有機替代下華北平原旱地農田氨揮發的年際減排特征

張怡彬，李俊改，王 震，戴孚岳，翟麗梅，楊 波，王洪媛*，劉宏斌

（1 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業農村部面源污染控制重點實驗室，北京 100081；2 中國農業大學煙臺研究院，山東煙臺 261400）

大氣中的氨 (NH3) 是形成 PM2.5的重要前體物，PM2.5是造成霧霾的主要組成成分[1-3]。近年來，由氨揮發引起的霧霾污染已引起了越來越廣泛的關注。有研究表明，2010年有177萬人因PM2.5暴露而過早死亡，空氣污染已嚴重影響人類健康[4]。An等[5]的模擬研究結果表明，2015年的一次嚴重霧霾事件期間，約30%的PM2.5質量可歸因于農業氨。

我國氮肥施用量大，其中有10%～30%會通過氨揮發形式損失[6]。有研究表明，全國主要糧食作物氨揮發損失量和損失率分別為N 20.7 kg/hm2和11.2%[7]。華北平原是我國小麥、玉米等旱地作物的主產區，該地區氮肥投入量大，施用化肥產生的氨揮發量占全國的43%[8]。

已有研究表明，有機肥替代化肥可以提高作物產量，降低農田氨揮發。與單施化肥相比，在包菜季和小青菜季，25%有機替代可以降低23.4%和41.6%的氨揮發量[9]；李燕青等[10]在冬小麥和夏玉米上的研究表明，與單施化肥相比，50%的豬糞、牛糞替代化肥可以降低玉米季氨揮發量的52.9%和52.0%；鄭鳳霞等[11]4年的冬小麥大田試驗表明，與單施化肥相比，半量有機替代可以降低氨揮發量30.7%；Zhang等[2]的meta分析結果表明，完全有機替代可降低62%～77%的氨，部分有機替代也可降低氨揮發損失，但是還取決于具體條件。試驗時間、地點以及氣候環境等條件都會對氨揮發產生影響。周靜等[12]的田間試驗結果表明，春秋二季基肥氨揮發總量和通量均與氣溫、氣壓、蒸發量和土溫等環境氣象因子有較好的相關性 (P＜ 0.05)。也有研究表明，在pH大致不變的情況下，在5℃～35℃的范圍內，溫度每上升10℃，氨損失量的比例約增加1倍[13]。但是年際間氣候變化對特定區域有機替代的氨揮發減排效果的影響仍缺乏研究。

本研究基于華北平原春玉米長期定位試驗，以全量化肥、半量有機替代和全量有機替代等3種有機肥替代比例，系統研究年際間有機替代對作物產量和氨揮發損失量的影響，以期為華北地區科學減少氨揮發損失提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點位于北京市昌平區“北京昌平土壤質量國家野外科學觀測研究站”(40.22°N、116.23°E)，海拔高度為43.5 m，年平均溫度為11.5℃，大于等于10℃的積溫為4500℃，年降雨量和蒸發量平均分別為625和1065 mm，無霜期為210天，春旱和夏季暴雨是該地點的主要災害性天氣，全年80%以上的降雨天氣集中在每年的6—10月份，且不同年份之間降雨差異很大。在2017—2019年春玉米種植季，昌平基地氣溫及降雨狀況見圖1。

圖1 2017—2019年春玉米全生育期的氣溫和降雨、灌溉量Fig. 1 The temperature, rainfall and irrigation during the three experimental years

