1、生态环境学报 2023,32(9):1606-1614 http:/ Ecology and Environmental Sciences E-mail: 基金项目：中国科学院战略先导专项（XDA20020401）；四川省自然科学基金项目（2023NSFSC0205）；国家自然科学基金项目（41807109）；第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK0404）作者简介：熊朝阳（1999 年生），男，硕士研究生，主要从事高寒草地生态环境研究。E-mail:*通讯作者：杜子银。E-mail: 收稿日期：2023-05-12 冻融作用下藏北高原牦牛和藏绵羊粪便降解及养分变化特征 熊朝阳1
2、，张青松1，李佳秀1，杜子银1,2*1.西华师范大学地理科学学院，四川 南充 637009；2.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所/中国科学院申扎高寒草原与湿地生态系统观测试验站，四川 成都 610299 摘要：冻融是影响高寒草地土壤理化和生物学特性的重要因素，冻融期放牧牲畜粪便沉积及其降解特性也可能受到冻融作用复杂且不容忽视的重要影响，而目前关于冻融对高寒草地牲畜粪便降解及养分变化的影响效应和作用机制尚不清楚。选取季节性冻融藏北高原牦牛和藏绵羊粪便开展 30 d 室内冻融模拟试验，分别在冻融 0、5、15 和 30 d 后采集两种粪便样品进行理化和养分指标测定，探究不同冻融时间对牛羊
3、粪便降解及其主要养分变化的影响。结果表明，1）冻融试验期内牛粪含水量与干物质量在前 15 d 冻融循环中均显著降低（P0.05），羊粪含水量在前 5 d 冻融中下降了 82.6%；反复冻融易破坏粪便降解初期的物理结构，加速粪便含水量及牛粪干物质量的损耗。2）牛粪铵态氮（NH4+-N）含量在冻融后第 5 d 达到最大值（415 mgkg1），且牛羊粪硝态氮（NO3-N）含量在 015 d 冻融过程中显著降低（P0.05），冻融初期有机氮矿化增加和反硝化速率增强可能是导致 NH4+-N 含量短暂增加和 NO3-N 含量持续下降的主要原因。3）牛粪有效磷（AP）含量在 1530 d 冻融中显著降低
4、21.2%（P0.05），而羊粪 AP 在整个试验期呈现反复增加-降低的波动变化特性，表明斑块状牛粪 AP 受后期冻融的影响较大，而颗粒状羊粪 AP 受冻融作用的影响更为复杂多变。综上，反复冻融通过不同程度改变牛羊粪便斑块结构、理化和微生物特性，使得氮磷迁移转化及活性氮磷养分含量呈现较大的差异性变化特征。研究结论可为优化季节性冻融期草地牲畜粪便管理模式和促进草地生态系统健康发展等提供理论参考。关键词：冻融作用；牲畜粪便；矿化氮；有效磷；养分变化；藏北高原 DOI:10.16258/ki.1674-5906.2023.09.007 中图分类号：S811.5;X171.1 文献标志码：A 文章编号
5、：1674-5906（2023）09-1606-09 引用格式：熊朝阳,张青松,李佳秀,杜子银,2023.冻融作用下藏北高原牦牛和藏绵羊粪便降解及养分变化特征J.生态环境学报,32(9):1606-1614.XIONG Zhaoyang,ZHANG Qingsong,LI Jiaxiu,DU Ziyin,2023.Degradation and nutrient change characteristics of yak and tibetan sheep dung under the effects of freezing and thawing in alpine grassland of
