現污泥減量化、無害化及資源化是當前污泥管理的核心目標。目前，已開發出多種污泥處理技術，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，可實現氮（N）、磷（P）等營養元素的土壤回用。研究表明，污泥中的營養成分與有機肥料具有相似性，可部分替代化肥用于農業生產，在提高作物產量的同時還能改善土壤肥力。在城市綠地生態系統中，污泥施用可有效提升表層土壤有機氮含量，增強觀賞植物的氮素利用效率，其中銨態氮和硝態氮可通過淋溶作用向深層土壤遷移。
從土壤改良角度來看，污泥中的有機質可顯著提升土壤有機質含量，改善土壤理化性狀。同時，部分有機碳可通過微生物代謝過程被固定于土壤中，從而減少CO?向大氣的釋放。這些特性使得污泥土地利用被認為是一種可持續的污泥資源化方法。
2022年6月15日，大都會水回收區的污泥被灑播在威爾縣的農田上(圖源/Erin Hooley/Chicago Tribune)
然而，污泥農業利用存在潛在的環境風險。污泥中的有害化學成分可通過食物鏈在作物和動物體內富集。長期施用污泥與土壤重金屬的增加呈正相關關系。研究證實，高劑量污泥施用會導致綠豆種子內的重金屬累積，類似現象在水稻的田間實驗中也有報道。此外，污泥中微塑料也增加了作物的吸收風險。一些研究表明，污泥中植物可利用的養分含量相對較低，若不配合施用化肥中的水溶性無機養分，這可能會導致作物減產。因此，污泥替代化肥的農業應用仍需審慎評估。
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等領域中，展現出了廣闊的應用前景。我國已制定相關實施計劃和應用標準，規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入食物鏈，而且運輸成本較農田施用更具優勢。通過改良土壤、促進植物生長，污泥施用可增強植物碳匯能力，并能通過部分替代化肥而減少相關的碳排放。
但一些研究表明，污泥土地利用會增加土壤溫室氣體（GHG）排放。污泥中的氮組分可通過土壤微生物轉化為氧化亞氮（N?O），導致其排放量增加。多項研究證實，在氮素含量一樣的情況下，污泥施用較化肥施用會產生更多N?O排放。污泥利用導致的溫室氣體排放增加，可能部分或全抵消其替代化肥所帶來的碳減排效益。盡管大量研究證實了污泥施用與土壤溫室氣體排放的正相關關系，但對排放量的定量評估尚未達成共識。
本研究通過田間實驗監測土壤溫室氣體通量動態，系統研究了污泥土地利用對溫室氣體排放的影響。實驗在典型人工草地上開展，設置了七種氮輸入處理（CK、D100、C100、D200、C200、D300 和 C300），其中分別對應氮輸入量為0、100、200 和 300 kg N/ha，D 和 C 代表消化污泥和堆肥污泥。研究者測定了生長季內土壤N?O、CH?、CO?的排放通量，并在不同生長階段采集土壤樣品進行分析。
LI-7810和LI-7820在本研究中的作用
1. 土壤溫室氣體通量測量系統組成
LI-7810 高精度CH?/CO?/H?O和 LI-7820高精度N?O/H?O 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-腔增強激光吸收光譜技術（OF-CEAS），光腔僅6.41cm3，測量響應時間≤2s，工作溫度-25℃到45℃。LI-7810的CH?測量精度是0.25ppb；LI-7820的N?O測量精度是0.2ppb。
8200-01S 智能測量室
該測量室內嵌土壤溫室氣體通量計算模塊，與LI-7810和LI-7820連接組成閉路測量系統。
2. 測量實驗和數據處理
測量時間
施肥后每周測量1次，在上午9:00到11:00之間進行。
通量數據計算
CH? 和CO? 通量使用線性擬合函數進行計算。
N?O 通量使用指數擬合函數進行計算。
SoilFluxPro™軟件
所有數據都進行了質控，剔除了低質量值或異常值。
使用SoilFluxPro™軟件自動計算和處理溫室氣體通量數據。
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