堆肥污泥替代化肥对稻田CH4和N2O排放的三年影响：气候智能型农业的权衡与机遇

为探索有机废弃物资源化利用与温室气体减排的协同路径，日本山形大学团队通过三年田间试验，系统评估了堆肥污泥（CSS）替代化学肥料（CFs）对稻田CH4和N2O排放的影响。研究发现，纯CSS处理虽使CH4排放增加25%，但显著降低N2O排放85%；而CSS与CF混施则导致两种气体排放同步上升。该研究为循环经济框架下的低碳稻作提供了关键数据支撑。

　　

在全球气候变暖与粮食安全双重挑战下，稻田作为重要的农业温室气体（GHG）排放源，其管理策略备受关注。化学肥料（CFs）虽能提高产量，却伴随土壤退化与温室气体排放激增。与此同时，城市污水处理产生的污泥如何资源化利用成为循环经济的关键议题。堆肥污泥（Composted Sewage Sludge, CSS）富含有机质和养分，理论上可替代CFs并改善土壤健康，但其对稻田CH₄（甲烷）和N₂O（氧化亚氮）排放的长期影响尚不明确——这两种气体的百年增温潜势分别是CO₂的28倍和265倍。

针对这一科学空白，日本山形大学农业学部的研究团队在2022-2024年开展了为期三年的田间试验，系统比较了纯CFs、纯CSS及两者50:50混施（CSS+CF）对GHG排放的影响。研究通过静态箱-气相色谱法监测气体通量，结合土壤理化性质分析，首次揭示了CSS在温带稻田环境中的气候效益与风险。

关键技术方法
试验位于日本山形县鹤冈市（38°44'N），采用随机区组设计，设置CF、CSS、CSS+CF三组处理，每季监测CH₄和N₂O通量（单位：mg m^–2 h^–1）。通过计算全球增温潜势（Global Warming Potential, GWP）和温室气体强度（Greenhouse Gas Intensity, GHGI，即单位产量的GWP）评估环境效应，并分析土壤有机碳（SOC）、铵态氮（NH₄⁺）等指标与排放的关联。

研究结果

甲烷排放动态
CSS单独处理使CH₄累积排放量较CF组增加25%，峰值提前至移栽后47天（2022年达88.7 mg m^–2 h^–1）。这种增长源于CSS富含的可降解有机碳强化了产甲烷菌活性。值得注意的是，CSS+CF组CH₄排放增幅达30%，表明化学氮肥可能通过促进作物根系分泌物释放间接刺激微生物代谢。

氧化亚氮排放响应
CSS单独处理展现出显著的N₂O减排效果（-85%），因其缓释氮特性抑制了硝化-反硝化作用。相反，CSS+CF组N₂O排放反增45%，推测是CFs提供的速效氮与CSS有机碳共同创造了"热点"条件。

综合气候效应
尽管CSS单独处理降低了N₂O排放，但其CH₄增幅导致GWP仍高于CF组。CSS+CF组因两类气体"双升"效应，GWP和GHGI均达最高值，相当于每公斤稻米排放4.2 kg CO₂-eq。

结论与意义
该研究首次量化了温带稻田CSS应用的GHG权衡效应：纯CSS虽能大幅减少N₂O排放并提升土壤肥力，但需警惕CH₄反弹风险。这一发现为制定气候智能型稻作策略提供了关键依据——例如建议将CSS与间歇灌溉或生物炭联用以抑制CH₄产生。从循环经济视角看，CSS作为城市废弃物资源化的典范，其环境效益评估必须纳入全生命周期分析。论文发表于《Process Safety and Environmental Protection》，为全球稻田低碳管理贡献了亚洲案例。