沼液替代化肥对农田温室气体排放影响的Meta分析：土壤特性与施肥策略的调控机制

《Environmental Technology & Innovation》：How biogas slurry irrigation replacing chemical fertilizers affects farmland greenhouse gas emissions—In-depth exploration with a meta-analysis

本研究通过整合32篇文献的152组数据，系统评估了沼液替代化肥对农田温室气体排放的影响。研究发现沼液施用总体会增加全球增温潜势，但在低肥力酸性土壤（pH≤3.33、有机质≤17.5 g kg-1）和高氮施用量（≥270 kg hm-2）条件下可有效减排。研究揭示了土壤质地、pH值、有机质含量及作物类型等关键调控因子，为农业温室气体减排提供了精准管理策略。

　　

在全球气候变化的严峻背景下，农业作为温室气体排放的重要来源，其施肥活动对环境的影响备受关注。化学肥料虽能显著提高作物产量，但其生产和使用过程会释放大量二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）等温室气体，加剧冰川融化、海平面上升等环境问题。与此同时，随着畜牧业规模扩大，大量畜禽粪便的处理成为难题。将畜禽粪便通过厌氧发酵转化为沼液，不仅可实现农业废弃物资源化利用，还能为农业生产提供绿色肥料选项。然而，关于沼液替代化肥对温室气体排放的影响，现有研究结果存在较大差异，缺乏系统评估。

为厘清这一科学问题，西北农林科技大学水利与建筑工程学院的研究团队在《Environmental Technology》上发表论文，通过Meta分析方法整合全球32项研究的152组数据，首次系统评估了沼液替代化肥对农田温室气体排放的综合影响。研究不仅量化了三种主要温室气体的排放变化，还深入分析了土壤特性、作物类型、施肥管理等10类影响因素的作用机制。

研究采用多数据库系统检索策略，从Web of Science、Elsevier等权威数据库中筛选符合标准的文献。通过计算响应比（lnRR）量化沼液处理组与化肥对照组在温室气体排放上的差异，采用随机效应模型进行效应量合并，并利用随机森林模型分析各影响因素的相对重要性。地理分布分析显示，62.5%的研究数据来自中国，确保了研究结果对中国农业实践的指导价值。

3.1 数据集概览

全球研究分布显示，中国是主要数据来源国（62.5%），其次为日本（13.8%）和德国（13.2%）。数据点在欧洲和东亚地区分布密集，而非洲和南美洲数据较少，反映了区域研究活跃度差异。温室气体排放和全球增温潜势的响应比均呈正态分布，表明数据集异质性合理。

3.2 沼液替代化肥对温室气体排放的整体影响

综合分析表明，沼液替代化肥使CH₄排放显著增加43%，CO₂排放增加19%，N₂O排放仅轻微增加2%。全球增温潜势总体增加12%，但不同情境下差异显著。其中CH₄排放增幅最大，与沼液为产甲烷菌提供丰富碳源有关。

3.3 土壤特性对替代效果的影响

细质地土壤因通气性差，CH₄排放效应量达0.29±0.16；中性土壤（pH 6.5-7.5）更利于N₂O排放（效应量0.26±0.23）；有机质≥20 g kg^-1的土壤CH₄排放效应量高达0.80±0.63。研究表明沼液更适用于贫瘠土壤，在改善土壤的同时减少温室气体排放。

3.4 作物类型与灌溉方式的影响

谷物类作物全球增温潜势效应量最低（0.05±0.07），而牧草类最高（0.35±0.30）。喷灌会显著增加CH₄排放（效应量0.77±0.60），而滴灌对温室气体促进作用最弱。

3.5 氮施用量与施肥频率的调控作用

当氮施用量≥230 kg hm^-2时，CO₂和N₂O排放效应量转为负值，表明高氮条件下沼液替代可减少排放。施肥频率≥3次时，全球增温潜势效应量降至0.07±0.09。

3.6 沼液来源与替代比例的影响

猪粪沼液对全球增温潜势的促进效应最弱（效应量0.04±0.08）。当替代比例为70%-100%时，全球增温潜势效应量最低（-0.12±0.24），而完全替代反而加剧增温效应。

3.7 影响因素相对重要性

随机森林分析显示，土壤质地、pH值、有机质和氮施用量是影响温室气体排放的关键因素，其%IncMSE值均显著高于其他因素。

3.8 关键因子与温室气体排放的关系

通过建立线性关系模型，研究发现当土壤pH≤3.33、有机质≤17.5 g kg^-1、氮施用量>270 kg hm^-2时，沼液替代可实现温室气体减排。这一阈值为精准施肥提供了理论依据。

研究结论表明，沼液替代化肥对温室气体排放的影响具有高度情境依赖性。在低肥力酸性土壤配合高氮用量条件下，沼液不仅能改善土壤质量，还能有效降低全球增温潜势。作物类型方面，谷物作物系统更适合推广沼液替代；施肥管理上，建议采用70%-100%替代比例、分≥3次施用的方式。这些发现为制定区域差异化沼液施用策略提供了科学依据，有助于在保障粮食安全的同时实现农业碳中和目标。

研究的创新性在于首次通过多因素交互分析，揭示了土壤-作物-管理措施协同调控温室气体排放的机制。尽管存在数据地理分布不均等局限，但研究提出的优化参数为沼液的科学施用提供了量化标准，对推动农业绿色转型具有重要实践价值。未来需结合长期定位试验，进一步验证不同生态区沼液替代的长期环境效应。