牲畜排泄物返還對(duì)草地土壤氮轉(zhuǎn)化和氧化亞氮(N2O)排放的影響研究進(jìn)展

杜子銀,蔡延江,張 斌,洪江濤,王小丹,*

1 西華師范大學(xué)國土資源學(xué)院,南充 637009 2 中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 610041 3 浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,杭州 311300

放牧是草地利用的主要方式之一,放牧牲畜不僅通過采食牧草和踐踏土壤影響草地形態(tài)特征和物理結(jié)構(gòu)[1—2],還會(huì)通過畜體對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和排泄物返還改變土壤化學(xué)特性和養(yǎng)分物質(zhì)循環(huán),從而影響草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。作為放牧行為的主要表現(xiàn)形式之一,牲畜糞尿排泄是對(duì)草地的一種天然的施肥措施,也是草地養(yǎng)分歸還的一種重要途徑,對(duì)于維持土壤肥力和植被生產(chǎn)力具有十分重要的生態(tài)學(xué)意義[3—4]。不容忽視的是,對(duì)于養(yǎng)分匱缺的脆弱且敏感的高寒天然草地生態(tài)系統(tǒng)而言,牲畜排泄物養(yǎng)分返還將顯得尤為重要[5—6]。

1 牲畜排泄物降解及其氮素變化

放牧牲畜吸收利用的養(yǎng)分只占其消化量的很小一部分,其中大部分養(yǎng)分會(huì)以糞便和尿液形式返還到草地生態(tài)系統(tǒng)中。糞尿排泄物(尤其是尿液)中含有大量的氮,因此尿斑和糞斑沉積使得其成為重要的氮素轉(zhuǎn)化的活躍點(diǎn)位[25]。研究表明,牲畜以糞尿形式返還的氮大部分(約占90%)為有機(jī)氮,通常要在動(dòng)物和微生物等作用下轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮才能被植物有效吸收利用[26]和進(jìn)一步參與土壤氮轉(zhuǎn)化過程[27]。由于初始的牲畜糞便和尿液斑塊氮素形態(tài)及含量較為不同,從而導(dǎo)致其降解過程中氮素釋放特征和變化規(guī)律表現(xiàn)有一定差異[28],進(jìn)而可能引起草地土壤不同氮素形態(tài)、含量和氮轉(zhuǎn)化過程的差異。因此,明確牲畜糞尿排泄物自身降解過程及其氮素變化特征是進(jìn)一步解析其對(duì)草地土壤氮素動(dòng)態(tài)、氮轉(zhuǎn)化過程和N2O排放影響和作用機(jī)制的前提,有助于從排泄物氮素輸入環(huán)節(jié)探究其對(duì)草地土壤氮素有效性及氮轉(zhuǎn)化過程的貢獻(xiàn)(圖1)。總體而言,牲畜糞尿自身氮素過程主要包括4個(gè)方面,即氮的礦化、氨化、硝化和反硝化[29]。

圖1 牲畜糞尿自身氮素過程及其對(duì)土壤內(nèi)部系統(tǒng)氮轉(zhuǎn)化關(guān)鍵過程的影響示意圖Fig.1 Schematic diagram illustrating the livestock excretion nitrogen process and its effects on nitrogen transformation in soil system

1.1 氮的礦化作用

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 牲畜糞尿返還對(duì)草地土壤氮轉(zhuǎn)化過程的影響

在草地生態(tài)系統(tǒng)中,氮的生物地球化學(xué)循環(huán)主要包括氮素向生態(tài)系統(tǒng)輸入和從生態(tài)系統(tǒng)輸出的外循環(huán)過程,以及氮素化學(xué)形態(tài)的轉(zhuǎn)變和在系統(tǒng)中不同庫之間遷移的內(nèi)循環(huán)過程[7]。其中,氮的礦化、固持、硝化、反硝化、牲畜排泄物返還以及植物氮吸收等被認(rèn)為是氮素內(nèi)循環(huán)過程的重要體現(xiàn)[78]。通常,牲畜糞便排泄到地表,在降水、淋溶、糞食性動(dòng)物活動(dòng)等作用下進(jìn)入土壤中,通過對(duì)土壤微生物活性和生物量、微生物功能基因豐度、微生物數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生重要影響從而調(diào)控土壤相關(guān)氮素轉(zhuǎn)化過程[4]；而尿液排泄物輸入草地土壤則可能通過快速改變土壤氮素供應(yīng)和氧化還原條件從而影響土壤內(nèi)部氮素遷移轉(zhuǎn)化(圖1)。

2.1 對(duì)土壤氮礦化和固持的影響

2.2 對(duì)土壤氮硝化和反硝化的影響

對(duì)于草地生態(tài)系統(tǒng)而言,牲畜糞尿施加可能通過調(diào)控土壤pH、含水量、通氣性、礦化氮和有效碳含量以及微生物活性等從而改變土壤硝化和反硝化速率,進(jìn)而影響土壤氮素有效性、植被氮吸收量和氮素生物地球化學(xué)循環(huán)過程(圖1)。

3 牲畜糞尿返還對(duì)草地土壤N2O排放的影響

圖2 2000年全球牲畜系統(tǒng)N2O排放量Fig.2 Global N2O emission from animal wastes in 2000數(shù)據(jù)來源于Oenema等[99]估算

圖3 草地排泄物氮量及N2O排放量變化 Fig.3 Variation of nitrogen input and N2O emission from grassland 數(shù)據(jù)來源于Bouwman等[17]估算

4 結(jié)論與展望

放牧牲畜糞尿作為草地生態(tài)系統(tǒng)重要的氮素來源,在維持草地氮素平衡和植被生產(chǎn)力以及影響土壤N2O排放等方面發(fā)揮著不容忽視的重要作用。牲畜糞便和尿液因其自身斑塊形狀、物理化學(xué)特性、降解過程和氮釋放特性及其差異性等,導(dǎo)致其施加到草地土壤時(shí)會(huì)不同程度地改變土壤自身氧化還原條件、氮素含量及其形態(tài)特性,從而可能引起土壤氮轉(zhuǎn)化關(guān)鍵過程及其N2O排放微生物作用機(jī)制的差異性響應(yīng)。未來的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注：(1)氣候變化背景下,草地生態(tài)系統(tǒng)不同類型牲畜排泄物降解過程與氮素釋放規(guī)律之間的關(guān)系及影響因素；(2)牲畜糞便和尿液不同的氮素返還效率下,草地土壤氮素礦化、固持、硝化和反硝化等關(guān)鍵過程和N2O排放的響應(yīng)特性及微生物調(diào)控機(jī)制；(3)牲畜糞尿排泄物返還對(duì)于養(yǎng)分匱缺的脆弱草地生態(tài)系統(tǒng)氮素生物地球化學(xué)循環(huán)過程的影響效應(yīng)及其對(duì)土壤N2O排放的貢獻(xiàn)和時(shí)空差異性,以期為深化放牧牲畜排泄物返還與草地生態(tài)系統(tǒng)氮素遷移轉(zhuǎn)化關(guān)系的理論探究和科學(xué)評(píng)估區(qū)域至全球尺度不同類型排泄物返還的生態(tài)環(huán)境效應(yīng),進(jìn)而優(yōu)化排泄物管理策略模式提供有益參考和理論指導(dǎo)。