基于不同監測方法的太湖地區水稻穗肥期氨排放研究*

田玉華 曾 科 姚元林 尹 斌

（1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008 )

（2 南京信息工程大學應用氣象學院，南京 210044）

太湖地區水稻栽培技術自唐代起一直處于領先地位，宋代即有“蘇湖熟，天下足”的美稱[1］。有關水稻穗肥精細化施用的記載始見于明末時期，《沈氏農書》載：“到了立秋，苗已長足，壅力已盡，稈必老，色必黃，接力（即穗肥）愈多愈好”[2］。在化肥進入我國之前，水稻穗肥主要是有機肥類，如浙江《南潯鎮志·農桑》記載：“富家多用豆餅……貧家則用豬羊欄中腐草”[3］。新中國成立后，水稻穗肥開始普遍施用化肥，如陳永康1958年總結的單季晚粳稻“三黃三黑”高產栽培技術，提出穗肥分兩次施用[4］，20世紀80年代浙江創立的三高一穗栽培模式注重水稻穗肥攻粒技術[5］。如今，隨著高產品種的推廣，研究[6-7］表明氮肥適當后移可提高水稻產量和相關品質。

水稻穗肥施用只能采用表面撒施方式，撒施最大的問題便是氨揮發損失。近年來發現，農業氨排放與大氣霧霾密切相關，稻田氮肥撒施引起的氨排放及其減排便成為關注熱點[8-10］。田間研究農田氨排放的方法主要有三類，分別是無干擾的微氣象學法、密閉室抽氣法和被動吸收的通氣法，太湖地區已有一些研究對水稻穗肥氨揮發損失進行了監測，然而大多數研究采用的是密閉室抽氣法，測定的是土-水表面的氨排放[11-13］。微氣象學法是國際公認的監測大面積農田氨排放的標準方法[14］，該方法可測定農田生態系統冠層以上向大氣的實際氨排放量，我國在稻田上開展的微氣象學法多是基肥期氨排放研究[15-17］。目前缺少關于稻田穗肥施用后冠層上方氨排放的微氣象學法研究，更缺乏在同一地塊上同步采用不同監測方法的相關監測研究，這些現狀直接影響稻田氨排放的客觀評價和稻田氮肥施用的科學管理，也影響對已有氨排放結果的采用，進而影響農業氨排放清單及相關標準的制定。

本研究在太湖地區單季晚稻穗肥施用期間，同步采用微氣象學法的質量平衡法（Integrated horizontal flux，IHF）、密閉室抽氣法和通氣法三種方法對穗肥施用后的稻田氨排放進行監測，以期對稻田氨排放的科學評估和稻田氮肥的科學管理提供依據，為農田氨排放清單的制定提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年水稻季在中國科學院常熟農業生態實驗站（31°15′15″N，120°57′43″E）開展。該實驗站位于太湖地區，該地區主要種植制度為稻麥輪作，該地區海拔3.25 m，屬于亞熱帶濕潤氣候，年均氣溫為15.5 ℃，年均降水量為1 038 mm，年均無霜期為224天。供試土壤為湖積物發育而成的潛育型水稻土（烏柵土），表層0 ～ 20 cm土壤理化特征：pH（H2O）7.36、 有機質35.0 g·kg-1、全氮2.09 g·kg-1、全磷0.93 g·kg-1、陽離子交換量（CEC）20.2 cmol·kg-1。2017年水稻生長期間日平均氣溫與降水量見圖1。

圖1 2017年水稻季日平均氣溫和降水分布Fig. 1 Daily mean air temperature and distribution of rainfall during the rice season of 2017

1.2 試驗設計及田間管理

在一方形稻田中間選擇一個半徑為20 m的圓形區域同時采用微氣象學法、密閉室抽氣法和通氣法對稻田氨排放進行監測，圓形區域周圍不施肥。微氣象學法裝置于圓形區域的圓心處，密閉室抽氣法和通氣法裝置的位置見圖2，密閉室抽氣法和通氣法監測分別重復3次。

圖2 微氣象學法、密閉室抽氣法和通氣法裝置分布圖Fig. 2 Photograph of the location of the devices of the micrometeorological mass-balance integrated horizontal flux (IHF), the dynamic chamber technique and the static chamber technique