1.2 試驗設計

本研究通過肥料長期定位試驗進行，該定位試驗于2007年開始布置實施，距今已有13年。小區規格為 1 m (寬) × 2 m (長) × 1.2 m (深)，四周均由混凝土包圍而成。該研究種植模式為春玉米—冬閑田，品種為京單28，發芽率 ≥ 85%，種植密度為60000 株/hm2；試驗地的土壤類型為褐潮土，基礎理化性質如表1所示。試驗共設置4個處理：PK (不施氮處理)、NPK (常規處理)、HONS (一半化肥氮被有機氮替代，half organic nitrogen substitution)、FONS(全部化肥氮被有機氮替代，full organic nitrogen substitution)，每個處理3次重復，共12個小區，完全隨機排列。試驗所用磷肥和鉀肥分別為磷酸二氫鉀 (P2O552.1%) 和硫酸鉀 (K2O 50.0%)；有機肥為干豬糞，在播種前一次性施入。豬糞的基礎性質為：總氮 (TN) 25.1 ± 0.1 g/kg、總磷 (P2O5) 55.3 ± 0.1 g/kg、總鉀 (K2O) 24.9 ± 0.3 g/kg，pH 6.7。HONS 和FONS處理根據豬糞N含量確定豬糞用量，并計算豬糞攜入的磷鉀量，剩余養分用尿素、磷酸二氫鉀(52.1% P2O5) 和硫酸鉀 (50.0% K2O) 補齊，達到和單施化肥處理相同的氮磷鉀施用量。尿素按照37.5%基肥、62.5%追肥 (小喇叭口期) 的比例施入，施肥方式均為撒施后翻耕，具體施肥措施見表2。2017—2019播種與收獲時間分別為2017年5月25日和9月21日、2018年5月29日和9月14日、2019年5月31日和9月24日。

表1 土壤基礎理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of soil

1.3 氨揮發的采集與測定

采用間歇密閉通氣法，采集春玉米生育期氨揮發樣品[14-15]。該方法的原理是利用透明有機玻璃制成的密閉室的通氣孔與裝有稀硫酸吸收液 (40 mL，0.05 mol/L) 的氣體洗瓶相連，洗瓶的另一端與真空抽氣泵相連，通過真空抽氣泵使密閉室減壓，使密閉室內的氨隨空氣流動進入稀硫酸吸收液，抽氣結束后，收集稀硫酸吸收液，利用連續流動分析儀(AA3) 測定吸收的NH4+濃度。為防止土壤擾動影響監測結果，在春玉米施基肥之前，將裝置固定于春玉米植株的間隙中。該裝置的材質是厚度為3 mm的聚氯乙烯(PVC)板；底座規格為內徑 25 cm、外徑31.5 cm、埋深 20 cm；密閉蓋的規格為內徑 26 cm、高 15 cm。施肥后 1、2、3、4、6、8、10、13、15、18、21 天······，采集氨揮發樣品，直至 NPK、HONS和FONS等處理的氨揮發數據與PK處理基本相同時結束監測。測定前，在底座的槽里添加水以起到密封的作用，然后將密閉蓋置于底座上，確保換氣速率為15～20次/min，每次取樣在當天上午9:00—11:00和下午15:00—17:00進行，氨揮發速率、氨揮發累積損失量和氨揮發系數計算公式如下：

表2 各處理的施肥量Table 2 The fertilizer application rates of each treatment

式中：V為氨揮發速率[kg/(hm2·d)]；C為各處理氨揮發樣品的銨態氮濃度 (mg/L)；S為密閉室覆蓋面積(m2)；t為抽氣時間 (h)；24為時間換算系數；10–2為體積換算系數。F為氨揮發累積損失量 (kg/hm2)；n為施肥后總的測定次數；Vi為第i次測定時的氨揮發速率 [kg/(hm2·d)]；Vi–1為第i–1 次測定時的氨揮發速率[kg/(hm2·d)]；Ti為第i次測定時施肥后的天數，Ti–Ti–1為兩個相鄰測定日期之間的時間間隔 (天)。為氨揮發損失系數 (%)；為單位面積內施氮處理的氨累積揮發量 (kg/hm2)；為單位面積內未施氮處理的氨累積揮發量 (kg/hm2)；FN為總施氮量 (kg/hm2)。

1.4 數據處理

采用 Microsoft Excel 2016 和 Origin 2019 軟件處理數據并作圖，并采用SPSS 19.0軟件的單因素方差分析 (One-way ANOVA) 中的 Duncan法檢驗處理之間的差異，P＜ 0.05 為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 作物產量和氮素偏生產力

