污水与污泥共施对印度南部Typic Haplustalf土壤性质及青辣椒的可持续增效机制与农艺响应

《Frontiers in Agronomy》：Sewage water and sludge co-implementation effects on soil properties and green chili in Typic Haplustalf of southern India

本文通过一项为期两年的田间试验，系统评估了污水（包括处理与未处理）与污泥（单独或与农家肥配施）对印度南部Typic Haplustalf土壤理化性质、微生物种群及青辣椒生长、产量与品质的协同影响。结果表明，未处理污水（I3）与污泥单施（SA2）可显著提升土壤有效氮、磷、钾含量（增幅约10%–20%）及微生物丰度，并使青辣椒增产约25%，同时改善果实抗坏血酸含量。研究证实，在严格监控重金属与病原体风险的前提下，污水与污泥的农业资源化利用具有提升土壤健康、促进作物生产及实现短期农业可持续性的潜力。

　　

引言

印度快速城市化导致污水量激增，2014–2015年日均污水排放量已达62,000百万升，其中蕴含大量氮、磷、钾等养分资源。同时，农业面临土壤退化与水资源短缺的双重压力。在此背景下，污水与污泥的农业共施被视为连接城市废物管理与乡村农业可持续性的可行策略。本研究聚焦于印度南部典型的Typic Haplustalf土壤，这类土壤具中等肥力与持水能力，适合青辣椒等经济作物种植，但其维持高产常需额外投入。污水与污泥的施用有望改善土壤物理、化学与生物学性质，提升土壤健康与作物产量，但同时也存在重金属累积、病原体传播及盐分胁迫等潜在风险。因此，本研究通过田间试验，旨在评估污水与污泥共施对土壤性质及青辣椒生长的综合影响，以期为区域资源循环利用与农业可持续发展提供科学依据。

材料与方法

试验于2018–2019年在印度卡纳塔克邦希莫加农业大学试验田进行，采用双因子随机区组设计。灌溉水源设三个水平：常规灌溉水（I₁）、处理污水（I₂）与未处理污水（I₃）；土壤改良剂设三个水平：农家肥25吨/公顷（SA₁）、污泥25吨/公顷（SA₂）及污泥与农家肥各12.5吨/公顷配施（SA₃），共九种处理组合。所有处理均按推荐量配施化肥（N:P₂O₅:K₂O = 150:75:75 kg ha^?1）。

试验对灌溉水、污泥及农家肥进行了系统的理化与微生物学分析，包括pH、电导率（EC）、生物需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、主要养分、重金属（钴、铅、砷、镍、铬等）及有害微生物（如大肠杆菌、沙门氏菌）含量。土壤样品于作物生长季前后采集，分析pH、EC、土壤有机碳（SOC）、有效氮（碱解氮）、有效磷（NaHCO₃提取）与有效钾（NH₄OAc提取），并采用稀释平板法测定放线菌、真菌与细菌数量。

青辣椒生长指标包括株高、分枝数、干物重；产量于各采收期累加计算；果实抗坏血酸含量采用2,6-二氯靛酚滴定法测定；根系性状（根长、根干重、根体积）于最大营养生长期测定。此外，记录了首年试验中青辣椒萎蔫病与Murda复合症的发生率。

