极端降雨条件下污泥施用对森林土壤氮磷流失风险及驱动因子的影响研究

本研究针对污水污泥(SS)在桉树人工林土壤改良中引发的非点源污染风险，通过模拟极端降雨事件(90 mm·h?1)，系统量化了不同SS施用量(0-6 kg·m?2)下氮(N)、磷(P)的流失特征。研究发现SS施用使壤中流TN浓度激增6-70倍，0.25-1 mm颗粒携带的TN/TP比例提升3倍，提出≤6 kg·m?2的生态安全阈值，为兼顾土壤改良与水体保护提供了科学依据。

　　

随着全球城市化进程加速，污水处理产生的污泥(SS)年产量已突破18亿吨，这些富含有机质(OM)和营养元素的"双刃剑"物质，在森林土壤改良中展现出巨大潜力。中国作为全球最大人工林国家，桉树种植面积达9000万公顷，但集约化经营导致土壤退化问题突出。将SS作为土壤改良剂施用，既能实现废弃物资源化利用，又能改善土壤肥力，然而中国南方多雨的气候条件（年降雨量2042.6 mm）和酸性红壤特性，使得营养元素通过地表径流、壤中流和沉积物侵蚀等途径流失的风险倍增。更棘手的是，研究显示南方地区氮磷流失量可达北方的15.8倍，其中硝酸盐(NN)浓度高达109 mg·L^?1，对地下水和周边水体构成严重威胁。

为破解这一环境难题，华南农业大学的研究团队在《CATENA》发表重要成果。研究人员采用室内模拟降雨装置，设置0、1.5、3、4.5、6 kg·m^?2五个SS施用梯度，通过6次90 mm·h^?1的极端降雨模拟，系统监测了地表径流、壤中流和沉积物三种途径中不同形态氮（铵态氮AN、硝态氮NN、有机氮ON）和磷（可溶性磷SP、颗粒态磷PP）的流失规律。研究创新性地结合粒径分级技术和多变量统计分析，揭示了SS施用-土壤孔隙度改变-营养流失途径的级联效应。

【土壤和SS制备与处理】从广东东莞大岭山森林公园采集典型桉树林地酸性红壤（砂壤土，56.7%砂粒），与好氧堆肥处理的SS按比例混合制备实验土样，确保材料来源具有地域代表性。

【水文响应】研究发现SS施用量(F=6.5-18.3)比降雨次数(F=4.0-10.4)对水文过程影响更显著。当施用量达6 kg·m^?2时，地表径流减少18.5%，而壤中流激增112%，土壤持水量提升106%。这种"由表转里"的水分再分配，源于SS增加土壤总孔隙度12.5%-37.9%的物理效应。

【营养流失特征】地表径流贡献了43.5%的总氮(TN)流失，但96.2%的磷(TP)通过沉积物迁移。令人警觉的是，壤中流的TN浓度超出其他途径6-70倍，其贡献率从16.2%飙升至40.6%。粒径分析显示，0.25-1 mm颗粒携带的TN、TP占比分别从12.5%、11.8%增至37.9%、35.8%，成为营养流失的"特洛伊木马"。

【污泥与降雨对侵蚀的影响机制】SS中的有机质和黏土矿物通过增强土壤团聚体稳定性，使<0.05 mm细颗粒的磷吸附容量提升3.8倍。但过量施用(>6 kg·m^?2)会导致0.05-0.25 mm中间颗粒的氮磷富集系数突破安全阈值，引发非线性污染风险。

研究结论指出，6 kg·m^?2的SS施用量构成生态安全临界点：在此阈值下，既能通过增加土壤孔隙度(23.7%)和有机质含量(1.8倍)改善土壤结构，又可将TN、TP流失量控制在环境容量范围内。特别重要的是，研究首次量化了壤中流作为"隐形通道"对氮流失的贡献率(40.6%)，并发现AN和NN在地表径流中存在明显的"首波效应"，而ON在壤中流中持续输出。这些发现为制定桉树林地SS施用标准提供了理论支撑，对实现"碳达峰"背景下的废弃物资源化利用与水体保护协同治理具有重要实践价值。