南方平原灌區稻田氨揮發排放規律及影響因素研究

楊子榮，鄒志科，羅文兵*，肖新，黃紹哲，潘紅忠，李亞龍

南方平原灌區稻田氨揮發排放規律及影響因素研究

楊子榮1，鄒志科2，羅文兵2*，肖新1，黃紹哲1，潘紅忠1，李亞龍2

（1.長江大學，武漢 430100；2.長江科學院，武漢 430100）

【目的】探究水、氮在中稻各生育階段對氨揮發損失量及氣象因子對中稻氨揮發速率的影響。【方法】以稻田為研究對象，在江西省灌溉試驗中心站開展氨揮發田間試驗，設置間歇灌溉（W1）和傳統淹灌（W0）2種灌溉模式，不施氮（N0，0 kg/hm2）、減量施氮（N1，135 kg/hm2）和常規施氮（N2，180 kg/hm2）3種施氮水平，分析不同灌溉模式和施氮量對中稻各生育階段氨揮發損失量的影響，建立氨揮發速率和氣象因子之間的回歸方程。【結果】同一灌溉模式下，在一定范圍內增施氮肥會增加氨揮發損失量；同等施氮水平下，間歇灌溉相比傳統淹灌會增加氨揮發損失量；氨揮發損失主要發生在分蘗、拔節、抽穗3個時期，其氨揮發損失量之和占整個生育期氨揮發損失總量的50%以上；氣象因子中，日照時間對氨揮發的影響最大，呈正相關，其次為風速，呈負相關，最后是蒸發量，呈負相關。【結論】間歇灌溉相比傳統淹灌會增加氨揮發損失量，從中稻整個生育階段來看，氨揮發損失主要發生在生育中前期，氨揮發與日照時間呈正相關，與風速和蒸發量呈負相關。

氨揮發；水肥管理；氣象因子；平原灌區；顯著性

0 引 言

【研究意義】隨著人口增長和經濟發展，我國對糧食的需求日益增加。水稻作為我國主要的糧食作物之一，其產量約占全國糧食總產量的42%[1]。水稻的高產、穩產主要依賴于灌溉和施氮，在我國南方豐水區，水稻種植普遍存在大灌大排現象，我國北方地區農田灌溉水有效利用系數顯著高于南方地區農田灌溉水有效利用系數[2]。據統計，我國是世界第一大氮肥消耗國，氮肥用量占全球氮肥用量的30%，其中稻田氮肥用量占我國氮肥總消耗量的24%左右[3]。我國地域遼闊，氣候和土壤條件具有明顯的區域異質性，不同區域的農田管理措施各異，造成氮肥損失存在較大的時空差異[4]。南方平原灌區地處亞熱帶濕潤季風氣候區，氣候溫和，雨水豐沛，土壤資源豐富[5]，已成為國家水稻生產的重點區域。在水稻種植過程中，大排大灌、過量施氮以及降水與施肥期的重合，都會引發大量的農田氮素流失。其中，氨揮發作為氮素損失的主要途徑之一，造成的氮素損失高達40%～60%[6-7]，因此，有必要針對稻田氨揮發排放規律及影響因素開展試驗研究，為減少南方平原灌區氮素損失提供理論依據。