2017—2019 年，不施氮肥 (PK)、單施化肥 (NPK)、半量有機替代 (HONS) 及全量有機替代 (FONS) 等4個處理的春玉米平均產量差異顯著 (圖2a)。氮肥施用顯著提高作物產量，與PK處理相比，NPK處理春玉米產量提高100.5%。等氮有機替代處理進一步提高了作物產量，如HONS處理和FONS處理比NPK處理的玉米產量分別提高了20.7%和30.9%。可見，等氮有機替代能夠有效提高作物產量，且與半量有機替代相比，全量有機替代對作物產量的提升能力更強。

不同施氮處理的氮素偏生產力在35.6～46.7 kg/kg(圖2b)，其中FONS處理的氮素偏生產力最高，HONS次之，NPK最低。與NPK處理相比，HONS處理和FONS處理的氮素偏生產力分別提高20.8%和30.9%。可見，等氮有機替代能夠有效提高氮素偏生產力，相比半量有機替代，全量有機替代對氮素偏生產力的提升效果更強。

圖2 玉米產量和氮素偏生產力Fig. 2 Maize yield and partial factor productivity of applied N (PFPN)

2.2 施肥后農田氨揮發特征

本研究中，NPK和HONS處理的化肥分為基肥和追肥兩次施用，HONS和FONS處理的有機肥作為基肥一次性施用。因此，根據化肥施用時期，將農田氨揮發特征分為基肥期和追肥期進行分析 (圖3)。年際間和處理間的氨揮發規律基本一致，都是在施肥后的第2～4天出現排放峰值，之后氨揮發速率逐漸降低，一般在9天內基本趨于穩定。施肥后的前9天氨揮發量占基肥期氨揮發總量的70.1%，占追肥期氨揮發總量的63.7%。

圖3 施肥后農田氨揮發特征Fig. 3 Characteristics of ammonia volatilization in farmland after fertilization

各施肥處理基、追肥期間的氨揮發規律年際間變化顯著 (圖3)。2017和2019年基肥期的氨揮發速率低于追肥期，可能是由于這兩年的基肥期溫度都要低于追肥期，且追肥施肥量 (150 kg/hm2) 高于基肥量 (90 kg/hm2)；而2018年的氨揮發速率呈相反趨勢，可能是由于基肥期的溫度高于追肥期溫度。不同處理間農田氨揮發速率差異顯著，2017—2019年間各處理氨揮發速率表現為 NPK ＞ HONS ＞ FONS ＞PK。不同處理的氨揮發年際特征也有明顯差異，NPK和HONS處理的氨揮發特征年際間存在顯著差異，但FONS的氨揮發特征年際間差異不明顯。

對于NPK處理，2017和2019年的基肥期氨揮發速率都小于 1 kg/(hm2·d)，2017年NPK處理基肥期的氨揮發速率峰值出現在施肥后的第4天，為0.61 kg/(hm2·d)，并在施肥后第13天出現一個小峰值0.13 kg/(hm2·d)；2019年的基肥期氨揮發速率峰值出現在施肥后的第 2 天，為 0.56 kg/(hm2·d)。2018 年的氨揮發強度較高，基肥期氨揮發速率最高達2.07 kg/(hm2·d)(施肥后第3天)，并在第7天出現一個小波峰0.60 kg/(hm2·d)。在追肥期，NPK處理3年的氨揮發速率峰值差異不大，為 1.10～1.84 kg/(hm2·d)，且都出現在施肥后的第2或第3天，這可能是由于相對于基肥期，追肥期年際間的溫度差異較小，溫度越高，農田中的氨揮發量越大[16]。HONS處理年際間的變化規律與NPK處理基本一致，但氨揮發速率均小于NPK處理 (圖3)。在基肥期，2017和2019年的氨揮發峰值分別僅為 0.36 和 0.23 kg/(hm2·d)；而 2018 年基肥期的氨揮發峰值則達到了1.39 kg/(hm2·d)。在追肥期，2017年和2019年農田氨揮發速率峰值均出現在施肥后的第2天，最高值分別為1.13和0.56 kg/(hm2·d)；2018年的峰值則出現在施肥后的第1 天，氨揮發速率為 0.92 kg/(hm2·d)。FONS 處理氨揮發過程沒有顯著峰值，一直都處于比較低的釋放狀態，且年際間沒有顯著差異。這可能是由于有機肥中的氮主要是有機氮，其礦化為氨的轉化過程較慢，不會造成氨揮發釋放出現峰值[10]。

