生物质源养分与矿物肥配施提升灌溉小麦农艺、土壤肥力及经济—能量效益：固体沼渣优化的TOPSIS-PCA多准则评价

《Journal of Agriculture and Food Research》：Integrated biomass-derived nutrient sources for sustainable wheat production: Agronomic, soil fertility, economic and energy perspectives

　　

固体沼渣（solid digestate）与推荐施肥量（RDF）配施较单施RDF使小麦产量提高6.9%。固体沼渣使收获后土壤氮提高35.7%，并使净收益提高5.7%。以沼渣替代25% RDF使能量利用效率（EUE）提高28.2%。生物炭（biochar）基养分策略使EUE降低53–56%。集成沼渣施肥在TOPSIS（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution）中排名第一，贴近度系数（CC）为0.852。

研究背景方面，小麦（Triticum aestivum L.）是重要谷类作物，印度恒河平原（IGP）集约化小麦生产长期依赖矿物NPK肥料，导致土壤有机碳（SOC）下降、养分亏缺和养分利用效率降低，产量趋于停滞。有机改良与矿物肥集成可改善养分同步及土壤理化生性质，但现有研究多评价单一有机源，缺乏在相同田间管理下对固体沼渣、液体沼渣、生物炭、蒸馏废液焚烧灰和元素硫等多种生物质源与矿物肥不同整合方式的并行比较，也缺乏同时评价农艺、土壤肥力、养分平衡、经济和能量表现的研究。为此，研究人员在IGP开展两年田间试验，评估16种养分管理策略，并以PCA和TOPSIS识别最优策略。研究结论表明，100% RDF配施0.4 t ha^-1固体沼渣基施（T4）产量最高，较单施RDF（T1）增产6.9%，提高收获后有效氮及净收益，并在TOPSIS中排名第一（CC = 0.852），但其K、P表观赤字最大，需补充K、P并监测土壤；以固体沼渣替代25%矿物肥可提高能量效率。该研究为集约化灌溉小麦平衡产量、土壤肥力、经济和能量效益提供了综合依据。

关键技术方法（≤250字）：研究基于印度ICAR-IARI（新德里）IGP研究农场2022—23和2023—24两个冬小麦季的田间定位试验，样本来源为该农场0—15 cm砂壤土；供试品种为HD 2967；设16个养分管理处理、3次重复、随机完全区组。以RDF（150–60–60 kg N–P₂O₅–K₂O ha^-1）为基准，设置固体沼渣、液体沼渣、生物炭、蒸馏废液焚烧灰和元素硫的补充、部分替代或K替代。测定生长与产量构成、土壤pH/电导率（EC）/SOC/有效N P K、微生物生物量碳（MBC）、植株N P K吸收与表观平衡、能量及经济指标，采用方差分析、PCA和TOPSIS综合评价。

研究结果如下。3.1 作物生长与生产力（Crop growth and productivity）：通过两年田间生长和产量构成测定，集成有机改良处理总体优于单施矿物肥；T4的有效分蘖、穗长、穗粒数、穗粒重和千粒重较T1提高，籽粒产量达6476 kg ha^-1，较T1提高6.9%，但与T3、T5、T15和T16统计相当；T6–T8籽粒产量较低而秸秆和生物量较高、收获指数较低；75% RDF下补充元素硫改善部分产量构成，但未转化为显著增产。3.2 土壤肥力响应（Soil fertility responses）：通过不同生育期土壤化学和MBC测定，EC未受显著影响，pH仅小幅变化；各集成处理SOC增加，T15收获时SOC较T1提高53.2%，T4提高21.3%；T4收获后有效N、P、K分别较T1提高35.7%、23.8%和18.3%；沼渣处理提高MBC，T6较T1提高37.6%，T4提高27.6%；T6及Target N策略残余养分最低。3.3 养分吸收与表观养分平衡（Nutrient Uptake and Apparent Nutrient Balance）：3.3.1 养分吸收方面，T4籽粒N和总N吸收最高，分别为143.2和188.9 kg ha^-1，较T1提高18.3%和19.7%；籽粒P和总P吸收分别为29.8和39.0 kg ha^-1，较T1提高29.6%和32.8%；总K吸收以T6最高，但T4等处理与T1相比提高约29–32%。3.3.2 表观养分平衡方面，T6、T13、T7和T11呈正N平衡，T5和T4呈较大负N平衡；T4同时记录最大P赤字（?21.2 kg ha^-1 season^-1）和最大K赤字（?125.2 kg ha^-1 season^-1）；所有处理K均为负平衡。3.4 经济分析（Economic analysis）：通过成本—收益核算，T4虽栽培成本较T1高9.9%，但净收益最高，较T1提高5.7%；完全以固体沼渣供N的T6净收益为负（??43,828 ha^-1）；以固体沼渣或生物炭替代25%矿物肥的T10和T9的效益成本比分别为3.15和3.05，接近T1的3.19。3.5 能量表现（Energy performance）：通过能量等价系数计算，生物炭Target N处理总能量输入最高，EUE较T1降低53–56%；T6和T14能量输入最低，EUE较T1提高38.8–42.4%，能量效率比（EER）和能量生产率提高21–27%；T10替代25%矿物肥使EUE、EER和能量生产率分别提高28.3%、15.5%和15.4%，比能量降低13.2%；T4能量指标与T1相当但产量更高。3.6 养分管理策略的综合评价（Integrated evaluation）：通过TOPSIS和PCA，T4排名第一（CC = 0.852），T10和T16随后，T1第五，T7、T12和T13最差；PCA前两主成分解释86.2%变异（PC1 = 49.4%，PC2 = 36.8%），分别反映生产力—利润—土壤肥力梯度和能量效率梯度，支持TOPSIS排序。