【研究進展】許多學者針對氨揮發的影響因素進行了大量研究，得出農田氨揮發的時空差異是由氣象條件、土壤條件以及農田管理措施的差異所引起的，是這些因子綜合作用的結果[8]。在氣象因子方面，吳萍萍等[9]研究表明，低溫、強降水會抑制氨氣的產生和傳輸，其中低溫不利于田間NH4+轉化為NH3，降水則會將已產生的NH4+再帶回到農田土壤中。風速對氨揮發的影響存在臨界值，在風速較小時，氨揮發隨風速增大而增大，但在風速達到臨界值后，其對氨揮發速率幾乎沒有影響[10]。在土壤因子方面，朱堅等[11]研究發現，土壤pH值的升高促進了NH4+向NH3的轉化，從而加速了氨揮發。陽離子交換量和土壤有機質對氨揮發存在抑制作用，土壤有機質不僅能夠吸附NH4+，且有機質被分解成腐殖質后會降低土壤pH值，從而抑制氨揮發[12]。田間土壤含水率過高或過低都會減少氨揮發[10]，土壤含水率過低時，肥料的水解作用被削弱，進而抑制了氨揮發[13]；土壤含水率過高時，土壤水中會溶解較多的氨，使得土－氣界面氨濃度減小，從而削弱氨氣的擴散作用[14]。在田間管理措施方面，施氮會在不同程度上加大氨揮發速率和氨揮發損失量[15-16]，不同類型氮肥對氨揮發的影響也存在差異[17]。葉世超等[18]研究發現，NH4+-N濃度和氨揮發損失量都會隨著施氮量的增加而增加。李詩豪等[17]研究表明，耕作方式顯著影響氨揮發，但不影響氮肥利用率和水稻產量。不同施氮方式對氨揮發的影響也不一致，具體表現為表施>混施>深施>粒肥深施[19]。針對灌溉模式對氨揮發的影響，相關學者的研究結論有所不同。崔遠來等[20]研究發現，節水灌溉條件下氨揮發損失量高于淹灌；而彭世彰等[21]研究表明，與淹水灌溉相比，控制灌溉減少了稻田氨揮發損失。【切入點】以往研究多集中在水、肥、氣象等單一因素對水稻生育期內氨揮發的影響，而缺少水、肥、氣象綜合因子對水稻不同生育階段氨揮發損失的影響研究。【擬解決的關鍵問題】鑒于此，本研究以鄱陽湖流域贛撫平原灌區的稻田為研究對象，在江西省灌溉試驗中心站開展水氮調控下的氨揮發田間試驗，分析水、氮對中稻各生育階段氨揮發損失量及氣象因子對氨揮發速率的影響，為南方平原灌區田間水肥高效安全管理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗在江西省鄱陽湖流域贛撫平原灌區內的江西省灌溉試驗中心站（東經115°58?，北緯28°26?，海拔22.6 m）開展。試驗區為典型的亞熱帶濕潤季風性氣候區，光照充足，多年平均日照時間為1 720 h，多年平均氣溫為18.1 ℃，多年平均降水量為1 634 mm，降水量年內分布不均，主要集中在4—6月，占全年降水量的46.1%左右。試驗區稻田土壤為水稻土，耕作層土壤質地為粉壤土，其中砂粒占比8.13%、粉粒占比70.01%、黏粒占比21.86%。稻田土壤耕作層厚度大約在15～20 cm之間，耕作層土壤體積質量為1.36 g/cm3，土壤有機質質量分數為1.74%，全氮質量分數為0.82%，全磷質量分數為0.25%，全鉀質量分數為1.18%。農田地勢整體北高南低，農田東側有主排水溝，灌溉水源取自試驗站周圍的撫河二干渠，區域內田塊按水稻不同處理進行管理。試驗站的水稻種植制度和自然條件在鄱陽湖流域具有一定代表性。

1.2 試驗設計

2019—2021年中稻試驗在田間小區內進行，各小區長度為8 m，寬度為3.5 m。為防止各小區之間發生串水串肥，用塑料膜將小區田埂與排灌水溝田埂包裹分隔開。試驗設置3種施氮水平（以純氮計），分別為不施氮（N0，0 kg/hm2）處理、減量施氮（N1，135 kg/hm2）處理和常規施氮（N2，180 kg/hm2）處理，以及傳統淹灌（W0）和間歇灌溉（W1）2種灌溉模式，共計6個處理。不同灌溉模式的田間水層深度控制標準見表1，不同水氮處理組合見表2。由于場地限制，2019年和2021年的W1N0處理和W0N0處理不設重復小區（但在小區內重復取樣），其余處理均設置3個重復，共14個小區。2020年未設置W1N0處理及W0N0處理，其余每個處理重復3次，共計12個小區，各小區通過隨機區組的方式排列。供試水稻品種為黃華占，按株距×行距為13 cm×27 cm的密度進行種植。氮肥按照基肥∶蘗肥∶拔節肥=5∶3∶2的比例施用，氮肥品種為45%的復合肥（N-P2O5-K2O：15-15-15）；磷肥（以P2O5計）：67.5 kg/hm2，類型為鈣鎂磷肥，全部作為基肥施用；鉀肥（以K2O計）：150 kg/hm2，類型為氯化鉀，按基肥∶拔節肥=4.5∶5.5施用。生育階段劃分及田間管理措施見表3。