2.3 農田氨揮發累積量和損失率

圖4顯示，各處理年際間氨揮發損失量差異顯著，NPK、HONS以及FONS處理3年的氨揮發損失量變化范圍分別為 9.74～11.68 kg/hm2(平均 10.61 kg/hm2)、4.76～9.10 kg/hm2(平均 7.06 kg/hm2) 和3.01～6.17 kg/hm2(平均 4.38 kg/hm2)；氨揮發系數分別為 3.4%～4.2% (平均 3.8%)、1.5%～3.1% (平均2.3%) 和 0.8%～1.9% (平均 1.2%)。有機替代處理農田氨揮發的年際間變化顯著高于化肥。相比氨揮發損失較低的2019年，2018年NPK處理的氨揮發損失增加了12.3%，而HONS和FONS處理分別增加了91.2%和105.0%，相應的減排率，也從2019年的54.3%和71.1%降到了22.1%和47.2%。NPK、HONS以及FONS處理的氨揮發損失最高和最低之差，分別為1.94、4.34和3.16 kg/hm2。華北平原春玉米氨揮發損失主要來自追肥期，從2017—2019年3年平均來看，NPK處理追肥期平均氨揮發損失量占整個生育期的63.7%，HONS處理占58.6%，FONS處理占53.0%。但是年際間差異較大。2017—2019年的NPK、HONS以及FONS的追肥期氨揮發損失量占整個生育期的變化范圍分別為46.3%～74.9%、48.0%～58.8%和51.2%～54.8%。尤其是2018年，基肥期溫度顯著高于其他年份 (高3.2℃～4.0℃)，故NPK和HONS處理的基肥期氨揮發損失占比較高，分別為53.7%和52.0%。

溫度和降雨灌溉造成的土壤濕度不同，有機替代處理年際間氨揮發損失減排潛力差異顯著 (圖4)。與NPK處理相比，2017—2019年HONS處理對氨揮發損失的減排率分別為24.9%、22.1%和54.3%，平均為33.5%；FONS處理的減排率分別為59.3%、47.2%和71.1%，平均為58.7%。

圖4 農田氨揮發累積損失量與損失率Fig. 4 Cumulative loss and emission reduction rate of farmland ammonia volatilization

2.4 氣溫、土壤濕度與氨揮發累積量的相關性分析

農田氨揮發影響因素的主成分分析結果 (圖5)表明，溫度和土壤濕度是影響氨揮發累積量的兩個主要因素，溫度和濕度對氨揮發累積量影響的貢獻率是49.4%，產量和降雨量對氨揮發累積量影響的貢獻率為31.3%。

圖5 農田氨揮發影響因素主成分分析Fig. 5 Principal component analysis of ammonia volatilization factors in farmland

春玉米整個生育期內，氨揮發損失量與大氣溫度呈正相關關系 (圖6a–c)。在基肥期，隨著大氣溫度的升高，氨揮發損失量顯著增加。追肥期由于溫度變化幅度較小 (29.4℃～30.6℃)，且受作物冠層遮蓋的影響，溫度對農田氨揮發的影響不顯著。在春玉米的整個生育期內，氨揮發累積量和土壤濕度呈正相關關系 (圖6d–f)。在基肥期，隨著土壤濕度的增加，氨揮發累積量顯著增加。追肥期由于受到作物冠層遮蓋的影響，土壤濕度對農田氨揮發累積量的影響不顯著。

