随着工业的不断发展和城市污水处理效率的提高，城市污泥产量也不断增加。据统计，我国城市污泥的年产量约为3 000 ~ 4 000万t^[1]，污泥处理处置成了亟待解决的重要问题。城市污泥农用是污泥资源化处置的有效方法之一^[2]。我国污泥土地利用占污泥处理处置途径的48%，其中农用占44.83%^[3]。城市污泥经堆肥化处理后，病原菌、寄生虫卵等几乎全部被杀死，重金属含量也会降低，速效养分含量有所增加，所以将污泥经过堆肥后农用将成为我国今后较长时间内污泥无害化、资源化、减量化的最合理的方式^[4-5]。我国城市污泥堆肥中有机质含量高^[2]，但是在堆肥过程中，氮素会大量损失，大大降低了堆肥的农用价值，进而限制了污泥堆肥的使用。污泥堆肥单方面施用可能达不到化肥或氮肥施用的效果，于是发展出污泥堆肥与化肥或氮肥配施的方式^[6]。研究表明，施用污泥堆肥并适当施用化学肥料以补充其所缺少的成分，可使土壤中有机质、养分含量及作物产量增加^[7-8]。

水稻是我国三大粮食作物之一，也是温室气体排放重要源。有机肥种类和用量是影响稻田温室气体排放的重要因素。有研究表明，与单施化肥相比，单施绿肥、绿肥与化肥配施会导致稻田温室气体排放量增加^[9]；猪厩粪与化肥配施相比于单施化肥会显著降低稻田的CH₄和N₂O排放，而牛厩肥、小麦秸秆分别与化肥配施相比于单施化肥增加了稻田CH₄的排放，减少了N₂O排放^[10]。污泥堆肥中含有大量有机质，必然会影响稻田温室气体排放，而目前关于污泥堆肥施用及其与施用氮肥配施对稻田温室气体排放的影响还未见报道。

此外，污泥堆肥在堆腐发酵过程中会添加木屑、秸秆、菌剂等辅料，由于稀释作用，降低了堆肥重金属含量。并且研究发现，污泥经过堆肥处理后，Cd含量有所降低，Cr和Zn的总量也降低约50%^[11]。但其施用于农田中可能仍会引起土壤和作物中重金属含量增加，最终危害人体健康。将污泥堆肥施于玉米田中发现土壤重金属含量大于不施肥处理，且土壤中重金属含量随着城市污泥堆肥量的增加而增加^[12]；而将污泥堆肥全量施用于水稻田后发现水稻不同生育时期稻田土壤Cu、Zn和Pb含量显著增加，但水稻籽粒中重金属含量变化不大^[13]。相对于污泥堆肥全量施用，将污泥堆肥与氮肥配施，既减少了污泥堆肥的施用量，同时也满足了作物生长的营养需求，土壤及作物中重金属积累量也必然会减少，而有关这方面的研究鲜见报道。

本试验通过将不同比例的污泥堆肥和氮肥配施，研究其对稻田CH₄和N₂O排放、水稻产量以及重金属含量的影响，进而为污泥堆肥农用的安全和适宜用量提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

田间试验于2017年6月至11月在江苏省句容市白兔镇稻麦轮作田(31°58' N，119°18' E)进行。供试土壤为发育于下蜀黄土的爽水性水稻土，土壤全碳含量为11.5 g/kg，全氮含量为1.3 g/kg。污泥堆肥的理化性质见表 1^[14]。

1.2 试验设计

本试验在前期试验^[14]的基础上针对氮肥和污泥堆肥配施的用量增加了不同比例配施处理，共5个处理，分别是：①CK：对照，尿素用量和污泥堆肥量都为0 kg/hm²(以N计，下同)；②U：全量氮肥处理，尿素氮施用量为240 kg/hm²；③U7.5O2.5，25%的污泥堆肥氮与75%的尿素氮配施，合计用氮量240 kg/hm²；④U5O5，50%的污泥堆肥氮与50%的尿素氮配施，合计用氮量240 kg/hm²；⑤O：全量污泥堆肥处理，污泥堆肥氮240 kg/hm²。每个处理3次重复。

污泥堆肥均作为基肥(按照不同处理基肥的比例)在6月下旬一次性施入，与0 ~ 20 cm原土壤混合翻施；而U、U7.5O2.5和U5O5处理氮肥施用量按基肥:分蘖肥:穗肥=2:1:1施用(施用时间分别为2017年6月26日、7月13日和8月10日)。其中，U7.5O2.5处理中基肥不足的氮量用尿素补足；O处理污泥堆肥做为基肥一次性施用，不施分蘖肥和穗肥。各处理磷肥和钾肥作为基肥一次性施用，施用量为：过磷酸钙(Ca(H₂PO₄)₂)450 kg/hm²，氯化钾(KCl)225 kg/hm²。本试验所用污泥堆肥主要以废弃有机物料混合污泥厌氧发酵而成。供试水稻为扬宁3号，于2017年6月26日移栽，11月1日收获。水稻生长季田间水分管理与当地常规一致，为间歇灌溉，即前期淹水(6月25日-7月17日)、中期烤田(7月20日-7月30日)、后期干湿交替(7月31日-9月22日)。