水稻整個生育期圓形區域施氮量2 7 0 kg·hm-2，與該地區測土配方施肥推薦量[18］相近。氮肥（尿素）分三次施用，基肥、分蘗肥和穗肥的分配比例為4∶3∶3。基肥施用前10天開始泡田，2017年6月29日施基肥，基肥施用方法是表層撒施后用鐵搭與表層土耙勻，隨后插秧，秧齡35天。水稻品種為南粳46，插秧密度為20 cm × 20 cm。分蘗肥施用時間7月16日，穗肥施用時間8月21日，在傍晚施用。除7月29日—8月7日烤田期間以及收獲前2周，其余時間均保持3～ 5 cm的表面水層。水稻于11月3日收獲，其他管理與周圍大田一致。

1.3 氨排放監測方法

1.3.1 微氣象學法IHF基本原理是測定區域氨的垂直通量等同于測定桿上氨的垂直截面上水平遷移總量[19］，在任意高度上，氨的水平通量是該高度的風速和氨濃度的乘積。Leuning等[20］發明的迎風采樣器可直接測定某一高度氨的水平通量，不需單獨測定風速和氨濃度。施穗肥時水稻植株高度0.70 m，氨排放監測結束時水稻植株高0.79 m，水稻冠層以上的氨排放為稻田向大氣的實際排放量，因此，在圓形區域中心處的桿子上距離田面水上方的0.8 m、1.2 m、1.6 m、2.4 m和3.0 m高度處分別放置迎風采樣器（圖2），同時在上風口不施肥區距離地面1.2 m處放置迎風采樣器以測定背景值。

在迎風采樣器使用前，將其內表面均勻涂上草酸-丙酮溶液[17］。穗肥施用后立即放置迎風采樣器，第一次采集迎風采樣器時間為8月23日早晨7點，之后每24 h更換一次，采回的迎風采樣器立即帶回實驗室，用60 mL去離子水提取。

迎風采樣器的水平通量計算公式為：

式中，M為迎風采樣器采樣時間段內收集到的N-N量，mg（以N計，下同）；A為迎風采樣器的有效截面積，m2；T為采樣時間段，s。

氨排放通量FIHF（mg·m-2·s-1）的計算公式為[21］：

式中，Z為高度差，m；x為風程，即圓形區域的半徑，m；為施肥區迎風采樣器氨的水平通量，為背景區氨的水平通量，mg·m-2·s-1。

1.3.2 密閉室抽氣法密閉室抽氣法需要動力[22-24］，其裝置由通氣桿、抽氣室、洗氣瓶、流量計、真空泵等組成。抽氣室材料為透明有機玻璃，直徑20 cm，高15 cm，底部開放，頂部有2個通氣孔，一個內徑為25 mm的通氣孔通過波紋管與2.5 m高的通氣桿連通，另一個內徑8 mm通氣孔與盛有100 mL稀硫酸（0.01 mol·L-1）吸收液的500 mL洗氣瓶相連，通過真空泵使抽氣室內的氣態NH3被吸收液捕獲。抽氣室內的換氣頻率為每分鐘17次。根據氨排放日變化特征選擇代表性時間段進行抽氣測定，以此時間段的NH3揮發量作為每日的平均通量算出NH3日揮發量，直至NH3排放量與空白處無明顯差異為止。

氨排放量的計算公式為：

式中，Fdc為一天內氨揮發量，kg·hm-2；c為施肥區吸收液中銨態氮濃度，mg·L-1；c0為空白區吸收液中銨態氮濃度，mg·L-1；v為吸收液體積，mL；S為密閉室覆蓋的土壤面積，m2；t為一天內抽氣時間段，h。

1.3.3 通氣法通氣法屬被動收集方法。其裝置為內徑15 cm、高度20 cm、兩端開口的聚氯乙烯（PVC）圓筒，其中一端插入土壤，在圓筒內放置兩層厚度為2 cm的海綿[25-26］，下層海綿距離田面水表面5 cm，防止海綿接觸田面水，此層海綿用于吸收田面水表面揮發的氨；上層海綿置于圓筒頂部，用于吸收周圍空氣中的氨。圓筒頂部有防雨棚。兩層海綿均浸有磷酸甘油溶液（50 mL磷酸 +40 mL丙三醇，定容至1 L），磷酸甘油溶液浸入量以海綿懸掛靜置后不滴液為準。氨揮發監測在穗肥施用后立即進行，每24 h更換一次下層海綿，直至與不施肥區域無明顯差異為止，上層海綿每48 h更換一次。取樣時，將海綿迅速裝入編號的自封袋，同時換上浸過磷酸甘油的備用海綿，在實驗室內向袋中加入300 mL 2 mol·L-1的KCl溶液，反復擠壓提取。

