不同类型奶牛粪肥对玉米系统合成肥料氮去向的影响：来自同位素示踪田间研究的见解

本研究通过15N同位素示踪技术，探究了不同处理方式的奶牛粪肥（液态粪肥LM、化学分离固体粪肥CS、物理分离固体粪肥PS）与不同施氮量（90、180、270 kg N ha-1）对玉米青贮系统中肥料氮去向的影响。研究发现，虽然粪肥类型不影响作物对肥料氮的吸收和肥料源N2O排放，但固体粪肥（CS和PS）显著提高了肥料氮在土壤矿物结合有机质（MAOM）库中的残留，有助于长期土壤肥力维持和氮损失减少，为奶牛场粪肥可持续管理提供了重要依据。

　　

氮素是作物生产的关键养分，全球每年施用的合成氮肥超过1亿吨，但其高效利用一直是农业系统面临的重大挑战。据统计，在谷物生产中仅有约35%的肥料氮被作物吸收，其余部分或残留于土壤，或通过淋溶、径流和气态排放等途径损失到环境中。其中，硝态氮淋失尤其严重，研究表明在71.5和142 kg N ha^--1施氮量下，超过50%的氮通过淋失损失。此外，硝化作用和反硝化作用产生的副产物——氧化亚氮（N₂O）作为一种强效温室气体，其百年尺度全球增温潜势是二氧化碳的298倍。肥料氮不仅直接为硝化菌和反硝化菌提供底物，还通过激发土壤有机质矿化间接促进N₂O排放。

除了损失到环境外，大量肥料氮也会残留于土壤。研究发现，施肥两年后约22%的肥料氮仍存留于土壤，且主要存在于矿物结合有机质（MAOM）库中。MAOM通常具有较低的碳氮比（C:N），长期以来被视为稳定的土壤有机质库，但最新研究表明其在较短时间内可通过矿化持续释放氮素，贡献于植物有效氮库。土壤中氮的生物转化通常用矿化-固持周转（MIT）框架来描述，而微生物对肥料氮的吸收、释放以及各土壤有机质组分间的转化主要受土壤C:N比的调控。通常，较高C:N比促进微生物固氮作用，较低C:N比则利于矿化作用。此外，氮素还可通过物理化学机制进行非生物固持，包括铵态氮（NH₄⁺）在腐殖质和矿物交换位点的吸附、硝态氮（NO₃^-）通过阳离子桥或氢键与有机-无机胶体的结合，以及在大团聚体孔隙中的物理包裹。虽然非生物固持的氮相对持久，但在管理时间尺度上大多是可逆的，随着土壤条件（如pH和有机碳）的变化仍可能被作物吸收或面临损失风险。

粪肥与化肥配施增加了肥料氮去向研究的复杂性。通过添加有机质、氮和其他养分，粪肥施用可改变土壤生物、化学和物理性质，包括提高保水性、增加碳储量、提升硝化菌和反硝化菌的丰度和多样性等，这些变化直接或间接影响氮转化过程，进而影响肥料氮在土壤系统中的去向。研究表明，与单施化肥相比，粪肥与化肥配施可提高作物产量和氮肥利用率，减少氮淋失和径流，这主要归因于粪肥中的有机质刺激了肥料氮的固持，使养分在根区保留更长时间。然而，粪肥与化肥配施对N₂O排放的影响并不一致，这可能与气候、粪肥特性及土壤性质等因素有关。

随着美国尤其是威斯康星州奶牛场的规模化发展，每个养殖场的粪污量持续增加，亟需高效可持续的粪污管理策略。新兴技术如Livestock Water Recycling（LWR）和Sedron's Varcor系统可将干物质含量低于4%、无机氮含量高的液态粪肥处理成干物质超过85%、有机氮含量更高的固体粪肥。这些固体粪肥产品更易于运输，并可能提供更好的土壤营养效益。

近期研究开始关注加工奶牛粪肥固体对土壤氮动态的影响。实验室培养研究发现，通过化学絮凝产生的奶牛粪肥固体比未处理的原始粪肥产生更多N₂O排放；而田间研究表明，物理分离的固体粪肥比原始奶牛粪肥的N₂O排放显著降低。然而，这些加工固体粪肥如何通过改变氮转化过程和控制合成肥料氮在种植系统中的去向进而影响土壤肥力，仍不清楚。

