牛粪浆高效分离技术对提升草地生产力及减少氮损失的协同效益研究

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Increasing grassland productivity and reducing environmental N losses – Multiple benefits of advanced cattle slurry separation

本研究针对农业系统温室气体排放和土壤碳损失问题，通过为期两年的田间观测，揭示了棉花-小麦-休耕轮作系统中不同土壤位置（垄、灌溉沟、非灌溉沟）的N2O、CO2和CH4排放规律。研究发现，棉花季N2O排放因子为0.86%，且沟渠存在显著的氮素迁移与排放；整个轮作周期净损失土壤碳约4.1 t C ha-1。该研究强调了优化施肥与休耕管理对实现农业碳中和的重要性，为改进温室气体排放模型和制定可持续农业策略提供了关键数据支撑。

　　

农业是全球温室气体排放的重要来源之一，其中氧化亚氮（N₂O）和二氧化碳（CO₂）的排放尤为显著。在灌溉农业系统中，如澳大利亚的棉花产业，氮肥的施用和灌溉管理对温室气体排放有着直接而复杂的影响。传统的温室气体通量观测多集中于作物垄上，忽略了田间不同微地形（如灌溉沟、非灌溉沟）可能存在的巨大差异。这种测量上的局限性限制了我们全面理解农田生态系统中碳、氮循环的真实图景，也影响了减排策略的精准制定。为了填补这一知识空白，由B.C.T. Macdonald领导的研究团队在澳大利亚棉花研究所开展了一项为期两年的精细研究，成果发表在《Agriculture, Ecosystems and Environment》上。

为了精确量化整个轮作系统的温室气体收支，研究人员采用了高度自动化的静态箱-气相色谱联用系统。他们在田间布设了12个自动通量箱，分别安装在垄、灌溉沟和非灌溉沟三个关键位置。该系统每3小时自动完成一轮对所有箱体的N₂O、CH₄、CO₂和水汽浓度的同步测量，并同步记录土壤温度、体积含水量以及箱内外的大气条件。研究涵盖了2015年休耕期、2015-2016年棉花季和2016年小麦季的完整轮作周期。数据分析采用了线性混合效应模型，以处理重复测量数据，并对数据缺失部分进行了科学的插补处理。

3.1. 观测箱对生物物理参数的影响

研究发现，通量观测箱的存在确实会改变箱内的微环境。与田间环境相比，箱内土壤温度在休耕期普遍较低，而在棉花生长后期则偏高。箱内土壤体积含水量对降雨和灌溉的响应与田间基本一致，但在降雨后的一段时间内，箱内土壤通常比田间更干。更重要的是，箱内大气在棉花生长季表现出更高的温度、更高的蒸汽压亏缺以及不同的CO₂浓度。这些差异表明，直接由箱式法测得的通量值可能需要经过校正才能更准确地代表田间实际情况，这对于提升模型预测的准确性至关重要。

3.2. 温室气体排放测量结果

二氧化碳的排放呈现出明显的空间异质性。在棉花季和小麦季，作物的光合作用使得垄上表现为CO₂净吸收（碳汇），而两条沟渠则始终是强烈的CO₂排放源。甲烷通量在整个轮作周期内数值很小，土壤表现为微弱的CH₄吸收汇，对总温室气体预算的贡献可以忽略不计。研究的关键发现在于N₂O的排放。在施用了240 kg N ha^-1尿素氮的棉花季，排放主要发生在施肥后的前三个月。出乎意料的是，不仅施肥的垄上产生了N₂O，未直接施肥的灌溉沟和非灌溉沟也检测到了显著的排放，其排放量甚至高于未施肥的对照垄。这表明，通过灌溉水或径流，氮素从垄上迁移到了沟渠中，并在那里发生了硝化和反硝化作用，产生了额外的N₂O。

3.3. 管理及模型模拟启示

基于净生态系统交换和作物收获带走的碳量，研究计算了整个轮作系统的净生物群系交换，用以评估土壤碳储量的变化。结果显示，在2015-2016这两年的棉花-小麦-休耕轮作中，土壤碳净损失约为4.1 ± 0.5 t C ha^-1，其中沟渠是碳损失的主要区域。这表明当前的耕作模式可能导致土壤碳库的持续耗竭。

该研究得出结论，在沟灌农业系统中，必须同时在垄和沟渠布点监测，才能准确评估温室气体排放。棉花季的N₂O排放因子为0.86%，且沟渠的排放不容忽视，这揭示了氮素迁移是导致排放估算偏差的重要因素。整个轮作系统表现为碳源，凸显了改进管理措施的紧迫性。为了提升农业系统的可持续性，研究人员建议：消除裸地休耕，采用覆盖作物或植被休耕以增加碳输入；优化氮肥管理，实现氮素供应与作物需求的同步，减少氮素损失和N₂O排放；并考虑在沟渠中使用可生物降解聚合物等措施来减少碳和氮的流失。这项研究不仅为准确评估灌溉农业的温室气体排放提供了重要的方法论参考和数据支撑，也为制定针对性的减排固碳策略指明了方向，对推动农业向碳中和目标迈进具有重要意义。