6、 northern Tibetan Plateau J.Ecology and Environmental Sciences,32(9):1606-1614.冻融是指温度在 0 上下波动而产生的土壤反复冻结和解冻的过程（Song et al.，2017），全球超过 70%的陆地易受到冻融作用的影响（Ran et al.，2012；曹鑫鑫等，2022）。青藏高原是我国季节性冻融的典型代表区，冻融作用可通过改变土壤物理结构和氧化还原环境等影响土壤理化（魏丽红，2009；杜子银，2020）和生物学特性（尚占环等，2006）。对于冻融区草地生态系统而言，放牧牲畜粪便返还是高寒草地重要的养分来源（何奕忻
7、等，2009a；杜子银等，2019），而季节性冻融期牲畜粪便降解及其养分返还效率易受到冻融作用的复杂影响（杜子银等，2022a）。在天然草地生态系统中，放牧牲畜粪便降解通常 受 到 生 物 因 子 与 非 生 物 因 子 的 共 同 影 响（Underhay et al.，1978；何奕忻等，2009b），且由于冬春季节低温和反复冻融导致的粪斑物理结构破碎与氧化还原条件改变等被认为是影响粪便降解速率和氮（N）磷（P）养分变化不容忽视的重要环节。自然条件下，粪便降解往往伴随着其养分物质的动态变化。例如，粪便降解过程中伴随着 NH3、CH4和 N2O 等气体的排放（袁京等，2021），活性养分易随
8、降水向下淋溶以液态形式损失（杜子银等，2019），以及因自身粪斑的粉碎消耗使得无机氮浓度降低（Du et al.，2021）等。研究发现，温度变化引起的粪便冻融作用加快对粪块的破碎和分解，温度波动可导致微生物活性受到限制（何奕忻熊朝阳等：冻融作用下藏北高原牦牛和藏绵羊粪便降解及养分变化特征 1607 等，2009a）。而且，刘新民等（2011）在内蒙古草原的研究发现，在 90330 d 试验期间，残留粪样硝态氮（NO3-N）浓度增加，冻融作用显著提升了粪便 N 和 P 矿化速率。另外，基于室内冻融模拟试验还发现，经冻融处理的畜禽粪便 P 的释放速率与释放量大于未冻融处理，冻融循环可通过改变畜禽
9、粪便理化性质进而影响斑块 P 形态、分布及其后续释放过程（陈兴财等，2019）。由此可见，季节性冻融与牲畜粪便降解过程关系密切，开展冻融作用下粪便降解特性及其主要养分迁移转化规律研究势在必行。目前，关于放牧草地生态系统牲畜粪便的研究主要集中在生长季粪便降解及养分变化（何奕忻等，2009b；杜子银等，2014；Du et al.，2021）、粪便沉积下的草地土壤氮过程与温室气体排放（Cai et al.，2014；杜子银等，2019；Tang et al.，2021；杜子银等，2022b）、以及冻融影响下粪块破碎及其部分氮磷形态变化等方面（何奕忻等，2009a；刘新民等，2011；陈兴财等，20
10、19），而涉及草地冻融期不同类型牲畜粪便降解特性及其主要氮磷养分变化过程与作用机制的探究较为缺乏。因此，本文通过选择季节性冻融藏北高原牲畜粪便开展室内冻融模拟试验，探究冻融作用与粪便理化特性和养分变化的关系，以期加深关于冻融作用与粪便养分释放及返还效率关系的理论认知，进而为优化牲畜粪便管理方式以及促进草地生态系统可持续发展等提供理论参考。1 材料与方法 1.1 研究区概况 本研究冻融模拟试验依托中国科学院申扎高寒草原与湿地生态系统观测试验站进行，该站位于西藏自治区那曲市申扎县城以北约 2 km（3057N，8842E，海拔 4675 m），是目前世界上海拔最高的生态监测站。该地区属高原亚寒带半
11、干旱季风气候区，空气稀薄。年均温和年降水量分别为 0.4 和298 mm，8 级以上大风为 104 d（强耀辉等，2021）。研究区植被优势种为紫花针茅（Stipa purpurea），伴生种为小叶棘豆（Oxytropis microphylla）、青藏苔草（Carex moorcroftii）与昆仑蒿（Artemisia nanschanica）等植物（乌仁等，2018；吴建波等，2021）。该地区属于季节性冻融区，一个完整的年度冻融循环过程包括夏季完全融化期、春季和秋季融化-冻结期（冻融期）、冬季冻结期 4 个阶段（王澄海等，2021；庞博等，2023）。非生长季尤其是冻融期频繁的冻融循环
