稻田氨揮發影響因素及其減排措施研究進展

楊國英，郭智，劉紅江，王鑫，陳留根

江蘇省農業科學院循環農業研究中心/農業農村部種養結合重點實驗室，江蘇 南京 210014

中國是世界上主要的產稻國，水稻種植面積和總產量分別占全世界的 18.9%和 28.7%（FAO，2009）。中國也是化肥的主要消費國，氮肥使用量占世界總量的30%（彭少兵等，2002），而中國稻田的氮肥利用率僅為30%—35%；較低的氮素利用率降低農業生產效益，同時也對土壤、水和大氣造成污染，對環境造成危害。稻田土壤氨揮發是氮素損失的主要方式，其占施氮量 10%—40%（Sun et al.，2019）。NH3揮發是指氨從土壤或田面水的表面擴散到空氣中時所發生的物理化學變化過程，會影響稻田系統的生產力和水稻氮素利用率（盧麗麗等，2019）。NH3揮發損失中90%直接進入大氣，從而增加大氣氧化活性和空氣中堿性物質含量，加劇大氣污染。揮發到大氣的NH3可通過氮沉降的方式返回地面，大量的氨通過大氣的傳輸和沉積導致生態系統氮負荷，從而引發一系列環境問題，如霧霾（Yi et al.，2014）、土壤酸化（Van et al.，1998）、水體富營養化（Bosch-serra et al.，2014）等。因此，研究氨揮發損失途徑和影響因子，并探索稻田 NH3揮發的減排措施，有利于提高水稻氮肥利用率，減少空氣中活性氮的負荷，緩解日益突出的生態環境問題，為水稻田的氮素管理提供理論依據，對節約資源、提高糧食生產效益以及保護環境具有重要意義。本文綜述了關于NH3揮發影響因素及減排措施的研究進展，為中國稻田NH3揮發減排提供技術參考。

1 稻田氨揮發的機理

稻田氨揮發過程發生于土氣界面，與稻田NH3揮發相關的化學平衡為：NH4+(代換性)＜=＞NH4+(液相)＜=＞NH3(液相)＜=＞NH3(氣相)＜=＞NH3(大氣)。稻田作物中國主要耕地類型，氮肥施入稻田后，當環境因素有利于發生氨揮發時，氮肥中含有或能產生的 NH4+，便可以與土壤中的水分結合產生液相的NH3，最終轉變成氣態的NH3從稻田揮發到空氣中（朱兆良等，1992）。稻田處于淹水條件下，液相為田面水，氣相為貼近田面水表面的空氣，NH3揮發便發生于田面水和大氣的交界面。稻田的土壤和水分、水稻植株、環境因素以及田間管理措施都會稻田系統中氨揮發的動力學變化產生影響（盧麗麗等，2019）。

2 影響稻田氨揮發的因素

稻田中NH3的揮發受氣候、土壤以及農業活動等因素影響，這些因素之間又相互影響。其中，氣候條件、土壤因素以及稻田管理措施是影響稻田NH3揮發的重要因素。

2.1 氣候條件與氨揮發的關系

2.1.1 溫度

溫度可從多方面影響NH3揮發，其升高將加速稻田NH3損失（Cai et al.，2002）。這首先是因為，溫度升高后使液相中的氨態氮在銨態和氨態氮總量中的比例增加，加速了 NH4+向 NH3的轉化（吳萍萍等，2009）；其次由于溫度增加使得土壤中脲酶活性增強，加快尿素水解產生銨態氮，由于水稻未能及時吸收便以 NH3揮發的形式損失（鄒長明等，2005）。

2.1.2 光照和降雨

以往研究發現，光照對氨揮發影響較大，當光照較強時，氮素主要通過NH3揮發的形式損失。如太湖流域水稻田，與光照弱的多云天氣相比，晴天由于光照較強具有更多的 NH3揮發（宋勇生等，2004）。也有研究認為，光照有利于水稻田中藻類的生長，使稻田地表水的pH值增加，進而加快稻田的氨揮發（吳萍萍，2008）。但光照對氨揮發的內在驅動機制尚需進一步研究。