土-水表面氨揮發速率：

式中，Msc為每次取樣時施肥區和空白區海綿提取液 NH4+-N量之差，mg；A為PVC圓筒的截面積，m2；D為海綿收集氨時間，d。

1.4 測定方法

穗肥施用后，每天上午9:00采集圓形區域和不施肥區田面水并測定田面水pH，施肥區和空白區田面水分別采集3個樣品，每個樣品為5處田面水混合液，帶回實驗室過濾后置于4℃冰箱保存，一周內測定。田面水、迎風采樣器提取液、密閉室抽氣法吸收液以及海綿浸提液中的NH4+-N均采用靛酚藍比色法測定。田面水pH采用pH計測定，降雨采用智能降水采樣器（ZJC型，浙江恒達儀器儀表有限公司，浙江杭州）收集。

1.5 數據分析

監測數據采用 Excel 2010進行處理分析，計算其平均值和標準偏差，作圖軟件采用Origin 8.0。

2 結 果

2.1 密閉室抽氣法監測氨排放日變化特征及該法抽氣時間選擇

本研究監測了施肥后第三天土-水表面氨揮發的日變化特征，每兩小時采集一次，每次采集半小時。結果發現，土-水表面氨揮發與氣溫呈直線相關關系（圖3）；氨揮發量最大值出現在中午12:20 ～12:50，最小值出現在凌晨1:20 ～ 1:50，平均值出現在兩個時段：8:20 ～ 8:50和16:20 ～ 16:50（圖4），因此，采用密閉室抽氣法監測土-水表面氨排放的適宜時間段是8:00 ～ 9:00和16:00 ～ 17:00。

2.2 穗肥施用后田面水N-N濃度、pH及水稻植株高度變化

在穗肥施用前，施肥區（已施過基肥和分蘗肥）和非施肥區田面水NH4+-N濃度為0.15 mg·L-1。通過對試驗地水稻季灌溉水和雨水進行觀測，發現灌溉河水NH4+-N濃度平均0.5 mg·L-1，雨水NH4+-N濃度為1.1 ～ 1.5 mg·L-1。在水稻非施肥期，稻田田面水NH4+-N濃度明顯低于供水的NH4+-N濃度，該時期稻田對灌溉水和雨水具有凈化效應。在穗肥施用后，施肥區田面水在施肥后第二天NH4+-N濃度即達到峰值，至第五天已接近非施肥區（圖5），非施肥區田面水NH4+-N濃度始終保持在0.15 ～ 0.20 mg·L-1。

在穗肥施用后，施肥區僅在第2 ～ 3天pH升高了0.2左右，其他時間與非施肥區無差異。此時施肥區水稻高度已由插秧時的0.32 m生長至穗肥施用前的0.68 m，穗肥氨排放監測結束時，水稻高度為0.79 m，田面已經封行，田面水光線缺乏，導致藻類活動受阻，應是pH未出現明顯升高的原因。

圖3 密閉室抽氣法監測土-水表面氨排放與氣溫的相關關系Fig. 3 Linear correlation between air temperature and ammonia emission from soil-water surface monitored with the dynamic chamber technique

2.3 三種方法監測的氨排放動態變化

采用三種方法監測的穗肥氨排放動態變化特征基本一致（圖6）：在施肥后第二天達峰值，至施肥后第5天不再有明顯排放，這些動態變化規律與田面水NH4+-N濃度變化趨勢一致。然而，不同監測方法之間監測的氨排放的日排放量差異明顯，密閉室抽氣法和通氣法監測的是土-水表面的氨排放，在監測期間，前者的日揮發量始終高于后者，如密閉室抽氣法的峰值為6.85 kg·hm-2·d-1，通氣法峰值為3.06 kg·hm-2·d-1，微氣象學法IHF監測的冠層上方氨排放量在施肥后0～36 h的氨排放僅為3.02 kg·hm-2。

