DOI: https://doi.org/10.3390/methane5010004
تاريخ النشر: 2026-01-19
المؤلف: Jerry Celumusa Dlamini وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الكربون والنيتروجين في التربة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في انبعاثات غازات الدفيئة (GHG)، وتحديداً الميثان (CH₄) وثاني أكسيد الكربون (CO₂)، من التربة بعد إيداع علاجات مختلفة من فضلات الماشية في مروج المملكة المتحدة. شملت العلاجات بول الأبقار (U)، والبول الممزوج بالديسيانديميد (DCD) (U + DCD)، والبول الاصطناعي (AU)، والروث (D)، مع مجموعة تحكم لم تتلق أي فضلات. تم إجراء الدراسة على مدى ثلاث فترات خلال موسم الرعي، وعلى الرغم من أنه تم الإبلاغ عن انبعاثات N₂O من التربة سابقًا، تركز هذه الورقة على انبعاثات CH₄ وCO₂، لا سيما تأثير DCD، وهو مثبط للتنشيط النيتروجيني يهدف إلى تقليل انبعاثات N₂O.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن رطوبة التربة ودرجة الحرارة وتوافر النيتروجين المعدني أثرت بشكل كبير على انبعاثات CH₄ وCO₂، حيث أدى تطبيق الروث إلى انبعاثات مرتفعة بشكل ملحوظ وإمكانات كبيرة للاحتباس الحراري (GWP). تؤكد النتائج على الآثار البيئية لإيداع الروث في المروج، مما يبرز الحاجة إلى استراتيجيات التخفيف لمعالجة انبعاثات غازات الدفيئة المرتبطة. تقترح الدراسة أن استخدام DCD قد يوفر مسارًا محتملاً لتقليل انبعاثات غازات الدفيئة القائمة على الكربون من فضلات الماشية، وبالتالي المساهمة في ممارسات إدارة الماشية الأكثر استدامة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على المساهمة الكبيرة لأنظمة إدارة الماشية في انبعاثات غازات الدفيئة العالمية (GHG)، حيث تمثل حوالي 12% من الانبعاثات البشرية السنوية. تشمل المصادر الرئيسية لهذه الانبعاثات الميثان (CH₄) وثاني أكسيد الكربون (CO₂) وأكسيد النيتروز (N₂O) الناتجة عن إيداع البول والروث، وإدارة السماد، والتخمير المعوي في المجترات. يعزز إيداع فضلات الماشية في المراعي التي يتم رعيها النشاط الميكروبي ويخلق بقع تربة غنية بالمغذيات، مما يمكن أن يؤدي إلى زيادة انبعاثات غازات الدفيئة، لا سيما N₂O من خلال عمليات إزالة النيتروجين في المواقع اللاهوائية.
تؤكد الورقة على الحاجة إلى مزيد من البحث حول ديناميات غازات الدفيئة المتعلقة بالكربون، وتحديداً CH₄ وCO₂، فيما يتعلق بانبعاثات N₂O، خاصة بعد تطبيق البول والروث واستخدام مثبطات التنشيط النيتروجيني (NIs) مثل الديسيانديميد (DCD). بينما يُعرف أن DCD يخفف من انبعاثات N₂O عن طريق تأخير التنشيط النيتروجيني والاحتفاظ بالنيتروجين في شكل الأمونيوم، لا يزال تأثيره على ديناميات CH₄ وCO₂ غير مستكشف بشكل كافٍ. يهدف المؤلفون إلى دراسة العوامل التربوية والبيئية التي تؤثر على تدفقات CH₄ وCO₂ من بول الأبقار والروث، سواء مع أو بدون تطبيق DCD، لتحديد مساهماتها في إجمالي انبعاثات غازات الدفيئة في المراعي التي ترعاها الماشية.
طرق البحث
تم إجراء البحث في مزرعة روثامستيد للأبحاث في نورث وايك، ديفون، المملكة المتحدة، على مدى ثلاث مواسم – الربيع والصيف والخريف – من مارس 2012 إلى سبتمبر 2013. كان الموقع، الذي يتميز بتربة طينية رملية ذات تصريف ضعيف، قد استخدم لإنتاج السيلاج دون رعي الماشية لمدة ثلاث سنوات قبل التجارب. أظهرت بيانات المناخ من 1982 إلى 2012 متوسط هطول الأمطار السنوي 1055 مم ومتوسط درجة حرارة الهواء السنوية 9.6 °م.
