施用回收养分与修剪废弃物改良城郊农业土壤以提升肥力及再生效果：对菠菜(Spinacia oleracea)和甘薯(Ipomoea batatas)产量及温室气体与NH3排放的影响

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Applying recovered nutrients and pruning waste to enrich and regenerate agricultural soils in urban agriculture: Effects on emissions and yield of spinach and sweet potato

　　

城郊农业土壤因集约化耕作和化学肥料施用出现退化，导致土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）降低、微生物多样性丧失及作物减产。从城市废弃物中回收养分可替代化肥，但在耗竭土壤中养分循环效率低下。一种有前景的策略是施入不稳定、富碳的生物量废弃物，可在闭合碳氮循环的同时再生土壤。本研究施入150 t ha?1枝桠碎木（Ramial Chipped Wood, RCW），评估菠菜和甘薯（Sweet Potato）栽培期间的产量、土壤健康状况及CO2、CH4、N2O和NH3排放，并与矿物化肥、堆肥及鸟粪石（Struvite）配施有机氮处理比较。结果表明：RCW处理的菠菜产量最低（1.16 ± 0.32 kg m?2），而甘薯产量较高（1.72–1.99 kg m?2），反映其固氮能力及对RCW改良土壤的更好适应性。高剂量RCW初期CO2排放高于其他处理，但显著提升了SOC和土壤氮储量（甘薯季分别增加96.3%和82%）。研究人员发现RCW处理菠菜的N2O排放从矿物施肥的0.36 kg ha?1显著降至0.07 kg ha?1，归因于RCW中不稳定碳更易与氮结合。综上，施用RCW有利于甘薯生产，减少N2O排放并改善土壤肥力，揭示了可持续城市食物系统中的农艺与环境权衡。

研究论文解读——施用回收养分与修剪废弃物再生城郊农业土壤：对菠菜和甘薯产量及排放的影响

本文发表于《Agriculture, Ecosystems & Environment》，针对城郊农业（Urban and Peri-urban Agriculture, UA）土壤因长期集约化耕作与化学肥料过量施用导致的土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）下降、微生物多样性丧失及生产力降低等问题，探讨将城市园林修剪废弃物——枝桠碎木（Ramial Chipped Wood, RCW）与回收养分（堆肥、鸟粪石Struvite配有机氮）施入土壤，以再生耗竭土壤、闭合城市养分与碳循环，并评估其对菠菜（Spinacia oleracea）和甘薯（Ipomoea batatas cv. Beauregard）产量、土壤健康及CO₂、CH₄、N₂O、NH₃排放的影响，以明确RCW在城市农业可持续管理中的农艺与环境权衡。

主要研究方法概述：

研究于西班牙巴塞罗那都会区埃尔普拉特德略布雷加特（El Prat de Llobregat）城郊农田开展，分三个作物周期——菠菜第一季（2024年2–4月，Field A）、甘薯（2024年5–9月，Field B）、菠菜第二季（2024年10月–2025年1月，Field A），各小区设4次重复。施肥处理为：矿物肥（NPK 20–7–10）、鸟粪石配有机氮（SON）、市政有机固废堆肥（COM）、RCW配有机氮（RCWON，菠菜及甘薯）及单独RCW（RWC，仅甘薯），RCW施用量为150 t ha^?1。气体监测采用静态箱法，CO₂与CH₄用ABB LGR-ICOS分析仪、NH₃用专用ICOS分析仪测定，N₂O用Agilent 8860气相色谱–电子捕获检测器（GC-ECD）分析；气体通量按浓度–时间变化率结合理想气体定律计算。土壤于0–20 cm分层采样，容重用体积环刀法，SOC用重铬酸钾氧化–比色法（Walkley-Black法改进版），全氮/全碳用元素分析仪–同位素比值质谱（EA-IRMS）。产量按小区鲜重折算单位面积产量，数据经单因素ANOVA及Tukey检验（p < 0.05）、Spearman相关分析处理，缺失日通量线性插值后累加得累积排放。

研究结果

3.1. Effect of fertilization treatment on crop yield（施肥处理对作物产量的影响）

通过三个生长季小区测产与统计比较发现：菠菜两季RCWON处理产量均显著低于其他处理（第一季1.16 kg m^?2，第二季0.32 kg m^?2），NPK、SON、COM处理菠菜产量无显著差异（2.44–2.84 kg m^{?2及1.12–1.63 kg m?2）；甘薯季RCW与RCWON产量最高（1.72–1.99 kg m?2），与SON（1.55 kg m?2）、COM（1.68 kg m?2）无显著差异。表明高C/N比RCW引起微生物夺氮（氮固持）抑制短生育期叶菜，但甘薯耐低氮且具内生固氮能力，适应RCW改良土壤并在长生育期内获高产。}

