低氮输入条件下热带牧场系统中土壤-植物截留主导 cattle excreta 的氮素归宿

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Soil–plant retention dominated nitrogen fate from cattle excreta under low N input in a tropical pasture system

　　

本研究量化了巴西东南部不同牧场类型在干湿季节条件下，肉牛粪便的氨（NH₃）挥发、氧化亚氮（N₂O）排放以及尿氮质量平衡。研究人员将采食混合牧场（Urochloa brizantha cv. Marandu + Macrotyloma axillare cv. Java）或采食单一禾草牧场（Marandu臂形草）的肉牛粪便施用于随机区组设计（6次重复）的试验小区中。尽管禾草牧场产生的粪便具有更高的氮（N）浓度，反映出更高的矿质氮水平、牧草产量以及牧草质量和凋落物中的氮回收率，但两种牧场的粪便在气体损失（NH₃、N_2>O）方面无显著差异。季节性因素影响氮素归宿。在湿季，10-20 cm土壤层中尿氮浓度较高，且Marandu臂形草在小区边缘的氮回收率更高，同时¹⁵N总回收率较低，表明存在更强的水文氮运移（约占总未回收氮的23%）。在干季，存在因NH₃挥发造成的损失差异，主要来自尿液（约3.7%）。排放因子低于政府间气候变化专门委员会（IPCC）的平均值。土壤是尿氮的主要去向（约54%），土壤-植物系统在干季回收了96.2%的氮，在湿季回收了75.5%。在本研究条件下，NH₃和N₂O损失较低，¹⁵N质量平衡表明在大多数条件下未回收氮量有限，且在较湿时期有较强的水文氮运移证据。

该论文发表于《Frontiers in Sustainable Food Systems》，聚焦于低氮输入热带牧场系统中 cattle excreta 的氮素归宿与环境损失问题。当前，全球畜牧业温室气体（GHG）排放受到广泛关注，其中N₂O因其273倍于CO₂的百年增温潜势而成为重点管控对象。据估计，巴西2020年农业N₂O排放约409 Gg，其中约50%源自牧场 cattle excreta 还田。然而，IPCC的排放估算存在高度不确定性，尤其针对热带地区：其数据库多基于少数温带国家数据，难以反映热带国家 cattle 日粮差异及相应的排放特征。此外，在巴西，约93%的 cattle 饲养于未施肥牧场，许多牧场正面临退化；而通过豆科混播实现可持续集约化被认为是恢复退化牧场、减少GHG排放的可行途径。尽管豆科牧草可降低氮肥依赖、提升系统可持续性，但热带豆科对 cattle excreta 氮平衡及相关排放的影响数据仍十分匮乏，对于Macrotyloma axillare（多年生 horse gram ）这一豆科作物更是缺乏研究基础。与此同时，季节变化调控着牧草营养价值和牲畜氮排泄浓度，进一步凸显了开展季节性研究的必要性。基于上述背景，研究人员假设：热带牧场中 cattle excreta 氮素的归宿与损失主要受季节条件而非牧场类型驱动，土壤-植物系统预期能截留大部分排泄氮，使得评估条件下的损失低于IPCC参考值；且在Marandu臂形草牧场中引入 perennial horse gram 不会增加 cattle excreta 的氮损失。为此，研究人员系统评估了季节条件与 excreta 来源（禾草单作 vs. 混播牧场）对肉牛 excreta 氮素归宿的影响，重点关注土壤-植物系统的氮素截留以及通过气体排放和淋溶途径的损失。

研究人员开展的研究及主要结论如下。通过在巴西里约热内卢州Seropedica地区（22°47′04″S, 43°41′10″W）的田间试验，采用¹⁵N同位素标记技术，对比分析了采食两种牧场的肉牛在干湿季节排泄的尿液和粪便施用到同一受体牧场（无 animal 放牧的Marandu臂形草牧场）后的氮素动态。研究发现：季节是影响氮素归宿的决定性因素，土壤-植物系统对 excreta 氮素具有高效截留能力，且引入 perennial horse gram 未增加温室气体排放；该结果表明低氮输入热带牧场系统中的氮损失可能低于现有排放计算常用参考值，但高氮投入条件下系统截留容量可能面临挑战。

研究采用的关键技术方法包括：试验在巴西里约热内卢联邦 Rural 大学动物科学研究所实验牧场进行，土壤类型为红黄灰化土向黏磐土过渡类型，砂质黏壤土质地；采用随机区组设计（6次重复），处理包括两种牧场来源（Grass和Mixed）×两种 excreta 类型（粪便和尿液）+对照（无 excreta 添加），干季增设尿素处理（50 kg N ha^?1）作为参考；利用半静态收集器-酸泡沫法测定NH₃挥发，静态密闭箱-气相色谱法测定N₂O排放，通过¹⁵N标记尿素（10原子%¹⁵N）示踪技术量化尿氮在土壤（0-10、10-20、20-30、30-40 cm分层）和植物（地上部3次收获、根系、凋落物、小区边缘）中的回收分布；土壤矿质氮（NH₄⁺和NO₃^?）定期采样分析，水 filled 孔隙空间（WFPS）由土壤温度和水分测定计算；数据统计采用混合效应模型（固定效应为处理、季节及其交互作用，随机效应为区组）。

研究结果可按以下方面介绍。

气候与土壤条件。湿季和干季平均气温分别为23.9°C和23.1°C，土壤温度分别为24.8°C和27.9°C；累积降水量湿季767 mm、干季271 mm，处理后30天内分别为34 mm和0 mm；平均WFPS分别为34.4%和27.7%。这些气候差异为后续氮素动态的季節性响应提供了环境背景。