圖6 氣溫、土壤濕度與氨揮發累積量的相關性分析Fig. 6 Correlation analysis of temperature, soil humidity and ammonia volatilization accumulation

3 討論

3.1 有機替代對作物產量的影響

本研究表明，有機肥替代化肥能有效提高作物產量，這與大多數研究結果[11,17-22]相一致。習斌等[17]5年田間試驗結果表明，有機肥50%替代化肥能夠提高玉米產量10.3%。鄭鳳霞等[11]的4年田間試驗結果表明，在同等施氮量下，化肥有機肥1∶1配施可以提高冬小麥產量6.8%。楊曉梅等[20]和周慧等[21]也得到了同樣的結果，50%的有機肥替代化肥可以提高小麥產量12.4%和玉米產量12.6%～17.0%。杜少平等[23]和李喜喜等[24]的田間試驗結果表明，全量有機替代化肥可提高西瓜產量27.4%～31.6%和水稻產量7.8%。也有研究認為，有機替代對作物產量的影響受替代比例的控制，并指出有機肥替代比例為75%時處理效果最優[25]，不僅可保證作物產量，還能有效提高品質和氮磷肥利用率[19]。但也有研究表明，完全有機替代會降低作物產量[2,10,20]，這與本研究得出的相比半量有機替代，全量有機替代對作物產量的提升潛力更高的結論相反。導致結果有差異的原因可能與施肥措施的持續時間有關。因為有機肥養分釋放速率較慢，短期內難以像化肥處理那樣可以在作物生長前期迅速增加土壤中速效氮含量，為作物提供養分，但隨著時間的延長，有機替代處理土壤肥力提升，進而提升了作物產量[2,26]。

3.2 有機替代對氨揮發的影響

本研究結果表明，有機替代能夠有效降低華北旱作農田氨揮發損失，而且替代比例越高，減排潛力越大，這與已有研究結果[9,24-25]基本一致。李喜喜等[24]的大田試驗結果表明，豬糞和化肥配施處理較常規施肥處理能降低4.21%～16.74%的氨揮發。武星魁等[9]的研究表明，隨著替代比例的增加，氨揮發量逐漸降低，包心菜季75%有機替代處理下氨揮發量最低，為25.8 kg/hm2，比單施化肥處理降低53.1%；小青菜季100%有機替代處理下氨揮發量最低，為2.7 kg/hm2，比單施化肥處理降低87.8%。呂鳳蓮的冬小麥–夏玉米大田試驗結果表明，與單施化肥相比，50%～100%有機肥氮替代化肥氮能顯著降低小麥/玉米輪作年總氨揮發量[25]。究其原因可能是尿素和有機肥發生的反應不同。化學氮肥施入土壤后溶解較快，在土壤脲酶的作用下，尿素被水解成NH4HCO3，隨后迅速轉化為NH4+-N，一部分被土壤膠體吸附成為吸附態的NH4+，另一部分則進入到土壤溶液中，使NH4+的濃度迅速提高，為氨揮發提供了充足的底物；而有機肥中大量的有機氮組分則需要經過長時間的礦化分解才能參與氨揮發的過程[10]，而且有機質在分解過程中會釋放大量有機酸，并形成腐殖質，抑制尿素水解過程中土壤酸堿度的升高，從而顯著抑制了土壤氨揮發[27]。同時，有機肥施用能夠促進土壤微生物活動，將土壤無機氮固定在有機氮庫中，減少了產生氨的無機氮量，進而降低氨揮發損失，最終實現有機替代的氨揮發減排[11]。然而，需要注意的是本研究施用的是干豬糞，新鮮豬糞在晾干過程中，氨揮發損失率可達11.4%[28]。因此，有機替代對氨揮發減排潛力的總體評估還應充分考慮豬糞在前期晾干過程中產生的氨揮發量。Zhou等[29]利用生命周期評價法綜合分析表明，不同有機肥替代化肥比例，菜地氨揮發與單施化肥相比顯著減少了17.8%～22.2%。