3.2. Direct emissions to air（直接向大气的排放）

—3.2.1. First spinach cycle（第一季菠菜）：RCWON日CO₂通量显著高于其余处理，源于RCW带入大量易分解有机碳引发微生物呼吸；CH₄通量近零或负值（甲烷汇）；NPK与SON处理N₂O峰值达18.5–30.1 g ha^?1d^?1，COM与RCWON显著更低；NH₃挥发各处理均极低。

—3.2.2. Second spinach cycle（第二季菠菜）：未补施RCW与有机氮，RCWON的CO₂排放较首季降60.8％且与NPK、SON相当；大雨后出现短暂CH₄释放峰（厌氧产甲烷）伴CO₂低谷；N₂O各处理差异不显著，COM与RCWON因前期残留氮现一定排放；NH₃仍极低。

—3.2.3. Sweet potato cycle（甘薯季）：RCW与RCWON日CO₂通量较SON、COM高约2.2–2.6倍，随时间递减至相近水平；CH₄通量无处理间差异，近零或微负；SON的累积N₂O排放（0.92 kg ha^?1）显著高于其余，RCW与RCW最低（0.02 kg ha^?1）；NH₃可忽略。

3.3. Carbon and nitrogen balance（碳氮平衡）

—3.3.1. Soil carbon and nitrogen variation during spinach cultivation（菠菜栽培期土壤碳氮变化）：RCW处理细土SOC 43 d和315 d分别增7.9％和22.0％，NPK细土SOC下降（－11.3％至－5.89％），COM与SON变化微小；有机碎屑（＞2 mm）碳氮仅RCWON显著积累（碳增13087％，氮增80％）。

—3.3.2. Soil carbon and nitrogen variation during sweet potato cultivation（甘薯栽培期土壤碳氮变化）：细土SOC RCW与RCWON分别增32.2％和26.8％（组间未达显著），有机碎屑碳分别增3804％和3131％；细土全氮RCW与RCWON显著高于SON，有机碎屑氮也显著提升（RCWON由0.05升至1.95 t ha^?1，RCW由0.05升至2.20 t ha^?1）。

讨论与结论总结

讨论指出RCW对菠菜的短期减产源于高C/N引发微生物氮固持及植株叶片氮含量偏低，建议先用固氮或耐贫瘠作物（如甘薯、蚕豆Vicia faba）作先锋作物过渡。RCW分解产生的CO₂属生物源短周期碳循环，生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）中可视作碳中性；RCW改良土壤提升SOC与全氮、改善团粒结构及保水抗旱涝能力。有机态氮（堆肥、RCW结合态氮）较矿物氮大幅降低N₂O排放因子（实测EF低至0.002％ vs. IPCC Tier 1默认1％），说明默认排放因子严重高估有机 amendment情形，强调田间实测必要性。CH₄为净吸收或极低排放，NH₃挥发受控；滴灌亦有助于抑N₂O。推广RCW需市政免费供料、补贴农户并与少耕、覆盖作物结合以固碳。

结论（翻译）：

本研究评估了施入未处理枝桠碎木（Ramial Chipped Wood, RCW）及其他循环施肥策略对菠菜和甘薯栽培的农艺表现、气体排放和土壤响应。研究结果表明，RCW施用虽可能因暂时性氮限制降低菠菜产量，却明显促进甘薯生产力（1.72–1.99 kg m^?2），证实具固氮能力的作物适合作为高碳输入后的首茬作物。相比之下，NPK、COM和SON因提供较多矿质氮使菠菜获得较高产量。气体排放方面，RCW小区CO₂排放显著高于其他处理（菠菜首季和甘薯季分别为其他处理5.8倍和3.3倍），源于富碳残体分解，但第二季菠菜CO₂回落，显示大部分碳已在前数月释放或与土壤颗粒结合。各处理CH₄通量可忽略或为负（甲烷汇），NH₃挥发极微。值得注意的是，RCW和堆肥处理大幅削减N₂O排放，证明有机氮源的氮稳定效应，并揭示IPCC默认排放因子之局限。土壤分析确认RCW提升SOC储量（菠菜季+80.1％，甘薯季+96.3％～116.6％）及土壤全氮（菠菜+39.7％，甘薯+79.2％～82％），其余处理SOC持平或下降。综上，RCW尤其与固氮作物配合使用时，可提高生产力、削减N₂O排放并恢复土壤健康从而增强韧性及生态系统服务，凸显将城市修剪废弃物纳入循环养分管理、以支持可持续城市农业的可扩展策略价值。