《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Greenhouse Gas Emissions from Deferred Ipypor? Grass Pastures Fertilized with N-Enriched Organomineral Biochar
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可持续的牧场集约化需要在限制温室气体（GHG）排放的同时实现高效的氮（N）利用。本研究评估了基于生物炭的含氮有机矿物肥料（OMF-N）对休牧管理下Ipypo?草（Urochloa ruziziensis × Urochloa brizantha）的温室气体排放
可持续的牧场集约化需要在限制温室气体（GHG）排放的同时实现高效的氮（N）利用。本研究评估了基于生物炭的含氮有机矿物肥料（OMF-N）对休牧管理下Ipypo?草（Urochloa ruziziensis × Urochloa brizantha）的温室气体排放、氮素利用效率（NUE）和牧草积累的影响。研究于2022年和2023年进行，采用随机完全区组设计，设置四次重复。共评估七个处理：未施肥对照、施尿素40和80 kg N ha?1、OMF-N 1:2 40和80 kg N ha?1、以及OMF-N 1:4 40和80 kg N ha?1。施肥后30天内，使用静态箱监测氧化亚氮（N?O）和甲烷（CH?）通量。CH?通量保持较低水平，且多次为负值，表明多个采样日土壤表现为净吸收CH?。施氮后N?O排放增加，2023年的累积排放量高于2022年。与尿素相比，等氮量下OMF-N并未减少累积N?O排放。排放因子（EF）在2022年平均为0.31%，2023年为0.78%，均低于政府间气候变化专门委员会（IPCC）1%的默认值。在气体监测期间，施用OMF-N 1:2和1:4 80 kg N ha?1处理的牧草积累量（FA）显著高于未施肥对照。氮素利用效率不受施肥策略影响，但2022年高于2023年。总体而言，在亚马逊生物群落的热带条件下，OMF-N在80 kg N ha?1施用量下提高了短期牧草积累量，但在N?O减排或氮素利用效率方面并未表现出优于尿素的明显优势。
一、研究背景
全球气温正逼近临界阈值，主要由大气中温室气体（GHG）如甲烷（CH?）和氧化亚氮（N?O）浓度上升驱动。畜牧业生产系统面临提高牧草生产力同时减少农业实践相关温室气体排放的双重压力。在热带牧场中，提高氮素利用效率（NUE）尤为重要，因为氮的有效性强烈影响牧草产量，而氮肥也是具有高全球增温潜势的N?O的主要来源。休牧管理是一种缓解旱季牧草短缺的策略，其成功依赖于低茎秆积累和高绿叶保持力的牧草品种。然而，关于Ipypo?草（Urochloa ruziziensis × Urochloa brizantha）在休牧条件下的信息仍然有限，尤其是在亚马逊生物群落中。传统氮肥可能导致大量氮损失和N?O排放，因此需要改进氮素利用效率的策略。基于生物炭的有机矿物肥料因其改善氮素保持和调节养分释放的潜力而备受关注。研究人员假设，与尿素施肥相比，施用基于生物炭的含氮有机矿物肥料（OMF-N）将提高氮素利用效率和相对牧草积累量，同时减少N?O和CH?排放。因此，本研究旨在评估OMF-N对亚马逊生物群落休牧管理下Ipypo?草牧场的温室气体排放、氮素利用效率和相对牧草积累量的影响。
二、关键技术方法
- 1.
生物炭制备与肥料配制：生物炭由锯木厂残留物经缓慢热解（450°C，40分钟）并水蒸气活化制得。OMF-N肥料通过将生物炭与尿素按质量比1:2和1:4混合并造粒而成，分别获得氮含量为32%和36%的颗粒肥料。
- 2.
实验设计与田间管理：试验于2022年和2023年在巴西马托格罗索州Sinop的Embrapa Agrossilvipastoril进行（亚马逊生物群落）。采用随机完全区组设计，四次重复。共设七个处理：未施肥对照、尿素40和80 kg N ha?1、OMF-N 1:2 40和80 kg N ha?1、OMF-N 1:4 40和80 kg N ha?1。Ipypo?草于2021年1月播种，行距45厘米。休牧期从施肥日开始，持续至9月。
- 3.
温室气体（GHG）测定：施肥后30天内，使用通风底座-顶部式矩形静态箱监测N?O和CH?通量。气体样品通过气相色谱法（GC-2014, Shimadzu?）分析，配备电子捕获检测器（ECD）。通量计算基于线性调整模型，并据此计算累积排放量和排放因子（EF）。
- 4.
