围栏设计影响含杨树的放牧母猪系统土壤无机氮分布

《Nutrient Cycling in Agroecosystems》：Paddock design influences soil inorganic nitrogen distribution in a pasture-based sow system with poplar trees

　　

在放牧型生猪生产中，高量且分布不均的土壤无机氮（N-inorg）与低植被覆盖相结合会导致硝酸盐淋溶。引入树木可通过维持能确保氮（N）吸收的植被来缓解这一问题，但关于如何实施这一方法的认识有限。研究人员开展了一项农场试验，使用16个单头母猪围栏，内有三叶草-禾本科牧草和位于中央的杨树，以研究围栏设计对排泄行为、粪便覆盖面积、草本植被覆盖度及N-inorg分布的影响。在连续三批母猪中评估了四种处理，涉及48头哺乳母猪，组合了：1）树木管理——砍伐树木并将木片作为覆盖物施用于树下，或不管理树木；以及2）母猪资源位置——将猪舍和饲槽放置在树木同侧或对侧。在初始时、两批母猪后以及三批母猪后分别采集表土N-inorg浓度样品。排泄行为和粪便覆盖面积表明，与草地地带相比，树木地带内的氮沉积更高，但没有明显的处理效应。然而，在资源位于树木两侧的围栏中，N-inorg分布更为均匀，范围为41.9–44.2 kg N ha^-1，而非23.8–76.1 kg N ha^-1。较高的N-inorg量与较低的草本植被覆盖度相关。树木管理没有影响。这些发现表明，将杨树置于中央并在两侧设置猪舍/饲喂器的围栏系统可改善土壤N-inorg的分布，并可能减少氮淋溶。

**研究背景与目的**

放牧型生猪生产面临较高的氮（N）盈余，N盈余主要来自粪尿，易以氨（NH₃）挥发、氧化亚氮（N₂O）排放或硝酸盐（NO₃^-）淋溶形式损失。在丹麦等温带湿润气候和砂质土壤条件下，放牧猪围栏中N盈余的40%–90%可被淋溶，对地下水和地表水构成风险。猪只具有集中排泄的行为特性，导致在猪舍和饲喂区附近形成N“热点”，同时草本植被常被拱土和践踏破坏，进一步削弱植被对N的吸收。木本多年生植物（如杨树）抗损伤能力强，可在非生长季吸收N，并为猪只提供遮荫，因而被认为是减少N损失的措施之一。然而，树木如何影响猪的排泄行为以及土壤无机氮（N-inorg，包括硝态氮与铵态氮）分布，目前认知有限。研究人员据此开展农场试验，评估新的管理措施——树木管理（采伐并施用木片覆盖物）与资源位置（猪舍和饲槽位于树木同侧或对侧）对土壤N-inorg及其空间分布的影响，并假设将资源置于树木两侧可改善N分布，采伐加木片可降低树带土壤N-inorg。

**研究方法与关键技术**

在丹麦一个商业有机猪场进行了2023年4月至2024年3月试验。16个15 m×63 m的围栏各饲养一头哺乳母猪，杨树位于中央，放养密度10.6头母猪 ha^-1；试验设置4个处理组合，4个重复，涉及3批共48头哺乳母猪（其中43头完成全哺乳期）。因子包括：树木管理（TM：前一年砍树并在树下施用木片（WC）；TU：不管理）和资源位置（RS：猪舍与饲槽同侧；RO：对侧）。关键方法包括：观察记录排泄行为；每批结束后用1 m×1 m网格目测粪便覆盖面积；每月目测草本覆盖度；在3个采样日期（猪只引入前、两批后、三批后）按植被区采集0–20 cm表层土样，用2 M KCl提取后分光光度法测定NO₃^-和NH₄⁺浓度，合并为N-inorg；采用广义线性混合模型（GLMM，包含固定与随机效应的统计模型）进行统计分析，并计算表面氮平衡；用Spearman相关分析粪便覆盖面积、草本覆盖度与土壤N-inorg的关系。

