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湿地疏浚沉积物改良土壤肥力及作物产量研究显示，2023年干旱条件下沉积物处理土壤水分提高38%（p<0.007），有机碳达3%（p=0.01），使春小麦产量达8.5吨/公顷，优于其他处理。2024年荞麦生物量仍保持12吨/公顷，证实沉积物具有持续改良效果，为干旱区农业提供有机碳与保水新方案。
Margit K?iv-Vainik、Lii Lopp、Isaac Okiti、Mihkel Pindus、Kuno Kasak
爱沙尼亚塔尔图大学生态与地球科学研究所地理系
摘要
气候变化加剧了极端和不可预测的天气现象，包括持续时间较长的春季干旱，这日益威胁到农业生产力。在这种情况下，提高土壤肥力成为维持作物生产的关键策略。一种替代传统土壤改良方法的方案是使用从水体中挖出的沉积物。本研究评估了从用于农业面源污染控制的湿地（TW）中挖出的沉积物对土壤肥力和作物产量的影响。在两个连续的生长季节（2023年种植春小麦，2024年种植荞麦）中，将一个施用沉积物的试验地块与施用消化物、NPK矿物肥料的试验地块以及不施用任何改良剂的对照地块进行了比较。改良剂仅在2023年春季施用一次，并评估了其在后续生长季节中的效果。
在受干旱影响的2023年，施用沉积物的地块保持了显著更高的土壤湿度（最高可达38%；p < 0.007），并且总碳含量也更高（约3%；p = 0.01），而其他地块的湿度最高为18%，总碳含量约为1.7%。这些改善促进了作物的早期生长，使得小麦生物量（13吨/公顷）和产量（中位数8.5吨/公顷）均高于使用消化物（3.3吨/公顷）、对照地块（6.3吨/公顷）和NPK肥料（7.2吨/公顷）的地块。2024年，各地块之间的产量差异不那么明显（0.9–1.9吨/公顷）。尽管如此，施用沉积物的地块仍保持了最高的荞麦生物量（12吨/公顷），表明初次施用具有长期效益。这些发现表明，来自TW的沉积物可以在干旱条件下改善土壤的保水能力和有机质含量，从而提高作物表现和长期土壤健康。
引言
气候变化带来了更加极端和意外的天气条件，导致风暴事件频发以及干旱期延长（IPCC，2023年）。高效的农业生产除了需要良好的天气条件外，还需要土壤中含有足够的养分（Penuelas等人，2023年）。优化肥料使用和实施有效的养分管理措施对于确保全球粮食安全至关重要，尤其是在全球人口迅速增长的情况下（Stewart和Roberts，2012年）。Luo等人（2024年）在其综合性综述中讨论了使用矿物肥料的问题，即从有限的磷矿石中提取的无机磷。
土壤肥力主要取决于土壤腐殖质和养分含量、土壤pH值、湿度、通气性、温度以及土壤生物的存在。通过添加适量的有机质（即土壤有机碳）和微量及大量养分，可以提高土壤肥力（Wolf等人，2023年）。除了提高土壤肥力外，高含量的土壤有机碳还能改善土壤结构、持水能力和作物生产力（Ghaley等人，2018年；K?gel-Knabner和Rumpel，2018年；Mikanová等人，2012年；Newcomb等人，2017年；Oliveira等人，2017年）。Ghaley等人（2018年）指出，即使氮（N）的添加量较低，增加土壤有机碳含量也能保证农艺生产力。
合成土壤肥料的常见替代品包括富含养分的有机材料，如堆肥、粪肥和消化物（沼气生产的液体副产品）（Clements等人，2012年）。然而，利用富营养化湖泊和其他水体中挖出的沉积物作为农业土壤改良剂，也是改善土壤健康和肥力的一个可行方法（Fereres等人，2022年；Kiani等人，2021年）。水体富营养化是一个全球性问题，因此必须采取有效的缓解措施（Akinnawo，2023年；Chislock等人，2013年）。人类活动通过向水生生态系统引入过量的氮（N）和磷（P）加速了这一自然过程（Bao等人，2021年）。这些养分会在水体底部沉积物中积累，可以通过挖掘或水力清淤方式去除（DredgeContractors，2025年）。Brils（2008年）的研究强调了将富营养化水体中的养分循环回农业系统的重要性，旨在恢复土壤的养分平衡。正如Kiani等人（2023年）所总结的，大量研究表明，湖泊沉积物作为土壤改良剂非常有效：它们可以增加土壤有机质含量（Brigham等人，2021年；Edesi等人，2020年），提供必需的大量和微量养分（Brigham等人，2021年；Edesi等人，2020年；Kiani等人，2021年），提高持水能力（Darmody和Diaz，2017年）和阳离子交换能力（Brigham等人，2021年；Darmody和Diaz，2017年），改善土壤pH值（Mattei等人，2018年），降低土壤容重（Brigham等人，2021年；Wang等人，2014年；Woodard，1999年），并提供有益的微生物（Rúa等人，2023年）。