降雨對NH3揮發存在一定影響，多數研究認為降雨使氮肥下滲至土壤深處，使得帶正電荷的NH4+更易被土壤顆粒吸附（吳萍萍，2008），也使得氨氣不易擴散到地表，降低土壤表層NH4+-N濃度，進而減少NH3揮發（田光明等，2001）。

2.1.3 風速和濕度

風速和空氣濕度對稻田氨揮發產生影響，但關于二者對氨揮發影響的研究結果并不一致。就空氣濕度而言，有研究認為，較高的空氣濕度降低了土水界面的氣壓差，能將土壤揮發出的氨氣溶于空氣中，再返還到土壤中，進而減少NH3損失（習斌等，2010；彭世彰等，2009）；但也有人認為，較高的空氣濕度利于尿素水解成銨態氮，從而加快氨的揮發（Cabrera et al.，2010）。就風速而言，地表水 NH4+-N濃度、pH值以及溫度等環境指標類似的兩個水稻田，由于風速的不同使得兩塊稻田氨揮發損失量差異較大（宋勇生等，2004）。但Cai et al.（2002）認為稻田由于水稻的覆蓋作用，使得土壤表面風速減緩，由此對稻田氨揮發的作用并不明顯。

2.1.4 空氣污染與氨揮發

NH3是大氣主要的氣態污染物，它雖然可以中和空氣中SO2和NOx等酸性氣體，一定程度降低酸雨的形成，但二者形成的銨鹽是大氣顆粒物的前體物（盧麗麗等，2019）。薛文博等（2016）運用WRFCMAQ空氣質量模型，定量模擬NH3對PM2.5濃度的影響，結果表明，NH3排放對全國城市銨鹽年均質量濃度貢獻率為99.7%，且NH3排放對PM2.5的貢獻達到30%。歐美國家通過對PM2.5進行控制試驗發現，在SO2和NOx等污染氣體基本控制的前提下，減少氨氣的排放，可大幅降低空氣中 PM2.5濃度，大幅提升空氣質量（Dedoussi et al.，2014）。可見，從源頭上控制氨揮發，避免氨氣與酸性氣體發生反應，對降低PM2.5水平、控制霧霾和提升環境質量較為重要。

2.2 土壤因素對氨揮發的影響

影響氨揮發的土壤因素主要有土壤pH、陽離子交換量（CEC）、有機質和粘土含量（Li et al.，2017）。土壤pH是影響稻田氨揮發的重要因素（宋勇生等，2004）。土壤pH升高使得稻田氨損失量以及損失率均增加（魏玉云，2006）。也有研究發現，與土壤pH呈酸性的水稻田相比，CaCO3含量相對較多的稻田土壤中，氨損失量增加（朱兆良等，1989）。

張慶利等（2002）研究發現，土壤的氨損失與陽離子交換量和土壤有機質顯著負相關。有人通過盆栽試驗發現，CEC較低的粉砂質壤土中，氨損失占總施氮量比例為34%，而CEC相對較高的粘性土壤中NH3揮發損失只占10%（宋勇生等，2004）。這主要是由于 CEC較高的土壤吸附 NH4+能力較強，從而抑制氨揮發。土壤有機質一方面能夠吸附NH4+，另一方面由于有機質被分解成腐殖質，使土壤pH值降低，間接抑制氨損失。此外，粘土顆粒可以吸附稻田地表水中的NH4+，進而抑制氨揮發，使粘土的氨揮發損失量相對壤土較低（Pelster et al.，2019；Lin et al.，2012）。