12、将不同程度影响高寒草地牲畜粪便降解、土壤理化和微生物特性、养分有效性及其生物球化学循环过程。1.2 试验设计 本研究采用全自动冻融试验箱开展室内冻融模拟试验，试验期为 2020 年 10 月 10 日2020 年11 月 8 日，共计 30 d。试验开始前，随机选取位于试验站附近放牧牦牛和藏绵羊宿营地的 10 头牦牛和 10 只藏绵羊，于次日清晨分别跟踪收集牛羊排泄的新鲜粪便样品，按牲畜的类型分别将牛粪和羊粪放置于不同的干净塑料桶内各自混合均匀，低温储存备用，收集直至试验所需的粪便样品量。室内冻融模拟试验设置两个处理，包括牦牛粪便处理（Yak Dung，YD），藏绵羊粪便处理（Tibetan
13、Sheep Dung，TSD），每个处理 3 次重复。其中，粪便处理所添加的新鲜牛粪和羊粪分别为 300 g 和21.4 g，该施加量主要通过放牧牛羊野外粪便实际氮返还量进行测算。用于冻融试验的牛粪和羊粪分别放置于直径为 10 cm，深度为 15 cm 且装有高寒草原原状土柱的亚克力管表面，以模拟其与高寒草地实际接触情形。在该冻融模拟试验中，共设置 3个相同批次试验分别用于不同冻融循环频次后牲畜粪便取样及测试。模拟的冻融温度范围为155，冻融时间共计 30 d，每天 2 次冻融循环（该冻融温度主要参考藏北高原冻融期实际冻融温度范围进行设定）（杜子银等，2022a）。室内冻融模拟试验分别设置降温
14、冻结阶段、恒温稳定冻结阶段、升温融化阶段和恒温完全融化阶段各 3 h，每12 h 完成 1 次冻融循环，每日 2 次冻融循环。通过参数设定合理调控冻融试验箱的降温和升温速率以确保各冻融阶段的实现。1.3 取样与分析测试 分别在模拟冻融 0、5、15 和 30 d 后采集经过 0、10、30 和 60 次冻融循环后的牛羊粪便样品，分别称量鲜重过后将粪便样品分成两部分，一部分冷冻保存用以分析其活性养分含量（矿化氮、有效磷），另一部分风干磨碎保存用于测定其 pH 及全量养分（有机碳、全氮、全磷）含量。其中，牛羊粪便含水量采用烘干法测定，pH 测定采用酸度计（PE-10，Sartorius，Germa
15、ny）电位法（土水比 15）（王瑞琨，2018）。铵态氮（NH4+-N）、NO3-N、有效磷（AP）含量测定采用连续流动分析仪法（Diaz et al.，2008；Cai et al.，2013），全氮（TN）测定采用自动定氮仪法，全磷（TP）测定采用微波消解法，有机碳（OC）采用重铬酸钾容量-外加热法（石奥等，2016；杜子银等，2022a；刘思佳，2023）。新鲜牦牛和藏绵羊粪便初始理化指标特征如表 1 所示。1.4 数据处理与分析 试验数据用 Origin 2021 绘图（Origin Lab Corp，1608 生态环境学报 第 32 卷第 9 期（2023 年 9 月）Northam
16、pton，MA，USA），数据分析采用统计分析软件 SPSS 18.0 进行（v18.0，SPSS lnc.，Chicago，IL，USA）。采用单因素方差分析和最小显著差异法（LSD）对两种粪便理化和养分含量在不同冻融时间的差异进行显著性检验和多重比较（P0.05）。采用独立样本T检验对同一冻融时间两种粪便矿化氮和 AP 含量等差异进行显著性检验（P0.05）。2 结果与分析 2.1 粪便含水量与干物质量变化 冻融试验期内，牛羊粪便含水量呈现差异性变化特性，但至试验期末两者含水量相当（图 1a）。经过前 15 d 冻融后，牛粪含水量显著高于藏绵羊粪便（P0.05），至试验结束时（30 d）两