为此，Joshua P Mirabella等人通过在玉米青贮系统中建立田间试验，利用¹⁵N标记肥料追踪技术，研究了不同奶牛粪肥产品对合成肥料氮在作物吸收、土壤组分（颗粒有机质POM和矿物结合有机质MAOM）及N₂O排放三个关键去向的影响。研究人员假设，与未处理液态粪肥相比，固体粪肥因其较高C:N比的有机质输入，会将MIT动态转向形成稳定且持续循环的土壤有机质，从而提高作物对肥料氮的回收率、增加土壤特别是MAOM库对肥料氮的固持，并降低肥料源N₂O排放。

本研究主要采用了以下关键技术方法：通过田间原位¹⁵N同位素示踪技术，使用10 atom% ¹⁵N富度的硫酸铵标记肥料；采用静态箱-气相色谱法监测N₂O通量并运用同位素比率质谱分析¹⁵N₂O来源；通过土壤分层采样（0-15 cm, 15-30 cm, 30-76 cm, 76-122 cm）和物理分组分离法（湿筛法）获取颗粒有机质（POM）和矿物结合有机质（MAOM）组分；利用元素分析-同位素比率质谱联用技术测定植物和土壤样品的总氮及¹⁵N丰度；采用混合线性模型和方差分析进行数据处理和统计推断。试验样本来源于威斯康星大学阿灵顿农业研究站，粪肥样品分别来自该校Emmons Blaine奶牛研究中心、Robinway奶牛场（化学分离固体）和Natural Prairie奶牛场（物理分离固体）。

Nitrous oxide emissions and fertilizer-derived contributions

在整个生长季，累积N₂O排放受粪肥和化肥处理的显著影响，但两者无交互作用。粪肥施用（无论类型）均显著增加生长季N₂O排放，且排放随施氮量增加而升高。施肥后，物理分离固体粪肥（PS）处理的N₂O排放显著低于液态粪肥（LM）。肥料源N₂O排放动态与总排放基本一致，峰值主要出现在降雨后。肥料源N₂O排放量在各粪肥处理间无显著差异，肥料氮对施肥后累积N₂O排放的贡献比例平均在38-46%之间，且不受粪肥类型影响。

Crop N uptake and fertilizer-derived contributions

粪肥处理对作物生物量和氮吸收有显著影响，而化肥速率无影响。固体粪肥（PS和CS）处理的作物生物量高于无粪肥（NM）或液态粪肥（LM）处理。PS和CS显著提高了作物氮吸收，但三种粪肥处理间无差异。肥料源作物氮吸收量在粪肥处理间无显著差异，但随施氮量增加而显著增加。粪肥施用显著降低了肥料氮对作物总氮吸收的贡献比例（降至28-29%，NM为38%）。尽管施氮量不影响作物总氮吸收，但肥料氮贡献比例随施氮量增加而显著上升（90 kg时19%，270 kg时44%）。

Soil fractions and fertilizer-derived N

在0-15 cm土层，粪肥施用显著影响肥料源POM-N和MAOM-N含量，其中对MAOM-N的影响持续到次年5月。在180-270 kg N ha^-1施氮量下，PS处理的肥料源POM-N显著高于LM。至次年5月，CS和PS处理的肥料源MAOM-N显著高于LM。在CS和PS处理下，270 kg N ha^-1施氮量使0-15 cm MAOM库中固持的肥料氮高于低施氮量。肥料源氮主要残留于0-15 cm土层，深层土壤中含量较低。

Fertilizer N loss and recovery

肥料氮以N₂O形式的损失比例（排放因子）为0.39-0.89%，作物吸收的肥料氮占25-30%，次年春季0-122 cm土层中以POM-N和MAOM-N形式回收的肥料氮占36-58%。虽然各组分在粪肥处理间差异不显著，但作物与土壤库的联合回收率在PS处理（73.5%）显著高于NM（61.4%）。在180 kg N ha^-1施氮量下，PS和CS处理减少了未测量氮损失（如淋失和其他气态损失）。

