原文以Greenhouse gas emissions of sewage sludge land application in urban green space: a field experiment in a Bermuda grassland 为标题发表在Science of The Total Environment（IF=8.2）上

作者 | 杨航等

2024年5月，上海勘测设计研究院有限公司的杨航博士，联合同济大学、上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司的研究者们，在《Science of The Total Environment》期刊上发表了题为“Greenhouse gas emissions of sewage sludge land application in urban green space: a field experiment in a Bermuda grassland”的研究论文。该研究发现，施肥显著促进了土壤N₂O和CO₂的排放，同时轻微降低了土壤对CH₄的吸收。基肥旋耕的土壤N₂O排放显著低于追肥处理。研究还发现，氮输入量与肥料诱导产生的N₂O排放存在对数响应关系，表明在氮素含量一样的情况下，污泥土地利用，特别是堆肥污泥，可产生比化肥更低的肥料诱导N₂O排放。 

污泥作为废水处理过程的副产物，如何对其进一步处置已成为日益突出的城市环境问题。实现污泥减量化、无害化及资源化是当前污泥管理的核心目标。目前，已开发出多种污泥处理技术，包括热干化与焚烧、厌氧消化与堆肥，以及建材化利用等。

污泥土地利用作为一种潜在的资源化途径，可实现氮（N）、磷（P）等营养元素的土壤回用。研究表明，污泥中的营养成分与有机肥料具有相似性，可部分替代化肥用于农业生产，在提高作物产量的同时还能改善土壤肥力。在城市绿地生态系统中，污泥施用可有效提升表层土壤有机氮含量，增强观赏植物的氮素利用效率，其中铵态氮和硝态氮可通过淋溶作用向深层土壤迁移。

从土壤改良角度来看，污泥中的有机质可显著提升土壤有机质含量，改善土壤理化性状。同时，部分有机碳可通过微生物代谢过程被固定于土壤中，从而减少CO₂向大气的释放。这些特性使得污泥土地利用被认为是一种可持续的污泥资源化方法。

2022年6月15日，大都会水回收区的污泥被洒播在威尔县的农田上(图源/Erin Hooley/Chicago Tribune) 

然而，污泥农业利用存在潜在的环境风险。污泥中的有害化学成分可通过食物链在作物和动物体内富集。长期施用污泥与土壤重金属的增加呈正相关关系。研究证实，高剂量污泥施用会导致绿豆种子内的重金属累积，类似现象在水稻的田间实验中也有报道。此外，污泥中微塑料也增加了作物的吸收风险。一些研究表明，污泥中植物可利用的养分含量相对较低，若不配合施用化肥中的水溶性无机养分，这可能会导致作物减产。因此，污泥替代化肥的农业应用仍需审慎评估。

在城市绿地利用方面，污泥在园林绿化、草地管理和绿化带建设等领域中，展现出了广阔的应用前景。我国已制定相关实施计划和应用标准，规范污泥在城市绿地中的土地利用方式。这不仅能有效阻断有害成分进入食物链，而且运输成本较农田施用更具优势。通过改良土壤、促进植物生长，污泥施用可增强植物碳汇能力，并能通过部分替代化肥而减少相关的碳排放。

但一些研究表明，污泥土地利用会增加土壤温室气体（GHG）排放。污泥中的氮组分可通过土壤微生物转化为氧化亚氮（N₂O），导致其排放量增加。多项研究证实，在氮素含量一样的情况下，污泥施用较化肥施用会产生更多N₂O排放。污泥利用导致的温室气体排放增加，可能部分或完全抵消其替代化肥所带来的碳减排效益。尽管大量研究证实了污泥施用与土壤温室气体排放的正相关关系，但对排放量的定量评估尚未达成共识。

本研究通过田间实验监测土壤温室气体通量动态，系统研究了污泥土地利用对温室气体排放的影响。实验在典型人工草地上开展，设置了七种氮输入处理（CK、D100、C100、D200、C200、D300 和 C300），其中分别对应氮输入量为0、100、200 和 300 kg N/ha，D 和 C 代表消化污泥和堆肥污泥。研究者测定了生长季内土壤N₂O、CH₄、CO₂的排放通量，并在不同生长阶段采集土壤样品进行分析。

LI-7810和LI-7820在本研究中的作用

1. 土壤温室气体通量测量系统组成

• LI-7810 高精度CH₄/CO₂/H₂O和 LI-7820高精度N₂O/H₂O 气体分析仪
  这两款高精度温室气体分析仪都是采用光反馈-腔增强激光吸收光谱技术（OF-CEAS），光腔仅6.41cm³，测量响应时间≤2s，工作温度-25℃到45℃。LI-7810的CH₄测量精度是0.25ppb；LI-7820的N₂O测量精度是0.2ppb。
• 8200-01S 智能测量室
• 该测量室内嵌土壤温室气体通量计算模块，与LI-7810和LI-7820连接组成闭路测量系统。

2. 测量实验和数据处理

• 测量时间
  • 施肥后每周测量1次，在上午9:00到11:00之间进行。
• 通量数据计算
  • CH₄ 和CO₂ 通量使用线性拟合函数进行计算。
  • N₂O 通量使用指数拟合函数进行计算。
• SoilFluxPro™软件
  • 所有数据都进行了质控，剔除了低质量值或异常值。
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• • 使用SoilFluxPro™软件自动计算和处理温室气体通量数据。