2.3 農業措施對氨揮發的影響

2.3.1 施肥

氨揮發損失與稻田氮肥施用種類、方法以及時期相關。不同種類的氮肥氨揮發量與自身的酸堿性以及相伴離子的特征有關。施用尿素和碳酸氫銨能夠增加稻田地表水的pH值，從而加快氨損失，但硫酸銨則無此作用（魯如坤，1998）。研究表明，施氮量相同情況下，單獨施用尿素的氨損失占總施氮量的比例為 37%，而施用有機肥以及有機無機混施的氨損失占總施氮量的比例僅為0.7%和18.2%，表明施用有機肥能明顯減少稻田氨損失（李菊梅等，2005）。Shang et al.（2014）研究也發現，與氮磷鉀肥均衡施用相比，氮磷肥配施、氮鉀肥配施和純氮肥施用使雙季稻生長季累積 NH3揮發量分別增加9.7%、50.6%和37.6%，而有機無機肥配施則使氨揮發降低24.6%。作為新型肥料，緩控釋肥料的包膜或緩溶性物質通過阻隔包膜內外的水分運移，延緩氮素溶出過程，從而控制氮素釋放速度，使得稻田土壤和田面水NH4+-N水平較低，并長時間供水稻吸收利用，最終減少稻田土壤NH3揮發以及提高水稻氮素利用率（Li et al.，2018a；Yang et al.，2019）。目前使用較多的包膜肥料包括樹脂包膜、硫包膜和有機肥包膜等，研究表明，與普通肥料相比，包膜肥料的氨揮發量減少30%以上（盧艷艷等，2011），并且隨著包膜材料和土壤類型的不同減排效果存在較大差異。此外，草酰胺和聚脲甲醛緩釋肥也能夠降低氨揮發量（Tang et al.，2018；趙蒙等，2019）。

施肥量直接影響田面水銨態氮濃度。適宜的肥料可以被植物所吸收（田光明等，2001），過量的施用氮肥則會導致氮損失（高文偉等，2009），并且通常施氮量越多氨損失就越多（Lin et al.，2012；Lin et al.，2007）。氮肥施用方式包括表施（撒施），深施（撒施覆土）以及粒肥深施（播施）等。研究表明，不同施肥方式之間，氨損失存在差異，主要體現在表施大于其他施用方式，而粒肥深施的氨揮發損失相對較低，不同施肥方式下氨揮發表現為：表施＞混施＞深施＞粒肥深施（Xu et al.，1993；Li et al.，2018b）。Liu et al.（2015）研究發現，與表施相比，氮肥深施顯著降低田面水 pH達 2%—4%，銨態氮濃度降低29%—98%，從而顯著降低累積NH3揮發量達20%—45%。土壤 NH3損失對施肥深度的響應較為敏感，這主要由于氮肥深施后，NH4+-N在土壤中擴散時被土壤所吸附，從而使土壤中NH4+-N濃度降低（Yao et al.，2018b）；并且深施減少了肥料與空氣的接觸，縮短養分向根系移動的時間，增加水稻對氮素的吸收利用，最終降低稻田NH3損失（Yao et al.，2018c）。此外，施肥時期也影響氨揮發量，如Qi et al.（2012）研究發現氮肥后移能減少氨揮發。

2.3.2 耕作方式

耕作方式不同導致土壤氨揮發量產生差異。有研究發現，免耕時氮肥在表層土壤富集，增加氨揮發（Rochette et al.，2009；李詩豪等，2018）；而深耕使土壤疏松，便于養分下滲進土壤，同時深耕的方式使土壤耕層變厚，促進水稻植株根系的生長，促進其對氮素的吸收，減少NH3揮發；另外，翻耕也能使NH3揮發顯著降低30%（曹湊貴等，2010）。

2.3.3 灌溉

研究發現，灌溉時間、灌水量（徐萬里等，2011）和灌溉方式（馬騰飛等，2010）等都對氨揮發產生不同程度的影響。當施肥量相同、土壤含水量和灌水量相同時，延長灌水時間使氨揮發速率加快。若加大稻田灌入的水量，反而減少土壤氨揮發損失（Alberto et al.，2010）。He et al.（2019）研究發現，隨著水位的增加，控制性灌溉的水稻田淺水層保持時間延長，可減少施肥后第一周氨揮發損失，控制性灌溉和控制性排水的結合是一種有效的水管理方法，用來減少稻田氨揮發損失。此外，肖新等（2012）研究發現，水氮耦合可顯著降低稻田氨揮發損失。

