牲畜排泄物返還對草地土壤氮轉化和氧化亞氮(N2O)排放的影響研究進展

杜子銀,蔡延江,張 斌,洪江濤,王小丹,*

1 西華師范大學國土資源學院,南充 637009 2 中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所,成都 610041 3 浙江農林大學環境與資源學院,杭州 311300

放牧是草地利用的主要方式之一,放牧牲畜不僅通過采食牧草和踐踏土壤影響草地形態特征和物理結構[1—2],還會通過畜體對營養物質的轉化和排泄物返還改變土壤化學特性和養分物質循環,從而影響草地生態系統健康狀況。作為放牧行為的主要表現形式之一,牲畜糞尿排泄是對草地的一種天然的施肥措施,也是草地養分歸還的一種重要途徑,對于維持土壤肥力和植被生產力具有十分重要的生態學意義[3—4]。不容忽視的是,對于養分匱缺的脆弱且敏感的高寒天然草地生態系統而言,牲畜排泄物養分返還將顯得尤為重要[5—6]。

1 牲畜排泄物降解及其氮素變化

放牧牲畜吸收利用的養分只占其消化量的很小一部分,其中大部分養分會以糞便和尿液形式返還到草地生態系統中。糞尿排泄物(尤其是尿液)中含有大量的氮,因此尿斑和糞斑沉積使得其成為重要的氮素轉化的活躍點位[25]。研究表明,牲畜以糞尿形式返還的氮大部分(約占90%)為有機氮,通常要在動物和微生物等作用下轉化為無機氮才能被植物有效吸收利用[26]和進一步參與土壤氮轉化過程[27]。由于初始的牲畜糞便和尿液斑塊氮素形態及含量較為不同,從而導致其降解過程中氮素釋放特征和變化規律表現有一定差異[28],進而可能引起草地土壤不同氮素形態、含量和氮轉化過程的差異。因此,明確牲畜糞尿排泄物自身降解過程及其氮素變化特征是進一步解析其對草地土壤氮素動態、氮轉化過程和N2O排放影響和作用機制的前提,有助于從排泄物氮素輸入環節探究其對草地土壤氮素有效性及氮轉化過程的貢獻(圖1)。總體而言,牲畜糞尿自身氮素過程主要包括4個方面,即氮的礦化、氨化、硝化和反硝化[29]。

圖1 牲畜糞尿自身氮素過程及其對土壤內部系統氮轉化關鍵過程的影響示意圖Fig.1 Schematic diagram illustrating the livestock excretion nitrogen process and its effects on nitrogen transformation in soil system

1.1 氮的礦化作用

1.2 氮的氨化作用

1.3 氮的硝化作用

1.4 氮的反硝化作用

2 牲畜糞尿返還對草地土壤氮轉化過程的影響

在草地生態系統中,氮的生物地球化學循環主要包括氮素向生態系統輸入和從生態系統輸出的外循環過程,以及氮素化學形態的轉變和在系統中不同庫之間遷移的內循環過程[7]。其中,氮的礦化、固持、硝化、反硝化、牲畜排泄物返還以及植物氮吸收等被認為是氮素內循環過程的重要體現[78]。通常,牲畜糞便排泄到地表,在降水、淋溶、糞食性動物活動等作用下進入土壤中,通過對土壤微生物活性和生物量、微生物功能基因豐度、微生物數量和群落結構等產生重要影響從而調控土壤相關氮素轉化過程[4]；而尿液排泄物輸入草地土壤則可能通過快速改變土壤氮素供應和氧化還原條件從而影響土壤內部氮素遷移轉化(圖1)。

2.1 對土壤氮礦化和固持的影響

2.2 對土壤氮硝化和反硝化的影響

對于草地生態系統而言,牲畜糞尿施加可能通過調控土壤pH、含水量、通氣性、礦化氮和有效碳含量以及微生物活性等從而改變土壤硝化和反硝化速率,進而影響土壤氮素有效性、植被氮吸收量和氮素生物地球化學循環過程(圖1)。

3 牲畜糞尿返還對草地土壤N2O排放的影響

圖2 2000年全球牲畜系統N2O排放量Fig.2 Global N2O emission from animal wastes in 2000數據來源于Oenema等[99]估算

圖3 草地排泄物氮量及N2O排放量變化 Fig.3 Variation of nitrogen input and N2O emission from grassland 數據來源于Bouwman等[17]估算

4 結論與展望

放牧牲畜糞尿作為草地生態系統重要的氮素來源,在維持草地氮素平衡和植被生產力以及影響土壤N2O排放等方面發揮著不容忽視的重要作用。牲畜糞便和尿液因其自身斑塊形狀、物理化學特性、降解過程和氮釋放特性及其差異性等,導致其施加到草地土壤時會不同程度地改變土壤自身氧化還原條件、氮素含量及其形態特性,從而可能引起土壤氮轉化關鍵過程及其N2O排放微生物作用機制的差異性響應。未來的研究應重點關注：(1)氣候變化背景下,草地生態系統不同類型牲畜排泄物降解過程與氮素釋放規律之間的關系及影響因素；(2)牲畜糞便和尿液不同的氮素返還效率下,草地土壤氮素礦化、固持、硝化和反硝化等關鍵過程和N2O排放的響應特性及微生物調控機制；(3)牲畜糞尿排泄物返還對于養分匱缺的脆弱草地生態系統氮素生物地球化學循環過程的影響效應及其對土壤N2O排放的貢獻和時空差異性,以期為深化放牧牲畜排泄物返還與草地生態系統氮素遷移轉化關系的理論探究和科學評估區域至全球尺度不同類型排泄物返還的生態環境效應,進而優化排泄物管理策略模式提供有益參考和理論指導。