2.4 三種監測方法氨揮發損失量和損失率

穗肥施用后，微氣象學法IHF、密閉室抽氣法和通氣法監測的氨排放累積量分別為5.45 kg·hm-2、17.41 kg·hm-2和7.95 kg·hm-2，分別占施氮量的6.73%、21.5%和9.82%（表1）。如以微氣象學法IHF監測的氨排放為基數100，密閉室抽氣法與通氣法則分別為319和146，因此，采用密閉室抽氣法或通氣法均會高估穗肥施用后稻田氨排放量。

3 討 論

3.1 密閉室抽氣法研究稻田氨排放存在的問題

我國農田氨揮發研究絕大多數采用密閉室抽氣法[27］，在太湖地區常規施氮量（240～300 kg·hm-2）下穗肥期氨揮發損失率為4%～26%[11-13,28-31］；通氣法氨揮發損失率為7%～9%[32-33］。本研究采用密閉室抽氣法監測土-水表面氨排放占施氮量的21.5%，通氣法監測土-水表面氨排放損失率為9.82%。本研究密閉室抽氣法的結果高于大部分已發表的結果，施肥后氨排放量及比例與氣象條件有關，本研究的穗肥施用后五天均是高溫天氣（圖1），有利于氨揮發的產生。然而，造成密閉室抽氣法監測結果差異大的更重要的因素應是抽氣速率的不一致和抽氣時間的選擇兩個方面，目前在田間實地監測時，尚難以做到全部試驗小區均在流量計的控制下確保換氣速率完全一致并足量，即要求所有抽氣室內田面水至抽氣室頂部的高度和抽氣量完全一致。

圖4 密閉室抽氣法監測土-水表面氨排放日變化特征Fig. 4 Diurnal variation of ammonia emission from water-soil surface monitored with the dynamic chamber technique

圖5 穗肥施用后田面水N-N濃度和pH動態變化Fig.5 Dynamics of the ammonium concentration and pH in floodwater after application of the booting fertilizer

圖6 穗肥施用后同步采用微氣象學法、密閉室抽氣法和通氣法監測的氨排放動態變化Fig. 6 Dynamics of ammonia emission relative to monitoring techniques

現有研究中密閉室抽氣法的抽氣室大多采用直徑20 cm、高度15 cm的有機玻璃氣室，監測時抽氣室內田面水至氣室頂部的高度一般不小于3～4 cm，否則抽氣室內的田面水有進入洗氣瓶的風險，也會導致每次抽氣前按壓抽氣室進入稻田土層的難度加大。在換氣次數為每分鐘15～20次的條件下，抽氣量即為15～25 L·min-1。在田間情況下采用真空泵負壓抽取氨排放時，洗氣瓶的曝氣程度直接受抽氣量影響，采用的洗氣瓶一般為250 mL，吸收液為60 mL，在抽氣速率為15 L·min-1和20 L·min-1時洗氣瓶內稀硫酸曝氣程度非常劇烈，在水稻季高溫條件下采用這樣的抽氣量會導致吸收液損耗過大，引起測定誤差；另一個影響因素是抽氣時間的選擇，現有密閉室抽氣法研究的時間選擇尚不一致。因此，抽氣速率和抽氣時間均增加了此方法監測氨排放量的不確定性，今后的研究中，在確保施肥均勻和抽氣位置和抽氣時間段具有代表性的前提下，可適當減小抽氣室直徑，并統一控制抽氣室內田面水至氣室頂部的高度和抽氣流量，使不同處理之間具有可比性。

表1 同步采用微氣象學法、密閉室抽氣法和通氣法監測的穗肥施用后氨排放量及其占施氮量的比例Table 1 Ammonia emission and loss rate following fertilization at the booting stage of rice plant relative to monitoring techniques