3 稻田氨揮發減排措施

3.1 稻漁共作

稻漁共作是將水稻與水產動物生產相結合，在中國水稻生產中有廣泛的應用（Li，1988）。以稻魚共作系統而言，Li et al.（2008）研究發現，稻田養殖魚類使稻田氨揮發降低。這主要由于，一方面魚類的生長抑制了稻田中藻類的繁殖，能夠避免稻田中藻類進行光合導致的田面水 pH值升高的問題，進而抑制NH3揮發；另一方面稻田養殖魚類，需在稻田設置環溝，這使田面水體積相對增大，當稻田施入尿素后，可使水體銨態氮濃度大幅降低，從而降低氨揮發（Liao et al.，2015）。

稻蟹共作作為另一種稻漁共作的模式，同樣在中國稻田被廣泛使用，具有較好的效益（Li et al.，2007）。王昂等（2018）研究表明，與常規稻田相比，稻蟹共作水稻田NH3揮發量降低28.4%。這一方面是因為稻田養蟹使得水體變渾，抑制浮游植物生長，能避免因植物光合導致的田面水pH值升高；同時河蟹自身的呼吸作用增加水體中CO2，使田面水pH值降低（孫文通等，2014），從而減少氨氣的產生和揮發（張啟明等，2006）。另一方面，河蟹能夠使土壤質地得到改善，增強稻田土壤對銨態氮的固定作用（汪清等，2011）。水稻根系對氮素的吸收能力也由于河蟹擾動作用得以增強，最終降低田面水銨態氮濃度。有人認為，河蟹代謝產物和殘余餌料會增加稻田的氮素總量，但由于這些主要是有機氮，需緩慢礦化成無機氮，不會使稻田水體銨態氮濃度升高（郝曉暉等，2007）。此外，楊亞男等（2015）研究也表明，水稻立體種養模式，即水稻-魚-蝦-蟹共作，使稻田土壤NH3揮發量顯著降低58.64%。

3.2 稻田套養浮萍

浮萍是稻田中普遍存在的典型水生漂浮植物，研究發現稻田套養浮萍能降低稻田土壤氨揮發總量（Yao et al.，2017；Li et al.，2009）。Sun et al.（2019）研究表明，尿素與浮萍配合施用降低施氮后NH3揮發量達55.2%。這主要由于一方面，就稻田田面水pH值而言，浮萍覆蓋田面，使田面水中光線降低，從而抑制藻類生長。此外，唐萍等（2001）通過將柵藻與浮萍共同培養，發現浮萍能夠降低柵藻葉綠素含量，增加細胞丙二醇濃度，降低超氧物歧化酶活性，促進藻類細胞衰老死亡。胡洪營等（2006）研究也發現，水生植物的浸提液能夠抑制小球藻的生長。藻類生長受到抑制后，稻田水體中HCO3-濃度得以維持，防止田面水pH值升高，從而降低氨揮發。

另一方面，就田面水銨態氮濃度而言，浮萍對田面水中的銨態氮具有吸收和吸附作用。研究表明，浮萍更偏向吸收田面水中銨態氮，即便田面水中總氮濃度較低，浮萍也先吸收銨態氮；同時微生物能夠吸附在浮萍的下葉面和根部形成微生物膜，這能夠吸附田面水中的銨態氮，進一步降低田面水銨態氮濃度（沈根祥等，2006）。

再者，從浮萍對微生物的影響來看，周影茹等（2010）通過模擬太湖流域水稻田的水體氮磷環境，發現浮萍可能通過釋放次生代謝物或化感物質，改變水體微環境，利于微生物生存。同時，浮萍的根部能夠吸附稻田中的有機物，提供微生物生存的場所（吳曉磊，1995）。此外，浮萍具有發達的通氣系統，能將氧氣從莖葉轉移到根部，根部再將氧氣釋放，使根區氧氣濃度相對高于根區以外區域，為硝化與反硝化功能微生物的生存提供適宜的環境，從而促進土壤硝化與反硝化（吳曉磊，1995），降低稻田水體中NH4+-N濃度，從而減少氨揮發。