牲畜 excreta 特性。尿液氮浓度范围为1.15-2.4 g L^?1，施氮量3.69-7.74 g N m^?2，普遍低于文献报道值，反映热带低投入牧场特点；禾草牧场尿液氮浓度高于混播牧场，干季比湿季高约50-75%。粪便氮浓度湿季为1.80-2.15 g N kg^?1，干季为2.32-2.43 g N kg^?1，同样处于较低水平。混播牧场 cattle 的粪便δ¹³C平均为-14.46‰，估算 legume 在采食量中的比例为12.0%。尽管存在季节性变异，perennial horse gram 的引入并未增加氮排泄量，表明混播牧场具有更高效的氮利用。

N₂O和NH₃排放。NH<sub>3挥发受氮源和季节显著影响，尿液处理在干季的日排放通量（33.77 mg NH3-N m^?2 day^?1）约为湿季（17.81 mg NH3-N m^?2 day^?1）的近两倍，粪便排放则相对稳定；NH3排放因子（FENH3）尿液平均1.9%、粪便平均0.068%，尿素处理仅0.9%，远低于IPCC默认的19.7%。N2O排放全年接近背景水平，95%的通量低于最低检测限，排放因子（FEN2O）无统计差异且远低于IPCC参考值，可能与低尿液氮浓度、低WFPS及高效的微生物固持和植物吸收有关。

土壤矿质氮动态。氮源显著影响土壤矿质氮，尿液处理后NH4⁺和NO3^?浓度更高，尤其干季初期；但NO3^?浓度整体较低且N2O排放可忽略，暗示反硝化作用受限、微生物固氮作用可能较强。至70天时，湿季矿质氮增加而干季下降，反映季节性矿化动态差异。

牧草产量与地上部氮浓度。尿液处理在前两次收获中带来最高的牧草产量和氮浓度，粪便因物理覆盖效应降低产量；干季牧草产量高于湿季，湿季不同氮源间差异较小且氮浓度逐次收获递减。第三次收获时季节效应占主导，氮源间差异消失，表明气候条件对牧草累积的限制作用。植物对尿液氮的快速响应支持了¹⁵N质量平衡结果，即植物组分对施用氮有显著回收。

¹⁵N标记尿氮质量平衡。湿季和干季土壤-植物系统分别回收了76.6%和96.2%的施用氮，其中约50%存在于0-10 cm土壤层；土壤是尿氮最大截留库（约54%），植物吸收约31%。湿季10-20 cm土壤层¹⁵N比例高于干季（5.2% vs. 1.8%），小区边缘¹⁵N回收湿季更高，总回收率湿季77.2%显著低于干季101.2%，差异主要来自第一次收获（湿季11.8% vs. 干季32.1%）。这些模式与湿季更强的水文氮运移一致，尽管淋溶未直接测定。未回收氮比例0-22.8%，远低于IPCC 24%的淋溶损失参考值。

讨论与结论部分的核心内容可概括如下。研究确认了土壤-植物系统在低氮输入热带牧场中的高效氮截留作用，土壤微生物固持和植物快速吸收共同限制了氮素的环境损失。干湿季节差异主要驱动了氮素在土壤中的垂直分布和水文迁移风险，而非气态排放。混播牧场的 excreta 由于较低的氮浓度，其环境效应与禾草单作相当甚至更优，perennial horse gram 的引入未增加GHG排放。然而，研究也指出当前低氮条件下的结果向更高氮投入系统外推时需谨慎，因为更高的氮负荷可能超出土壤-植物系统的截留容量。研究结论部分翻译如下：在本研究中，季节被证明是决定畜牧业 excreta 氮素归宿的关键因素。季节对尿液NH3损失的影响大于粪便，粪便损失值随时间保持相对稳定。氮在土壤中的固持及其被Marandu臂形草吸收是施用氮的主要归宿，在干季试验中高达96.2%。无论季节如何，土壤是尿液氮的最大截留库，约占施用总量的50%。这种高截留能力导致两个评估时期NH3挥发和N2O排放的损失均较低，N2O排放因子低于IPCC平均值。虽然¹⁵N质量平衡总体上表明未回收氮有限，但在较湿时期有较强的水文氮运移证据。这表明热带牧场中的畜牧业 excreta 可能代表比温室气体排放计算和氮平衡常用参考值更低的损失。尽管来自禾草牧场的尿液往往比来自混播牧场的尿液具有更高的氮浓度，但在本研究使用的共同Marandu臂形草牧场条件下，两种 excreta 来源之间未观察到气体损失的显著差异。类似的气体损失表明，要么是接受牧场，要么是土壤条件在调节排放方面发挥了核心作用，掩盖了 excreta 氮浓度的差异。因此，得出以下结论：（i）在Marandu臂形草牧场中引入 perennial horse gram 豆科植物不会促进畜牧业 excreta 温室气体排放的增加。这些发现不应被解释为完整的牧场系统效应，因为所有 excreta 都被施用于单一接受牧场；（ii）在本研究评估的低尿氮和低投入条件下，土壤-植物系统截留了大部分源自 excreta 的氮，表明高效的吸收或固持过程在大多数条件下限制了未回收氮。然而，结果也表明，随着氮投入和排泄速率的增加，氮损失存在潜在脆弱性，可能是因为更高的氮负荷可能超过土壤-植物系统的截留容量。因此，这些发现最直接适用于本研究评估的实验条件，向更集约化的热带放牧系统外推时应谨慎。</sub>