提升牛粪浆氮肥效：预处理工艺与施用策略的协同增效研究

《Nutrient Cycling in Agroecosystems》：Increased nitrogen fertiliser value of cattle slurry by different slurry pre-treatments

针对牛粪浆因高碳氮比(C/N)和粘度导致氮肥效低、氨排放高的问题，研究人员开展了为期三年的田间实验，系统评估了固液分离、厌氧消化等预处理工艺结合条带铺管、拖曳覆土及酸化等施用策略对提升其氮肥效（以基于铵态氮的矿物肥料当量MFENH4N衡量）的效果。结果表明，厌氧消化和酸化组合处理可最大程度提升氮肥效，为优化畜牧业养分管理与减少环境污染提供了关键实践依据。

　　

在追求可持续农业的道路上，动物粪便，特别是牛粪浆，本应是连接畜牧业与种植业的宝贵养分桥梁。然而，现实却有些骨感：这些富含氮元素的有机肥，其肥效常常不尽如人意。问题的根源主要在于两个方面：其一，牛粪浆中碳元素与氮元素的比例（碳氮比，C/N）往往偏高，导致施入土壤后，微生物在分解有机物时“抢走”了作物生长所需的氮，造成氮的“固定”而非释放；其二，其粘稠的质地使得粪浆难以快速渗入土壤，长时间滞留地表，大大增加了氨气挥发到大气中的风险。这不仅意味着肥料的浪费，增加了农民对化学氮肥的依赖和成本，也带来了空气污染和温室气体排放的环境压力。因此，如何有效提升牛粪浆的氮肥效，同时控制氨排放，成为农业和环境科学领域亟待破解的难题。为此，一支研究团队在瑞典西南部进行了深入探索，其研究成果发表在《Nutrient Cycling in Agroecosystems》上。

为了系统回答上述问题，研究人员设计并实施了一系列严谨的田间实验。研究的关键方法包括：1) 多因素田间实验设计：在冬小麦田和草地轮作区进行了为期三年、共计七个主实验，并额外在春燕麦田进行了两个补充实验，设置了未处理牛粪浆(CS)、螺旋压滤分离后的液体部分(LF)以及以牛粪浆为主基质的沼气消化液(BD)三种粪浆类型，结合条带铺管(TH)、拖曳覆土(TS)施用以及酸化后条带铺管(AC)三种施用策略。2) 目标化粪浆处理：对部分粪浆进行酸化处理，使用硫酸将CS和LF的pH值目标设定为6.0，BD为6.7，以抑制氨挥发。3) 标准化评估指标：以基于施用的铵态氮量计算的矿物肥料当量(MFE_NH4N)作为核心指标，量化不同处理下粪浆氮相对于化学肥料氮的有效性。4) 全面分析检测：对施用粪浆进行化学成分分析（包括铵态氮、总碳、有机氮等），并对作物产量和吸氮量进行精确测定，用于计算MFE值。

研究结果

矿物氮响应

在所有实验中，未施肥对照处理的作物吸氮量显著低于施肥处理，表明氮素是作物生长的限制因子，这为准确计算粪浆的肥料当量提供了必要前提。

谷物和牧草干物质产量

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  冬小麦和草地：施用粪浆总体上显著提高了产量。统计分析表明，粪浆酸化处理比未酸化处理平均增加了约10%的产量和吸氮量，而拖曳覆土施用与条带铺管施用相比，并未显示出增产优势。
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  春燕麦：由于施粪后遭遇干旱，总体产量较低。在砂壤土试验点，拖曳覆土施用相比条带铺管使产量和吸氮量提高了约10%，而在粘土试验点则无显著差异。

氮肥效

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  预处理提升肥效：与仅用条带铺管施用的未处理牛粪浆(CS)相比，固液分离(LF)和厌氧消化(BD)处理均显著提高了MFE_NH4N值。CS的MFE_NH4N平均仅为31%，而LF和BD分别提升至55%和52%。
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  酸化效果显著且因浆而异：粪浆酸化进一步提高了MFE_NH4N。对于CS，酸化使其MFE_NH4N提升至52%；对于BD，提升效果尤为显著，达到82%。然而，对于LF，酸化的效果在统计上不显著。酸化效果的大小与粪浆本身的特性（如干物质含量和原始pH值）相关。
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  拖曳覆土效果有限：在大多数冬小麦和草地实验中，拖曳覆土施用并未能比条带铺管施用更有效地提高MFE_NH4N。只有在春燕麦砂壤土试验中，对BD采用拖曳覆土才显示出正面效果。
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  碳氮比与肥效相关性：当仅考虑酸化处理（以最小化氨排放差异）时，粪浆的总氮肥料当量(MFE_totN)与其碳氮比(C/N)呈负相关，即碳氮比越低，氮的有效性越高。这一关系在单个实验内更为明显。

结论与讨论

本研究的核心结论是，通过特定的预处理和施用技术，可以显著提升牛粪浆的氮肥效。首先，研究证实了降低粪浆碳氮比是提高其氮有效性的关键途径。机械固液分离和厌氧消化均能有效降低碳氮比，从而将粪浆的氮肥效（MFE_NH4N）从约30%提升至50%以上。这主要是因为这些过程去除了部分碳或浓缩了铵态氮，减少了施入土壤后微生物对氮的固定作用。其次，酸化被证明是一种极其有效的氨减排和保氮措施，尤其对于原始pH值较高（如BD）或干物质含量高、入渗慢（如CS）的粪浆类型。将厌氧消化与酸化结合，实现了最大的肥效提升（MFE_NH4N达82%），凸显了技术组合的协同潜力。第三，研究结果对拖曳覆土技术在实际应用中的效果提出了审慎看法。在作物较低矮、土壤表面干硬紧实的情况下（如本研究中的冬小麦和刈割后的草地），拖曳覆土难以形成理想的覆土效果，反而可能因粪浆摊开而增加暴露表面积，因此未能稳定地提高氮肥效。这表明该技术的效果高度依赖于作物状态、土壤条件和操作质量。

本研究的意义重大。从农业生产角度，它提供了明确的技术选择：对于希望最大化粪浆养分利用的农场，投资于厌氧消化结合酸化处理，能最有效地将粪浆转化为高价值肥料，减少对外购化学氮肥的依赖。从环境保护角度，提高粪浆氮肥效直接意味着更少的氮素以氨气形式损失到大气中，有助于缓解大气污染和氮沉降问题。从政策制定角度，研究结果为推广哪些粪浆管理技术能够同时实现养分高效利用和减排目标提供了扎实的科学依据。此外，研究也指出了在特定条件（如土壤类型、作物生长阶段）下技术的局限性，提醒使用者和技术推广者需因地制宜。总之，这项研究为构建更可持续、更高效的“畜-肥-田”养分循环体系提供了关键的科学与实践洞见。