液体奶牛粪土地施用方式对粉砂壤土NH3排放、NO3-淋失及玉米青贮产量的权衡影响

《Journal of Agriculture and Food Research》：Effects of Manure Land Application Practices on Ammonia Emissions and Nitrate Leaching in a Silt Loam Soil

　　

• 粪肥混入（incorporation）和注入（injection）分别使氨（NH₃，ammonia）排放降低61–91%和>99%。
• 粪肥地下放置（subsurface placement）使硝酸盐（NO₃^-，nitrate）淋失增加，增加量相当于施用粪肥氮（N，nitrogen）的28–64%。
• 权衡显示，NH₃减排将N损失从空气转移，增加地下水污染的潜在风险。
• 表面施用粪肥产生的产量与无粪肥对照（NoM）相似。

研究背景：奶牛粪是植物养分尤其是氮（N，nitrogen）的重要来源，奶牛每年通过粪尿排泄50–130 kg N。粪N包括有机和无机组分，无机N主要为铵（NH₄⁺，ammonium），易转化为氨（NH₃，ammonia）挥发。过去几十年区域和全球大气NH₃浓度上升，农业活动占全球NH₃排放超过81%，北美2008—2018年NH₃水平每年增加2.4%。畜牧生产约占美国NH₃排放60%，合成肥料另占20%。NH₃与硫和氮氧化物反应形成细颗粒物（PM_2.5），可深入肺部并带来呼吸、心血管和早死风险；大气NH₃再沉降可导致营养富集、土壤酸化和生态失衡。粪N还以氧化亚氮（N₂O，nitrous oxide）排放，其100年全球增温潜势约为二氧化碳（CO₂，carbon dioxide）的273倍。硝酸盐（NO₃^-，nitrate）在土壤中高度移动，可淋失污染地下水并促进地表水富营养化。粪肥管理连续体中，土地施用后总N损失通常为20–40% NH₃、1–4% N₂O和1–25% NO₃^-，部分土地施用排放可高达90%。已有减排措施包括注入、混入和脲酶抑制剂（UI，urease inhibitor），但其对N₂O、NO₃^-淋失、氮利用效率（NUE，nitrogen use efficiency）和玉米青贮产量的权衡尚不明确，因此研究人员开展本研究。

研究人员开展两年田间研究，2024和2025年在University of Wisconsin-Madison Arlington Agricultural Research Station进行，土壤为Plano粉砂壤土（silt loam）。处理包括粪肥注入15 cm（INJ）、施用后1小时内混入（INC）、加UI注入（INJ_UI）、加UI表面撒施（SURF_UI）、表面撒施（SURF）和无粪对照（NoM）。液体奶牛粪目标施用率为94 m³ ha^-1。研究结论表明，注入和混入有效降低NH₃排放，但增加NO₃^-淋失，并在某些情况下增加N₂O排放，存在减排与环境损失之间的权衡；NO₃^-淋失是最大环境N损失途径。其意义在于，NH₃减排策略需与减少N淋失的补充措施整合，并同时管理现有土壤N。

关键技术方法概述（不超过250字）：两年田间试验在University of Wisconsin-Madison Arlington Agricultural Research Station的Plano粉砂壤土进行。液体奶牛粪取自University of Wisconsin-Madison Emmons Blaine Dairy Cattle farm开放粪肥储存。六处理四重复：INJ、INC、INJ_UI、SURF_UI、SURF、NoM。NH₃和N₂O采用动态箱结合傅里叶变换红外（FTIR，Fourier Transform Infrared）气体分析仪测定；NO₃^-淋失采用90 cm离子交换树脂捕获；测定土壤无机N、玉米青贮产量与品质、NUE，并设尿素N率试验估算农学最佳施氮量（AONR，agronomic optimum N rate）。

