针对碳封存的污泥施用方法：一种在半干旱土壤中应用的新技术

《Geomatica》：Targeted sludge application for carbon sequestration: A novel approach deployed in semi-arid soils

污水处理污泥在农业应用中通过整合水文地形数据与历史施用记录，可预测长期土壤有机碳累积。案例研究显示仅20%的牧场适合施用污泥以实现碳积累，翻耕玉米轮作加剧碳流失，而深厚细质地土壤碳储量显著高于浅层粗质地。该机会地图方法能有效筛选高碳封存潜力地块，为循环经济导向的污泥处置决策提供工具支持。

　　市政污水污泥在土壤中可以促进养分循环和碳积累，但要实现这些效益，需要合适的施用速率和适宜的田块选择。本研究提出了一种方法，以指导田块选择，从而优化碳积累。该方法结合了水文和地形数据，以及污泥施用的历史记录和土壤化学性质，以预测污泥施用后土壤中中长期有机碳浓度的变化。通过使用一个由智利某污水处理公司14年数据训练的模型，生成了一个机会地图，用于识别适合污泥施用的田块。随后通过情景分析，选择了两个具有不同土壤条件的田块（每个田块包含八个小块）来评估模型性能，并分析土壤剖面中有机碳的分布情况。模型在表层土壤有机碳预测中的均方根误差为6.2克/千克，R2值为0.43。机会地图显示，自公司开始运营以来，仅20%的已施用污泥的小块位于具有有机碳积累潜力的土壤中。案例研究表明，休耕-玉米轮作模式会导致有机碳损失，无论污泥的施用速率如何。实地观察表明，有机碳可以积累到耕作深度以下。深且细粒结构的土壤含有156.7±17.0吨/公顷的有机碳，而浅且粗粒结构的土壤则含有131.3±14.9吨/公顷的有机碳，这些数据是在相似的污泥施用速率下得出的。表层土壤的碳平衡，无论是预测还是实际观察，均为负值。由于污泥施用记录仅包含表层土壤的数据，因此无法计算净碳平衡。所提出的方法能够准确反映田块的实际情况，可以作为选择适合污泥处理的土壤的决策工具，以最大化土壤中的碳积累。

污水处理厂通过防止污染物进入地表水体来保护环境。水处理过程去除灰水中的悬浮或溶解污染物，将其保留在污泥中（Li和Yuan，2024）。污泥，特别是来自市政污水的污泥，主要是一个有机基质，含有营养物质和污染物（Adamcová等，2021）。作为水净化过程的副产品，污泥带来了一定的管理挑战（Tonjes和Greene，2012）。在可用的管理方案中，将污泥应用于农业领域可以促进作物对养分的回收以及土壤中有机碳的积累，使这一实践符合循环经济的框架（Mateo等，2024）。

土壤中的有机碳积累支持气候行动和可持续生产。土壤在全球碳循环中扮演着重要的碳库角色（Li等，2024a）。有机碳在土壤中的停留时间取决于气候条件和管理方式（Zheng等，2024）。例如，通过耕作增加土壤通气性会加速有机碳向二氧化碳的氧化过程，而减少耕作则会减缓这一过程（Ju?icová等，2025）。从长远来看，增加或维持土壤有机碳储量被视为负责任的实践，因为它为后代保留了土壤肥力（Sharma等，2024）。土壤有机碳是土壤肥力的关键指标，影响着养分可利用性、水力性质如水分保持和渗透性，以及机械性质如团聚体形成和容重（Do等，2024）。

然而，污泥施用后的土壤有机碳积累并不是一个线性过程。尽管存在对污泥中分子、元素和颗粒物导致土壤污染的担忧，这些物质在高施用速率下会更加集中（Li和Yuan，2024），但过量的污泥施用并不推荐用于增强土壤碳储存（Chen等，2025）。Sim?es-Mota等（2024）评估了污泥施用对土壤的长期影响，并得出结论，低剂量（10吨/公顷）对有机碳积累最为有效。相比之下，高剂量（80吨/公顷）则被发现对作物产量、土壤生物活性和土壤结构产生负面影响。