17、者无显著差异（图 1a）。随着冻融时间的增加，牛粪含水量显著降低，在第 0、5、15 和 30 天间均具有显著性差异（P0.05），且后 15 d 冻融过程导致的水分损失量显著高于前 15 d（图 1a）。与之不同的是，经过5 d 的冻融循环使得羊粪含水量从 52.1%显著下降至 9.09%（P0.05）（图 1a）。整个冻融试验期内，牛粪干物质量始终显著高于羊粪（P0.05），且两者具有差异性变化特性（图1b）。经过 15 d 冻融循环，牛粪干物质量极显著减少（P0.01），但经过 30 d 冻融循环后恢复到与初始含量相当的水平（图 1b）。与之不同的是，羊粪在经过 5 d 冻融循环后，其干
18、物质量较初始值增加了 12%（P0.05）（图 1b）。总体来看，至试验期末（30 d），牛粪和羊粪干物质量分别由 89.5 g 和 10.3 g 变化为 86.7 g和 11.1 g，且羊粪干物质量较初始含量表现为显著增加（P0.05）（图 1b）。2.2 矿化氮含量变化 不同冻融时间影响下，牛粪与羊粪 NH4+-N 含量在经过 30 d 冻融循环后与试验初始相比都呈现极显著减少（P0.01），分别由初始的 315 mgkg1和 967 mgkg1降至68.0 mgkg1和188 mgkg1（图2a）。羊粪 NH4+-N 含量在经历 5 d 冻融循环后减少babcabcdaabbabbbba
19、cdabcd04008001200160020002400w(NH4+-N)/(mgkg1)YD TSDABABAAAB020406080w(NO3-N)/(mgkg1)ABABABAB时间/d(a)粪便铵态氮含量 YD TSD 0 d 5 d 15 d 30 d0 d 5 d 15 d 30 d 0 d 5 d 15 d 30 d0400800120016002000w(NH4+-N+NO3-N)/(mgkg1)时间/d(c)粪便矿化氮总量ABABAAAB时间/d(b)粪便硝态氮含量 YD TSD NH4+-N：铵态氮；NO3-N：硝态氮；(NH4+-N+NO3-N)：矿化氮总量 图 2 不
20、同冻融时间下牲畜粪便矿化氮含量变化 Figure 2 Changes of mineralized nitrogen concentration in livestock dung during different freeze-thaw periods 表 1 新鲜牦牛和藏绵羊粪便初始理化指标 Table 1 Initial physicochemical indexes of fresh yak and Tibetan sheep dung 类型 含水量/%pH w(OC)/(gkg1)w(TN)/(gkg1)w(TP)/(gkg1)w(NH4+-N)/(mgkg1)w(NO3N)/(mg
21、kg1)w(AP)/(mgkg1)YD 70.2 7.64 294 13.6 1.87 315 26.3 248 TSD 52.1 7.66 261 22.5 3.51 967 4.97 326 abcabaabaabcdabbb02080100120140160180干物质量/g YD TSDABABABAB(a)粪便含水量 YD TSD0105060708090100110120含水量/%时间/d(b)粪便干物质量ABABAAAB0 d5 d15 d30 d时间/d0 d5 d15 d30 d 相同处理的不同小写字母表示在不同冻融时间之间具有显著性差异（P0.05）；相同冻融时间的不同大写
