冬季覆盖作物对亚热带暖季牧草土壤氮流失的影响及其减排潜力研究

本研究通过田间试验和实验室培养，评估了白三叶草（WC）和黑麦草作为冬季覆盖作物对亚热带百慕大草（Cynodon dactylon）牧场的土壤氮流失（径流和N2O排放）的影响。结果表明，白三叶草替代50%尿素氮（112 kg N ha?1）可维持牧草产量，减少30%-35%的NH4+和11%-24%的NO3?径流损失，但N2O排放与全量化肥处理（224N）相当。实验室证实硝化抑制剂（DCD/DMPP）可显著降低白三叶残茬分解的N2O排放（降幅77%-91%），为低碳牧场生产提供新策略。

　　

研究背景

暖季型百慕大草（Cynodon dactylon）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）。矿物氮肥的高成本和环境污染问题促使研究者探索低碳农业模式。白三叶草（Trifolium repens L., WC）作为冬季覆盖作物，可通过生物固氮（55-296 kg N ha^?1 year^?1）减少化肥依赖，但其分解过程可能增加氮流失风险，尤其是亚热带气候下高温多雨加速有机质矿化。

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处理：无覆盖无氮肥（CLT）、纯白三叶草（WC）、白三叶草+黑麦草混播（WCR）、白三叶草+半量化肥（WC112N，112 kg N ha^?1）和全量化肥（224N，224 kg N ha^?1）。监测牧草产量、N₂O排放和径流氮损失，并通过实验室培养评估硝化抑制剂（DCD、DMPP）和脲酶抑制剂（NBPT）对白三叶残茬N₂O排放的抑制效果。

核心发现

1. 牧草产量与氮转移

   WC处理使百慕大草生物量较CLT增加38%，WC112N与224N产量无显著差异（9364 vs. 9478 kg ha^?1）。白三叶草通过根系和残茬转移47 kg N ha^?1至牧草，占其总生物量氮（93.5-126.5 kg N ha^?1）的40%-54%。但黑麦草混播（WCR）因竞争和矿化延迟导致牧草产量降低29%。

2. 氮流失途径

   • 径流损失：WC112N较224N减少NH₄⁺和NO₃^?径流损失30%-35%和11%-24%，主要因覆盖作物减少径流量。

   • N₂O排放：WC与224N的2年平均N₂O排放因子均为0.6%，表明白三叶固氮与化肥氮排放潜力相当。2018年WC处理排放达1451 g N ha^?1，峰值76.4 g N ha^?1 day^?1，与残茬低C:N比（19.1）促进矿化和厌氧微区形成有关。

3. 减排技术

   实验室中，DCD 100%和DMPP 10%分别降低白三叶残茬N₂O排放91%和77%，而NBPT无效。DMPP在等效浓度下抑制效果优于DCD，印证其作为高效硝化抑制剂的潜力。

实践意义

白三叶草冬季覆盖可替代50%化肥且维持产量，但需配合硝化抑制剂以控制N₂O排放。黑麦草混播虽减少21.9%的N₂O，但可能牺牲产量，需优化播种比例。研究为亚热带牧场低碳生产提供了“生物固氮+化学抑制”的双重策略，但需进一步验证大田适用性。