牧场尿液斑块模型：季节性氮淋失管理策略的优化与评估

针对牧场氮淋失(N leaching)问题，研究人员通过建立尿液斑块(urine patch)动态模型，评估了降低日粮氮摄入(dietary N intake)和增加排尿量(urination volume)等季节性管理策略的效果。研究发现，夏季至秋季(1-5月)将日粮氮减少30%可使氮淋失降低28%，而全年实施可减少40%。该研究为牧场精准环境管理提供了低成本解决方案。

　　

研究背景

在全球乳制品生产中，牧场氮循环失衡正引发严峻环境挑战。奶牛排泄的尿液在草地上形成高氮负荷的"尿液斑块"(urine patch)，其中尿素迅速转化为硝酸盐，通过淋溶作用污染地下水并导致水体富营养化。尽管现有研究提出了降低氮肥使用、调整载畜量等战略措施，但这些方法往往以牺牲生产效益为代价。更棘手的是，尿液排放的时空异质性（如"热点"和"热点时刻"）使得传统模型难以准确预测氮淋失动态。

研究开展

来自Abacusbio International Limited（英国）和DairyNZ Ltd（新西兰）的研究团队，基于Romera等人开发的APSIM（Agricultural Production Systems sIMulator）模型框架，构建了包含季节性参数的尿液斑块随机模拟模型。该研究创新性地整合了排尿量-斑块面积关系（受牧草高度影响）、尿液斑块重叠效应以及土壤背景氮残留等关键变量，通过4000次蒙特卡洛模拟评估了8种管理策略在不同季节的实施效果。

关键技术方法

研究采用新西兰林肯地区(-43.639, 172.441)牧场数据，模型输入参数包括：单次排尿量(2.87±0.7 L)、日排尿总量(34.4±11.9 L/day)、日粮氮摄入(590±92.1 g/day)等。通过Poisson分布模拟尿液斑块重叠，结合Romera方程计算相对氮淋失风险(Re_nl)，并引入纬度差异和环境调整参数(env_ad)修正区域气候影响。

研究结果

1. 模型验证

输入参数与文献数据吻合：单次排尿量(2.87 vs 2.5-2.8 L)、尿氮浓度(7.53 vs 5.5-12.8 g/L)、预测氮淋失量(28.16 vs 33.75-134 kg/ha)。模型成功再现了Chapman报道的坎特伯雷地区淋失季节性特征。

2. 管理策略效果

降低氮摄入：1-5月减少30%日粮氮使淋失降低28%（全年实施达40.3%），主要通过降低尿氮浓度(UN_conc)实现。

增加排尿量：同期增加40%日排尿量（保持总氮排泄不变）使淋失减少12.8%，稀释效应部分被斑块重叠抵消。

排尿频率与牧草高度：减少单次排尿量(-30%)或降低牧草高度(-2.5 cm)仅带来2.8%和0.2%的改善，因斑块重叠削弱了"扩散效应"。

3. 季节性差异

策略在1-3月实施效果最佳（单月淋失减少6-8%），5月实施效果可忽略（<1.4%），与Romera提出的淋失风险窗口期(1-5月)一致。

结论与意义

该研究首次量化了尿液特性调控对氮淋失的时空差异化影响，证明：1）降低尿氮浓度比扩大斑块面积更有效；2）关键期(1-5月)实施策略可获得全年70%的减排效果。这一发现为《新西兰乳业温室气体减排路线图》提供了重要支撑，通过精准干预"尿氮浓度"这一核心参数，可在保障生产的同时实现环境目标。未来研究需验证盐补充剂(salt supplementation)等实操手段的经济可行性，并探索植物代谢物对尿氮分配的调节机制。