22、字母表示两种处理之间具有显著性差异（P0.05），下同 图 1 不同冻融时间下牦牛和藏绵羊粪便含水量 与干物质量变化 Figure 1 Changes in moisture content and dry matter content of yak and Tibetan sheep dung during different freeze-thaw periods 熊朝阳等：冻融作用下藏北高原牦牛和藏绵羊粪便降解及养分变化特征 1609 量最大，且冻融时间的增加导致羊粪 NH4+-N 含量在各降解时段内均显著降低（P0.05）；而牛粪NH4+-N 含量除在前 5 d 显著增加外，之后均显著
23、降低（P0.05）（图 2a）。与之类似的，牛粪与羊粪NO3-N含量分别由26.1 mgkg1和4.97 mgkg1下降至 4.59 mgkg1和 2.29 mgkg1，且牛粪NO3-N 含量显著降低突出表现在第 515 d，而羊粪 NO3-N 含量显著降低集中在第 05 d（P0.05）（图 2b）。值得注意的是，牛粪与羊粪NH4+-N含量在1530 d显著降低，但未导致两者 NO3-N 含量发生显著变化（P0.05）（图 2b）。从牛粪与羊粪矿化氮总量（NH4+-N+NO3-N）来看，经过 30 d 冻融循环后两者分别从 341 mgkg1和 972 mgkg1下降至 72.6 mgkg1
24、和 190 mgkg1（P0.05）（图 2c）。两者矿化氮总量的变化趋势与 NH4+-N 的变化特征较为一致（图 2a、c），即羊粪矿化氮总量随降解时间的延长均表现为持续显著降低（P0.05），而牛粪矿化氮总量（439 mgkg1）在第 5 天达到峰值，在整个试验期内呈单峰曲线变化特性（图 2c）。2.3 有效磷含量变化 牦牛和藏绵羊粪便 AP 含量在整个冻融试验期呈现不同变化特征，且羊粪 AP 在试验期内始终显著高于牛粪（P0.05）（图 3）。随冻融循环的持续进行，牛粪 AP 含量由初始的 248 mgkg1降至最终的 195 mgkg1，两者具有极显著差异（P0.05）（图 3）。与之
25、不同，整个试验期内羊粪AP 含量在 05、515 和 1530 d 的降解过程中分别呈现显著增加-显著降低-再显著增加的波动性变化特征（P0.05），且至试验期末（30 d）较初始未冻融处理显著增加了 AP 含量（图 3）。2.4 粪便 pH 及全量养分动态 在试验过程中，牛羊粪的 pH 值表现出不同变化趋势。试验初期，两粪便 pH 值相近且羊粪略高于牛粪，但至试验结束时羊粪 pH 低于牛粪（图 4a）。随着冻融时间的增加，羊粪 pH 值在 05 d 和 1530 d 期间逐渐降低，但第 515 天期间 pH 值略微升高。牛粪 pH 值变化则与之不同，在 05 d 略微升高后逐渐降低（图 4a
26、）。在整个试验期内，牛粪 OC 含量始终高于羊粪，且两者在经过 5 d 冻融循环后达到峰值，分别增加至 328 gkg1和 274 gkg1（图 4b）。随着冻融时间的增加，牛羊粪 OC 含量在后 25 d 冻融期间明显降低。牛羊粪 TN 含量在试验期内呈现差异性变化，羊粪 TN 含量始终高于牛粪处理。相比之下，羊粪TN 含量在整个试验期无显著变化，而牛粪在经历30 d 冻融循环后，其 TN 含量与初始相比有微量增加（图 4c）。与之不同的是，牛粪与羊粪 TP 含量变化差异较大，牛粪 TP 含量始终低于羊粪（图 4d）。随着冻融时间增加，牛粪 TP 含量在试验期逐渐微量增加，而羊粪则在前 5
27、d 有较大幅度降低，在后25 d 持续微量下降（图 4d）。从牛羊粪便全量养分在不同冻融时间的变化量来看，牛羊粪 OC 含量变化相较于其他养分在试验期前 5 d 变化突出。随着冻融时间的增加，试验期末牛羊粪 TP 含量变化率比较突出，与初始相比分别为 6.70%和11.6%。另外，两处理的 TP 含量变化趋势不同，牛粪 TP 含量在试验期持续增加，且 1530 d 增加幅度更大；而羊粪 TP 含量相较于第 0 d 分别减少了 8.39%、10.6%、11.6%。两个处理中牛粪 TN 含量变化率始终高于羊粪，试验结束后羊粪 TN 含量与初始相比降低了 3.34%，而牛粪TN 含量增加了 5.93
