非洲星草为基础的奶牛养殖系统在有机与无机施肥处理下的温室气体排放

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Greenhouse gas emissions of African Stargrass-based dairy systems under organic or inorganic fertilization regimes

　　

背景：适当管理的畜牧业经营在减少农业温室气体（GHG）排放方面发挥着重要作用。研究人员评估了施用有机和无机肥料对非洲星草（African Stargrass）牧场温室气体排放的影响。方法：该研究在哥斯达黎加大学（University of Costa Rica）奶牛研究站进行（2019年5月至11月和2021年5月至11月）。采用随机完全区组设计评估了六种施肥处理。温室气体包括使用静态箱（static chambers）在地面水平测量的甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）通量、使用IPCC因子计算的氧化亚氮（N₂O）排放，以及使用LIFE-SIM模型基于牧草生物量和营养价值模拟的肠道甲烷排放。结果：CO₂排放数值上相似（p > 0.05），硫包衣尿素处理较高（15,114 kg ha^-1），固氮螺菌处理较低（13,799 kg ha^-1）。土壤CH₄在硝酸铵处理中显著高于硫包衣尿素（p < 0.05）（分别为3.30 kg ha^-1和1.37 kg ha^-1）。排放强度数值上以泥浆处理最高（2.58 kg CO₂eq kg^-1 DM），硫包衣尿素最低（1.56 kg CO₂eq kg^-1 DM）。结论：尽管土壤排放存在一些显著差异，但CH₄和N₂O在换算为CO₂当量后仅占排放量的一小部分。施用于非洲星草牧场的肥料类型因其对牧草生产力的影响而影响排放强度。本研究描述了牧场中土壤和肠道排放的影响，为热带条件下应对排放的减缓策略提供了综合方法。

畜牧业是全球粮食安全与经济发展的重要支柱，在拉丁美洲和加勒比地区，其产值约占农业国内生产总值的46%。然而，该部门也是温室气体（GHG）的主要排放源之一，贡献了约4.6吉吨二氧化碳当量（CO₂eq），其中甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）和二氧化碳（CO₂）分别占44%、29%和27%。在热带奶牛系统中，牧草是反刍动物的主要饲料来源，其产量和营养品质直接影响动物性能与环境可持续性。非洲星草（African Stargrass, Cynodon nlemfuensis Vanderyst.）是中美洲和墨西哥广泛使用的热带牧草品种，具有高生物量生产和强土壤适应性，但集约化管理需大量氮肥。氮肥施用虽能提升牧草产量，却会显著增加N₂O排放——其全球增温潜势（GWP）高达298。尽管施肥在畜牧系统中至关重要，但将不同施肥策略对土壤与肠道温室气体排放的综合影响进行整合研究的文献十分匮乏。多数研究分别评估了这些组分，限制了对其联合影响的全面理解。基于此，研究人员假设肥料类型主要影响土壤排放，而对肠道排放影响较小，并旨在评估有机与无机施肥对非洲星草牧场土壤和肠道来源温室气体排放的影响，为减缓策略提供基础。该研究在哥斯达黎加大学奶牛研究站进行，于2019年和2021年雨季（5月至11月）开展，论文发表在《Frontiers in Sustainable Food Systems》。

研究人员采用随机完全区组设计（RCBD），设置六个处理：未施肥对照（C）、尿素（U，46% N）、硝酸铵（AN，33.5% N）、硫包衣尿素（US，40% N + 6% S）、有机泥浆（SL，0.01 g L^-1 N）、固氮螺菌（AZ, Azospirillum oryzae PCJ1）。除C和AZ外，所有处理的年施氮量均为200 kg ha^-1。关键技术与方法包括：（1）使用静态箱与便携式气体测量室（LI-8100和LI-7810）测定土壤CO₂和CH₄通量；（2）基于IPCC排放因子估算N₂O排放；（3）采用LIFE-SIM模型模拟泌乳娟姗牛（Jersey cows）的肠道CH₄排放和氮利用效率（NUE）；（4）通过近红外反射光谱（NIRS）和湿化学分析牧草营养价值，并使用ANKOM系统测定体外气体产量。实验地点为哥斯达黎加大学Alfredo Volio Mata奶牛研究站（EEAVM），位于卡塔戈省Alto de Ochomogo（9°55′10′' N, 83°57′20′' W），海拔1,542 m，年均降雨量2,050 mm，年均温度19.1°C。2020年因疫情暂停，但管理延续至2021年恢复评估。所有处理在4个区组中随机分配（n=24个6 m²小区），小区间设2 m缓冲带。瘤胃液来自研究站饲喂非洲星草基础日粮的瘤胃瘘管娟姗牛（饲草:精料比60:40至70:30）。