研究结果：
3.1 生长季天气条件和研究结束时土壤性质：2024年4—10月总降水836 mm、平均温度16.4°C，较32年平均更湿暖；2025年降水507.3 mm、平均温度16.0°C，也高于平均但降水少于2024。研究结束时，土壤化学性质在各年内无处理效应。2024年INJ和INC的平均土壤有机质（SOM，soil organic matter）、总碳（TC，total carbon）、总氮（TN，total nitrogen）和无机N略高于SURF和NoM；2025年所有处理土壤pH、SOM、TC和TN普遍较低。
3.2 NH₃和N₂O排放：施用后96小时内NH₃损失顺序为SURF=SURF_UI>INC>INJ_UI/INJ≈NoM。SURF平均累计排放2024年为7 kg ha^-1，2025年为18.2 kg ha^-1。地下放置降低NH₃排放。SURF_UI未显著降低NH₃，因总氨态氮（TAN，total ammoniacal N）占TN的57%和61%，表明尿素可能在施用前已水解，N-(n-butyl)thiophosphoric triamide（NBPT）可作用底物有限。N₂O排放无显著处理差异；2025年粪处理高于NoM，占粪N约1–3%。
3.3 生长季内无机N和累积NO₃^-淋失：2024年施用后NH₄⁺短暂升高后下降；施用后9天，0–15 cm无机N在INC和INJ_UI最高，分别为50.1和73.6 mg kg^-1。5—6月降雨期，15–30和30–60 cm矿质N增加，表明向下移动。NO₃^-淋失2024年高于2025年。2024年INC累积淋失108.4 kg ha^-1，比SURF高37%；相对NoM，INC增加89%、INJ增加82%、INJ_UI增加59%、SURF和SURF_UI增加38%。地下施用增加NO₃^-淋失。
3.3 氮利用效率、玉米青贮产量和品质：2024年青贮干产量为22.6–25.9 Mg ha^-1，处理差异较小；2025年INJ产量最高，为18.2 Mg ha^-1，N吸收为165.2 kg N ha^-1，显著高于SURF和NoM。SURF与NoM产量相似。粗蛋白（CP）、酸性洗涤纤维（ADF）、中性洗涤纤维（NDF）、总可消化养分（TDN）和维持净能（NEM）等品质指标未响应粪肥施用方式。
3.4 作物N响应和最佳玉米青贮N率：2024年试验田对N率无显著响应；2025年有显著响应。AONR为NoM 181、SURF 177、SURF_UI 175、INJ 103、INJ_UI 105、INC 138 kg ha^-1。地下施用降低AONR，但NO₃^-淋失较高。
3.5 总体实测N损失：NO₃^-淋失是最大环境N损失途径，超过NH₃挥发和N₂O排放。2024年起始土壤无机N高达196.8 kg ha^-1，2025年为90.1 kg ha^-1；2024年原有N库约占总NO₃^-淋失的50%。NoM对照的NO₃^-淋失也较高。

讨论部分总结：地下施用减少NH₃挥发，但增加NO₃^-淋失，并可能增加总N损失。UI效果不一致，因NBPT仅作用于尚未水解的尿素，而储存粪中TAN比例高，且UI田间持久性有限。N₂O排放量较小，UI无一致影响。地下施用增强土壤—植物系统N保持和作物N供应，但增大土壤NO₃^-池，提高水文N损失风险。粪肥放置未改变玉米青贮品质。AONR置信区间较宽，处理差异需谨慎解释。NoM淋失较高表明需管理现有土壤N。综上，需将NH₃减排与减少NO₃^-淋失措施整合。

研究结论翻译：与SURF相比，含或不含UI的粪肥注入（INJ和INJ_UI）及混入（INC）有效降低NH₃排放。地下粪肥措施减排在某些情况下改善作物N有效性和玉米青贮产量，但变异较大。在本研究所用粪肥施用速率下，粪肥放置未影响玉米青贮品质。然而，NH₃减排收益在某些情况下伴随NO₃^-淋失和N₂O排放增加。这表明在这些实验条件下的粉砂壤土中，注入和混入的NH₃减排措施可能增加N淋失，存在权衡。在所有处理和各年份中，NO₃^-淋失是环境N损失最大途径，超过NH₃挥发和N₂O排放。一个重要注意点是NoM对照中NO₃^-淋失相对较高，表明N淋失管理也需要管理现有土壤N。这些发现强调，将液体粪肥施用中的NH₃减排策略与减少N淋失的补充措施整合，以优化种植系统中的粪肥N并促进环境可持续性。