奶牛养殖粪水还田对风沙土农田N2O和NO排放的影响

杨从，刘德燕，黄皓文，陈雷，樊俊铭，王银宏，石孝东，田彦锋，丁维新*

（1.土壤与农业可持续发展国家重点实验室，中国科学院南京土壤研究所，南京 210008；2.中国科学院大学，北京 100049；3.南京外国语学校，南京 210008；4.内蒙古优然牧业有限责任公司，呼和浩特 010070）

养殖场粪污是制约奶牛养殖业发展的重要因素之一。据统计，一头500~600 kg的成年奶牛每日排粪30~50 kg、排尿15~25 kg，产生污水15~20 L[1]，这些粪污可通过径流或下渗污染地下水，若处理不当，将会对大气环境和人类健康造成危害[2-3]。当前，奶牛养殖场粪污的主要处置方式包括沼气发酵产气、固液分离固体堆肥、固液分离液体达标排放、还田消纳等[4-7]。其中，粪污就近还田处理成本最低、养分价值最高，但是目前我国粪污还田比例不足40%[8]。

N2O 是重要的温室气体之一，可导致全球变暖并破坏臭氧层[9]。NO 在大气中易氧化成NO2，在太阳紫外线照射下二者可与碳氢化合物反应产生光化学烟雾[10]。农田土壤是氮氧化物的重要排放源[11]，有机肥种类、用量和施肥方式通过影响土壤中硝化和反硝化作用 改 变N2O 或NO 排 放[12]。Pereira 等[13]的室内培 养试验发现，与化肥相比，牛粪处理降低土壤NO 排放量80%，但对N2O 排放无影响。牛粪块的大小对N2O排放也有影响，Tang 等[14]发现牛粪块尺寸越小，单位作物产量的N2O 排放量及N2O 累积排放量越低。陈哲等[15]的田间试验表明，与化肥相比，猪粪与化肥配施处理的N2O 累积排放量增加了23.1%~39.5%，但240 kg·hm-2和300 kg·hm-2施氮量之间差异不显著。Aguilera 等[16]发现，在相同施氮水平下，与化肥相比，固体猪粪对N2O 排放的降低幅度高于液体猪粪。这些结果表明有机肥类型与施用方式对农田土壤N2O和NO 排放的影响存在很大差异，需要建立针对区域土壤和气候特点的粪污还田技术，实现奶牛养殖粪污部分或全部替代化肥。

第五次全国荒漠化和沙化监测结果显示，我国沙化土地面积约172 万km2，占国土面积的18%，但其土壤有机质含量低于1.5%[17]，易跑水跑肥，养分供应严重不足。为提高作物产量，不得不大量施用化肥[18]。对东北443 个农户的入户调查结果表明，玉米季氮肥用量已经达到350 kg·hm-2[19]，这不仅增加成本，而且也增加了土壤N2O 和NO 排放[20]。目前，国内外研究更多关注固体有机肥种类和用量对N2O 排放的影响，而关于养殖场液态粪水还田如何影响含氮气体（N2O和NO）排放及区域适宜的施用方式为何，已成为需要解决的科学问题。为了实现规模化奶牛养殖场粪污农田就近消纳，减少其对环境的污染，本研究于2021年在辽宁省彰武县阜新优然牧业有限责任公司农场建立田间试验，探究粪污施用方式对土壤N2O 和NO排放、青贮玉米产量等的影响，以期为奶牛养殖场种养一体化提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验位于辽宁省彰武县西六家子镇新屯子村的阜新优然牧业有限责任公司农场（42°23'24″N，122°32'24″E）。彰武县地处科尔沁沙地南缘，海拔57~314 m，属温带季风大陆性气候，年均气温7.4 ℃，年均降水489 mm，降水主要集中在7—8 月。全县风沙土面积占33.90%，耕层（0~20 cm）土壤性质为：pH 6.70、有机碳2.86 g·kg1，总氮0.29 g·kg1、有效磷（P2O5）96.02 mg·kg1、速效钾（K2O）158.98 mg·kg1、砂粒含量85.06%。种植作物为青贮玉米，一年一熟。