**研究结果：**
**3.1 不同施肥源下非洲星草的CO₂、CH₄和N₂O排放**：通过气体通量测量和IPCC因子估算，CO₂排放处理间无显著差异（p > 0.05），硫包衣尿素（15,114 kg ha^-1）和泥浆（14,925 kg ha<sup>-1）数值较高。CH₄排放处理间差异显著（p < 0.05），硝酸铵（3.30 kg ha-1）显著高于硫包衣尿素（1.37 kg ha-1），其余处理间无差异。N₂O排放仅获单值，硝酸铵最高（6.60 kg ha-1），泥浆最低（1.88 kg ha-1）。总CO₂eq排放以硝酸铵最高（16,453.92 kg ha-1），固氮螺菌最低（13,875.94 kg ha-1）。排放强度（kg CO₂eq kg-1 DM）无显著差异，但泥浆数值最高（2.58），硫包衣尿素最低（1.56），CO₂是排放强度的主要贡献者，CH₄和N₂O贡献极小。
**3.2 体外气体产量**：通过ANKOM系统评估，硝酸铵处理（80.4 ml g-1 DM）的体外产气量显著低于泥浆（112.3 ml g-1 DM）（p < 0.05），其余处理居中（88.0–100.9 ml g-1 DM）。再生天数（35、45、55天）对体外产气无显著影响（均值99.8、100.5、89.9 ml g-1 DM）。
**3.3 多元线性回归分析**：基于赤池信息准则（AIC）筛选出的最优模型表明，αNDF（中性洗涤纤维经淀粉酶处理）、DM、IVDMD（体外干物质消化率）、肥料类型和再生天数是体外产气的主要预测变量（调整R2 = 0.47）。相关性分析显示，DM和αNDF与产气正相关，IVDMD和再生天数为负相关。主成分分析（PCA）前两个成分解释64.8%变异。
**3.4 利用LIFE-SIM模型估算肠道CH₄排放和氮排泄**：针对305天泌乳期的模拟显示，肠道CH₄排放处理间差异很小（137.55–140.31 kg），总氮排泄略有波动（55.66–66.81 kg），氮利用效率（NUE）稳定在29%–30%。总CO₂eq排放（kg）范围窄（3,608–3,684 kg），施肥类型无清晰影响。
**3.5 动物与牧草来源对总排放贡献的估算**：基于总CO₂eq值，动物来源排放（主要为肠道CH₄）占总排放的8.9%–10.5%，而牧草来源排放占89.5%–91.1%，表明牧草系统是温室气体排放的主要贡献者。

**讨论总结**：研究指出，短期施肥对土壤碳通量影响有限，与文献一致；CH₄排放差异可能与甲烷氧化菌群落组成有关。N₂O估算值与类似研究可比，但需本地化排放因子。硫包衣尿素因高生物量稀释了排放强度，体现了生产力对排放效率的影响。体外产气结果与热带牧草研究范围一致，再生阶段对营养价值影响小。多元回归和PCA强调了牧草管理变量对产气预测的重要性。肠道CH₄和氮排泄模拟结果与实测研究接近，LIFE-SIM模型可作为低成本工具。整体上，牧草来源排放占主导，未来减缓策略应聚焦土壤-牧草系统的氮管理。
**研究结论翻译**：CH₄是唯一受施肥类型显著影响的温室气体，而CO₂和N₂O排放未受处理影响。在采用GWP因子换算为总CO₂排放时，CH₄和N₂O仅占很小比例。硫包衣尿素处理因累积牧草生物量较高，稀释了以排放强度表示的总CO₂eq，表明肥料可影响草基系统的排放与效率。非洲星草牧场施用硝酸铵导致体外产气量最低，而再生天数未影响该参数。无论有机还是无机肥料类型或再生天数，均未影响放牧娟姗牛的肠道CH₄排放和氮排泄估计值。由于牧草组分占总GHG排放（以CO₂eq计）约90%，研究结果表明草基系统在减缓气候变化方面具有巨大潜力。但动物组分贡献小（约10%）也不应忽视，需制定优化反刍动物营养利用的策略。LIFE-SIM模型是获取不同放牧与补饲策略下肠道CH₄排放和氮排泄估计值的低成本有效工具，有助于缺乏复杂直接方法和设备的研究人员。</sup>