排水系统、牛的排泄物以及践踏行为对泥炭草地中一氧化二氮排放的影响

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Drainage, cattle excreta and trampling effects on nitrous oxide emissions from a peat grassland

研究探讨了水渗透系统（WIS）与畜牧业措施（尿液、粪便、践踏）对荷兰排水湿地土壤中N?O排放的影响。结果显示，WIS在无氮输入时降低N?O排放，但尿液与排水系统的交互效应使WIS减排效果减弱。尿液、粪便和践踏均显著增加N?O排放，其中尿液与WIS的交互效应最显著。N?O排放与土壤水分、铵态氮及硝态氮浓度相关，WIS的减排潜力受外部氮输入影响较大。

　　本文探讨了在排水条件下，水渗透系统对泥炭草地氮氧化物（N?O）排放的影响，以及模拟放牧（包括尿液、粪便和踩踏）如何与水渗透系统相互作用。研究的背景在于，泥炭土壤储存了全球土壤有机碳（C）储量的30%以上，尽管其仅占全球陆地面积的3%。然而，由于农业用途，泥炭土壤通常被排水，这种做法虽然提高了土壤承载力，使机械和牲畜活动成为可能，但也导致了泥炭氧化，从而产生二氧化碳（CO?）排放和土壤下沉。此外，排水后的泥炭土壤还会释放N?O，这是一种全球变暖潜能是CO?的273倍的温室气体。在荷兰，2022年因排水导致的泥炭氧化排放了0.6 Tg CO?当量的N?O。永久性重新湿润被认为是减少泥炭氧化的有效措施，但意味着需要采用替代农业系统，如在重新湿润的泥炭上种植作物（称为湿地农业）或转向自然恢复。相比之下，水渗透系统（WIS）作为一种措施，旨在在维持现有土地利用的同时减少排放。

水渗透系统通常由均匀分布的排水管组成，这些排水管安装在农田中，位于沟渠水位以下15-20厘米处，并通过沟渠或收集排水渠及/或管理水库与沟渠连接。WIS可以防止在干旱期间地下水位（GWL）急剧下降，同时在湿润时期提供更有效的排水。尽管已有研究表明WIS在减少CO?排放和改变氧化还原过程及养分可用性方面有效，但其对N?O排放的影响仍缺乏系统研究。部分研究发现WIS对N?O排放没有显著影响，但可能由于测量频率较低而错过了关键排放时段。另一项研究则发现WIS与草地更新结合后N?O排放增加，但单独使用WIS时未观察到类似趋势。

研究的重点是确定WIS在泥炭草地土壤中，结合牲畜排泄（通过模拟尿液和粪便施用）和踩踏（通过模拟土壤压实）对N?O排放的影响。研究假设（1）WIS会减少泥炭中氮的矿化和由此产生的N?O排放，（2）尿液或粪便施用会增加N?O排放，特别是在WIS条件下，因为矿化氮的可用性和增强的反硝化作用，（3）踩踏会通过增加反硝化作用的微环境，促进N?O排放。为了验证这些假设，研究在荷兰的一个农场进行了为期两年的田间实验，其中包括三个模拟放牧处理：尿液、粪便和踩踏，并在两个处理田块（WIS和常规排水，CDD）中进行比较。

实验地点位于荷兰的Zegveld附近，土壤类型为中度肥沃的木泥炭，其上为富营养的莎草泥炭层，厚度可达六米。实验分为两个相邻的田块，均采用相同的管理措施，包括割草、施肥和牲畜放牧。在WIS田块中，排水管安装在地表以下60-70厘米处，目标地下水位设定为40厘米以下。研究团队在田块的中心区域设置了主要实验区，并在其内划分了三个模拟放牧处理的子区：尿液、粪便和踩踏，采用全因子设计，包括对照处理。这导致了八个处理组合：对照（C）、尿液（U）、粪便（D）、踩踏（T）、尿液+粪便（UD）、尿液+踩踏（UT）、粪便+踩踏（DT）以及尿液+粪便+踩踏（UDT）。实验包括2022年的三个处理和2023年的两个处理，考虑到处理间的高变异性，处理的重复次数也有所调整。