1.2 试验设计

田间试验设5 个处理：不施肥对照（CK）、常规化肥（NPK）、固体有机肥+追施化肥（SM）、液体有机肥1次基施2 次追施（LMT）、液体有机肥1 次基施3 次追施（LMF）。小区面积3 m×7 m，每个处理4 次重复，随机区组排列。化肥为尿素、过磷酸钙和硫酸钾，液体有机肥是奶牛养殖场固液分离后排入氧化塘发酵后的液态粪水，固体有机肥是固液分离后的固态粪肥经过4个月堆腐发酵而成。氮肥用量为250 kg·hm-2、磷肥（P2O5）用量为75 kg·hm-2、钾肥（K2O）用量为60 kg·hm-2。基施时，固体和液体有机肥中氮含量分别为13.35、0.74 g·kg-1，磷含量分别为3.18、0.06 g·kg-1，钾含量分别为12.76、1.38 g·kg-1。各处理固体和液体有机肥用量见表1。磷肥和钾肥作为基肥一次性施入，固体和液体有机肥处理中带入的磷或钾不足时，用过磷酸钙或硫酸钾补充。基肥于播种当日均匀撒入小区，然后立即翻入0~20 cm 耕层。液体有机肥则喷洒于土壤表面。施肥和播种时间为2021 年7 月5 日，追肥时间分别为2021年8月6日、8月24日和9月3日。

表1 玉米季不同处理肥料施用时间和用量（kg·hm–2，以N计）Table 1 Time and amount of fertilizer applied in different treatments in maize season（kg·hm–2，calculated by N）

1.3 N2O和NO排放通量测定

土壤N2O 和NO 排放通量采用静态箱-气相色谱法测定。播种前，将采样底座（60 cm×20 cm）预先埋入10 cm 深度土壤。底座上方设有高5 cm、内径5 cm 的凹槽，用于储水密封。特制不锈钢采样箱[21]尺寸为60 cm×20 cm×15 cm，其顶部设有两个端口：一个用于测定气室内温度，用安装有温度计的橡胶塞塞住，并涂上硅胶密封；另一个用于采集气体，连接有长10 cm、内径2 mm 的硅胶管，硅胶管另一端安装三通阀，采气时与注射器连接。采集气体样品时，将采样箱轻轻放置于底座凹槽中，并用水密封，于密封后的第0、10、20、30 分钟分别用注射器抽取气室内气体样品40 mL，立即注入已抽成真空的钢化玻璃瓶内，带回实验室分析N2O浓度。在采气箱密封的第0、30 分钟，用1 000 mL 玻璃注射器抽取2 L 气体，注入真空的Teflon 气袋中，密封后带回实验室立即分析NO浓度。

N2O 浓度用气相色谱分析仪（Agilent 7890，Shi⁃madzu GC-14B）测定，检测器为63Ni 电子捕获检测器（ECD）。色谱柱为80/100 目Porapak Q 填充柱。进样器、检测器和填充柱的温度分别为100、300 ℃和65 ℃。载气为氩甲烷（95%氩气＋5%甲烷），流速40 mL·min1，反吹气为高纯氮气。N2O 标准气体由国家标准物质中心提供。NO气体浓度用化学发光NOx分析仪（Model 42i，Thermo Fisher Scientific Inc）检测。

1.4 土壤样品采集和参数测定

每次采集气体样品时，记录5 cm 和10 cm 处土壤温度，用时域反射仪（TDR）测定5 cm 处土壤体积含水量，并换算为土壤孔隙含水率（WFPS，%）[22]。同时，用直径5 cm 的土钻多点采集各小区耕层（0~20 cm）土壤样品，混合均匀后用四分法留出一份代表样，于实验室测定土壤无机氮（NH+4-N、NO-3-N）含量。土壤经2 mol·L1KCl提取（土水比1∶5），25 ℃恒温振荡60 min，过滤后用流动注射分析仪（Skalar，荷兰）测定无机氮含量。

青贮产量和吸氮量测定：玉米生长至蜡熟期时，距地面以上20 cm 进行全株收获，称量法获得青贮鲜质量，各小区用五点取样法取5 棵植株用于测定株高、茎粗，随机取出3 颗代表性植株轧碎烘干至质量恒定，计算干质量。整株粉碎后混合均匀，采用硫酸-混合加速剂-蒸馏法测定总氮含量。

1.5 数据处理

土壤N2O和NO排放通量用公式（1）计算：

式中：F为N2O或NO排放通量（以N计），μg·m2·h1；ρ 为标准状态下N2O 或NO 密度，分别为1.25、1.339 kg·m3；h 为采气箱高度，0.15 m；Δc/Δt 为采气箱内N2O 或NO 气体浓度的变化率，109·h1；T 为采气箱内温度，℃；60用于单位转换。