28、%（表 2）。3 讨论 3.1 冻融作用促进粪便降解和理化特性差异性变化 季节性冻融不仅会改变高寒草地土壤理化和生物学性质，也可通过破坏粪斑物理结构和改变其通气性等进而不同程度影响粪便降解过程和理化特性的变化（何奕忻等，2009a；杜子银，2020）。本研究发现，冻融循环条件下牛粪干物质量在 015 d 显著减少，而羊粪干物质量在第 15 天与第 0天相比无显著差异，表明在冻融初期牛粪干物质量变化相比于羊粪更为明显。研究认为，粪便分解过程中伴随着物理结构的变化和养分释放，其中牛粪易降解的部分可能会转化为溶解态，经淋溶渗透到土壤中参与植物生长并向深层土壤迁移（Aarons et aaabcaba
29、01002003004005006007008009001000w(AP)/(mgkg1)时间/d YD TSDBABABABA0 d 5 d 15 d 30 d 图 3 不同冻融时间牲畜粪便有效磷含量变化 Figure 3 Changes of AP concentration in livestock dung during different freeze-thaw periods 1610 生态环境学报 第 32 卷第 9 期（2023 年 9 月）al.，2004；何奕忻等，2009b）。在降解初期，牛粪可维持较长时间的高含水率，能够为粪便淋溶提供条件。在冻融影响下，特别是升温融化阶
30、段，融水的淋溶作用会更加显著（张安宁等，2021），从而使得牛粪在前 15 d 质量损失明显。相比之下，羊粪在经过 530 d 冻融后与初始相比无明显变化的原因可能是随着粪便逐渐干燥，活性部分先降解导致残留物质降解速率越来越慢，使得干物质量减少趋势逐渐减弱（Holter，1982；杜子银等，2019）。另外，降解过程中两种粪便干物质量分别在后 15 d 与前 5 d 有显著增加，但两者含水量在后 15 d 与前 5 d 却有显著降低。这与吴新卫等（2011）的研究结果较为相似，即牛粪干物质量与含水量呈负相关关系。此外，牛羊粪的初始 pH 值呈弱碱性，两种粪便 pH 值在试验期的下降可能与粪便微
31、生物作用有关。研究发现，粪便在硝化过程中会产生一定的酸化现象（Shand et al，2000），同时冻融过程中有机质降解会导致可溶性有机酸的产生（Feng et al.，2007），都会使得 pH 值降低。总体来看，冻融作用下牛粪 TN 含量在试验期整体变化不大，而两种粪便 TP 含量的变化呈现不同趋势。牛粪 TP 含量在试验期有微量增加并逐渐上升，而羊粪 TP 含量则随冻融时间逐渐降低。这可能是由于牛粪保水性强加上表面生成的坚硬外壳，使得其长期处于厌氧环境，有机质分解速率慢使得牛粪 TP 含量变化不大，这与金文博等（2018）与郭亚亚等（2021）的研究结果较为一致。3.2 冻融作用不同程
32、度影响粪便氮磷养分迁移转化 在高寒草地生态系统中，N 和 P 是限制植物生长的重要养分（盛基峰等，2022），冻融作用下的牛羊粪便氮磷形态转化及养分释放将不同程度影表 2 冻融试验期内牦牛和藏绵羊粪便全量养分相较于 初始值的变化率 Table 2 Rate of change in total dung nutrients of yak and Tibetan sheep during freeze-thaw time compared to initial data 粪便类型 测定指标 变化率/%0 d 5 d 15 d 30 d YD OC 0 11.2 5.53 2.99 TN 0 1.
