综述：乳制品粪便和合成肥料对温室气体排放及作物产量的影响：一项全球性的元分析比较

《Science of The Total Environment》：Impacts of dairy manure and synthetic fertilizers on greenhouse gas emissions and crop yields: A global meta-analytical comparison

乳品业是重要的经济产业，但乳品粪便（DM）的管理面临温室气体（GHG）排放和作物产量争议。本研究通过元分析比较DM与合成肥料（SF）对GHG排放（甲烷、一氧化二氮、二氧化碳）及作物产量（生物量、籽粒产量）的影响，纳入209对实验数据，考虑土壤质地、pH、氮施用量、作物类型、水分管理和气候带等因素。结果显示：DM与SF在甲烷排放和籽粒产量上无显著差异，但DM在细质土壤中增加二氧化碳排放，在碱性土壤（pH 7.4-7.6）中DM的二氧化碳排放比SF高17.7%。氮施用量≤200 kg/ha时，DM生物量产量低于SF，但>200 kg/ha时相当。液体DM增加一氧化二氮，而堆肥DM提高籽粒产量。深层施用DM可减少一氧化二氮排放，而表面施用DM增加生物量。结论表明DM可作为可持续替代方案，但需根据土壤特性（如细质土壤、pH）、氮施用量（≤200 kg/ha）及管理方式（深层施用、堆肥处理）优化应用策略。

　　在农业领域，奶牛粪肥（Dairy Manure, DM）作为一种有机营养源，广泛用于提升土壤肥力。然而，尽管其具有农业价值，但人们对其可能增加温室气体排放和降低作物产量的担忧仍然存在。因此，本研究通过一项全球范围的元分析，探讨了DM与合成肥料（Synthetic Fertilizer, SF）在温室气体排放和作物产量方面的差异，研究涵盖了不同的土壤特性（如土壤质地、pH值）、氮肥施用量、作物种类、水管理方式以及气候区域等因素。此外，研究还分析了不同DM类型和施用方法对温室气体排放、作物生物量和产量的影响。

### 元分析的背景与重要性

奶牛养殖业是农业经济的重要组成部分，不仅为人类提供奶制品，还对全球多个地区的经济贡献显著。以美国为例，奶牛产业占国内生产总值的约4%。然而，奶牛养殖过程中产生的粪便处理却成为一项挑战。大量的粪便堆积不仅造成环境污染，还可能增加温室气体排放，如甲烷（CH?）和氧化亚氮（N?O）。为了解决这一问题，将DM应用于农田成为一种可行的解决方案，不仅有助于管理粪便，还能为作物提供营养。然而，关于DM和SF在温室气体排放和作物产量方面的对比研究存在不足，因此本研究旨在填补这一知识空白。

### 研究方法

本研究采用系统综述与元分析方法，遵循PRISMA指南。研究人员从“Web of Science”数据库中筛选并下载了截止到2023年8月21日的同行评审文献，关键词包括温室气体排放、作物产量、合成肥料、奶牛粪便等。通过排除不符合条件的研究，最终选取了19篇论文，共计209对数据进行分析。为了确保数据的准确性和可比性，仅包括那些使用静态气室法测量土壤温室气体排放的研究，以排除其他实验室方法的干扰。此外，对于未提供标准误差（SE）的研究，研究人员基于报告的均值估计SE百分比，以提高分析的可靠性。

### 研究结果

#### 土壤质地

土壤质地是影响温室气体排放和作物产量的重要因素。研究发现，在大多数情况下，DM和SF对甲烷和谷物产量没有显著差异。然而，在细质地土壤（如黏土和沙质黏土）中，DM应用会显著增加土壤二氧化碳（CO?）排放。这可能是由于细质地土壤的高持水能力促进了DM中可溶性碳的运输，为微生物提供充足的养分来源，从而加速其代谢活动。相比之下，粗质地土壤（如沙土）由于排水良好，不利于长期的厌氧条件，因此其N?O排放较低。此外，DM在粗质地土壤中可能减少生物量，而SF则能提高生物量，这可能与SF提供的氮源更易被作物吸收有关。