3.3 稻田放養滿江紅

滿江紅（Azolla）又稱紅萍或綠萍，與浮萍不同，它常與有固氮作用的魚腥藻共生，是一種高固氮的水生蕨類植物，其廣泛用作綠肥（Yao et al.，2018a）。研究發現，稻田放養滿江紅可提高土壤總氮、有機質以及速效磷含量，能夠保持土壤養分平衡，增加土壤孔隙度，使容重降低，改善土壤結構，利于增產培肥（Kollah et al.，2016）。稻田放養滿江紅是減少氨揮發的有效途徑（Macale et al.，2004），其主要通過影響田面水銨態氮濃度、pH及溫度等因子來影響稻田氨揮發（Kollah et al.，2016；Yang et al.，2020）。研究表明，稻田放養滿江紅減少氨揮發比例達10%—50%（Yao et al.，2018a）。

滿江紅直接吸收田面水中氮素是降低氨揮發的重要途徑，其最大吸氮量占總施氮量的 68%（Cisse et al.，2003），水稻成熟期滿江紅植株殘留氮占總施氮量的5%—14%（Macale et al.，2004）。與其他水生植物一樣，滿江紅對銨態氮的吸收優于其他氮源（易厚燕，2013），并且滿江紅也表現出對NH3的偏好吸收，具有直接從水中吸收NH3的能力（Selvarani et al.，2015）。此外，滿江紅根部滲出的質子與水中NH3結合形成NH4+，也有利于其對氮素的吸收（Vlek et al.，1995），從而減少氨揮發。同時，研究表明，滿江紅通過吸收光合輻射，使田面水中光照強度降低，從而抑制藻類的光合作用，減少田面水含氧量，增加田面水中溶解性CO2，進而降低田面水pH（Kollah et al.，2016）。同時，由于滿江紅的覆蓋作用，使田面水溫度降低，這與田面水pH值、NH4+-N濃度，共同降低稻田土壤氨損失。

3.4 秸稈直接還田與炭化還田

關于秸稈還田對稻田氨損失的影響研究結果不一致。多數研宄發現秸稈還田后，能夠增加土壤有機質，有機質分解產生有機酸能夠形成腐殖質，提高土壤吸附 NH4+的能力的同時也降低了稻田土壤的 pH值，從而抑制土壤氨揮發（李菊梅等，2005）。但也有研究發現，秸稈還田后形成的有機質，減少了土壤對NH4+-N的固定，并且秸稈降解后產生的有機基團能夠中和稻田水體中酸根離子，使水體pH值增加，對氨揮發起到促進作用（Sun et al.，2018）。

秸稈炭化成生物炭，可作為土壤改良劑重新施入稻田。生物炭添加對稻田氨揮發損失影響的研究結果不盡相同。生物質炭孔隙結構發達、比表面積較大，吸附能力較強，對氨氣和銨態氮均有較強的固持作用（Asada et al.，2006；Sun et al.，2018；Liu et al.，2020）。生物炭中酸性官能團起主導作用，可通過其表面的陽離子與NH4+-N發生靜電交換作用，實現對NH4+-N的吸附（Hale et al.，2013；Sha et al.，2019）。也有研究表明，稻田施用生物炭可通過影響土壤微生物的活動來降低稻田氨揮發損失（Sanchita et al.，2019；Sun et al.，2019），但也有研究認為生物炭可能通過影響pH和硝化作用增加氨揮發損失（Feng et al.，2017）。