استخدم التصميم التجريبي تصميم كتلة عشوائية مع ثلاث تكرارات لكل علاج، باستخدام قطع أرضية قياس 6 م × 3 م. احتوت كل قطعة على خمس بقع من البول وخمس بقع من الروث، كل منها قياس 60 سم × 60 سم. تلقت بقع البول 1.8 لتر من البول، محاكاة لحدث تبول الأبقار النموذجي، بينما تم معالجة بقع الروث بـ 4 كجم من الروث الطازج. تم تخصيص منطقة إضافية بمساحة 2 م × 2 م على كل قطعة لقياس النيتروجين المعدني في التربة (N) وإنتاج المادة الجافة للعشب (DM) وامتصاص النيتروجين من قبل النباتات. بالنسبة للعلاج الذي يتضمن مثبط التنشيط النيتروجيني ديسيانديميد (DCD)، تم خلطه مع البول بمعدل 10 كجم هكتار⁻¹ لتعزيز توزيع موحد، محاكاة تأثير إضافة DCD في علف الأبقار.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد البحث، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. من الجدير بالذكر أن النتائج تظهر أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين ملحوظ في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05 تشير إلى دلالة إحصائية.
علاوة على ذلك، يتم توضيح النتائج من خلال أشكال وجداول متنوعة، والتي توفر تمثيلاً بصريًا للاتجاهات الملاحظة. تعزز هذه الوسائل البصرية فهم البيانات، مما يظهر فعالية المنهجية المقترحة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال، مما يقترح مسارات محتملة لمزيد من البحث والتطبيق.
المناقشة
في هذه الدراسة، لوحظت اختلافات كبيرة في هطول الأمطار ودرجة الحرارة عبر ثلاث فترات تجريبية، حيث تم تسجيل أعلى هطول للأمطار في ديسمبر 2012 (حتى 238 مم) وكانت الأشهر الأكثر جفافًا هي مايو 2012، وأبريل، ويونيو، ويوليو 2013، حيث تلقت كل منها أقل من 50 مم. أشارت ديناميات رطوبة التربة إلى أن نسبة المساحات المملوءة بالماء (%WFPS) كانت متغيرة بشكل كبير، حيث بلغت ذروتها عند 76.0% في يناير ومارس 2013 خلال التجربة الخريفية، بينما لوحظت الظروف الأكثر جفافًا في سبتمبر 2013 (33.3 ± 0.8%). عكست متوسطات درجات حرارة الهواء والتربة هذه الأنماط، حيث تم تسجيل أعلى درجات الحرارة في يوليو 2013 (18.5°C و19.1°C، على التوالي) وأدنى درجات الحرارة في مارس 2013 (2.8°C و4.1°C).
كشفت قياسات تدفق الغاز أن علاج الروث (D) أظهر باستمرار أعلى تدفقات CH₄ وCO₂ في التربة عبر جميع التجارب، حيث حدثت ذروة الانبعاثات مباشرة بعد تطبيق العلاج. على سبيل المثال، في التجربة الخريفية، أظهر علاج D تدفقات CH₄ قدرها 1094 ± 67.6 جرام هكتار⁻¹ يوم⁻¹، وهو أعلى بكثير من العلاجات الأخرى. أشار تحليل الانبعاثات التراكمية إلى أن علاج D كان له أيضًا أكبر انبعاثات تراكمية من CH₄ وCO₂، مما ساهم في إمكانات احتباس حراري صافية أعلى بشكل ملحوظ مقارنة بالعلاجات الأخرى. تشير هذه النتائج إلى أن إيداع الروث من الأبقار الرعوية يؤثر بشكل كبير على انبعاثات غازات الدفيئة، مما يبرز الحاجة إلى استراتيجيات تخفيف فعالة لمعالجة الأثر البيئي لمثل هذه الممارسات في نظم البيئات المروجية.
DOI: https://doi.org/10.3390/methane5010004
Publication Date: 2026-01-19
Author(s): Jerry Celumusa Dlamini et al.
Primary Topic: Soil Carbon and Nitrogen Dynamics
Overview
The research investigates the greenhouse gas (GHG) emissions, specifically methane (CH₄) and carbon dioxide (CO₂), from soil following the deposition of various livestock excreta treatments in a UK grassland. The treatments included cattle urine (U), urine combined with dicyandiamide (DCD) (U + DCD), artificial urine (AU), and dung (D), with a control group receiving no excreta. The study was conducted over three periods during the grazing season, and while soil N₂O emissions have been previously reported, this paper focuses on the emissions of CH₄ and CO₂, particularly the impact of DCD, a nitrification inhibitor aimed at reducing N₂O emissions.