#### 土壤pH值

土壤pH值对温室气体排放和作物产量也有显著影响。研究发现，在pH值为5.0–6.5的土壤中，DM和SF对作物产量的影响较为一致，但DM在pH值为7.4–7.6的碱性土壤中可能增加CO?排放。这一现象可能与微生物多样性和活性有关，碱性土壤中的微生物数量和活性较高，导致更多的碳分解和CO?释放。此外，pH值在5.0–6.5的土壤中，可能更有利于作物的生长，因为在此范围内，许多微量元素如铁、锰、硼、铜和锌的可利用性较高，有助于作物的生长和产量的提升。

#### 氮肥施用量

氮肥施用量是影响温室气体排放和作物产量的关键因素。研究发现，当施氮量较低（≤200 kg-N/ha）时，DM可能增加土壤CO?排放，但对谷物产量的影响较小。这可能与DM中有机氮的缓慢矿化有关，而SF中的无机氮则更易被作物吸收，因此能提高生物量。然而，当施氮量增加到>200 kg-N/ha时，DM与SF在作物产量和温室气体排放上趋于一致，说明高氮肥施用量可以满足作物需求，从而支持更高的生物量和产量。

#### 作物类型

不同作物类型对DM和SF的响应也有所不同。例如，大麦（Hordeum vulgare L.）在DM应用下表现出更高的N?O排放，而玉米（Zea mays L.）的产量则可能受到DM的影响。这可能与作物根系特性、氮需求以及对土壤孔隙结构的影响有关。大麦根系释放的抑制性物质可能促进N?O的形成，而玉米的高氮需求可能更倾向于SF的高效供给。

#### 水管理方式

水管理方式对温室气体排放和作物产量也有影响。研究发现，在灌溉条件下，DM可能增加土壤CO?排放，而在雨养条件下，DM可能降低生物量。这可能是由于灌溉提高了土壤水分含量，促进了有机物的分解和微生物活动，从而增加CO?排放。而雨养条件下，水分不足可能限制了微生物活动，导致DM的氮矿化效率降低，从而影响作物生长。

#### 气候区域

在温带和凉温带气候区域中，DM和SF对温室气体排放和作物产量的影响较为相似。然而，在某些凉温带区域，DM可能增加土壤CO?排放，这可能与该区域土壤中的碳储量较低有关。DM提供的有机碳可以显著提高微生物活动，从而增加CO?排放。此外，DM在温带区域可能促进更高的作物产量，这与温带地区较高的光合作用速率和较长的生长期有关。

#### DM类型与施用方法

DM的类型和施用方法对温室气体排放和作物产量也有显著影响。液态DM可能增加N?O排放，而堆肥DM则可能提高作物产量。此外，DM的深施（sub-surface application）能够有效减少N?O排放，同时维持作物产量。这是因为深施可以减少DM与大气接触，从而降低氮的挥发和氨的损失。而表施（surface application）可能增加氮的损失，导致作物产量下降。

### 结论与建议

综上所述，DM在许多情况下可以作为SF的替代品，不会显著增加温室气体排放，也不会降低作物产量。然而，DM的应用需要考虑具体的土壤条件、作物类型、气候区域和水管理方式，以优化其环境效益和农业产出。此外，DM的处理方式和施用方法对温室气体排放和作物产量也有重要影响，例如液态DM可能增加N?O排放，而堆肥DM可能提高作物产量。因此，建议在实际应用中，根据具体情况选择合适的DM类型和施用方法，以实现可持续的农业管理。同时，未来的研究应关注DM在极端天气事件中对氮、病原体、抗生素等污染物的流失情况，以及不同保护措施对DM和SF应用效果的影响。