冬季白三叶草覆盖作物对亚热带狗牙根草场氮素利用效率及环境流失的影响机制研究

本研究通过2年田间试验和实验室培养，系统评估了白三叶草（WC）及其与黑麦草混播（WCR）作为冬季覆盖作物对狗牙根草场产量、氮素径流损失和氧化亚氮（N2O）排放的影响。结果表明，WC替代50%尿素氮（112 kg ha?1）可维持草场产量，减少NH4+和NO3?径流损失30%-35%，但N2O排放量与全量化肥处理（224N）相当。实验室证实硝化抑制剂（DCD/DMPP）可降低覆盖作物残体分解中77%-91%的N2O排放，为低碳牧场生产提供新策略。

　　

研究背景

暖季型多年生狗牙根（Cynodon dactylon L.）是美国南部畜牧业的主要饲草，但其生长季短（4-9月）且需高氮供应（135-336 kg ha^?1）。为减少矿物氮肥的环境污染，研究探索了冬季覆盖作物白三叶草（Trifolium repens L., WC）与黑麦草（Lolium multiflorum, WCR）混播对氮素利用和环境流失的影响。

实验设计

在路易斯安那州贝克市开展2年田间试验，设置5个处理：无覆盖作物无氮肥（CLT）、纯WC（WC）、WC混播黑麦草（WCR）、WC+半量化肥（WC112N, 112 kg N ha^?1）和全量化肥（224N, 224 kg N ha^?1）。监测草场产量、N₂O排放及径流氮损失，并通过实验室培养评估硝化抑制剂（DCD/DMPP）和脲酶抑制剂（NBPT）对WC残体分解中N₂O的抑制效果。

核心发现

1. 产量与氮转移：WC处理使狗牙根生物量较CLT增加38%，WC112N与224N产量无显著差异。WC通过生物固氮贡献93.5-126.5 kg N ha^?1，其中47 kg N ha^?1转移至狗牙根，转移率达40%-54%。

2. 环境氮损失：

   • 径流：WC112N较224N减少NH₄⁺和NO₃^?径流损失30%-35%，主要因覆盖作物减少径流量50%。

   • N₂O排放：WC与224N的N₂O排放因子均为0.63%-0.64%，但WCR因黑麦草延缓矿化，排放量较WC降低21.9%。

3. 抑制剂效果：DCD 100%和DMPP 10%分别降低WC残体N₂O排放91%和77%，而NBPT无显著效果。

机制解析

WC残体低C:N比（19.1）促进快速矿化，释放的NH₄⁺在湿润条件下通过硝化-反硝化转化为N₂O。黑麦草通过吸收WC释放的氮素延缓矿化，减少N₂O产生。硝化抑制剂通过阻断氨氧化细菌活性显著抑制N₂O生成。

应用价值

研究证实WC替代50%氮肥可实现产量目标并减少径流污染，但需结合硝化抑制剂（如DMPP）以控制N₂O排放。混播黑麦草虽降低产量，但可作为N₂O减排的潜在策略，为亚热带地区可持续草场管理提供科学依据。