土壤属性分析：在气体采集日同步采集0-10厘米土层样品，测定pH、无机氮形态（硝酸盐NO??和铵盐NH??）及水分填充孔隙度（WFPS）。NO??和NH??的提取使用1 mol L?1 KCl溶液，并通过微孔板分光光度法测定。
- 5.
牧草积累量与氮素利用效率（NUE）计算：在196天休牧期内每28天评估牧草质量，计算牧草积累量（FA）和相对牧草积累量（RFA）。植物氮含量采用凯氏定氮法（Kjeldahl method）测定，并据此计算NUE。
三、研究结果
3.1 牧草积累量（Forage Accumulation）
在气体评估期间，施用OMF-N 1:2 80和OMF-N 1:4 80处理的牧草积累量显著高于未施肥对照。这表明高剂量OMF-N促进了干物质积累，突出了氮作为热带禾本科植物生长限制因子的作用，以及生物炭作为缓释养分供应源的优势。
3.2 气象与土壤属性
2022年试验期降水较少，而2023年降水量显著更高。两年评估期间，土壤WFPS范围约为63%-70%。土壤pH随时间变化，但各施肥策略间无一致模式。施氮后土壤NO??浓度升高，随后下降。2022年施氮后土壤NH??浓度短暂升高，而2023年NH??浓度极低。
3.3 N?O和CH?通量
所有处理下CH?通量均保持较低水平，并在多个日期出现负值，表明土壤为净CH?汇。施氮后N?O通量迅速增加，2023年的峰值较2022年更为显著。最高N?O通量出现在不同年份的不同OMF-N处理中。对照处理的N?O通量始终较低，无显著排放峰。
3.4 相对牧草积累量、累积N?O排放与排放因子
施肥策略和年份显著影响排放因子（EF），两者无交互作用。2023年的平均EF（0.78%）高于2022年（0.31%）。OMF-N 1:4 40、OMF-N 1:2 40和尿素40处理的EF最高，但均低于IPCC 1%的默认值。相对牧草积累量在各施肥策略和年份间无显著差异。氮素利用效率不受施肥策略影响，但2022年（20.13%）显著高于2023年（8.72%）。累积N?O排放受施肥策略、年份及其交互作用的显著影响。2023年的平均累积排放量（50.78 mg N m?2）显著高于2022年（19.57 mg N m?2）。在所有施肥策略中，2023年的累积排放量均高于2022年。
四、讨论与结论
讨论部分总结：
研究表明，高剂量OMF-N可提高短期牧草积累量，这归因于生物炭减缓养分释放的特性。N?O排放模式符合热带土壤特征，即施肥后出现短暂的排放高峰，且2023年更高的降雨量和土壤湿度条件导致了更显著的排放。尽管OMF-N具有延迟氮释放的物理化学特性，但其并未在田间条件下持续降低N?O排放，这与先前在控制条件下的研究结果不同，表明环境条件（特别是土壤湿度）在调控N?O响应中起主导作用。CH?通量主要表现为净吸收，施肥仅引起短暂波动。所有处理的排放因子均低于IPCC默认值，与巴西其他研究报道的范围一致。氮素利用效率不受施肥策略影响，表明在评估条件下，用OMF-N替代尿素并未提高氮转化为牧草生物量的效率。总体而言，生物炭基OMF-N在本研究的亚马逊热带休牧牧场条件下，相较于传统尿素，未能提供明显的N?O减排或氮素利用效率优势。
研究结论部分翻译：
总之，在亚马逊生物群落的休牧Ipypo?草牧场中，与尿素相比，基于生物炭的有机矿物肥料（OMF-N）并未减少累积氧化亚氮（N?O）排放。监测期间甲烷（CH?）通量主要为低值或负值，表明土壤为净CH?汇。与未施肥对照相比，施用OMF-N 1:2和OMF-N 1:4 80 kg N ha?1增加了气体监测期间的牧草积累量；然而，这些处理与其他施氮策略并无差异。相对牧草积累量和氮素利用效率不受氮（N）施肥策略影响。试验年份影响了N?O排放和氮素利用效率，2023年累积N?O排放更高，氮素利用效率更低。因此，在本研究条件下，与常规尿素相比，基于生物炭的OMF-N配方并未带来更大的N?O减排效果或氮素利用效率。需要进行更长监测周期的进一步研究，以确定生物炭理化性质和肥料配方的改变能否改变亚马逊生物群落热带休牧牧场的氮动态和温室气体排放。
