闭环管理：在干旱地区农业中，使用人类排泄物制成的肥料对作物产量和土壤健康的影响

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Closing the loop: crop yield response and soil health implications of human excreta-derived fertilizer application in dryland agriculture

干旱农业中人类排泄物衍生肥料（粪肥与尿液组合）的 agronomic 效果及环境安全性研究显示，辣椒产量在五种植理科中无显著差异，但粪肥与尿液组合及家禽粪便显著提升土壤有机碳与可提取磷。微生物活性、酶活性及地下水埃希氏菌与硝酸盐含量均未受显著影响，证实该组合在碳封存与磷循环方面具有潜力，但需通过稀释尿液降低盐分并遵循WHO卫生安全规划以保障长期适用性。

　　在面对全球日益加剧的环境压力和粮食安全问题时，如何将人类排泄物转化为有价值的农业资源，成为可持续发展的重要议题。尤其是在干旱地区，传统农业面临土壤退化、营养耗竭和水资源短缺的多重挑战，因此，探索基于人类排泄物的有机改良剂和生物肥料在农业中的应用显得尤为重要。本文探讨了使用污水污泥与绿色有机废弃物共堆肥（co-compost）和人类尿液作为土壤改良剂和肥料，其对辣椒产量、土壤肥力和地下水污染的影响。研究不仅关注农业产出，还考虑了生态安全和可持续性，旨在为干旱地区农业提供可行的解决方案。

### 人类排泄物的农业潜力与环境挑战

人类排泄物作为农业资源，其潜在价值主要体现在其富含有机质和养分，如氮、磷、钾等。这些成分对于改善土壤结构、提高土壤肥力和促进作物生长具有重要作用。然而，人类排泄物的直接利用也伴随着诸多环境和健康风险，尤其是其中可能存在的病原体、重金属和微污染物。因此，如何安全有效地利用这些资源，成为当前研究的重点。

在撒哈拉以南非洲，约80%的人口使用粪坑式厕所，其中约28亿人来自该地区。研究表明，58%的人类排泄物未被安全处理，14%的粪污被储存但未排放，13%的粪污被排放但未运送到处理设施，仅有2%的粪污最终进入处理系统并得到适当处理。这种不充分的排泄物管理不仅影响公共卫生，还可能导致地下水污染，特别是对饮用水安全构成威胁。因此，提升排泄物的收集、运输和处理效率，是保护公众健康和水资源的关键措施。

### 干旱农业中的挑战与机遇

南非作为水资源匮乏的国家，其农业系统受到自然条件和人为因素的双重影响。干旱地区的土壤往往酸性较强，营养成分不足，影响作物产量。此外，农民普遍缺乏灌溉设施，主要依赖雨水进行耕作，使得干旱对农业生产的威胁尤为显著。根据研究，约19.5%的西开普省土壤pH（KCl）低于5，而全国范围内自然酸化影响了约1600万公顷的耕地。这些土壤条件对小农户尤为不利，因为他们往往只能依靠有限的资源进行生产，且缺乏对土壤健康和气候适应性的系统管理。

在南非，粮食不安全问题也十分严峻，尤其是黑人农民群体，其中约21.7%的人处于严重的粮食不安全状态。粮食不安全不仅与贫困、失业和对社会补助的依赖有关，还与作物产量低下密切相关。因此，提高土壤肥力、优化施肥方式以及采用气候适应性农业技术，是改善粮食安全的重要途径。

### 圆形生物经济与农业可持续性

圆形生物经济模式为解决粮食安全与排泄物管理问题提供了新的思路。通过将人类排泄物转化为土壤有机改良剂，如共堆肥，不仅能够减少废弃物对环境的负担，还能为农业提供必要的养分。这种模式符合南非《国家环境管理废弃物法》（2008年）的要求，即在2050年前实现有机废弃物的零填埋目标。同时，它也与联合国可持续发展目标（SDGs）密切相关，例如消除饥饿（SDG 2）、保障健康与福祉（SDG 3）、应对气候变化（SDG 13）以及保护土壤和生物多样性（SDG 15）。

然而，尽管共堆肥在农业中具有显著的增产潜力，其使用仍需谨慎对待。一方面，共堆肥中的重金属和微污染物可能对土壤和地下水造成潜在风险；另一方面，尿液作为生物肥料虽然能够提供丰富的氮素，但其高盐度可能对土壤微生物活动产生抑制作用。因此，为了确保其安全使用，必须结合多道屏障技术（如WHO推荐的卫生安全规划）和适当的管理措施，如盐度控制、土壤改良和定期监测。

### 研究设计与实验方法

本研究在南非uMshwati本地市的Bishopstowe农业生态实验室（BALL）进行，采用随机完全区组设计，设置五种处理方式：尿液、共堆肥+尿液、鸡粪、无肥料和常规肥料，每个处理重复四次。实验的目的是评估这些排泄物衍生材料对辣椒产量、土壤氮素动态、酶活性、微生物群落、土壤碳组分以及地下水污染风险的影响。

实验材料包括污水污泥与绿色有机废弃物的共堆肥，其制备过程在风堆中进行，持续5至6个月，确保有机物完全分解并达到杀菌温度。尿液则从Durban新鲜市场公共尿槽收集，并由非政府组织Asiye eTafuleni协助处理，遵循标准的收集、运输和储存方法。鸡粪来自BALL内的小规模养鸡场，作为对照处理之一。实验期间，通过定期监测土壤化学和生物学特性，以及地下水质量，全面评估排泄物衍生材料的环境影响。

