生物固体影响土壤中的磷固定作用：改良剂类型和土壤化学性质对环境及农艺效果的影响

《Journal of Environmental Management》：Phosphorus immobilization in biosolids-impacted soils: Influence of amendment type and soil chemistry on environmental and agronomic outcomes

　　

A.M. Freitas|V.D. Nair|T.Z. Osborne|L. Vardanyan|A.L.R. Ellis|E. van Santen

美国佛罗里达州盖恩斯维尔市食品与农业科学研究所土壤、水与生态系统科学系，McCarty Hall 2181号，邮政信箱110290，邮编32611-0290

摘要

在农田中施用生物固体是一种可持续的养分再利用方式，同时有助于作物生产；然而，它也可能促进磷（P）的积累和淋溶，增加富营养化和有害藻类爆发的风险。在美国佛罗里达州的圣约翰斯河流域，生物固体的施用导致了严重的生态退化。本研究评估了几种固定磷处理方法（IPTs）在减少土壤中磷积累和释放方面的有效性，这些方法在三种不同生物固体影响水平下进行测试，同时保持了足够的磷含量以维持牧草的生产力，并评估了其对土壤化学性质的潜在影响。所使用的固定磷处理方法包括白云石、石灰、饮用水处理残渣（DWTR）、一种商业混合物（配方未知）、铝处理残渣（APR）和松木生物炭，分别以0%、1%和2%（重量比）的比例在实验室条件下施用。通过水溶性磷（WSP）、氧化铁条带磷（FeO-P；植物可利用磷）以及大量元素和微量元素的变化来评估处理效果。基于铝/铁的固定磷处理方法在所有受生物固体影响的土壤中均显著降低了WSP含量，平均降低了约67%，而松木生物炭和基于钙/镁的材料仅降低了44%和19%；然而，某些处理方法和剂量将磷含量降低到了可能限制作物生长的水平，这突显了在环境保护和生产力之间取得平衡的必要性。松木生物炭作为一种有前景的磷修复剂，能够有效降低磷的有效性，同时不会影响农艺参数或带来环境风险，尽管像所有固定磷处理方法一样，其效果可能取决于土壤特性和具体地点的条件。典型判别分析根据控制磷动态的关键因素区分了三种受生物固体影响的土壤类型。这些发现强调了在受生物固体影响的土壤中修复磷的复杂性，以及仅依靠改良剂难以克服土壤化学限制的问题。

引言

长期以来，生物固体一直被用作土壤改良剂，因其含有丰富的养分（尤其是氮（N）和磷（P）而受到重视，并且是商业肥料的一种经济实惠的替代品。生物固体来源于处理过的污水污泥，提供了支持作物生产所需的大量元素和微量元素，尤其是在美国佛罗里达州，牧草是生物固体施用的主要对象。然而，像其他类型的粪肥一样，持续在土壤中施用生物固体会导致磷的积累，这种积累即使在作物收获后仍会持续存在（Kingery等人，1993年）。虽然氮和磷都与富营养化的风险相关，但在许多淡水系统中，磷往往是主要原因（Schindler，1977年；Carpenter等人，1998年）。农业来源的过量磷负荷导致了全球淡水系统的退化，引发了有害藻类爆发、缺氧区域和巨大的经济损失（Wurtsbaugh等人，2019年）；因此，对富含磷的改良剂（如生物固体）在土地上的施用需要谨慎评估。

生物固体和其他粪肥通常按照满足作物氮需求的量施用（Brandt等人，2004年），从而导致多余的磷未被作物吸收（Shober和Sims，2003年）。这个问题在佛罗里达州等地区尤为严重，因为那里广泛施用生物固体，加上易发生淋溶的沙质土壤，加剧了这一问题。最近，佛罗里达州生物固体施用的加剧与多种水生系统的退化有关，包括圣约翰斯河流域的最新研究结果（Canion等人，2022年）。由于对磷污染的担忧，该州对B类生物固体的土地施用限制日益严格，这类生物固体虽然病原体含量较低，但仍可能含有对人体健康有害的微生物（Pepper等人，2006年，2008年）。这些担忧也促使人们开发并实施了管理施用生物固体土壤中磷含量的策略。生物固体中磷的释放行为复杂且难以预测，因为处理方法各不相同。例如，生物化学去除过程产生的生物固体具有更高的磷释放潜力，相比之下，用铝（Al）和铁（Fe）盐处理的生物固体则较低（O'Connor等人，2004年；Lu和O'Connor，2001年）。石灰形式的钙（Ca）也可以添加到生物固体中，以帮助减少最终产品中的病原体（Pepper等人，2006年）。因此，预测不同处理方法和剂量下施用生物固体土壤中的磷动态具有挑战性。目前的缓解策略，如减少施用量或采用最佳管理实践，可能不足以解决长期积累在土壤中的磷问题（尤其是B类生物固体），需要探索替代的修复方法。