Key findings indicate that soil moisture, temperature, and mineral nitrogen availability significantly influenced CH₄ and CO₂ emissions, with dung application leading to notably high emissions and a substantial global warming potential (GWP). The results underscore the environmental implications of dung deposition in grasslands, highlighting the need for mitigation strategies to address the associated GHG emissions. The study suggests that the use of DCD may offer a potential pathway to reduce carbon-based GHG emissions from livestock excreta, thereby contributing to more sustainable livestock management practices.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant contribution of livestock management systems to global greenhouse gas (GHG) emissions, accounting for approximately 12% of annual anthropogenic emissions. Key sources of these emissions include methane (CH₄), carbon dioxide (CO₂), and nitrous oxide (N₂O) generated through urine and dung deposition, manure management, and enteric fermentation in ruminants. The deposition of livestock excreta in grazed pastures enhances microbial activity and creates nutrient-rich soil patches, which can lead to increased GHG emissions, particularly N₂O through denitrification processes in anaerobic microsites.
The paper emphasizes the need for further research on the dynamics of carbon-related GHGs, specifically CH₄ and CO₂, in relation to N₂O emissions, particularly following the application of urine and dung and the use of nitrification inhibitors (NIs) like dicyandiamide (DCD). While DCD is known to mitigate N₂O emissions by delaying nitrification and retaining nitrogen in ammonium form, its impact on CH₄ and CO₂ dynamics remains underexplored. The authors aim to investigate the soil and environmental factors influencing CH₄ and CO₂ fluxes from cattle urine and dung, both with and without the application of DCD, to better quantify their contributions to total GHG emissions in livestock-grazed pastures.
Methods
The research was conducted at Rothamsted Research North Wyke farm in Devon, UK, over three seasons—spring, summer, and autumn—from March 2012 to September 2013. The site, characterized by poorly drained silty clay loam soils, had been utilized for silage production without livestock grazing for three years prior to the experiments. The climate data from 1982 to 2012 indicated a mean annual precipitation of 1055 mm and a mean annual air temperature of 9.6 °C.
The experimental design employed a randomized block design with three replicates per treatment, utilizing plots measuring 6 m × 3 m. Each plot contained five urine patches and five dung patches, each measuring 60 cm × 60 cm. Urine patches received 1.8 L of urine, simulating a typical cattle urination event, while dung patches were treated with 4 kg of fresh dung. An additional 2 m × 2 m area on each plot was designated for measuring soil mineral nitrogen (N), grass dry matter (DM) production, and plant N uptake. For the treatment involving the nitrification inhibitor Dicyandiamide (DCD), it was mixed with urine at a rate of 10 kg ha⁻¹ to enhance distribution uniformity, simulating the effect of DCD supplementation in cattle feed.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Notably, the results demonstrate that the intervention applied led to a marked improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05 indicating statistical significance.
Furthermore, the results are illustrated through various figures and tables, which provide a visual representation of the trends observed. These visual aids enhance the understanding of the data, showcasing the effectiveness of the proposed methodology. Overall, the findings contribute valuable insights into the field, suggesting potential avenues for further research and application.
Discussion
In this study, significant variations in rainfall and temperature were observed across three experimental periods, with the highest rainfall recorded in December 2012 (up to 238 mm) and the driest months being May 2012, April, June, and July 2013, each receiving less than 50 mm. Soil moisture dynamics indicated that the percentage of water-filled pore spaces (%WFPS) varied considerably, peaking at 76.0% in January and March 2013 during the autumn experiment, while the driest conditions were noted in September 2013 (33.3 ± 0.8%). Mean air and soil temperatures mirrored these patterns, with the highest temperatures recorded in July 2013 (18.5°C and 19.1°C, respectively) and the lowest in March 2013 (2.8°C and 4.1°C).
Gas flux measurements revealed that the dung treatment (D) consistently exhibited the highest soil CH₄ and CO₂ fluxes across all experiments, with peak emissions occurring immediately after treatment application. For instance, in the autumn experiment, the D treatment showed CH₄ fluxes of 1094 ± 67.6 g ha⁻¹ day⁻¹, significantly higher than other treatments. Cumulative emissions analysis indicated that the D treatment also had the largest cumulative CH₄ and CO₂ emissions, contributing to a notably higher net global warming potential (GWP) compared to other treatments. These findings suggest that dung deposition from grazing cattle significantly influences greenhouse gas emissions, highlighting the need for effective mitigation strategies to address the environmental impact of such practices in grassland ecosystems.