牛群聚集热点对短草草原N2O和CH4通量的长期影响及其温室气体平衡效应

本研究针对半干旱短草草原中牛群聚集热点区域（如饮水点）长期（>75年）积累的排泄物输入对土壤N2O和CH4通量的遗留效应展开研究。通过对比传统持续放牧与适应性轮牧管理，发现热点区域贡献了牧场4-15%的N2O排放（单位面积排放量达中心区5-10倍），但CH4吸收仅2015年显著降低。研究首次量化了热点区域对牧场尺度温室气体平衡的贡献，为优化放牧管理提供科学依据。

　　

在全球气候变化背景下，半干旱草原作为重要的碳氮循环载体，其温室气体排放特征备受关注。牛群放牧过程中，牲畜排泄物不均匀分布形成的"热点区域"（如饮水点周边）长期积累大量氮素输入，可能显著改变土壤微生物活动和气体通量。然而，这些热点对N₂O（氧化亚氮）和CH₄（甲烷）通量的遗留效应及其对牧场尺度温室气体平衡的影响尚不明确。S.J. Del Grosso团队在《Nutrient Cycling in Agroecosystems》发表的研究，首次系统评估了超过75年牛群聚集对短草草原温室气体通量的长期影响。

研究采用传统持续放牧与适应性轮牧（AMP）对比设计，通过静态箱-气相色谱法连续三年（2015-2017）监测热点与中心区的气体通量。关键技术包括：1）GPS追踪牛群空间分布；2）土壤矿质氮（NH₄⁺和NO₃^-）动态监测；3）土壤体积含水量（WFPS）与温度同步测定；4）基于全球增温潜势（GWP）的CO₂当量换算。样本来自美国科罗拉多州CPER实验站的129.5公顷牧场，土壤以Ascalon细砂壤土为主。

土壤性质与矿质氮动态

基线数据显示热点区域0-10 cm土层容重显著增加（1.55-1.65 g cm^-3），土壤NO₃^-含量在传统放牧热点区比中心区高2-3倍（图1）。重复测量表明热点区矿质氮呈现"脉冲式"积累特征，尤其在2015年湿润春季后出现显著峰值（图2）。

N₂O排放特征

热点区域年累积N₂O排放量达中心区的5-10倍（图4），传统放牧热点区最高日通量达17 g N₂O-N ha^-1 d^-1（图3a）。值得注意的是，排放峰值多出现在植物氮需求降低的夏末秋初，2017年1月的冻融事件也引发显著脉冲。相关性分析显示排放与土壤WFPS仅呈弱相关（r²<10%），表明其受多因素协同调控（表2）。

CH₄吸收模式

CH₄通量主要呈现吸收特征，最大吸收速率出现在40% WFPS条件下（图5）。热点区仅在2015年表现出显著低于中心区的吸收量（-36 vs. -63 kg CO₂ eq. ha^-1 yr^-1），可能与当年异常降水有关（表3）。

牧场尺度平衡

尽管热点仅占牧场面积1.5-1.8%，其贡献了12-15%（传统）和4-18%（AMP）的N₂O排放。但整体上土壤CH₄吸收（5424-8061 kg CO₂ eq. yr^-1）抵消了N₂O排放（2176-3900 kg CO₂ eq. yr^-1），使系统表现为净温室气体汇。

该研究揭示了放牧系统非均匀氮输入对温室气体通量的长期塑造作用，证实适应性轮牧可通过减少热点使用（时间占比从23%降至12%）降低N₂O排放。成果为发展基于"虚拟围栏"等精准畜牧技术提供了理论依据，对实现草地可持续管理具有重要指导价值。