**研究结果**

**场地条件**：年平均气温与10年均值相近，降水接近多年平均；表层土壤为粗砂土，粘粒4.7%，总C 2.0%，总N 0.14%，树带C、N含量比草地地带高1.3倍。

**表面氮平衡**：总饲料输入N为490（母猪）+219（仔猪）kg N ha^-1；考虑仔猪增重、母猪体重损失、垫料、大气沉降和生物固定后，表面N盈余为435 kg N ha^-1。

**母猪排泄行为**：共记录141次排泄事件，只受植被区影响；树带内排泄次数（31）显著高于草地A区（8）和C区（11）；超过一半的排尿和19/28的排便发生在树带。树木管理和资源位置无显著效应。

**粪便覆盖面积**：在连续批次中，树带内粪便覆盖面积高于草地地带，尤其在未管理树木（TU）时；管理树木（TM）的树带在批次1和3中粪便覆盖面积低于TU（21%–22%降至13%–15%），但可能受降雨冲入木片和落叶影响。

**草本覆盖度**：整个试验期先升后降；日期、区带、树木管理、资源位置有交互。RO使A区在6月和9月比RS高12和22个百分点；TM在2024年1月使两草地覆盖度比TU高12个百分点。

**土壤无机氮**：NO₃-N范围为1.4–18.5 kg ha^-1，NH₄-N为5.0–101.4 kg ha^-1。猪只存在期间，N-inorg LS均值从初始14.1 kg ha^-1增至两批后33.7 kg ha^-1、三批后44.7 kg ha^-1。引入猪前树带N-inorg显著高于草地地带。两批后，RS在A区（资源所在区）的N-inorg（44.2 kg ha^-1）显著高于B、C区；RO则在B、C区较高，A区较低，分布较均匀。三批后，RS在A区达到76.1 kg ha^-1，RO在A、B、C区间为41.9–44.2 kg ha^-1；C区RO高于RS（44.2 vs 23.8 kg ha^-1）。树木管理总体无显著效应，但表现出三批后跨区带增加N-inorg的趋势，并使草地A区NO₃-N降低（比值TM/TU=0.75）。

**粪便覆盖面积、草本覆盖度与土壤无机氮的关系**：NO₃-N与粪便覆盖面积呈中等正相关（r_s=0.27–0.28）；草本覆盖度与N-inorg强负相关（r_s=-0.72，以同日估计最高）。

**讨论**

观察到的排泄频率低于文献值，可能漏记清晨/夜间排泄；树带是主要排泄区，但粪便目测受木片和落叶干扰。草本覆盖在秋季大幅下降，说明鼻环不足以完全保护植被。土壤N-inorg值低于其他猪系统，可能与采样深度浅、鼻环、高降雨导致NO₃^-向下迁移、仔猪可自由活动有关。初始树带N较高可能来自落叶和先前猪只影响。资源位置通过改变猪舍位置和草本覆盖调节N分布；树木管理未降低N-inorg，原因是木片未被混入土壤、尺寸较大（1–5 cm）且C/N比（33）不足以引发微生物固定，树冠再生因锈病受损。木片在冬季后增加草本覆盖，可能通过转移猪的拱土行为实现。

**结论**

这项农场试验评估了一种在草地系统中纳入中央杨树的新型母猪围栏设计。正如假设的那样，通过将猪舍和饲槽分别放置在树木两侧来分离关键资源，改变了土壤无机氮的空间分布。这一布局使各植被区表层土壤无机氮的分布比将资源放在树木同侧更均匀。在三批母猪之后，分隔资源设计的各区域无机氮含量相近，而资源同侧布局则在同时包含饲料和猪舍的草地地带产生了明显的累积。在夏季和秋季，分隔资源有助于维持带有饲槽区域的草本覆盖。然而，资源位置对土壤无机氮的影响不能完全由草本覆盖解释，排泄行为观察数量可能太少，无法显示处理差异。树木管理（将树木砍至2米高并在表面施用粗木片）并未影响土壤无机氮，尽管预期碳输入和树木再生长会降低氮的有效性。木片在土壤中的有限混合、尺寸和碳氮比可能限制了这些效应。然而，冬季后草本覆盖增加表明木片将猪的拱土行为从草地地带转移开。总体而言，结果表明，将中央杨树与猪舍和饲喂设备的战略布局相结合，可通过猪的拱土和排泄行为改善土壤无机氮的空间分布，从而潜在地降低草地系统中硝酸盐淋溶的风险。