在测量N?O排放时，研究团队采用了静态气室法，使用腔体共振光谱仪（Picarro G2508）和光声红外光谱仪（INNOVA 1512）进行气体浓度测量。气室关闭时间为10-15分钟，但必要时会缩短时间以避免高NH?浓度对N?O测量的干扰。为了验证气室关闭期间浓度线性增长的假设，每个测量日都会进行至少一次额外的通量测量，持续时间至少20分钟，并进行连续浓度测量。此外，为了研究土壤和环境参数对N?O排放的影响，研究团队还分析了土壤和水样中的硝酸盐（NO??）、亚硝酸盐（NO??）和铵（NH??）浓度，以及溶解有机碳（DOC）和总溶解氮含量。数据使用R软件进行分析，包括t检验、方差分析（ANOVA）和线性混合效应模型，以评估不同处理和排水类型对N?O排放的影响。

研究结果表明，在2022年夏季的实验中，WIS田块的N?O累积排放显著低于CDD田块，但在无氮输入的情况下，差异并不显著。在两个秋季实验中，尿液、粪便和踩踏处理均显著增加了N?O排放，其中尿液的影响尤为突出。在秋季实验中，排水类型与尿液处理之间存在显著的交互效应，表明WIS在无尿液输入时对N?O排放的影响更大。此外，尿液和粪便的排放因子在WIS条件下均高于CDD条件，这可能与WIS促进反硝化作用有关。这些结果表明，水渗透系统对N?O排放的影响并不一致，并且会与外部氮输入（如牲畜放牧）相互作用。

研究还探讨了土壤和环境参数对N?O排放的影响。在2022年秋季的实验中，NO??和NH??浓度与N?O排放之间存在显著正相关，同时降雨量和地下水位的变化也影响了排放模式。而在2023年秋季的实验中，土壤中的NH??浓度与N?O排放显著正相关，而DOC浓度则与N?O排放呈负相关。此外，土壤含水量和温度的变化也对N?O排放产生了影响。这些发现表明，N?O排放受到多种因素的共同作用，包括土壤水分状况、氮输入、微生物活动和环境条件。

进一步的分析显示，WIS在减少N?O排放方面具有一定的潜力，但其效果受到外部氮输入的影响。在没有氮输入的情况下，WIS田块的N?O排放较低，但这种差异在有尿液输入时被显著削弱。这可能是因为尿液中的氮输入在WIS条件下促进了反硝化作用，从而增加了N?O的排放。相比之下，粪便处理在WIS和CDD条件下均显著增加了N?O排放，但没有显著的交互效应。踩踏处理则在两种排水条件下均显著增加了N?O排放，这可能是因为踩踏增加了土壤的水饱和度，从而促进了反硝化作用。

研究还探讨了WIS对N?O排放的气候影响。根据IPCC的默认排放因子，假设全年条件与秋季实验相似，WIS在秋季实验中减少了约7.6 kg N ha?1的N?O排放，这相当于减少了约9.5 tonne CO?-eq ha?1的温室气体排放。相比之下，常规排水的默认排放因子分别为13.2和22.4 tonne CO?-eq ha?1。因此，WIS在减少N?O排放方面具有显著的潜力，但其效果可能受到牲畜放牧活动的影响，特别是尿液的施用。

综上所述，水渗透系统在减少N?O排放方面具有一定的潜力，但其效果受到外部氮输入的显著影响。研究结果表明，在没有氮输入的情况下，WIS可以有效减少N?O排放，而在有尿液输入的情况下，其效果可能被削弱。因此，为了充分发挥WIS的减排潜力，需要在实施过程中考虑牲畜放牧活动的影响，并采取相应的措施来减少氮输入。此外，研究还强调了多季节实验的重要性，以更准确地评估排水措施对N?O排放的长期影响。这些发现为未来的农业管理实践提供了重要的参考，有助于制定更有效的温室气体减排策略。