为了确保作物的营养需求，研究人员根据作物的氮素需求和肥料的矿化率，计算出适当的施肥量。尿液和共堆肥的使用则基于其氮素含量和有机碳含量，通过调整施肥比例来满足作物的营养需求。实验过程中，采用水文模型计算作物的蒸散量，并结合实际降雨量评估水分供应是否充足。

### 实验结果与分析

研究结果显示，所有处理对辣椒产量、土壤氮素矿化、铵和硝酸盐浓度、酶活性、微生物群落组成以及活性碳含量均无显著影响（p > 0.05）。这表明，在短时间内，这些排泄物衍生材料对土壤肥力和作物生长的影响有限，可能与其施用时间较短有关。然而，尿液和共堆肥的组合以及鸡粪显著提高了土壤有机碳和可提取磷的含量，显示出其在土壤改良和养分供给方面的潜力。

尽管共堆肥含有较高的有机碳，但其与鸡粪相比，微生物活性较低。这可能与共堆肥的稳定性有关，因为经过长时间堆肥处理的有机物分解程度较高，对土壤微生物的刺激作用较弱。而鸡粪由于含有较高的氮、磷、钾等养分，能够直接促进微生物生长，提高土壤肥力。此外，研究还发现，尿液的高盐度虽然可能对微生物群落造成一定影响，但并未显著改变土壤中的微生物活性或地下水中的病原体和硝酸盐含量，这表明其在农业应用中具有一定的安全性。

### 土壤微生物与养分循环

土壤微生物群落和酶活性是评估土壤健康的重要指标。研究发现，土壤中的微生物活性在各处理之间没有显著差异，但某些土壤生物学参数如有机碳和可提取磷的含量在尿液+共堆肥和鸡粪处理下显著提高。这表明，尽管微生物活性没有明显变化，但土壤的有机碳和磷含量能够直接影响土壤的养分供给能力和持水能力，从而间接促进作物生长。

土壤酶活性（如尿素酶和β-葡萄糖苷酶）与微生物活性密切相关，它们在有机物分解过程中起着关键作用。然而，研究结果并未发现这些酶活性在各处理之间存在显著差异，这可能是因为实验时间较短，未能充分激发土壤中的微生物活动和酶反应。此外，研究还发现，尽管尿液和共堆肥能够提供丰富的氮素，但其对土壤氮素矿化的影响有限，这可能与氮素的释放速率和土壤环境条件有关。

### 地下水污染风险评估

地下水污染是使用排泄物衍生肥料的一个重要环境风险。研究通过监测地下水中的大肠杆菌和硝酸盐含量，评估了这些肥料对地下水的影响。结果表明，尽管实验期间使用了排泄物衍生材料，但地下水中的大肠杆菌和硝酸盐含量并未显著增加，这表明这些材料在经过适当处理后，对地下水的污染风险较低。然而，研究也指出，由于实验周期较短，未能充分评估长期使用这些材料对地下水质量的潜在影响，因此需要进一步的长期监测。

此外，研究还强调了排泄物处理过程中可能存在的微污染物问题。例如，污水处理过程中可能引入药物残留和农药等物质，这些物质可能对土壤和地下水造成潜在污染。因此，未来的实验应更加关注这些微污染物的检测和管理，以确保其对生态环境和人类健康的长期安全性。

### 实验的局限性与未来方向

尽管本研究为排泄物衍生肥料在干旱农业中的应用提供了初步证据，但其研究周期较短（仅6个月），且仅在单一地点进行，这限制了其结果的普遍适用性。因此，未来的研究应延长实验周期至至少2年，并在多个农业生态区进行，以更全面地评估这些材料对土壤健康、作物产量和环境安全的综合影响。同时，建议引入更先进的分析技术，如定量PCR（qPCR）和扩增子测序，以更准确地识别和量化土壤微生物群落的变化。

此外，实验应考虑更全面的环境安全评估，包括地下水中的硝酸盐、铵、磷酸盐、电导率、大肠杆菌、沙门氏菌和寄生虫等指标，并结合WHO的卫生安全规划框架进行定期监测。通过长期的数据收集和分析，可以更好地理解这些材料对土壤和地下水的长期影响，并为其在干旱农业中的推广提供科学依据。

### 研究意义与实际应用

本研究不仅为干旱地区的农业可持续发展提供了新的思路，还为资源回收和再利用提供了实践依据。通过将人类排泄物转化为农业资源，可以减少废弃物对环境的负担，同时提高土壤肥力和作物产量。然而，这种转化过程需要科学的管理和技术支持，以确保其安全性。

在实际应用中，排泄物衍生肥料的使用应结合当地农业条件和气候特征，避免因不当使用导致土壤退化或地下水污染。此外，推广这些材料需要加强农民的培训和技术指导，确保其能够正确地进行施肥和管理。通过政策支持和技术创新，可以进一步推动这一模式的发展，为全球干旱地区的农业提供可行的解决方案。

综上所述，本研究为排泄物衍生肥料在干旱农业中的应用提供了初步证据，表明其在提高土壤有机碳和磷含量方面具有潜力，同时对地下水污染风险较低。然而，由于实验周期较短，研究结果可能未能全面反映其长期影响。因此，未来的研究应注重长期监测和多地点试验，以进一步验证这些材料的环境和农业效益，并为其在更大范围内的应用提供科学支持。