粉煤灰与农家肥对玉米土壤-籽粒-环境One Health连续体的影响

《Scientific Reports》：Impact of fly ash and farmyard manure on one health continuum of soil, grain and environment in maize

　　

粉煤灰（fly ash, FA）是一种有价值的燃煤残余物，在农业中具有巨大应用潜力，但必须优化施用量。本田间试验（始于2021年，已完成2个作物周期）旨在评估12种不同FA剂量（每年施用10、20和40 t ha^-1；隔年施用20、40和80 t ha^-1；一次性施用100、200和400 t ha^-1）对土壤质量变化、温室气体（greenhouse gases, GHGs）排放及玉米籽粒生物化学特性的影响。研究人员在生产力（productivity, P）与环境保护（environmental protection, EP）两个管理目标下构建了基于概念框架的土壤质量指数（conceptual framework based soil quality index, CFSQI）。在0–15 cm土层，推荐施肥（recommended dose of fertiliser, RDF）配施农家肥（farmyard manure, FYM）（RDF+FYM）的CFSQI-P（0.78）和CFSQI-EP（0.71）最高。氧化亚氮（N₂O）和氨（NH₃）的累计排放量分别在RDF+FYM（1.49 kg N₂O ha^-1）和RDF+FYM+FA隔年施用（alternate year, AY）80 t ha^-1（36.41 mg kg^-1）处理中最高。玉米籽粒中镁（Mg）和铜（Cu）含量随FA剂量增加而显著增加，而镉（Cd）和铅（Pb）含量未超过这些金属的允许限量。抗氧化活性（47.51 μmol trolox g^-1）和总酚含量（53.63 mg 100 g^-1）分别在每年施用FA 20和40 t ha^-1配施RDF+FYM处理中最高。排名分析表明，综合所有性状（土壤性质、GHG排放和籽粒属性），FA（每年10 t ha^-1）配施RDF+FYM得分最高（0.789），排名第一。因此，基于试验结果可得出结论：在玉米-小麦系统中，FA（10 t ha^-1）配合综合施肥管理可改善土壤质量、减缓气体排放并维持玉米籽粒品质，且对动物和人类健康无不良影响。

研究背景与意义：印度燃煤电厂每年产生大量粉煤灰（fly ash, FA），但农业利用率很低。FA含有植物养分且具有改良土壤的潜力，但其中镉（Cd）、铅（Pb）等金属元素若因不当施用进入食物链，可能威胁土壤、作物和人体健康。已有研究多关注FA对单一土壤性质或某种气体的影响，缺乏基于土壤质量指数（soil quality index, SQI）的综合评价，也较少同时考察温室气体（greenhouse gases, GHGs）排放与玉米籽粒生物化学品质。为此，研究人员在印度农业研究所（ICAR-IARI）实验农场开展玉米-小麦轮作田间试验，评估不同FA剂量和施用频率对土壤质量、N₂O/NH₃排放及玉米籽粒品质的影响，并筛选最优FA管理措施。该研究将土壤健康、粮食安全与环境质量纳入One Health框架，论文发表在《Scientific Reports》。

主要技术方法：试验采用随机区组设计，共12个处理，包括RDF、RDF+农家肥（farmyard manure, FYM），以及FA按每年（10、20、40 t ha^-1）、隔年（20、40、80 t ha^-1）和一次性（100、200、400 t ha^-1）施用的组合；FA来自NTPC Unchahar电厂。研究方法包括：基于概念框架的SQI评价，在生产力（productivity, P）与环境保护（environmental protection, EP）管理目标下选择土壤物理、化学和生物指标，采用非线性评分函数与加权集成；采用密闭静态箱-气相色谱法测定N₂O，硼酸吸收-硫酸滴定法测定NH₃；收获后分析玉米籽粒矿质元素和生化组分；利用逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution, TOPSIS）进行排序，并用层次聚类分析处理间关系。

研究结果：

1. 基于概念框架的土壤质量指数（CFSQI）评价：在0–15 cm土层，RDF+FYM处理的CFSQI-P（0.78）和CFSQI-EP（0.71）最高；RDF+FYM+FA-EY20（0.72）、RDF+FYM+FA-EY40（0.71）和RDF+FYM+FA-AY20（0.71）的CFSQI-P与RDF+FYM无显著差异。一次性大量施用FA（200、400 t ha^-1）及RDF+FA-EY20显著降低CFSQI-P。15–30 cm土层中，RDF+FYM与RDF+FYM+FA-EY10的CFSQI-P/EP相当，RDF+FA-EY20降幅最大。这说明适量FA与FYM配施可维持并