动物粪便衍生的铵盐与合成矿物肥料在农艺和环境性能方面的对比：4年田间试验证据

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Agronomic and environmental performance of animal manure-derived ammonium salts vs synthetic mineral fertilisers: 4-year field trial evidence

生物基肥料田间表现及环境效应研究。四年试验表明，硫酸铵（AS）和硝酸铵（AN）作为生物基肥料，在玉米、菠菜、土豆等作物中的产量与合成肥料（硝酸钙）相当（Yield比0.86-1.09），氮素利用效率（NFRV）达0.49-1.09。环境评估显示，AS和AN的温室气体排放量（CO?-eq）分别为10.39和2.81，显著低于合成肥料15.25。尽管冬季土壤硝酸盐残留较高，但未观察到显著泄漏风险。研究证实生物基肥料可替代合成肥料，在循环农业中具有环境效益和可行性。

　　随着全球农业对可持续发展实践的日益关注，特别是对营养物质的利用和分配问题，欧洲联盟（EU）在农业领域推行了多项旨在减少对自然资源依赖和提升农业效率的措施。农业营养素的地理分布差异使得一些地区拥有丰富的资源，而另一些地区则高度依赖进口，这种不均衡性不仅影响了农业生产的稳定性，还对粮食安全构成了潜在威胁。本研究旨在通过为期四年的田间试验，评估两种生物基肥料（BBFs）——硫酸铵（AS）和硝酸铵（AN）——在农业中的应用效果，以及其对环境的影响，包括气体排放和硝酸盐淋失风险。通过将这些肥料与传统的矿物肥料进行比较，研究旨在填补现有知识空白，推动农业向更可持续的方向发展。

### 1. 研究背景

全球农业面临一个重要的挑战，即营养物质的地理分布不均。某些国家富含磷酸盐和钾等关键营养素，而其他地区则需依赖进口来满足农业需求。例如，全球约70%的磷酸盐矿石储量集中在中国、摩洛哥和美国，而80%的钾矿石储量则位于加拿大和俄罗斯。相比之下，许多欧盟国家由于缺乏足够的本地资源，必须大量进口这些营养素。这种依赖性使这些国家容易受到全球市场价格波动、地缘政治紧张和供应链中断的影响，从而影响其农业的稳定性和可持续性。

此外，营养素的提取、加工和运输过程也对环境造成显著影响。以氮（N）为例，虽然可以通过高能耗的哈伯-博世工艺进行人工合成，但其他营养素的获取和运输则会引发环境问题，包括生态系统破坏和水体污染。特别是，营养素的长距离运输会增加碳排放和能源消耗，进一步凸显了其在农业中的环境成本。

面对这些挑战，欧盟提出了推动循环农业的战略，强调营养素的回收和高效利用。这一策略促使了生物基肥料（BBFs）的开发和应用，这些肥料来源于动物粪便或有机废弃物的处理过程，能够减少对矿物肥料的依赖，同时降低环境影响。然而，尽管BBFs在温室和盆栽实验中显示出良好的农艺性能，但其在实际田间条件下的长期表现和环境影响仍缺乏充分研究。因此，本研究通过田间试验和实验室实验，系统评估了AS和AN在不同氮施用量下的农艺性能和环境影响。

### 2. 材料与方法

本研究使用的AS和AN来源于比利时的两家猪场。AS是通过空气洗涤技术从猪粪中提取的硫酸铵，而AN则是通过类似的工艺使用硝酸作为酸源。在实验室中，这些肥料的化学组成通过多种方法进行分析，包括干物质测定、总碳和总氮分析、铵态氮和硝态氮含量测定、电导率（EC）和pH值测量等。为了确保数据的准确性和一致性，所有实验均按照标准操作流程进行。

在田间试验中，研究团队在比利时的Wingene地区进行了为期四年的试验，涉及玉米、菠菜和马铃薯等作物轮作。试验设置了不同的处理组，包括不施肥对照组（Negative Control）、仅施用磷和钾的对照组（PK）、施用矿物氮肥的对照组（NPK）、施用猪粪的处理组（PS）以及施用AS和AN的处理组。每组处理在不同的氮施用量（40%、70%、100%）下进行，以评估其对作物产量和氮素利用效率的影响。所有试验均采用重复设计，以提高数据的可靠性。

为了评估BBFs的环境影响，研究团队还进行了短期的气体排放实验，使用Gasera One Multi-gas分析仪测量了二氧化碳（CO?）和氧化亚氮（N?O）的排放情况。实验过程中，通过控制土壤含水量（80%的水填充孔隙度，WFPS），模拟了典型的沙质土壤条件，以研究肥料对气体排放的影响。同时，研究还评估了不同肥料对硝酸盐淋失风险的影响，通过测量土壤中硝酸盐残留量来分析其潜在的环境风险。