3.3 年際變化對氨揮發的影響

農田施肥后氨揮發量主要受大氣溫度、氣壓、風速和降雨等多個氣象因素的影響，不同施肥期的主要影響因素也不同[12]。本研究結果表明，大氣溫度和土壤濕度是年際間各施肥處理基肥期氨揮發損失量變化的主要驅動因子。

溫度對農田系統中氨揮發具有很大促進作用[30-34]。在基肥期，大氣溫度和氨揮發累積量呈顯著正相關關系，且2017和2019年基肥期溫度低于追肥期溫度，氨揮發速率顯著小于追肥期氨揮發速率；而2018年基肥期溫度高于追肥期溫度，則基肥期氨揮發速率高于追肥期，表明溫度是控制不同施肥期氨揮發的主要因素。溫度通過影響土壤微生物和酶的活性，控制NH4+向NH3的轉化，從而對氨揮發速率及累積量產生影響。溫度升高會減弱土壤膠體對NH4

+的吸附能力，使土壤溶液中NH4+濃度上升，促進NH4+向氨的轉化，使氨揮發速率增加[33]。紀銳琳等[35]的研究表明，氮肥氨揮發量隨著土壤含水量的上升而遞增，這與我們的研究結果相一致。土壤含水量對農田氨揮發的影響主要是影響肥料在土壤中的轉化過程，例如碳銨的溶解、尿素的水解、有機物的微生物分解等過程，進而影響到農田氨的揮發[16]。尿素在較高的土壤含水量下會與土壤充分接觸，使得尿素形態轉化加快，同時還會阻礙空氣進入土壤，抑制氨氧化過程的發生，增加NH4+-N (液相) 所占氮素的形態比，從而促進氨揮發[36]。在水旱輪作種植體系中，水稻氨揮發損失率顯著高于旱地作物，水稻期氮肥氨揮發損失率為9.88%～19.29%，小麥期氨揮發損失率為5.92%～13.2%[37]。然而也有研究認為，施肥后及時澆水會通過水分稀釋和淋洗作用降低表層揮發底物NH4+的濃度[38]。

本研究發現，有機替代處理農田氨揮發的年際間變化顯著高于化肥。其原因可能是高溫高濕的氣候條件會促進有機肥的礦化速率，增強氨揮發損失[39]。如，2019年施肥期的溫濕度較低，NPK、HONS和FONS處理的氨揮發損失量分別為10.4、4.76和3.01 kg/hm2；而2018年施肥期的溫濕度較高，NPK、HONS和FONS處理的氨揮發損失量分別增加了12.3%、91.2%和105.0%。HONS和FONS處理對氨揮發損失的減排率分別從54.3%和71.1%，降低到22.1%和47.2%。可見，在氨揮發損失量較高的年份，有機替代的減排潛力會被削弱，因此在估算有機替代氨揮發減排潛力的時候應充分考慮氣候條件帶來的減排潛力變化。

4 結論

相比單施化肥，有機肥替代化肥能夠提高玉米產量；相比半量有機替代，長期全量有機替代對玉米產量的提升能力更強。華北地區春玉米農田氨揮發損失率為3.8%，有機肥替代化肥能夠有效降低農田氨揮發損失量，半量有機替代和全量有機替代的氨揮發損失量可降低33.5%和58.7%。有機替代處理農田氨揮發的年際間變化顯著高于化肥處理，化肥處理的年際間變化幅度較小，但是在氨揮發損失量較高的年份，有機替代對氨揮發損失的減排潛力會被削弱。值得注意的是，有機替代對氨揮發減排潛力的總體評估還應充分考慮豬糞在前期晾干過程中產生的氨揮發，因此，在施用有機肥之前，還應充分考慮有機肥處理方式，以降低施入農田前期的氨揮發。