牲畜排泄物返还对草地土壤氮转化和氧化亚氮(N2O)排放的影响研究进展

杜子银,蔡延江,张 斌,洪江涛,王小丹,*

1 西华师范大学国土资源学院,南充 637009 2 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所,成都 610041 3 浙江农林大学环境与资源学院,杭州 311300

放牧是草地利用的主要方式之一,放牧牲畜不仅通过采食牧草和践踏土壤影响草地形态特征和物理结构[1—2],还会通过畜体对营养物质的转化和排泄物返还改变土壤化学特性和养分物质循环,从而影响草地生态系统健康状况。作为放牧行为的主要表现形式之一,牲畜粪尿排泄是对草地的一种天然的施肥措施,也是草地养分归还的一种重要途径,对于维持土壤肥力和植被生产力具有十分重要的生态学意义[3—4]。不容忽视的是,对于养分匮缺的脆弱且敏感的高寒天然草地生态系统而言,牲畜排泄物养分返还将显得尤为重要[5—6]。

1 牲畜排泄物降解及其氮素变化

放牧牲畜吸收利用的养分只占其消化量的很小一部分,其中大部分养分会以粪便和尿液形式返还到草地生态系统中。粪尿排泄物(尤其是尿液)中含有大量的氮,因此尿斑和粪斑沉积使得其成为重要的氮素转化的活跃点位[25]。研究表明,牲畜以粪尿形式返还的氮大部分(约占90%)为有机氮,通常要在动物和微生物等作用下转化为无机氮才能被植物有效吸收利用[26]和进一步参与土壤氮转化过程[27]。由于初始的牲畜粪便和尿液斑块氮素形态及含量较为不同,从而导致其降解过程中氮素释放特征和变化规律表现有一定差异[28],进而可能引起草地土壤不同氮素形态、含量和氮转化过程的差异。因此,明确牲畜粪尿排泄物自身降解过程及其氮素变化特征是进一步解析其对草地土壤氮素动态、氮转化过程和N2O排放影响和作用机制的前提,有助于从排泄物氮素输入环节探究其对草地土壤氮素有效性及氮转化过程的贡献(图1)。总体而言,牲畜粪尿自身氮素过程主要包括4个方面,即氮的矿化、氨化、硝化和反硝化[29]。

图1 牲畜粪尿自身氮素过程及其对土壤内部系统氮转化关键过程的影响示意图Fig.1 Schematic diagram illustrating the livestock excretion nitrogen process and its effects on nitrogen transformation in soil system

1.1 氮的矿化作用

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 牲畜粪尿返还对草地土壤氮转化过程的影响

在草地生态系统中,氮的生物地球化学循环主要包括氮素向生态系统输入和从生态系统输出的外循环过程,以及氮素化学形态的转变和在系统中不同库之间迁移的内循环过程[7]。其中,氮的矿化、固持、硝化、反硝化、牲畜排泄物返还以及植物氮吸收等被认为是氮素内循环过程的重要体现[78]。通常,牲畜粪便排泄到地表,在降水、淋溶、粪食性动物活动等作用下进入土壤中,通过对土壤微生物活性和生物量、微生物功能基因丰度、微生物数量和群落结构等产生重要影响从而调控土壤相关氮素转化过程[4]；而尿液排泄物输入草地土壤则可能通过快速改变土壤氮素供应和氧化还原条件从而影响土壤内部氮素迁移转化(图1)。

2.1 对土壤氮矿化和固持的影响

2.2 对土壤氮硝化和反硝化的影响

对于草地生态系统而言,牲畜粪尿施加可能通过调控土壤pH、含水量、通气性、矿化氮和有效碳含量以及微生物活性等从而改变土壤硝化和反硝化速率,进而影响土壤氮素有效性、植被氮吸收量和氮素生物地球化学循环过程(图1)。

3 牲畜粪尿返还对草地土壤N2O排放的影响

图2 2000年全球牲畜系统N2O排放量Fig.2 Global N2O emission from animal wastes in 2000数据来源于Oenema等[99]估算

图3 草地排泄物氮量及N2O排放量变化 Fig.3 Variation of nitrogen input and N2O emission from grassland 数据来源于Bouwman等[17]估算

4 结论与展望

放牧牲畜粪尿作为草地生态系统重要的氮素来源,在维持草地氮素平衡和植被生产力以及影响土壤N2O排放等方面发挥着不容忽视的重要作用。牲畜粪便和尿液因其自身斑块形状、物理化学特性、降解过程和氮释放特性及其差异性等,导致其施加到草地土壤时会不同程度地改变土壤自身氧化还原条件、氮素含量及其形态特性,从而可能引起土壤氮转化关键过程及其N2O排放微生物作用机制的差异性响应。未来的研究应重点关注：(1)气候变化背景下,草地生态系统不同类型牲畜排泄物降解过程与氮素释放规律之间的关系及影响因素；(2)牲畜粪便和尿液不同的氮素返还效率下,草地土壤氮素矿化、固持、硝化和反硝化等关键过程和N2O排放的响应特性及微生物调控机制；(3)牲畜粪尿排泄物返还对于养分匮缺的脆弱草地生态系统氮素生物地球化学循环过程的影响效应及其对土壤N2O排放的贡献和时空差异性,以期为深化放牧牲畜排泄物返还与草地生态系统氮素迁移转化关系的理论探究和科学评估区域至全球尺度不同类型排泄物返还的生态环境效应,进而优化排泄物管理策略模式提供有益参考和理论指导。