1.3 测定方法及参数计算

参考文献[14]。

2 结果与分析 2.1 稻田CH₄和N₂O排放

本试验5个处理稻田CH₄的排放规律一致(图 1)。CH₄排放通量在移栽初期缓慢上升，于移栽后22 d左右达到第一个峰值；于烤田期间迅速降低；于复水期间再次产生，并在移栽后65 d左右达到另一个峰值。CK、U、U7.5O2.5、U5O5、O处理CH₄排放的两次峰值分别为7.33、5.61、6.73、9.52、18.80 mg/(m²·h)和2.57、2.31、3.33、2.94、4.77 mg/(m²·h)；CH₄排放通量于干湿交替期间再次降低，几乎为0，且各处理CH₄排放通量无显著差异。与U处理相比，O处理CH₄排放增加118%(P < 0.05)，而U7.5O2.5和U5O5处理CH₄排放分别增加30%和34%(P > 0.05)(表 2)，即配施处理CH₄排放显著小于污泥堆肥全量施用。

5个处理的土壤氧化还原电位Eh也呈现一致的规律(图 2)。Eh在水稻移栽初期至持续淹水期间都很低，处于低氧化还原电位状态(-180 ~ -146 mV)；烤田期间，土壤Eh迅速升高(82 ~ 227 mV)；烤田后复水时期，其值又再次降低；田面干湿交替直至排水落干期间，土壤Eh逐渐增加。水稻生长季CK、U、U7.5O2.5、U5O5、O处理Eh平均值分别为-39、-39、-37、-37、-107 mV，与其CH₄排放量呈显著负相关(P < 0.05，r=-0.949)。

5个处理的N₂O排放通量也呈现相同的变化趋势(图 3)。烤田期间，N₂O排放通量迅速增加并达到峰值，CK、U、U7.5O2.5、U5O5、O处理的峰值分别168、2 859、2 555、2 163、1 956 μg/(m²·h)(以N计)，烤田期间的排放量分别占整个稻季的98%、97%、98%、94%、99%；其他时期，各处理N₂O排放通量均较小。与U处理相比，O处理N₂O排放减少39%(P < 0.05)，而U7.5O2.5和U5O5处理N₂O排放分别减少29%和38%(P < 0.05)(表 2)。水稻生长季土壤中氮素的主要存在形态为NH₄⁺-N，其含量显著高于土壤NO₃^- -N含量；O处理NO₃^--N含量峰值最大，U5O5处理NH₄⁺-N含量最大；施用全量污泥堆肥以及堆肥配施处理生长期内NH₄⁺-N、NO₃^--N总量大于CK和U处理(图 4)。5个处理N₂O排放与NH₄⁺-N、NO₃^--N含量无显著相关性(P > 0.05)。

2.2 水稻产量、综合温室效应及温室气体排放强度

如表 2所示，O与U处理水稻产量相当，均比CK高约19%(P < 0.05)；与U处理相比，U7.5O2.5、U5O5处理水稻产量都增加了5%(P > 0.05)。与CK相比，稻季施肥显著增加稻季综合温室效应(GWP)及温室气体排放强度(GHGI)(P < 0.05)；U和O处理GWP和GHGI相当(P > 0.05)，而相对于U处理，配施污泥堆肥与氮肥处理(U7.5O2.5、U5O5)却显著减少GWP 14% ~ 21%(P < 0.05)、GHGI 18% ~ 24%(P < 0.05)。

2.3 水稻植株重金属含量

重金属在水稻植株不同部位的含量不同：Cr、Cd含量在水稻植株各部位的顺序为秆 > 壳 > 米；Ni含量在水稻植株各部位的顺序为壳 > 秆 > 米；Cu、Zn含量在水稻植株各部位的顺序为壳 > 米 > 秆(表 3)。各重金属在水稻植株的累积量基本随污泥堆肥施用量增加而增加。稻米中，相较U处理，U7.5O2.5、U5O5、O处理Cr含量分别增加14%、33%、106%(P > 0.05)，Cu含量分别增加4%、7%、12%(P > 0.05)，Zn含量分别增加19%、27%、42%(P > 0.05)，Cd含量均增加33%(P > 0.05)，Ni含量在米中均未检出。污泥堆肥与氮肥配施处理稻米中的重金属含量均小于污泥堆肥全量施用处理(P > 0.05)。根据GB 2762-2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》^[15]：Cd≤0.2 mg/kg、Cr≤1.0 mg/kg、Ni≤1.0 mg/kg、Zn≤50 mg/kg、Cu≤10 mg/kg，本试验所有处理稻米中重金属含量都在国家食品安全标准限值范围内。

