5年数据：污泥堆肥产品农用对作物产量及经济效益的评估
研究基于华北平原典型小麦-玉米轮作体系长期田间定位试验，通过以不同用量的堆肥污泥部分替代化肥，探究2007-2022年期间施用堆肥污泥对作物产量和经济效益的影响，以期为污泥高效资源化利用提供理论支撑。结果表明，0.5W+0.5N和W+0.5N处理下作物的之间的堆肥污泥用量的增产效果与N处理相当。4W+0.5N处理下作物的产量最高，试验期间小麦和玉米的平均经济产量分别为5 131.75 kg/hm²和8 853.16 kg/hm²。作物产量与污泥施用量呈显著正相关关系，相关系数可达0.85。不同污泥施用处理下，W+0.5N处理下的小麦和玉米的净收益达到最高，分别为19 453.22元/hm²和18 848.43元/hm²。
引用本文：贾清棋，于晟玥，姚海，等. 长期污泥堆肥产品农用对作物产量及经济效益的评估［J］. 给水排水，2024，50（6）：29-35.
土地利用作为消纳城市污泥最为理想的资源处置方式，在资源转化、批量生产、就地利用、转化效率等方面具有独特的优势。研究表明，污泥经过无害化处理后可以显著降解有毒有害物质，且适量施用堆肥污泥能改善土壤理化性质。同时污泥所含丰富的有机质和养分，如氮、磷、钾等，可以为农作物的健康生长提供营养物质，进而提高农作物产量。但是，如何在保持污泥最优土地资源化利用的同时，达到经济效益最大化是当前面临的挑战。因此，本研究基于华北平原典型农田长期定位试验，探讨施用不同用量的堆肥污泥对小麦、玉米的经济产量和生物量影响，明确污泥施用量与作物产量之间的关系，并对不同处理下污泥农用的经济效益进行分析，为市政污泥土地资源化利用推广和经济效益评估提供科学依据。
01、材料与方法
1.1 试验地概况
试验于2007—2022年在北京昌平土壤质量国家野外科学观测研究站（116.24°E，40.22°N）开展。试验土壤母质为黄土性物质，土壤类型为褐潮土。年均降雨量555.5 mm （图1），且年降雨量的80%以上出现在6—9月，年均蒸发量1065 mm，年均温13.3 ℃，无霜期210 d，海拔高度43.5 m，属暖温带，半湿润大陆性季风气候。试验初期耕层（0~20 cm）土壤基本理化性质如表1所示。
图1 2007-2022年年平均降雨量和年平均温度
表1 试验初期耕层土壤基本理化性质
1.2 试验方案
1.2.1 试验设计
试验采用随机区组设计，种植方式为冬小麦-夏玉米轮作，共设7个处理，CK为不施氮肥对照，0.5N为施用50%尿素（10 kg/亩,1亩≈667 m²）处理，N为在0.5N处理基础上施用50%尿素，0.5W+0.5N为在0.5N处理基础上施用50%堆肥污泥（300 kg/亩），W+0.5N为在0.5N处理基础上施用100%堆肥污泥（以此类推），每个处理3次重复，小区面积48 m²（6 m×8 m）。各处理均施P2O5 12 kg/亩，K2O 16 kg/亩，磷肥选用过磷酸钙，钾肥选用氯化钾。小麦播种日期为每年10月上旬，玉米播种日期为每年6月下旬，灌溉方式为喷灌。试验处理及施肥信息见表2。
表2 试验处理及肥料用量
本研究中所用的城市污泥采集于北京城市排水集团有限公司高碑店污水处理厂，初始污泥泥质均符合《污泥高级厌氧消化制有机营养土》（Q/BDG 45045—2023），初始污泥经堆肥处理后用于试验农田。试验期间采用的堆肥污泥含水量8.91%，有机质241.13 g/kg，全氮3.63 g/kg，全磷4.63 g/kg，全钾1.70 g/kg。
1.2.2 样品采集与测定
每年作物收获时，从每个试验小区随机选取2 m²的小麦和2行的玉米，分为籽粒和秸秆两部分，进行测产，获得作物籽粒产量和秸秆产量，每个处理重复3次。
1.2.3 相关指标计算方法
肥料费用（元/hm²）=肥料均价（元/kg）× 肥料用量（kg/亩）×15。
污泥处理费（元/hm²）=平均处理费（元/t）× 污泥量（kg/亩）÷ 1 000×15。
作物收益（元/hm²）=作物均价（元/kg）× 作物产量（kg/hm²）。
净收益（元/hm²）=作物收益- 肥料费用 - 污泥处理费。
1.3 数据处理
采用Excel 2019对数据进行初步整理和统计，利用IBM SPSS Statistics 20进行方差分析，采用 Duncan’s 法进行多重比较分析，并采用GraphPad Prism 8作图。