富含大量微量和大量养分以及有机碳的沉积物主要存在于湿地中，尤其是用于缓解农业面源污染的人工处理湿地（TWs）（Kadlec和Wallace，2009年）。在自由水面处理湿地（FWS TWs，也称为表面流TWs）中，由于水深较浅且有挺水植物（例如温带气候下的Typha属和Phragmites属），面源污染通过多种物理、化学和生物过程得到有效去除（Kadlec，2019年）。由于过滤、沉淀和降解作用，径流相关污染物及湿地植物共同作用，有机质和富含养分的固体会在湿地水柱中沉积为底泥（Duan等人，2024年；Winikoff，2021年）。通常，经过10多年的运行后，FWS TWs会充满沉积物（Zhu等人，2023年）。在重大风暴事件期间，过多的沉积物可能会被冲出FWS TWs，可能导致积累的养分和有机物质释放到下游水体中。为了保持FWS TWs的长期性能，不仅需要定期收割植物生物质，还需要在系统饱和时清除沉积物。
目前尚无关于将TW沉积物作为土壤改良剂用于提升农业土壤健康和养分含量、进而提高作物产量的研究资料。为填补这一知识空白，我们在爱沙尼亚进行了为期两个生长季节的大规模田间试验。
研究假设如下：
a)TW沉积物将增加农业土壤的持水能力、肥力和有机质含量；
b)与其他测试的改良剂相比，沉积物能够保证相似的产量。
研究的总体目标是评估从用于农业面源污染控制的7年旧FWS TW中挖出的底泥对农业土壤肥力和作物产量的影响。
具体目标包括：
a)确定TW沉积物改良对土壤肥力参数（土壤湿度、有机碳含量和养分有效性）的影响；
b)比较使用TW沉积物改良与常用改良剂（沼气生产的消化物、NPK矿物肥料）和未经处理的对照地块的作物产量；
c)评估沉积物改良效果在后续生长季节中的持续性。
实验设置
2023年5月至9月以及2024年10月，在爱沙尼亚东南部进行了大规模的田间实验（表1）。爱沙尼亚属于温带气候，四季分明，生长季节从4月底持续到10月底（Linderholm，2006年；Walther和Linderholm，2006年）。2017年至2024年间，年均气温为7.3°C，最近的研究地点（距实验地点约20公里）的年平均降水量为623毫米。
影响作物的环境因素
土壤温度范围为11至34°C，并随气温变化而变化（图2）。2023年和2024年的春季非常干燥，5月份实验地点完全没有降雨（图2）。如果包括人工降雨事件（共3次，每次3毫米），2023年研究期间的总降雨量为200毫米。2024年生长季节，现场气象站记录的降雨总量为308毫米。
农业用途中TW沉积物的安全性
在评估TW沉积物的潜力时，需要确保其中不含有超过安全限值的有毒化合物（Fereres等人，2022年），例如本研究中使用的沉积物。目前欧洲法规尚未针对此类沉积物（包括湖泊沉积物）在农业中的使用制定指导方针，也未设定有毒化合物含量的允许限值（SubSed，2019年）。然而，制定相关规范变得越来越重要。
结论
从用于农业面源污染控制的FWS TW中挖出的沉积物对春小麦的生长和产量产生了积极影响，其产量最高达到8.5吨/公顷，优于其他改良剂和对照地块的产量。这一结果超出了我们的预期。正如假设的那样，沉积物中的高湿度有助于缓解春季干旱的负面影响，并为种子发芽提供了必要的水分。
CRediT作者贡献声明
Margit K?iv-Vainik：撰写原始稿件、可视化处理、验证、监督、方法论设计、调查、数据分析、概念化。Lii Lopp：撰写原始稿件、可视化处理、方法论设计、调查、数据分析、概念化。Isaac Okiti：撰写、编辑、调查、数据分析、概念化。Mihkel Pindus：方法论设计、调查。Kuno Kasak：撰写、编辑、监督、资源协调、项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究工作。
致谢
本研究得到了爱沙尼亚教育和研究部、可持续土地利用卓越中心（TK232）以及爱沙尼亚研究委员会（项目编号PSG714）的资助。同时，我们感谢Kaino和Juta Lopp夫妇，以及塔尔图大学环境技术实验室的成员和学生们对田间工作的协助。
