長期大量施用污泥堆肥顯著提升華北地區(qū)糧食作物產(chǎn)量和土壤碳匯效應(yīng)

摘要： 【目的】闡明長期不同用量質(zhì)量達(dá)標(biāo)的污泥堆肥配施化肥對華北地區(qū)冬小麥?夏玉米輪作體系作物產(chǎn)量，以及耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量（SOCS） 和全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK） 含量的影響，為污泥高效資源化利用及農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。【方法】于北京市昌平區(qū)，開展污泥堆肥（SW） 與化肥配施定位試驗(yàn)（2008—2020 年），種植制度為冬小麥?夏玉米輪作，試驗(yàn)設(shè)置5 個(gè)處理：100% 尿素（N）、50%WS+50% 尿素（0.5SW+0.5N）、100%SW+50% 尿素（SW+0.5N）、200%SW+50% 尿素（2SW+0.5N）、400%SW+50% 尿素（4SW+0.5N） 處理。小麥、玉米收獲后，調(diào)查籽粒和秸稈產(chǎn)量，0—20 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀含量，并計(jì)算土壤固碳效率?！窘Y(jié)果】隨著污泥堆肥用量的增加，小麥和玉米籽粒和秸稈產(chǎn)量逐漸增加，與N 處理相比，0.5SW+0.5N 處理小麥、玉米籽粒和秸稈多年平均產(chǎn)量無顯著差異，SW+0.5N、2SW+0.5N 和4SW+0.5N 處理下小麥籽粒產(chǎn)量分別增加了6.97%、14.88% 和17.94%，玉米籽粒產(chǎn)量分別增加了8.43%、11.77% 和15.38%。土壤中有機(jī)碳儲(chǔ)量、全氮、全磷、全鉀含量在0.5SW+0.5N、SW+0.5N、2SW+0.5N 和4SW+0.5N 處理下較N 處理明顯提升。同時(shí)，土壤中有機(jī)碳儲(chǔ)量、全氮、全磷和全鉀含量隨污泥堆肥用量的增加而顯著增加（Plt;0.05）。N、0.5SW+0.5N、SW+0.5N、2SW+0.5N 和4SW+0.5N 處理下，土壤全氮含量多年平均值分別為1.07、1.26、1.56、1.93 和2.73 g/kg，全磷含量分別為1.19、1.67、2.37、3.27、4.11 g/kg，全鉀含量分別為18.60、19.06、19.85、20.07、21.19 g/kg?！窘Y(jié)論】與單施尿素相比，以質(zhì)量達(dá)標(biāo)的污泥堆肥替代50% 尿素（0.5SW+0.5N） 不會(huì)影響小麥、玉米籽粒和秸稈產(chǎn)量，而且可以提升土壤肥力。在尿素用量減半條件下，增加污泥堆肥用量可顯著提高小麥、玉米籽粒產(chǎn)量和土壤肥力，特別是在污泥堆肥氮用量為尿素氮用量的4 倍時(shí)，小麥和玉米可穩(wěn)定增產(chǎn)15%～18%，并且由于高量污泥堆肥的長期施用極大地提升了土壤中有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀的儲(chǔ)量，保證了產(chǎn)量的可持續(xù)性和土壤的碳匯效應(yīng)。

關(guān)鍵詞： 污泥堆肥； 土壤肥力； 小麥； 玉米； 作物產(chǎn)量； 產(chǎn)量可持續(xù)性

城市污泥（簡稱：污泥） 是城市污水處理過程中的副產(chǎn)品，含有豐富的有機(jī)碳以及氮、磷、鉀、錳、鋅、鈣、硫、鐵等作物生長所必需的營養(yǎng)元素，具有作為有機(jī)肥料的使用價(jià)值[1?4]。將污泥經(jīng)堆腐轉(zhuǎn)化為堆肥，不僅可以消納污泥，還可替代有機(jī)肥和化肥進(jìn)行資源化再利用，但是我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)仍禁止將污泥作為有機(jī)肥，其限制了廉價(jià)和豐富的有機(jī)資源在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的利用[5?6]。

歐盟每年大約有50% 的污泥通過自然干化和堆肥處理后用于農(nóng)田，其中一些國家的污泥利用率甚至超過70%，如愛爾蘭污泥農(nóng)用率高達(dá)85%[7]。在美國、日本和英國的污泥農(nóng)用率分別約為47%、22%和45%，澳大利亞的利用率達(dá)到了75％[ 8 ]。然而，截止2022 年底我國的污泥農(nóng)用率仍不足40%[9?10]。我國土壤有機(jī)質(zhì)普遍偏低，一些地區(qū)有機(jī)肥資源短缺，因此，污泥利用在我國有很大的提升空間。

污泥堆肥作為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥源，能有效提升土壤質(zhì)量[11?13]。劉玉奇[14]通過盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與施用化肥相比，堆肥污泥和城市污泥均能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量。閆雙堆等[15]研究了施用城市生活垃圾和污泥復(fù)混肥料的效果，發(fā)現(xiàn)這些肥料可以提升油菜產(chǎn)量、葉綠素含量和土壤有機(jī)質(zhì)。周東興等[16]發(fā)現(xiàn)，施用城市污泥后大麥不同生長期的株高、產(chǎn)量以及土壤肥力均明顯增加。Tang 等[17]通過蔬菜田間試驗(yàn)表明，有機(jī)肥（豬糞或城市污泥堆肥） 部分替代化肥在提高土壤生產(chǎn)率、土壤健康和改善環(huán)境方面有積極影響。Liu 等[18]基于長期定位試驗(yàn)評(píng)估了有機(jī)無機(jī)肥配施對水稻的增產(chǎn)作用。這些研究主要聚焦于設(shè)施菜地和水稻田，在冬小麥?夏玉米輪作系統(tǒng)主產(chǎn)區(qū)研究還比較缺乏。葉盛嘉等[19]采用連續(xù)3 年田間定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，豫中地區(qū)冬小麥?夏玉米輪作系統(tǒng)化學(xué)氮肥減量配施有機(jī)肥，不僅能使土壤維持較高的生產(chǎn)力，還能最大程度減少氮肥施用。但是，針對長期污泥堆肥配施化肥在華北平原冬小麥?夏玉米輪作系統(tǒng)的應(yīng)用潛力及適宜用量仍需進(jìn)一步探究。