Nellore牛与水牛下的土壤碳氮动态

《Rangeland Ecology & Management》：Soil Carbon and Nitrogen Dynamics Under Nellore Cattle and Water Buffalo

　　

不同家畜物种能够改变热带牧场的土壤养分动态，但在季节性洪水系统中的这些效应仍缺乏充分记录。研究人员比较了墨西哥东南部一个季节性洪水、亚湿润热带牧场中洪水和非洪水放牧区下Nellore牛（Bos indicus）和地中海水牛（Bubalus bubalis）的土壤。研究人员评估了表层土壤总碳（C）、氮（N）和磷（P）库及无机库、潜在净碳矿化速率（PNCMR）和净氮矿化速率（NNM）、硝化作用（NN）、氨化作用（NA）、交换性盐基阳离子（Ca、Mg、K和Na），以及土壤理化性质（阳离子交换量（CEC）、交换性酸度（EA）、pH）。使用异方差一致性推断的线性模型评估了家畜物种、放牧区及其交互作用的影响，并通过主成分分析（PCA）和置换多元方差分析（PERMANOVA）检验了多变量模式。家畜物种似乎影响NH₄⁺、NO₃^-、PNCMR、C:N比和NNM。水牛土壤与较高的NH₄⁺、NO₃^-和PNCMR相关，而Nellore牛土壤与较高的NNM相关。放牧区影响了P-Bray、CEC以及交换性Ca和Mg，在洪水区域中数值更高。在PNCMR、C:N比、CEC、Na、Ca和Mg上检测到显著的家畜×放牧区交互作用，表明物种效应取决于水文背景。总体而言，研究人员的结果表明，家畜物种和洪水共同构建了热带牧场土壤的生物地球化学功能，尤其是碳周转、无机氮动态和阳离子保持。

**研究背景与问题**
在热带牧区，放牧活动对土壤养分循环的影响受到广泛关注，但不同有蹄类动物对土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）等关键养分转化和保留的机制仍不明确，尤其是在季节性洪水系统中。热带地区广泛采用大面积放牧，土壤往往贫瘠且养分有效性低，而季节性洪水与放牧压力相互作用，进一步塑造了土壤过程、植被动态和养分循环。水牛（Bubalus bubalis）适应湿润和洪水环境，而牛（Bos indicus）通常避免积水区域，这些行为与生理差异可能导致对土壤结构、微生物活动和养分通量的不同影响。然而，针对洪水条件下不同物种对土壤养分动态影响的实证比较研究极为匮乏。为此，研究人员在墨西哥东南部一个亚湿润热带牧场中，比较了Nellore牛和地中海水牛对表层土壤C、N、P库、无机氮形态、潜在净矿化速率、交换性盐基阳离子及理化性质的影响，并评估了洪水与非洪水区域的差异。研究假设物种间对养分有效性和转化过程具有不同影响，且水文条件会调节这些效应。该论文发表在《Rangeland Ecology》。

**主要技术方法**
研究采用时间序列对比方法，在墨西哥韦拉克鲁斯州两处相邻牧场（“La Ilama”和“Coralia”）进行，分别饲养水牛（约20年）和Nellore牛（长期）。土壤为Vertisols（黏土含量>60%），采用随机分层设计，按家畜类型和洪水区（Z1）/非洪水区（Z2）划分网格，每层10个采样点，共40个复合样本（0–20 cm）。主要方法包括：Leco TruSpec分析仪测定总C和N，硝酸-高氯酸消化法测定总P，KCl提取-蒸馏法测定铵（NH₄⁺）和硝酸盐（NO₃^-），Bray P1法测定有效磷（P-Bray）；通过20天恒温培养（25°C）测定潜在净碳矿化速率（PNCMR，CO₂-C捕获）和潜在净氮矿化速率（NNM）、硝化（NN）、氨化（NA）；EDTA滴定法测定阳离子交换量（CEC），原子吸收光谱法测定交换性Ca、Mg、K、Na，KCl提取法测定交换性酸度（EA），电位法测定pH。统计分析采用异方差一致性（HC3）线性模型及PERMANOVA。

**研究结果**
**家畜类型效应**
NH₄⁺和NO₃^-浓度受家畜类型显著影响，水牛土壤中二者均高于牛土壤。PNCMR和C:N比也在水牛土壤中更高，而NNM在牛土壤中更高。
**放牧区效应**
放牧区显著影响PNCMR、P-Bray、CEC以及交换性Ca和Mg，这些变量在洪水区中值均高于非洪水区。
**家畜类型与放牧区的交互作用**
交互作用显著影响PNCMR、CEC、EA、C:N比以及Na、Ca、Mg。Tukey检验显示：水牛-洪水区的PNCMR显著高于其他组合；水牛-非洪水区的CEC、Ca、Mg显著低于水牛-洪水区及牛-两个放牧区；牛-非洪水区的C:N比和EA与牛-洪水区有显著差异。
**多变量模式**
PCA前两轴解释43.1%方差（PC1:22.6%，PC2:20.5%），PNCMR、NH₄⁺、NO₃^-、P-Bray及盐基阳离子主要贡献PC1。PERMANOVA显示家畜类型、放牧区及交互作用对多变量土壤性质均有显著影响（P<0.001）。

**讨论与结论**
研究表明，PNCMR是家畜影响最一致的功能响应，水牛土壤中更高的C矿化可能与水牛粪便中更易降解的有机质及更高的微生物活性有关，且洪水区增强了该效应。家畜类型显著塑造了无机N动态：水牛土壤积累更多NH₄⁺和NO₃^-，但NNM较低，暗示N保留更强；而牛土壤中较高的NNM未伴随无机N积累，表明N转化与保留解耦。洪水与家畜的交互作用还影响了CEC、C:N比及盐基阳离子，水牛在洪水区增强了阳离子保留能力，而牛土壤中C:N比的空间变化与NNM耦合。P-Bray仅受洪水控制，表明水文过程主导P有效性。结论：家畜物种与洪水共同构建热带牧场土壤生物地球化学功能，尤其是C周转、无机N动态和阳离子保持。水牛可能成为洪水易发牧区的重要家畜选择，其利用湿润区域的行为与土壤养分循环过程相互作用。