02、结果与分析
2.1 不同用量堆肥污泥对小麦-玉米经济产量的影响
2007-2022年以来，在0.5N处理的基础上添加污泥处理的小麦和玉米经济产量均有所提高（表3和图2）。由此可见，加施堆肥污泥可促进作物生长。由表3也可以看出，W+0.5N、2W+0.5N和4W+0.5N处理下的小麦和玉米平均经济产量均高于N处理，但差异不显著。4W+0.5N处理下小麦和玉米平均经济产量达到最高，分别为5131.75kg/hm²和8853.16 kg/hm²，比N处理（小麦平均经济产量为4388.52 kg/hm²，玉米平均经济产量为7749.32 kg/hm²）分别提高了16.94%和14.24%。N处理下小麦和玉米的经济产量均处于0.5W+0.5N和W+0.5N处理的经济产量之间，即每亩施用20 kg尿素与每亩施用10 kg尿素和300~600 kg堆肥污泥的作物经济产量相当。因此，4W+0.5N处理下小麦和玉米的增产效果最好，0.5W+0.5N和W+0.5N处理之间的堆肥污泥用量的增产效果与N处理的增产效果相当。
表3 2007-2022年不同处理的小麦-玉米平均经济产量
单位：kg/hm²
图2 2007-2022年不同处理的小麦-玉米经济产量
2.2 不同用量污泥对小麦-玉米生物量的影响
2007-2022年以来，不同处理下，添加污泥处理的小麦和玉米生物量均高于0.5N处理下的生物量（表4和图3）。由表4可知，2W+0.5N和4W+0.5N处理下的小麦和玉米平均生物量均高于N处理，但差异不显著。4W+0.5N处理下小麦和玉米平均生物量达到最高，分别为12309.65 kg/hm²和17754.65 kg/hm²，比N处理（小麦平均生物量为10053.04 kg/hm²，玉米平均生物量为15506.96kg/hm²）分别提高了22.45%和14.49%。N处理下小麦生物量处于0.5W+0.5N和W+0.5N处理的生物量之间，即每亩施用20 kg尿素与每亩施用10 kg尿素和300~600 kg堆肥污泥的小麦生物量相当。N处理下玉米生物量处于W+0.5N和2W+0.5N处理的生物量之间，即每亩施用20 kg尿素与每亩施用10 kg尿素和600~1200 kg堆肥污泥的玉米生物量相当。
表4 2007-2022年不同处理的小麦-玉米平均生物量
单位：kg/hm²
图3 2007-2022年不同处理的小麦-玉米生物量
不同处理下，2015年、2016年和2022年小麦经济产量和生物量均相对较高，此外，与CK处理类似，2016年小麦经济产量/生物量和2015年玉米经济产量/生物量都比较高，这是由于适宜的温度和降水量促进了作物的生长。2021年玉米经济产量/生物量显著下降，这可能是由于在小麦的生育期内降雨过多导致，但对2022年小麦经济产量和生物量并没有显著影响。
综上所述，尽管作物的生长受气候条件的影响，但这并不影响长期施用堆肥污泥提升小麦和玉米的经济产量的能力。因此，它有潜力作为替代化肥的手段，以实现更大的农作物增产效果。
2.3 不同堆肥污泥施用量与作物产量之间的关系
本试验中，2007-2022年小麦和玉米的平均经济产量和平均生物量都与污泥用量呈现较强的一元线性正相关（图4）。在整个研究时段内，小麦的平均经济产量（图4a）、平均生物量（图4b），以及玉米的平均经济产量（图4c）和平均生物量（图4d）与污泥施用量之间的相关系数分别为0.72、0.81、0.81和0.85，表明随着污泥用量的增加，作物的产量呈现明显的增加趋势。这也证实了污泥施用在提高小麦和玉米产量方面的正面效应。
图4 2007-2022年小麦-玉米平均经济产量与平均生物量与污泥施用量的关系
2.4 不同堆肥肥料用量农用经济效益分析
从王涛的调研分析中可以得到，用于土地利用、建材利用、焚烧和填埋的污泥平均处理费分别为249.31、276.73、330.84和343元/t。其中，用于土地利用的污泥处理费最低，主要用于农用、园林绿化和土壤改良。常用肥料尿素、磷肥和钾肥的市场均价分别为4 460、6 040和2 290元/t。小麦的市场均价为5.16元/kg，玉米的市场均价为2.9元/kg。2007-2022年期间N处理和四种污泥处理下小麦平均经济产量分别为4388.52、4297.65、4651.69、4854.63和5131.75 kg/hm²，玉米平均经济产量分别为7749.32、7457.05、8068.25、8484.68和8853.16 kg/hm²。