3.2 三種監測方法稻田穗肥期氨排放的差異

本研究中微氣象學法IHF監測的水稻冠層上方氨排放僅為密閉室抽氣法監測的土-水表面氨排放量的31.3%，主要原因是二者監測對象不同，前者監測的是冠層上方的氨排放，后者監測的是土-水表面的氨排放。植物冠層是開放體系，與環境中氣態NH3存在吸收?排放的平衡關系，決定因素是冠層氨補償點與周圍空氣中氨濃度之間的差異，當空氣氨濃度高于冠層氨補償點時，冠層吸收氨，反之則排放氨[34-35］。水稻營養生長期NH3補償點為0.1～4.1 nmol·mol-1，折合0.07～2.87 μg·m-3[36］，水稻穗肥施用后的前3天，實地測定田面水上方5 cm、15 cm處氨濃度遠高于NH3補償點，該時期冠層對土-水表面揮發氨截獲的相關研究由于篇幅原因，其結果另文詳述。盡管采用通氣法與IHF的排放數值相差不多，但通氣法與密閉室抽氣法一樣，監測的仍是土-水表面的排放，通氣法低于密閉室抽氣法結果的主要原因是：與密閉室抽氣法的每分鐘換氣15次以上的換氣率相比，硬質圓筒內的空氣交換受阻，通氣法的監測結果不能等同于微氣象學法的監測結果。孕穗肥施用時，水稻正處于旺盛生長期，此時田面已經封行，土-水表面揮發的氣態氨可被水稻地上部分截獲，這是導致孕穗肥期密閉室抽氣法和微氣象學法結果差異較大的重要原因。水稻氮肥一般分2～3次施用，除孕穗肥外，還包括移栽時的基肥，基肥施用時水稻地上部分對土-水表面揮發氨的截獲作用微弱，施肥后的土-水表面的氨排放基本等同于稻田生態系統的氨排放，兩個方法測定稻田氨排放量的差異來源則是密閉室抽氣法換氣率和抽氣時間的選擇。

該地區已開展的關于水稻穗肥施用后氨排放的微氣象學法研究，其采樣器高度最低處為0.4 m[37］，這部分冠層內部的NH3通量會被采樣器上方的冠層重新截獲，這部分氨通量若算入則會高估稻田生態系統向大氣的氨排放量。因此，對于稻田穗肥施用后氨排放的評價，現有的土-水表面的氨排放監測結果尚不能等同于稻田生態系統向大氣的排放量，若僅是為了評價各種減排措施對土壤氨排放的減排效果時，該方法可行。

我國單季稻穗肥施用歷史悠久，鑒于目前對于追肥撒施引起的氨揮發損失的關注，本研究結果表明，對于單季稻穗肥施用后，盡管是在高溫天氣條件下，采用普通尿素表面撒施的方式，其冠層上方的氨排放量損失率為6.73%，明顯低于密閉室抽氣法的監測結果，這對于合理評價稻田氮肥施用以及稻田氨排放提供了一個研究依據。

3.3 三種監測方法的優缺點

在評價農田生態系統實際氨排放時，應采用微氣象學法，該方法不需要外源動力，然而，該法需要試驗面積大，圓形試驗區半徑至少20 m[38］，試驗區周圍不能有明顯氨排放源和高大建筑物；在試驗區中心處至少放置5個高度的迎風采樣器，最上方高度一般不低于3 m，迎風采樣器的安裝須對風向變動敏感，試驗開始前須反復調試其支撐點位置，使其對風向的變動反應靈敏，不同高度的迎風采樣器方向保持一致，因此，由于其對試驗區和采樣設備的要求較高，微氣象學法難以應用于多處理的對比試驗。密閉室抽氣法監測的是土表或土-水表面氨排放，需要試驗面積較小，適用于多處理的對比試驗，該方法裝置比較復雜，包括真空泵、流量計、密閉室、洗氣瓶和進氣管等，監測工作量較大，同時需要動力設備，因此，在供電不方便的野外不適用。通氣法所需設備最為簡單，不需要外源動力，操作簡便，在無動力設備的條件下，該法可用于比較不同處理的氨排放情況。

4 結 論

太湖地區單季稻穗肥施用歷史悠久，本研究在水稻孕穗期追施普通尿素，采用微氣象學法IHF在不干擾自然環境情況下監測冠層上方氨排放，發現穗肥期稻田生態系統氨排放占施氮量的6.73%；密閉室抽氣法和通氣法改變了氨排放的自然環境，未能考慮水稻冠層對土-水表面揮發氨的截獲，高估了穗肥期稻田氨排放。目前采用密閉室抽氣法監測氨排放的研究存在的主要問題是抽氣速率不一致以及抽氣時間選擇兩方面，本研究經過監測氨排放的日變化特征，確定最佳抽氣時間段是8:00 ～ 9:00和16:00 ～ 17:00，建議應用該方法時應統一抽氣時間、抽氣室規格和抽氣量。