土壤N2O和NO累积排放量采用公式（2）计算：

式中：EC为N2O 或NO 累积排放量（以N 计），kg·hm2；i 为第i 次气体采样；ti+1-ti为两次相邻测定间隔的时间，d；24×105用于单位转换。

肥料氮诱导的N2O 和NO 排放系数（FE，%）用公式（3）计算：

式中：FN和FCK分别为施肥和对照处理N2O或NO的累积排放量，kg·hm2；UN为施氮量，kg·hm2。

肥料氮利用率（EN，%）用公式（4）计算：

式中：AN和ACK分别为施肥处理和对照处理的作物总吸氮量，kg·hm2；UN为施氮量，kg·hm2。

使用Excel 2010 进行数据处理，Origin 2018 进行制图。应用SPSS 26.0 进行单因素方差分析，方差分析达到显著性水平（P<0.05）后采用LSD 法进行处理间多重比较。N2O 或NO 排放通量与环境因子间的关系采用Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 青贮玉米产量和肥料氮利用率

施肥显著提高了青贮玉米产量和氮吸收量（图1）。与CK 处理相比，NPK、SM、LMT 和LMF 处理玉米产量分别增加53.29%、38.10%、51.99%和35.92%，氮吸收量分别为CK处理的2.44、2.22、2.31倍和1.98倍。施氮处理青贮玉米产量变化范围为11.67~13.16 t·hm2，各处理间无显著差异。与NPK 处理相比，SM和LMT 处理玉米氮吸收量无显著变化，但LMF 处理显著降低。SM、LMT 与NPK 处理的肥料氮利用率为22.30%~26.32%，各处理间无显著差异，而LMF 处理仅为17.96%。

图1 青贮玉米产量、吸氮量和氮素利用率Figure 1 Yield，nitrogen uptake and nitrogen use efficiency of silage maize

2.2 N2O和NO排放量

除CK 外，施氮处理N2O 排放通量在施肥后出现排放峰值，随后逐渐降低至下一次施肥再次出现峰值（图2a）。基肥施用后，LMT处理土壤N2O排放通量最大，为49.62 μg·m2·h1，出现在施肥后第2 天；NPK处理土壤N2O 排放通量在施肥后第10 天达到峰值，为48.23 μg·m2·h1；LMF 处 理 的N2O 排放 峰 值 为30.65 μg·m2·h1；SM 处理未出现明显N2O 排放峰。第一次追肥后，SM 处理的N2O 排放通量最大，达到63.98 μg·m2·h1。第二次追肥后由于LMT 处理的液态有机肥用量高于LMF 处理，N2O 排放通量显著高于LMF 处理。第三次追肥后LMF 处理的N2O 排放通量达到整个生长季的最大值92.60 μg·m2·h1。

图2 不同处理土壤N2O和NO排放通量Figure 2 Soil N2O and NO emission fluxes under different treatments

玉米生长季土壤NO 排放通量的变化特征与N2O相似（图2b）。LMT 和LMF 处理的NO 排放峰值出现在基肥施用后第4 天，分别为225.57 μg·m2·h1和193.28 μg·m2·h1，NPK 处理的NO 排放峰出现在基肥后第7 天，为182.16 μg·m2·h1。在第一次追肥后的第3天，LMT和LMF处理出现NO排放峰，而NPK和SM 处理的排放峰出现在第9 天，NPK 处理的峰值为259.34 μg·m2·h1。第二次追肥后LMT 和LMF 处理的NO排放峰相对较低。第三次追肥后LMF处理也出现NO排放峰值。

各施肥处理的NO/N2O表现为施肥后一周迅速增大，随后降低到1 以下直至下一次施肥再高于1（图2c），表明施肥后较高的N2O 和NO 排放量主要通过硝化作用产生。LMT 和LMF 处理的NO/N2O 在第二次和第三次追肥后未出现明显增大，接近1。

2.3 N2O和NO累积排放量

玉米生长季各处理N2O 累积排放量变化范围为0.15~0.46 kg·hm2（表2）。LMF 处理的N2O 累积排放量最大，为0.46 kg·hm2，但与NPK 处理无显著差异。LMT 处理的N2O 累积排放量最低（0.26 kg·hm2），比LMF、NPK 和SM 处理分别降低43.48%、40.91%和29.73%。LMF 处理的N2O 排放系数最大，为0.12%，其次为NPK处理，LMT处理的排放系数仅为0.04%。

表2 不同处理土壤N2O和NO累积排放量与排放系数Table 2 Cumulative emission and emission coefficient of N2O and NO in soils under different treatments

整个玉米生长季各施肥处理NO 累积排放量为0.46~0.65 kg·hm2，高于相同处理的N2O 累积排放量（表2）。NPK 处理NO 累积排放量最高，达到0.65 kg·hm2。与NPK 处理相比，SM 处理的NO 累积排放量降低了20.00%，而LMT 和LMF 处理分别降低了29.23% 和20.00%。NPK 处 理 的NO 排 放 系 数 为0.24%，LMT和LMF处理分别为0.17%和0.19%。