经计算，不同处理下经济效益如表5所示。在污泥施用的不同处理方式中，W+0.5N处理下小麦和玉米的净收益最高，分别为19453.22元/hm²和18848.43元/hm²。而随着污泥的用量增加，尽管4W+0.5N处理作物产量最高，但净收益降低幅度较大，这表明过量使用污泥会对产量增益产生负面影响。此外，虽然添加污泥处理的小麦和玉米收益都低于N处理，但差异并不显著。这表明，通过将堆肥污泥部分替代氮肥，不仅不会显著降低经济效益，还能增强环境效益。因此，恰当地选择污泥的施用量可以在环境效益和经济效益之间取得平衡，为农业生产提供有力的科学支撑。
表5 不同处理下的作物净收益
单位：元/hm²
03、讨 论
污泥作为城市生活污水处理的副产品，其合理利用对于资源循环利用和环境保护具有重要意义。本研究发现，堆肥污泥可以替代化肥为作物生长提供必须的营养元素。通过施用污泥，小麦和玉米的产量明显提高，这一结果与之前的研究相吻合。然而，相关研究也指出，作物产量并非随着污泥堆肥施用量的增加而持续增加，与本研究结果产生矛盾的原因可能是本研究最大施用污泥量为2400 kg/亩，而在相关研究中，作物产量开始下降是在每亩污泥施用量达到2667 kg时观察到的。此外，污泥土地利用为农业生产带来了潜在的增益。虽然使用污泥会增加一定的成本，但可以通过显著提高作物产量进而增加农民的收入。同时，本研究中污泥用量增加到一定阈值后，产量的增益逐渐减弱。因此，在确定污泥利用的适用量时需要进行科学评估。通过计算不同污泥量施用方案的处理费用和作物收益，得出每亩土地施用600~1200 kg堆肥污泥代替尿素时，经济效益最高的结论。这一结果为污泥土地利用的经济可行性提供了有益的参考。
环境效应是污泥土地利用的需要着重考虑的因素之一。相较于传统的焚烧和填埋等处理方法，污泥土地利用不仅有助于降低二次环境风险，还有助于提升土地质量。城市污泥富含有机物、微量元素和养分，可用于改善土壤并促进植物生长，实现资源的再生利用和废物的可持续利用。此外，研究人员指出一定比例的脱水污泥投加可以有效地降低盐碱化土壤的容重和pH，进一步证实了将城市污泥用于农业的潜在益处。然而，虽然将城市污泥用于农业可以增加土壤肥力，但同时也可能存在一些潜在的风险，特别是重金属等污染物的问题。城市污泥中可能含有一些有害的重金属和有机污染物，这些物质在长期施用过程中有可能积累到不安全的水平。因此，在将污泥用于农业时，必须特别关注如何降低污泥中有害物质的含量，以确保农产品的安全性和土壤的持续健康。在追求土壤肥力增加的同时，也需要采取措施来监测和管理潜在的重金属等污染风险，以平衡资源再生利用与环境保护之间的关系。
综上所述，污泥的合理利用是实现资源循环利用和促进可持续发展的重要一环。污泥土地利用在土壤改良、产量提升等农业生产方面有积极的影响，能够为可持续农业和环境保护提供有力支持。造良通过本研究的试验和分析，我们得以确认污泥土地利用对农业生产的积极影响，从产量提升到土壤改良，都为可持续农业和环境保护贡献了有力支持。然而，在推动污泥土地利用的过程中，需要继续关注污染物处理和生产成本等挑战，以确保这一策略在实际应用中的可行性和效益。
04、结论与展望
2007-2022年期间，4W+0.5N处理下作物增产效果最好，其中小麦和玉米的平均经济产量分别为5131.75 kg/hm²和8853.16 kg/hm²。作物经济产量和生物量都与污泥用量呈现较强的一元线性正相关关系，小麦的平均经济产量、平均生物量，以及玉米的平均经济产量和平均生物量与污泥施用量之间的相关系数为0.72、0.81、0.81和0.85。产量的增益起初会随污泥施用量的增加而增加，W+0.5N处理达到最高，小麦和玉米的净收益分别可达19453.22元/hm²和18848.43元/hm²，然而，当污泥用量为1200 kg/亩时，产量的增益逐渐减弱。
本研究提出了污泥在华北典型农田的最优资源化策略，为污泥在实践生产中达到经济效益最大化提供了重要的理论依据。未来可以进一步研究污泥农用对农作物品质和土壤环境的影响，以及污泥农用在不同农业生产体系中的应用。这将有助于更好地发挥污泥农用的潜在经济价值，推动农业可持续发展，实现资源循环利用和环境保护的目标。