就生物炭施加方式而言，Feng et al.（2017）研究認為，考慮到NH3揮發，應以較低的速率施用生物炭。He et al.（2018）研究發現，稻田添加生物炭后，使第一個水稻生長季NH3損失增加，但第二個水稻季 NH3損失減少 6.8%，這可能是由于其對NH4+的高吸附能力和硝化作用的增加。當生物炭和脲酶抑制劑（HQ）的結合使NH3損失降低10.5%—23.4%；當生物炭與 HQ和硝化抑制劑（DCD）聯合施用時，對第一季NH3損失沒有影響，但第二年NH3揮發減少19.8%；而生物炭與過磷酸鈣混合后與尿素配施，能有效地降低NH3的損失達39.2%（He et al.，2018）。此外，Sun et al.（2020）研究發現，將碳化過程的液體副產物木醋液，配合生物炭施用能減少稻田氨揮發量達13.6%。

就新型生物炭而言，余姍等（2020）研究發現，水熱碳化法制備的水熱炭能顯著降低氨揮發量和單位產量NH3揮發量，相比常規施肥處理分別減少32.42%和47.61%，而水洗水熱炭處理對氨揮發的減排效果稍弱，相比常規施肥處理分別減少10.14%和27.71%。Chu et al.（2020c）將活性污泥以不同混合溶液為反應介質，制備成3種污泥水熱炭，并應用于稻田，研究發現檸檬酸鎂與稀硫酸為反應介質制備的改良水熱炭，由于自身較低pH值和較大的吸附能力使稻田氨揮發量顯著降低。若將水熱炭結合厭氧發酵技術制成微生物陳化水熱炭，減少了水熱炭溶解性有機物，使其比表面積增加，炭的pH趨于中性，施加到稻田后，雖然單位產量氨揮發量與對照相比沒有差異，但水稻氮素利用率的提升有顯著作用（Chu et al.，2020b）。此外，將膨潤土和水熱炭制成的復合材料，用于稻田土壤，由于其具有較大的孔徑和比表面積，同時顯著降低土壤 amoA基因的豐度，可能抑制了硝化作用，增加了土壤對NH4+的固持，從而減少氨揮發量達 41.8%（Chu et al.，2020a）。可見，通過改變生物炭的施用量、施用方式以及研發新型生物炭，對稻田氨揮發減排具有重要意義。

4 結論與展望

稻田系統氨揮發，已成為國內外科學家關注的一個重要領域。就影響氨揮發的因素而言，稻田氨揮發最主要的影響因素是施肥，而施肥后影響NH3揮發的因素有氣象條件和土壤理化性質，其中最主要的氣象因素為溫度和土壤pH。隨著對稻田NH3揮發機理的深入研究，對NH3揮發的影響由單因素到多因素交互作用，今后研究可從以下幾方面入手：（1）通過研究水稻不同栽培管理模式下，NH3揮發的變化差異，并在深入研究栽培管理模式基礎上，加強稻田NH3揮發的研究力度；（2）將稻田NH3揮發與水稻氮素利用率、產量、氣象因素和土壤中氨氧化功能微生物相結合，分析和總結NH3揮發的規律及影響因素；（3）加強對稻田 NH3揮發機理研究，為水稻最佳栽培管理模式提供理論依據。

就稻田氨揮發減排措施而言，基本思路主要包括設法防止水稻田面水pH上升，以及采取措施降低稻田水體中NH4+-N濃度。由于稻田是開放生態系統，降低肥料氨揮發損失，需考慮水稻生產過程中可產生NH3揮發的主要環節。應改變傳統粗放式的種植方式，綜合使用多種配套措施，包括合理施肥、化肥減量，深耕與粒肥深施相結合，以及水分管理措施等。其次，覆蓋也能有效降低稻田NH3揮發，如秸稈還田覆蓋能起到保水、保肥和減少氨揮發損失的作用。此外，生物措施也是控制稻田氨揮發的重要手段（彭世彰等，2009），稻田通過套萍和放養滿江紅，降低田面水銨氮濃度，從而減少NH3揮發。今后對稻田氨揮發減排措施的研究主要集中在以下幾個方面，即：（1）定量估計不同栽培措施下稻田 NH3揮發量；（2）探索減少氨揮發的不同技術途徑；（3）有針對性地提出綜合的氨揮發減排技術體系，如從有機肥、化肥、緩控釋肥配施、精準施肥和覆土深施等方面構建稻田氨揮發最佳防控技術體系。