33、20 1.83 5.93 TP 0 0.347 0.945 6.70 TSD OC 0 5.13 2.48 2.24 TN 0 0.855 1.63 3.34 TP 0 8.39 10.6 11.6 7.37.47.57.67.77.87.98.02252402552702853003153303458101214161820222426281.21.62.02.42.83.23.64.0pH(a)酸碱度 YD TSDpH：酸碱度；有机碳：OC；全氮：TN；全磷：TP0 d 5 d 15 d 30 d 0 d 5 d 15 d 30 d w(OC)/(gkg1)(b)有机碳含量 YD TSD时
34、间/d时间/dw(TN)/(gkg1)(c)全氮含量 YD TSD YD TSDw(TP)/(gkg1)(d)全磷含量时间/d时间/d0 d 5 d 15 d 30 d 0 d 5 d 15 d 30 d 图 4 不同冻融时间牲畜粪便 pH 及全量养分变化 Figure 4 Changes of organic carbon,total nitrogen,and total phosphorus concentrations and pH value of livestock dung at different freezing and thawing periods 熊朝阳等：冻融作用下藏北
35、高原牦牛和藏绵羊粪便降解及养分变化特征 1611 响其养分返还效率和高寒草地生态系统养分平衡（李博等，2012）。本研究发现，随着冻融时间增加，除牛粪 NH4+-N 含量在前 5 d 有显著增加外，牛羊粪两者 NH4+-N 含量在试验期间总体均呈显著下降特性，而与之相应的牛羊粪 NO3-N 含量的降低集中在 015 d，但在后 15 d 冻融期间则无显著变化，表明 NO3-N 的损失集中于降解初期，而 NH4+-N 的下降在整个试验期持续存在。这可能是由于冻融作用导致粪便物理结构的加速破碎增加了粪便暴露于空气中的表面积与孔隙，使得水分更容易发生渗透，导致具有一定溶解度的粪便氮素化合物含量降低。
36、同时，部分矿化氮还会渗透进入土壤或经过硝化和反硝化过程以气态氮形式挥发损失（Du et al.，2021；廖睿恒，2021）。总体而言，牲畜排泄物矿化氮含量变化主要与粪便硝化、反硝化以及矿化等作用有关。牛羊粪 NH4+-N 含量在冻融期下降，可能主要是硝化反应导致的，且牛粪在 525 d 的 pH持续下降可在一定程度上表明是该时段牛粪持续硝化产生的（H+）酸化的结果（Lupwayi et al.，1999）。与此同时，第 515 天冻融期间羊粪 NH4+-N 含量下降而 NO3-N 含量无明显变化，可能是模拟试验的温度范围为155 低于硝化细菌活动适宜的温度范围。低温会抑制硝化作用 NO3的形
37、成并出现NO2的积累，并且产物浓度的升高也会进一步抑制亚硝酸细菌和硝酸菌的生长（刘忠宽等，2004），使得羊粪 NO3-N 含量无明显增加。牛粪与羊粪NO3-N 降低分别集中在 515 d 和 05 d，可能主要是由于粪便反硝化消耗了大量的 NO3-N。反硝化过程主要在厌氧条件下进行（刘忠宽等，2004），初期粪便结构致密含气量少，且家畜粪便临界含气量在 11%14%之间有利于脱氮。另有研究发现，粪便氧气含量受含水量调控，粪斑 100%田间持水量时反硝化作用明显（Aulakh et al.，1992）。羊粪含水量与 NO3-N 都在前 5 d 有显著下降，在之后25 d 则都无显著变化。粪便降
38、解初期的高含水量与紧密的质地提供了厌氧环境，因此牛羊粪的反硝化过程可能主要发生在粪便降解初期。在冻融降解过程中，牛粪前 5 d 的 NH4+-N 含量与自身 OC 含量都有显著增加。冻融作用下破碎的粪便颗粒和低温下部分微生物的死亡可使得粪便中 OC 增多，可能会进一步成为微生物的有效碳源（高敏等，2016；陈兴财等，2019），使残余微生物活性加强，从而导致粪便中矿化作用增强，使得部分有机氮矿化和牛粪 NH4+-N 含量增加。此外，两种粪便处理下矿化氮总量呈现不同变化特征，试验开始（0 d）与结束（30 d）牛粪矿化氮总量低于羊粪，但在第 5 天牛粪高于羊粪。这可能与牛羊粪自身特性以及受冻融影