玉米季各施肥处理单位产量N2O 累积排放量为20.28~39.43 g·kg1，以LMF 处理最高，比NPK 处理增加了18.4%，LMT 处理最低，较NPK 处理降低了39.1%，固体有机肥处理的单位产量N2O 累积排放量显著高于液体有机肥，SM 处理比LMT 处理提高了52.1%。各施肥处理单位产量NO 累积排放量为35.21~50.16 g·kg1，NPK 处理的单位产量NO 累积排放量最高（50.16 g·kg1），其次为LMF 处理（44.57 g·kg1），LMT处理最低（35.21 g·kg1）。

2.4 N2O和NO排放的影响因素

玉米生长季土壤温度变化范围为8.4~31.0 ℃，平均为22.5 ℃，最高温度出现在播种后第24 天，生长季后期温度降至10 ℃以下（图3a）。各处理WFPS 在整个玉米生长季的变化为12.9%~59.1%（图3b），施肥或降雨后WFPS迅速升高，基肥和前两次追肥后LMT处理的WFPS 高于其他处理，3 次施肥后的峰值分别达到59.1%、54.7%和52.9%。LMF 处理进行了第三次追肥，施肥后第2 天，WFPS 达到58.6%，显著高于其他处理。

图4 土壤和含量的动态变化Figure 4 Dynamic changes ofandcontents in soil

相关分析表明，除CK 处理NO 排放通量与土壤温度呈显著正相关外，其余各施肥处理N2O 和NO 排放通量与土壤温度间无相关关系（表3）。液体有机肥处理的N2O 排放通量与土壤WFPS 存在较高相关性，LMF处理达到显著相关。LMT处理的N2O 排放通量与土壤NH+4-N 含量显著正相关，CK、SM 和LMF 处理的N2O 排放通量与土壤NO-3-N 存在显著正相关关系。NPK 和SM 处理的NO 排放通量与土壤NO-3-N 也存在显著正相关关系。

表3 土壤N2O和NO排放通量与环境因子的相关关系Table 3 Correlation between soil N2O and NO emission fluxes and environmental factors

3 讨论

3.1 有机肥对N2O和NO排放的影响

玉米季常规化肥处理的N2O 排放系数为0.11%，显著低于黑土区玉米种植土壤N2O排放系数（0.45%）和我国旱地农田土壤N2O 排放系数（0.60%~0.84%）[23]，更低于IPCC的缺省值（1%）[24]。本研究的NO 排放系数为0.24%，位居我国旱地农田NO 排放系数范围的低值区（0.2%~3.5%）[25]。土壤N2O 主要由硝化和反硝化等过程产生，NO 主要来自于硝化过程[26]。本研究土壤为风沙土，保水保肥性差，N2O 和NO 排放峰期主要出现在施用化肥后，并且NO/N2O 比值大于1，表明NO 和N2O 主要由硝化作用产生（图2c），导致排放量较低。

与施化肥相比，固体有机肥处理土壤N2O 与NO累积排放量均有减少，且NO 减少更显著。这与Liu等[27]发现50%的粉状猪粪替代化学氮肥对土壤N2O的排放无显著影响，但降低了NO 排放量27.8%的研究结果一致。王树会等[28]在华北平原的长期定位试验表明，施用固体牛粪有机肥后土壤N2O 排放量比施用化肥降低了20%~28%；相反，Hayakawa 等[29]的研究发现，120 kg·hm2鸡粪处理的土壤N2O 排放量高于化肥处理，而NO 排放量低于化肥处理，推测可能是鸡粪带入的有机碳刺激了土壤反硝化作用，促进NO被进一步还原为N2O。固体有机肥中的氮90%以有机氮存在，有机氮的存在形态影响着矿化过程和的释放[30]。在本研究中，固体有机肥处理在基肥施用后至追肥前，土壤平均含量仅为7.07 mg·kg1，此时由于硝化作用底物缺乏，N2O 和NO 排放峰值明显小于NPK 处理，表明固体有机肥分解比较慢，减少了N2O 和NO 排放。与化肥处理相同，尿素追施后土壤丰富，固体有机肥处理N2O排放峰值略高于NPK 处理，可能部分弥补了固体有机肥基施后N2O 排放的减少量；相反，由于NO 被进一步还原为N2O，NO 排放量相对较低。有研究表明，固体有机肥施用增加了土壤活性碳含量，且其增长速率显著高于常规施肥，当底物充足时N2O 排放会增加[29，31-33]，因此，整个生长季内固体有机肥与常规化肥处理的N2O排放量无显著差异，但NO排放量显著降低。