数据分析采用方差分析（ANOVA）、多元方差分析（MANOVA）、主成分分析（PCA）及相关性分析，以评估各处理对土壤性质与作物参数的显著性影响。

结果

1. 1.
   灌溉水与改良剂特性：未处理污水（I₃）含有较高浓度的氮、磷、钾、钙、镁及微量元素，其pH、EC、BOD、COD等指标均在农业使用限值内。重金属分析显示，所有水样与污泥中的钴、铅、砷、镍、铬含量均未超标。微生物检测表明，处理污水（I₂）与污泥均未检出大肠杆菌与沙门氏菌等病原体。
2. 2.
   土壤理化性质：与常规灌溉水（I₁）相比，未处理污水（I₃）灌溉使土壤有效氮、磷、钾含量分别提升约55.6%、122.3%与56.7%，处理污水（I₂）亦分别提升21.0%、56.1%与22.3%。污泥单施（SA₂）处理的土壤有效养分增幅最大（氮、磷、钾分别提升9.1%、16.1%与7.7%），土壤有机碳（SOC）含量亦显著高于其他处理。污水灌溉与污泥施用对土壤pH与EC无显著负面影响，但长期施用污泥（SA₂）使土壤pH略有下降，EC小幅上升。
3. 3.
   土壤微生物群落：污水灌溉与污泥施用显著促进了土壤微生物增殖。未处理污水（I₃）与污泥单施（SA₂）处理的放线菌、真菌与细菌数量均最高，微生物丰度顺序为细菌 > 真菌 > 放线菌。多元方差分析表明，灌溉水源、土壤改良剂及试验年份均对土壤化学与微生物参数有极显著影响，其中年份的累积效应最强。
4. 4.
   青辣椒生长与产量：未处理污水（I₃）灌溉与污泥单施（SA₂）显著促进了青辣椒株高、分枝数、干物重及根系发育（根长、根干重、根体积均最高）。在产量方面，I₃与SA₂组合使青辣椒产量较I₁与SA₁组合提高约25%，两年平均增产达30.6%。相关性分析显示，株高、分枝数、干物重、根系性状与产量呈显著正相关。
5. 5.
   果实品质与抗病性：未处理污水（I₃）与污泥单施（SA₂）显著提升了青辣椒果实抗坏血酸含量，增幅分别为18.7%与57.7%。回归分析表明，抗坏血酸含量与产量呈正相关（r = 0.63）。试验期间，各处理的萎蔫病与Murda复合症发生率均较低，且污水与污泥施用未显著增加病害风险。
6. 6.
   多元统计分析：主成分分析（PCA）显示，未处理污水与污泥单施（I₃SA₂）处理在提升土壤有效养分与有机碳方面作用最为突出，而常规水与农家肥组合（I₁SA₁）的影响最弱。相关性热图进一步证实，除根干重与萎蔫病、Murda复合症间存在负相关外，其余生长、品质与产量参数间均呈正相关。

讨论

1. 1.
   环境安全考量：本研究所用污水为生活污水，重金属与病原体含量均低于农业使用限值，因此在可控条件下用于灌溉是相对安全的。但长期施用仍需监测重金属累积、硝酸盐淋溶及新兴污染物（如抗生素、微塑料）的风险，并建议结合吸附处理等工程措施以提升水质。
2. 2.
   土壤改良机制：污水与污泥的有机质输入为土壤微生物提供了充足的碳源与养分，从而刺激了微生物增殖与活性，加速了养分矿化与循环。污泥中的有机酸生成可能导致土壤pH微降，而盐分离子输入则使EC略有上升，但均未对作物生长产生抑制作用。
3. 3.
   作物响应机理：污水与污泥的养分供应直接促进了青辣椒的光合作用、干物质积累与产量形成。根系发育的改善可能与土壤结构优化、孔隙度增加及根际营养富集有关，进而增强了水分与养分吸收能力。抗坏血酸含量的提升可能是植物应对潜在氧化胁迫的抗氧化响应。
4. 4.
   统计与实践意义：多元方差分析（MANOVA）表明，灌溉水源、土壤改良剂及年份均对土壤与作物参数有极显著影响，其中年份的累积效应最为突出，说明污水与污泥的长期连续施用对土壤健康的改善作用大于单季投入。效应量分析进一步证实，污泥单施（SA₂）与未处理污水（I₃）在提升土壤肥力、微生物活性及作物产量方面具有较高的农艺实用价值。

局限与展望

本研究的试验周期仅为两年，未能评估长期施用下重金属在植物体内的累积效应及土壤盐渍化风险。未来研究应延长监测时限，并整合污染物迁移模型、微生物组学及作物品质安全评价，以建立更完善的污水污泥农业回用风险管控体系。

结论

在印度南部Typic Haplustalf土壤中，污水与污泥的共施可显著改善土壤化学与生物学特性，提升有效养分含量、微生物活性及土壤有机碳积累，进而促进青辣椒生长、产量与品质。在严格控制重金属与病原体风险的前提下，此类废弃资源的农业利用有助于减少化肥依赖、提升水资源效率，并为城郊农业系统的短期至中期可持续发展提供可行路径。建议制定基于养分组成与污染物阈值的标准化施用规范，并建立长期监测机制，以平衡农业生产效益与环境生态安全。