温带奶牛场生产草地氨通量的时空格局及其对氮循环的影响

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Spatiotemporal patterns of ammonia fluxes on temperate dairy farm production grassland ( Lolium perenne L.)

本研究针对畜牧业和施肥活动导致氮循环失衡、景观从NH3汇转为净源的问题，通过在荷兰奶牛场生产草地部署新型自动动态通量箱，量化了全年NH3通量的时空变异。研究发现生长季（3-9月）NH3排放占总损失的99.6%，年净排放达12 kg NH3-N ha?1，其中粪浆施用后高温干燥天气会显著增加排放。该研究为通过优化施肥时机降低NH3排放提供了关键数据支撑，对实现农业氮管理可持续性具有重要意义。

　　

在人类活动日益频繁的今天，农业尤其是畜牧业和化肥施用正在剧烈改变着自然的氮循环。大量活性氮（Nr）被释放到大气中，不仅导致地球生物化学流动的“行星边界”被突破，更通过大气沉降对生态系统造成严重负担。其中，氨（NH₃）作为主要的贡献者，其排放与沉降动态尤为关键。理论上，草地可以充当NH₃的汇，但畜牧活动和施肥往往会逆转这一角色，使其成为净排放源。在荷兰，超过23%的土地用于生产草地，奶牛业更是NH₃排放的主导来源，约60%的自然保护区承受着超过临界负荷的氮沉降。尽管大尺度的NH₃通量研究已较为充分，但针对单个点源（如奶牛场）的小尺度研究仍显不足，传统方法在非均匀地表测量中可能引入偏差。为此，Claudia C. Schwennen等研究人员在《Agriculture, Ecosystems 》上发表论文，通过创新性的通量箱技术，系统揭示了温带奶牛场生产草地上NH₃通量的精细时空格局。

研究团队在荷兰弗里斯兰省的一个商业奶牛场开展了为期一年的观测。该场地地势平坦，周围1公里内无其他干扰源，主要植被为多年生黑麦草（Lolium perenne L.）。研究采用三台自动动态通量箱（ECO₂Flux版本3.0）进行连续监测，每台箱体覆盖0.31平方米，配备氟化乙烯丙烯（FEP）薄膜内壁以减少NH₃吸附。箱内集成传感器实时记录光合有效辐射（PAR）、空气与土壤温度、土壤含水量等参数。环境空气通过加热FEP管路泵送至ABB-LGR超便携氨分析仪（UAA），以每秒2 ppb的精度测量NH₃浓度。同时，现场气象站持续监测风速、降水、湿度等指标。为模拟实际管理，研究者在箱体周围精准复刻了农民的割草、粪浆注入（ slurry injection）和人工施肥（AF，如硝酸铵钙CAN）等操作，避免“岛屿效应”干扰。此外，通过手动通量箱沿主导风向下风向（NE）和上风向（SW）布设 transect（横断面）测量，评估空间变异。通量计算采用线性模型与Hutchinson-Mosier非线性模型的混合策略，确保低通量和高通量情景下的准确性。

3.1 时间变异性

3.1.1 管理实践后的NH₃通量

粪浆施用后立即出现尖锐的NH₃排放峰，峰值可达34.3 μg NH₃-N m^?2s^?1，并在30-70小时内呈指数下降。四次粪浆施用的氮损失比例分别为5.7%、4.7%、8.9%和1.0%，其中8月末施用因环境湿度高、土壤含水量低，排放显著减弱。人工施肥（CAN）未引发显著通量变化，割草操作也未明显改变NH₃收支。

3.1.2 全年NH₃-N通量

生长季（3-9月）贡献了全年99.6%的净排放，月平衡最高达5.7 kg ha^?1，而秋冬季通量接近零。年净排放为12 kg NH₃-N ha^?1，其中粪浆施用后两周内的排放占10 kg，其余44周仅2 kg。相关性分析表明，太阳辐射与通量正相关（R=0.43），相对湿度负相关（R=-0.44），降水或叶片湿润时通量趋近于零。

3.2 空间变异性

7月测量显示，靠近牛舍处（NE向）以排放为主，远距离处通量稳定在零附近；SW向则呈现沉积主导，且随距离增加沉积增强（R=-0.51）。9月和10月的模式发生反转，SW向在125-250米处出现排放趋势。空间异质性受风速、植被状况及大气NH₃浓度梯度共同影响。

研究结论强调，温带生产草地在粪浆驱动下表现为NH₃的净源，排放高度集中于管理事件后的短暂窗口。通过优化施肥时机（如避开高温干燥条件），可显著降低NH₃挥发，为农场级氮管理提供实践路径。该研究不仅填补了点源尺度通量监测的空白，其创新的通量箱方法也为未来精细化氮循环研究树立了标杆。