### 3. 实验结果

#### 3.1 农艺性能

在四年的田间试验中，AS和AN在不同作物和氮施用量下的表现显示出一定的差异。在2019年的玉米试验中，尽管所有处理组的产量均未表现出显著差异，但总体产量低于其他类似研究中的结果。这可能与当年的气候条件有关，如5月的低温干燥天气以及7月的高温干旱天气，这些极端天气对玉米的生长周期产生了不利影响。

在2020年的菠菜试验中，不同氮施用量对产量的影响显著。特别是100%氮施用量的处理组，其产量明显高于其他处理组。这一结果表明，当氮肥施用量达到作物需求的100%时，能够有效提升作物产量。然而，在2021年的马铃薯试验中，不同氮施用量之间的差异较小，这可能与土壤中原本的氮含量较高有关。此外，土壤的质地（尤其是沙质土壤）和水分条件也对作物的生长产生了重要影响。

在2022年的玉米试验中，AS和AN在不同氮施用量下的表现显著优于对照组和PK组。特别是在70%和100%的氮施用量下，AS和AN的产量明显高于其他处理组。这表明，这些肥料在特定条件下能够有效提升作物产量，同时减少对环境的负面影响。

#### 3.2 环境性能

在气体排放方面，AS和AN表现出显著的环境优势。实验室实验结果显示，AS和AN的气体排放量分别为10.39 CO?-eq和2.81 CO?-eq，远低于其矿物肥料对照组（15.25 CO?-eq）。这种差异可能源于BBFs的缓慢矿化过程，以及其对土壤pH值的影响，降低了氧化亚氮（N?O）的排放高峰。此外，BBFs的施用方式也影响了气体排放的模式，例如其较低的土壤pH值可能抑制了硝酸盐还原酶的活性，从而减少了N?O的产生。

在硝酸盐淋失风险方面，AS和AN与矿物肥料在不同氮施用量下的表现相似。尽管某些处理组在冬季土壤中检测到较高的硝酸盐残留量，但这一残留量并未显著高于矿物肥料。这一结果表明，作物的氮吸收能力和季节性变化在很大程度上决定了土壤中氮素的去向，而非肥料来源本身。因此，BBFs在减少硝酸盐淋失方面表现出与矿物肥料相当的潜力。

### 4. 讨论

#### 4.1 农艺性能

在不同年份的试验中，AS和AN的表现呈现出一定的波动性，这可能与气候条件和土壤特性有关。例如，在2019年的玉米试验中，由于气候条件不佳，AS和AN的产量并未达到预期水平。而在2020年的菠菜试验中，氮肥施用量的增加显著提升了作物产量，这表明在某些条件下，BBFs能够提供足够的氮素，从而满足作物的需求。

此外，研究还发现，不同肥料的氮素利用效率（FUE）和氮肥替代值（NFRV）在不同作物和氮施用量下表现出差异。例如，在2020年的菠菜试验中，AN的氮素利用效率较低，这可能与其较高的氮挥发性有关。而在2021年的马铃薯试验中，AS和AN的氮素利用效率与矿物肥料相似，表明它们在某些条件下能够有效替代传统肥料。

#### 4.2 环境性能

从环境角度来看，AS和AN在气体排放和硝酸盐淋失方面均表现出较低的风险。实验室实验表明，BBFs的缓慢矿化过程有助于减少氮素的快速释放，从而降低N?O的排放高峰。此外，BBFs的施用方式也对土壤pH值和土壤结构产生了积极影响，减少了土壤酸化和氮素损失的风险。

然而，研究也指出，BBFs的环境表现可能受到多种因素的影响，包括土壤类型、气候条件和施肥方式。例如，在沙质土壤中，由于其低持水能力，硝酸盐的淋失风险较高。而在某些情况下，如2021年的试验中，由于土壤含水量较高，BBFs的氮素淋失风险相对较低。因此，BBFs的环境影响并非固定不变，而是受到具体农业条件的制约。

### 5. 结论

本研究通过为期四年的田间试验，评估了AS和AN作为生物基肥料的农艺性能和环境影响。结果表明，AS和AN在大多数情况下能够与矿物肥料相媲美，甚至在某些条件下表现出更好的性能。同时，它们在气体排放和硝酸盐淋失方面也展现出显著的环境优势。尽管气候条件对试验结果产生了一定影响，但AS和AN在不同作物和氮施用量下的表现总体上是稳定的。

研究还指出，沙质土壤和极端气候条件可能会对BBFs的性能产生不利影响，但这些影响并不足以削弱其作为可持续农业替代品的潜力。此外，实验室实验进一步验证了BBFs在减少气体排放和硝酸盐淋失方面的有效性，表明它们在农业中具有广泛的适用前景。

综上所述，本研究强调了生物基肥料在可持续农业中的重要性。通过科学的肥料管理和技术创新，BBFs有望在未来农业中发挥更大的作用，为减少对矿物肥料的依赖、提升农业效率和保护环境提供可行的解决方案。