研究表明，外源有机质输入可增强土壤对肥料氮的固持，但本研究中液态粪肥并未改善肥料氮土壤固持或减少肥料源N₂O排放。相反，固体粪肥（CS和PS）促进了肥料氮在土壤组分中的回收，且PS在施肥后降低了土壤N₂O排放。这归因于固体粪肥较高的C:N比刺激了肥料氮在土壤有机质中的微生物固持，体现为次年固体粪肥处理下MAOM库中肥料源氮较高。粪肥未影响作物对肥料氮的吸收，这与前人结果一致。

通过结合作物吸收和土壤固持可更全面评估肥料氮去向。由于作物吸收在各处理间相似且N₂O排放占比小，土壤固持成为影响生态系统肥料氮回收的主要因素。固体粪肥（尤其是PS）通过增强土壤肥料氮固持和减少气态损失，为奶牛种植系统提供了更可持续的氮管理策略。

肥料源N₂O排放仅占施氮量的0.39-0.89%，低于IPCC的1%默认排放因子，但高于美国“玉米-大豆带”的0.3%。生长季偏干可能限制了排放，更湿润条件或能揭示粪肥处理间差异。肥料氮对施肥后N₂O排放的贡献占38-46%，其余来自土壤和/或粪肥氮库。PS降低了施肥后总N₂O排放，表明其抑制了非肥料源排放，机制可能包括高C:N比促进固持减少底物，或提升DOC促进反硝化完全性（N₂O还原为N₂）。土壤pH也可能调控排放，但本研究未测量N₂，相关机制需进一步验证。

作物对肥料氮的吸收随施氮量增加而增加，但回收率（25.2-25.5%）在各施氮量间稳定，低于全国谷物系统平均水平（41%）和一些研究报道（如55%）。土壤pH、温度等因素通过调控MIT影响肥料氮有效性。本研究中偏酸性土壤pH（6.1）和春季偏干可能限制了早期作物生长和氮吸收，促进了硝化及后续损失。高施氮量增加了肥料源作物氮吸收，但降低了作物对其他氮源（如粪肥或土壤氮）的依赖，表明用有机氮源替代部分化肥可维持生产力并减少合成投入。

肥料氮在作物中的回收率较低（<30%）且不受粪肥类型影响，凸显了评估土壤固持对粪肥管理策略可持续性的重要性。本研究发现，单施化肥或配施液态粪肥时土壤肥料氮残留为36-42%，而固体粪肥处理达46-58%，且主要固持于MAOM库。这表明固体粪肥可通过促进无机氮非生物固持、微生物固持和稳定化减少肥料氮损失。然而，新形成MAOM-N在头两年矿化缓慢，作物吸收不足3%，可能与MAOM结合方式、物理保护及 priming 效应有关。固体粪肥处理下肥料源MAOM-N从首年9月到次年5月未减或增加，而NM处理下降，表明无粪肥时固持氮更易损失，固体粪肥则促进了稳定化途径。

未测量氮损失可能包括NH₃挥发、NO和N₂排放、淋失和径流。本研究土壤偏酸性，NH₃挥发可能有限。淋失是重要损失途径，固体粪肥通过固持肥料氮于有机质减少其移动性。NO和N₂未测量，其受多重机制调控需进一步研究。田间坡度小且无极端降雨，径流损失可能性低。

该研究通过¹⁵N示踪田间试验揭示了奶牛粪肥类型对玉米青贮系统合成肥料氮去向的调控机制。粪肥类型虽未改变肥料源N₂O排放和作物吸氮量，但固体粪肥（CS和PS）显著提高了肥料氮在土壤尤其MAOM库中的残留，PS还降低了施肥后总N₂O排放。粪肥组成差异对肥料氮动态的塑造至关重要，固体粪肥通过增强土壤肥料氮固持和减少损失，为奶牛养殖系统氮管理提供了更可持续的选择。研究结果发表于《Biology and Fertility of Soils》，为理解粪肥驱动下肥料氮循环机制提供了关键见解，未来需在长期田间试验中拓展至不同种植系统、土壤类型和气候区。