污泥剂量并不是影响土壤有机碳积累的唯一因素，因为一些土壤比其他土壤更快速地氧化有机碳（Curci等，2020；Diniz等，2019）。在大多数情况下，污泥被就近处理在污水处理厂附近，以优化运营资源（Fleitas Girett等，2023；Taveira de Souza等，2024）。为了抵消这一做法并最大化农业土壤中有机碳积累的潜力，有必要实施一种方法，以识别具有高碳保留能力的土壤，同时避免那些具有高碳氧化潜力的土壤。这种方法应易于应用，且对运营或财务成本的增加应尽可能少，以促进利益相关者的采用（Fleitas Girett等，2023）。

土壤分类是指导可持续决策的重要工具（Monger等，2024）。一种广泛采用的方法是数字土壤制图（Arrouays等，2020）。迄今为止，大多数数字土壤制图研究都集中在预测土壤碳含量（Pouladi等，2023）。这种方法基于土壤形成因素（母质、生物、地形、年龄和气候）以及可获得的其他土壤属性和目标位置的空间位置，来建模土壤属性（McBratney等，2003）。我们认为，数字土壤制图有能力区分具有高碳保留能力的土壤和容易氧化的土壤。

本研究构想并应用了一种新的方法，以识别农业用地中优先施用污泥的区域，从而优化中长期有机碳积累。该方法旨在通过结合水文和地形变量作为基础，同时将污泥剂量、施用时间以及初始土壤有机碳含量作为协变量，来预测污泥施用后的最终土壤有机碳含量。通过在半干旱土壤上进行案例研究，评估了该方法的优缺点，这种土壤以有机碳氧化为主。由于该方法产生的是空间输出，因此在两个具有不同土壤条件的田块（每个田块包含八个小块）中收集了后续观察数据。我们的假设是，生成的地图能够准确反映这两个田块中土壤有机碳的氧化速率。我们期望，所提出的方法和案例研究结果能够为改进废物管理规划做出贡献，支持符合循环经济原则的实践。

研究区域位于智利的首都大区（图1）。该区域满足两个关键条件。首先，它包含一个拥有约八百万居民的大城市，这导致了对污水处理和污泥管理的高需求。这种需求使得污泥频繁地被施用于农业田块，为模型提供了足够的观测点（2.2数据来源与预处理，2.4模型与模型验证，2.5情景分析）。其次，该区域拥有肥沃的土壤。这些土壤的特点使其成为研究污泥施用对碳积累影响的理想地点。

模型的整体数据表明，在施用速率达到20兆克/公顷后，土壤有机碳几乎没有增加（图2）。此外，在研究区域中，观察到的土壤和作物管理实践导致土壤有机碳在施用后四年下降，这种管理方式主要是休耕-玉米轮作（图3）。模型对污泥施用后表层土壤有机碳的估计范围在5至50克/千克之间，均方根误差为6.2克/千克，R2值为0.43。这些结果表明，模型在预测土壤有机碳含量方面具有一定的准确性，但同时也存在一定的误差。

模型能够估计适合保留较高比例有机碳的土壤，即使在没有直接田块测量的情况下也能做到。因此，所提出的方法有效地排除了碳氧化速率较高的地点，为污泥处理管理和污水处理厂的整体碳足迹提供了改善的潜力。6.2克/千克的估计误差可能看起来较高，但结合模型的输入数据和实际观测结果来看，这种误差在可接受的范围内。

研究结果表明，所提出的方法能够根据碳储存能力对A和B两个田块的土壤进行有效分类，这与我们的初始假设一致。模型的估计与实地观察结果相符，展示了其作为决策工具的实用性，同时依赖于易于获取的输入数据。更广泛地说，该模型能够预测土壤对通过污泥施用引入的有机碳的可持续保留能力，这为未来的农业实践和环境管理提供了科学依据。通过这种综合性的方法，我们不仅能够更好地理解污泥施用对土壤碳积累的影响，还能够为决策者提供可行的方案，以实现可持续发展目标。