讨论部分表明，固体沼渣与矿物肥集成提高产量可能与速效矿物养分和有机养分逐步释放的同步性改善有关，但养分释放及根系、酶活、叶绿素和转运等机制未测定；0.4 t ha^-1固体沼渣仅额外提供约4 kg N ha^-1，其增产机制尚待明确。土壤方面，灰分材料具liming效应，沼渣可能因有机酸和硝化使pH略降，试验用量下未引起EC升高；SOC增加可能兼有外源碳、根系输入和短期变异，两季不足以判定长期固碳。养分平衡受投入和作物移除共同控制，T4高产导致最大K、P赤字，建议通过提高K₂O用量、配施富K材料（如焚烧灰或液体沼渣）和秸秆还田并监测土壤K、P；正N平衡处理存在淋失和N₂O排放风险但未测定。经济上，适量沼渣集成可抵消成本并提高净收益，完全替代不经济；能量上，生物炭高隐含能抵消其生物量优势，沼渣低隐含能提高能效，但结果受能量系数和价格影响。TOPSIS和PCA一致支持T4为等权重下的最佳折中，但未纳入养分平衡且需权重敏感性分析；实际推广需沼渣供应链、质量标准化、储运施用设备和长期多地点环境监测。

结论（翻译）：将有机改良与矿物肥集成较单施矿物肥提高了小麦生产力、土壤肥力、盈利能力和资源利用效率，这可能反映速效矿物养分与有机源逐渐释放养分之间更好的同步，尽管养分释放未直接测定。在评估的养分管理策略中，基施0.4 t ha^-1固体沼渣并配施推荐矿物肥剂量提供了最平衡的农艺表现，同时提高籽粒产量、维持较高收获后有效养分状况并最大化经济收益，且不损害能量效率。然而，同一处理记录最大的表观K（?125.2 kg ha^-1 season^-1）和P（?21.2 kg ha^-1 season^-1）赤字，表明需要补充K、P输入并定期土壤监测以维持该策略。相反，完全以有机养分源替代矿物肥或采用生物炭密集型Target N策略增加了生产成本或能量需求，而未成比例改善籽粒生产力，限制了其在实际生产条件下的适用性。以固体沼渣部分替代矿物肥保持了有竞争力的生产力，同时提高能量利用效率并降低对矿物肥的依赖，显示其作为资源高效养分管理选项的潜力。此外，TOPSIS与PCA高度一致表明，integrated multivariate evaluation可为识别平衡农艺、经济和能量目标的养分管理策略提供稳健框架，但排序取决于所选标准及其权重。总体而言，结果指示，在研究地点，将适量固体沼渣与矿物肥集成并配合充足K、P维护是改善小麦生产的实用策略；由于结果基于单一地点、单一品种和两季试验，在推广至IGP前需开展多地点和长期试验。该策略为在集约化谷物生产体系中提高肥料利用效率并降低矿物养分投入依赖提供了可行路径。