一种有前景的方法是使用固定磷处理方法（IPTs），这些方法旨在通过化学和有机改良剂的吸附作用来降低土壤中磷的溶解度和移动性。IPTs包括各种材料，如工业副产品、生物炭和基于矿物的改良剂，这些材料已被证明具有保持磷的能力（Freitas等人，2026年）。然而，IPTs的有效性可能因受生物固体影响的土壤特性、改良剂组成和施用剂量而异（Freitas等人，2026年）。尽管长期研究（如Bayley等人，2008年）探讨了一些磷吸附材料在生物固体改良系统中的表现，但其在实际应用中的广泛有效性仍不确定，特别是在不同类型和数量的生物固体反复施用的情况下。我们的目标是评估选定的IPTs在修复受生物固体影响土壤中磷的有效性，了解其机制、效率和实际适用性。我们假设：(a) IPTs在修复生物固体改良土壤中过量磷的能力存在差异，这反映了它们主要磷保持机制的不同；(b) IPTs的有效性会随着生物固体影响程度和施用剂量的变化而变化，这是由于磷的有效性、土壤化学性质和IPT组成之间的相互作用。虽然已经研究了多种改良剂在土壤中保持磷的作用，但以往的研究往往只关注单一改良剂或生物固体类型，很少有研究系统地比较不同生物固体影响程度下的多种IPTs。本研究的新颖之处在于评估了不同生物固体影响程度下的选定IPTs，使我们能够将IPT的表现与土壤化学性质和改良剂组成联系起来。通过解决这些知识空白，本研究旨在为管理施用生物固体土壤中的磷提供实用策略，同时支持作物生产力。

部分摘录

地点描述和土壤性质

2023年从2001年至2008年间接受过生物固体施用的地点采集了土壤样本，距离上次施用大约15-16年，从而可以评估其持久效应。采样集中在A层和Ap层，包括受不同程度生物固体影响的地点：未受影响的地点（Entisols；分类学类别：Basinger和Smyrna细砂，硅质，高温沙质土壤），中等程度受影响的地点（Entisols；分类学类别：Basinger和Smyrna细砂）

IPTs对WSP、FeO-P和SPSC的影响

总体而言，基于铝/铁的IPTs在降低WSP方面最有效，与未处理对照组相比，平均降低了约67%，无论施用剂量如何（图1；补充图S1和补充表S2）。在基于钙/镁的IPTs（白云石、石灰和Ca-DWTR）中，整个类别平均降低了19%的WSP，其中只有Ca-DWTR在所有生物固体影响程度下均能持续降低WSP

通过水溶性磷评估IPT的有效性

本研究的主要目的是评估IPTs对受生物固体影响的土壤中磷减少的效果。关于生物固体影响土壤中磷修复的研究有限，特别是那些评估多种材料、多个土壤参数以评估整体农艺和环境效果的研究，以及生物固体负荷和类型对IPT性能的影响。在本研究中，基于铝/铁的材料和松木生物炭显著降低了WSP

结论与总结

虽然本研究重点是在受控实验室条件下修复受生物固体影响的土壤中的磷，但其发现可能对施用粪肥或传统肥料的土壤也有参考价值。土壤受到多种管理措施的影响，这些措施会引入多种化学元素，从而影响磷的动态。我们的研究表明，不同的IPTs对磷的吸附产生了不同的效果，这通过WSP、FeO-P、M3-P和SPSC进行了测量。

核心观点

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  一些IPTs可以减少可淋溶的磷，但也会降低植物可利用的磷，从而可能降低牧草的生产力。
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  IPT的有效性因生物固体影响程度和改良剂的不同而异，这突显了需要针对具体地点制定修复策略的必要性。
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  持续的土壤化学性质限制了IPT的有效性，使得在受生物固体影响的土壤中修复磷变得复杂。

CRediT作者贡献声明

A.M. Freitas：概念构思、数据整理、正式分析、调查、方法论、初稿撰写、审稿与编辑。V.D. Nair：概念构思、资金获取、调查、方法论、项目管理、审稿与编辑。T.Z. Osborne：概念构思、资金获取、调查、审稿与编辑。L. Vardanyan：概念构思、调查、方法论、审稿与编辑。A.L.R. Ellis：概念构思

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报告的工作。

致谢

本研究得到了圣约翰斯河流域水资源管理区的支持，授予编号为12124的资助。我们感谢Alison Atchia和Priyanka Chandra在实验室实验和分析方面的协助。同时，我们也感谢Simon Riley（前UF/IFAS统计咨询部门成员，现任奥胡斯大学农业生态学系教师）在R语言统计分析方面的支持，以及Muhsin I. Avci在图形设计方面的帮助。