39、响不同有关。粪便在降解初期的矿化过程中，牛粪相较羊粪多为难分解有机物质，如纤维素和木质素等有机物质（韩雨航等，2022），使得牛粪在矿化过程中矿化氮含量增加更为明显。而羊粪呈细粒状（杜子银等，2022a），在冻融作用下羊粪颗粒可能更容易被挤压使得水分消散。在粪便中发生的生物学过程与含水量有密切关系（Dickinson et al.，2006；Ndayambaje et al.，2022），羊粪含水量在初期损失大量水分后，可能会造成硝化与反硝化作用集中在降解初期。总体而言，粪便在降解初期的矿化作用会造成牛羊粪矿化氮总量的增加，而总量的降低则主要是粪便在降解过程中自身的氨化、硝化与反硝化等过程中复
40、杂消耗的结果。P 是植物生长最为重要的营养元素之一（袁京等，2021），粪便中的 P 主要来自于动物的代谢产物，且 AP 是反映粪便磷素养分供应水平高低的重要指标。粪便中有机物质的分解会产生大量多元弱酸性物质，这些酸性物质会溶解无机磷使得 AP 含量不断增加，这一结论已得到相关研究证实（冯明谦等，1999；于群英，2003）。在整个试验期羊粪AP 含量始终高于牛粪，可能是两种粪便在成分和理化性质等方面固有的差异而导致的。金文博等（2018）发现，牛粪中有机酸含量较少，溶解磷的能力有限，且微生物的活动会消耗 AP 含量。这可能是造成本研究中牦牛粪便 AP 含量在经过 30 d 冻融后显著降低的原
41、因。另外，解磷细菌中芽孢杆菌属（Bacillus）在有机磷矿化过程中起主要作用（Vinci et al.，2018）。张勇勇等（2023）发现，解磷细菌中芽孢杆菌属（Bacillus）的相对数量与牛粪pH 显著正相关，且解磷细菌的减少会导致牛粪 AP含量降低。本研究中牛粪 pH 在后 15 d 的不断下降，会造成解磷细菌中的芽孢杆菌属（Bacillus）的数量减少致使 AP 含量下降。相比之下，羊粪 AP 含量受冻融作用更加复杂，在整个试验期呈现反复增加-降低的波动变化特性。羊粪 AP 含量在第 5 天与第30 天的增加，可能主要是由于冻融循环后羊粪 OC在降解初期增加，这促使微生物活性增强，
42、分解有机物释放有机酸，并且冻融环境下微生物死亡也会释放吸收的磷（金文博等，2018；陈兴财等，2019）。4 结论 通过选取季节性冻融藏北高原牦牛和藏绵羊粪便开展 30 d 冻融模拟试验，本文主要研究结论如下：1）冻融试验期内牛粪含水量的损失集中表现在后 15 d，而羊粪则集中于前 5 d，冻融作用加快了牛粪降解前 15 d 干物质量的损耗。1612 生态环境学报 第 32 卷第 9 期（2023 年 9 月）2）牛羊粪反硝化作用可能集中于冻融试验初期（015 d），冻融加速粪斑破碎间接导致矿化氮的损失，且可能抑制了 NO3的生成。3）冻融作用通过影响牛羊粪有机酸的生成影响 AP 含量的变化，
43、两种粪便处理 AP 的差异主要与牛羊粪自身理化性质差异有关。参考文献：AARONS S R,HOSSEINI H M,DORLING L,et al.,2004.Dung decomposition in temperate dairy pastures.II.Contribution to plant-available soil phosphorus J.Australian Journal of Soil Research,42(1):115-123.ANTHONISEN A C,LOEHR R C,PRAKASAM T B,et al.,1976.Inhibition of nitri
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