3 讨论 3.1 污泥堆肥与氮肥配施对水稻产量的影响

污泥堆肥中有机物质含量较多，它们在土壤中经过微生物的分解、转化产生大量的维生素、腐殖酸物质和激素^[16]，促进作物生长^[12]。有研究表明，施用城市污泥复合肥在小麦和玉米生产中的增产效果优于化肥^[19-20]。污泥堆肥和氮肥配施对作物产量的影响未见报道。而大量研究表明，有机肥(牛粪肥、紫云英+稻草、紫云英+猪粪、商品有机肥)与氮肥配施能增加土壤中有机质、各养分含量，从而增加水稻产量，其增产效果优于有机肥全量施用以及氮肥全量施用^{[8, 19-20]}。本试验中污泥堆肥与氮肥配施处理的增产效果既大于全量氮肥施用处理，也大于全量污泥堆肥施用处理，主要因为配施处理在污泥堆肥作为基肥一次性施用的基础上还在作物生长发育旺盛时期追施氮肥，这一措施既为作物生长发育提供了充足的有机质，还及时为作物的快速生长提供了充足的氮肥。

3.2 污泥堆肥与氮肥配施对温室气体排放的影响

以往大量研究表明，施用有机肥可以促进稻田CH₄排放^[19-26]。有机肥不仅为土壤产甲烷菌提供丰富的产甲烷基质，有机肥的分解还消耗淹水土壤中O₂、降低土壤Eh，为产甲烷菌的生长提供适宜的环境条件，从而促进稻田CH₄的产生和排放^[25]。污泥堆肥中含有大量有机质(表 1)，施用后土壤Eh降低(图 2)，促进CH₄排放(表 2)。相对于污泥堆肥全量施用处理，污泥堆肥与氮肥配施处理减少了污泥堆肥施用量，稻田CH₄排放量也随之减少(表 2)。

有机肥对稻田N₂O排放的影响较为复杂，可能与其碳氮组成及供氮能力有关^[27]。城市污泥堆肥后，其可溶性有机碳含量增高(表 1)，翻耕施入稻田土壤后，导致土壤Eh下降，趋近于还原电位(图 2)，不利于硝化细菌进行硝化作用，反而利于反硝化细菌进行反硝化作用，从而降低了N₂O/N₂比率^{[27, 29]}，最终导致N₂O排放量的降低(表 2)。相对于污泥堆肥全量施用处理，污泥堆肥与氮肥配施处理中的氮肥可为硝化和反硝化作用提供充足的反应底物，从而增加N₂O的排放(表 2)。

稻田CH₄与N₂O排放存在互为消长的关系^[27]，评估农业措施时必须同时考虑对这两种温室气体的综合影响。与氮肥全量施用处理相比，污泥堆肥与氮肥配施处理N₂O减小的增温潜势大于CH₄增加的增温潜势，总体上减少综合温室效应14% ~ 21%；与全量污泥堆肥施用处理相比，污泥堆肥与氮肥配施处理CH₄减小的增温潜势大于N₂O增加的增温潜势，总体上减少综合温室效应14% ~ 20%(表 2)。污泥堆肥与氮肥配施既有利于增产，也有利于温室气体减排。

3.3 污泥堆肥与氮肥配施对水稻重金属含量的影响

污泥农用一直饱受争议，因为污泥中含有大量的重金属，即使在堆肥后也不能去除^[30]。污泥堆肥施入土壤后存在一定的重金属累积风险，尤其是Zn、Cu等堆肥中含量较高且与土壤含量差异较大的重金属累积风险更大。大量研究表明，水稻、小麦、大麦、油菜、萝卜、青椒、青菜在施用污泥堆肥后，可食用部分中重金属含量有所增加，但均低于国家食品污染物限量值，重金属含量随污泥堆肥施用量的减少而减少^[31-33]。本研究中水稻不同部位重金属含量基本随着污泥堆肥量的增加而增加，各处理稻米的重金属含量未超过国家食品安全标准限值(表 3)，这说明施用污泥堆肥短期内重金属累积风险较小，而长期施用的风险还需要进一步深入研究。此外，污泥堆肥与氮施配施处理的风险低于污泥全量施用处理，且有利于增产与温室气体减排，值得推荐。

4 结论

污泥堆肥与氮肥配施处理，其水稻产量比全量氮肥及全量污泥堆肥施用处理高5%(P > 0.05)；在稻季不改变温室气体的季节排放趋势，相对于全量污泥堆肥施用处理减少CH₄排放39% ~ 41%(P < 0.05)，相对于全量氮肥施用处理减少N₂O排放29% ~ 38%(P < 0.05)；在全观测期内，综合温室效应、温室气体排放强度均显著小于全量氮肥施用处理、全量污泥堆肥施用处理(P < 0.05)。稻米中，重金属含量随着污泥配施量的增加而增加。污泥堆肥与氮肥配施处理稻米中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd含量均小于全量污泥堆肥处理(Ni未检出)，且各重金属含量都在食品安全限制标准内。