然而，施用液体有机肥的LMT 处理土壤N2O 和NO 排放量显著减少，分别比常规化肥处理降低了39.59%和30.02%。在第一次拔节期追肥时，玉米生长对氮素的需求量非常大，液体有机肥中的大部分氮以和尿素形态存在[34]，尿素在土壤中也很快水解为和被作物吸收利用。因此，从基肥至第二次追肥前土壤含量比较低，抑制了N2O 及NO 的产生和排放。直至玉米大喇叭口期追施液体有机肥，土壤含量才有所提高，土壤N2O 和NO 排放量略有增加。因此，整个生长季内，LMT 处理土壤N2O 和NO 排放显著低于常规化肥处理。

在氮用量相等的情况下，与LMT 处理相比，LMF处理土壤N2O 和NO 排放量分别增加了73.84%和13.04%。其中，基肥、第一次、第二次追肥土壤N2O和NO 的排放量未出现明显差异，但是玉米抽雄期的第三次追肥显著提高了N2O 和NO 排放量，此时玉米由营养生长向生殖生长转变，对养分的需求量降低[35]，施肥后土壤无机氮含量显著增加（图4）。加上此时施肥后土壤WFPS 超过60%，NO/N2O 比值小于1，表明N2O主要来自于反硝化作用。

3.2 固体和液体有机肥对产量和肥料氮利用率的影响

任科宇等[36]的数据整合分析表明，化肥配施有机肥处理的作物产量比化肥单施的作物产量平均增加4.7%，其中小麦、玉米和水稻的增产率分别为5.6%、7.6%和4.5%。傅松等[37]发现，10%有机肥替代化肥增产效果最高。本试验中固体有机肥替代化肥未表现出明显的增产效果，这可能是因为氮素用量相对较大，试验时间较短，且固体有机肥的养分释放具有缓效性和长效性[38]，需要一定时间才能体现肥效。液体有机肥分1 次基施和3 次追施（LMF），尽管与常规化肥处理相比青贮玉米产量未出现显著下降，但是氮素吸收量显著减少，肥料氮利用率降低。这可能是由于在玉米抽雄期追施液体有机肥，此时玉米吸收氮素较少，而前3 次施用的液体有机肥量造成玉米生长所需氮素不足。淋溶是氮素损失的主要途径之一，肥料的施用会引起地表水或地下水污染，从而带来一系列环境问题[39-40]。本研究利用田间原位淋溶试验（Lysime⁃ter）同步监测了整个玉米生长季的氮素淋溶量，结果表明等量氮素施用情况下固体和液体有机肥处理的氮素淋溶损失量较仅施化肥处理略有增加，未出现显著差异，这与Fan 等[41]对我国华北平原玉米-小麦轮作系统的研究结果相一致，但氮素淋溶量与之相比显著增加。本研究试验地点的土壤类型为风沙土，砂粒含量超过85%，土壤保水保肥能力差，整个玉米季化肥处理的氮素淋溶量达到48.2 kg·hm-2，而仅化肥处理的黏质土壤中氮素淋溶量为7.64 kg·hm-2[41]。施用液体有机肥处理的氮素淋溶量有所增加，主要是由于液体有机肥自身水分的带入加快了氮素向下迁移[42]。同时，随着液体有机肥施用次数的增加，氮素淋溶损失量减少，这可能与试验前期液体有机肥施用量少而淋溶量大有关，但目前只开展了一个生长季的田间试验，后续将继续开展相关研究。基于本研究，推荐液体有机肥分为基施及拔节期和大喇叭口期追施，氮用量比例为40%∶20%∶40%。

4 结论

（1）对青贮玉米产量和含氮气体排放的研究发现，在等氮用量条件下，奶牛养殖场粪污作为有机肥替代化肥施用可发挥化肥的同等肥效，青贮玉米产量与化肥单施相当。

（2）施用固体有机肥显著降低了玉米季土壤NO排放量，但N2O 排放量降低不显著；液体有机肥分1 次基施和2 次追施可显著降低土壤N2O 和NO 排放量。

（3）针对风沙土农田，规模化奶牛养殖场液体粪水还田的最优方式是：在氮用量250 kg·hm-2条件下，分基施及玉米拔节期和大喇叭口期追施，氮用量比例为40%∶20%∶40%。

致谢：衷心感谢阜新优然牧业有限责任公司赵文场长、王祥勇场长等在研究期间给予的支持和帮助。