表1 不同灌溉模式田間水層深度控制標準

注 表中W1處理0-20-30均為田間水層深度，其中0 mm為田間水層灌前下限深度、20 mm為田間水層灌后上限深度、30 mm為田間水層雨后蓄水上限深度，干4 d為W1處理在水層下降為0 mm后田面連續落干4 d再灌水，后期曬田為分蘗后期距拔節孕穗期7 d曬田，后期落干為黃熟期最后10 d田面自然落干。

表2 不同水氮處理組合

注 表中標注*的W0N0、W1N0表示2020年未設置該處理。

表3 中稻生育階段劃分及田間管理措施

1.3 樣品采集

稻田氨揮發速率采用通氣法[22]觀測。氨氣采集裝置為上下無底的透明玻璃圓柱筒（內徑10 cm，高20 cm），以及2個涂有15 mL磷酸甘油溶液的厚2 cm、直徑為10.5 cm的海綿塊。2塊海綿分別置于玻璃圓筒的上層和下層，上層海綿與圓筒頂部齊平，可排除外部空氣中氨的干擾，下層海綿與上層海綿間隔1 cm，用于吸收田面揮發出的氨氣。2019年和2021年隨機選擇W0N0、W0N1、W0N2、W1N0、W1N1、W1N2處理的6個小區進行氨揮發觀測，2020年對12個小區均進行氨揮發觀測。施肥7 d內每天取1次樣，然后根據觀測到的氨揮發速率，每隔1～3 d取樣1次，抜節孕穗期后取樣時間間隔延長至4～6 d為1次，直至水稻收割。取樣后，將采集裝置下層的海綿塊用200 mL的1.0 mol/L的KCl溶液浸取，并用納氏試劑比色法測定海綿塊中的氨量。氨揮發速率計算方法參考文獻[23]。

1.4 數據處理

利用Excel 2010對數據進行處理并繪圖，利用SPSS中的單因素方差分析進行組間比較，多重比較采用LSD法（＜0.05）計算各因素的斜統計量，并得到對應的值，采用逐步線性回歸法（＜0.05）得到回歸方程。

2 結果與分析

2.1 水氮調控下中稻生育期氨揮發速率變化規律

2021年中稻氨揮發速率變化規律如圖1所示。中稻在分蘗前期和分蘗后期先后于7月14日和8月2日出現了氨揮發速率峰值。追施拔節肥（8月4日）7 d內，中稻氨揮發速率并未迅速增大，反而呈逐漸下降趨勢，在8月10日，中稻氨揮發速率降至最低點后，其揮發速率才緩慢增加。2019年和2020年，中稻氨揮發速率的變化規律詳見文獻[24]，從整個生育期來看，3 a中稻氨揮發速率變化規律在分蘗期略有差異，在其余生育階段的變化則大體相似，表現出“拔節孕穗期和抽穗開花期減小，乳熟期增加，黃熟期減小”的規律。與2019年和2020年不同的是，2021年中稻分蘗期氨揮發速率呈“增-減-增”的波動變化趨勢。

圖1 2021年中稻氨揮發速率

2.2 水氮調控下中稻各生育階段氨揮發損失量變化規律

2021年中稻各生育階段氨揮發損失量及整個生育期內氨揮發損失總量如表4所示。2021年中稻在分蘗、拔節孕穗、抽穗開花3個時期的氨揮發損失量占整個生育期氨揮發損失總量的比例較大，6個處理3個生育階段氨揮發損失量之和占比高達81.77%，而乳熟期和黃熟期氨揮發損失量占比僅為18.23%。由此可見，分蘗期、拔節孕穗期、抽穗開花期為中稻氨揮發損失的關鍵時期。2019年和2020年各生育階段氨揮發損失量變化規律詳見文獻[24]，與2019年和2020年中稻氨揮發損失主要發生在拔節孕穗和抽穗開花期不同，2021年中稻除拔節孕穗期和抽穗開花期外，分蘗期的氨揮發損失也較大，占比為20.36%。

表4 2021年中稻各生育階段氨揮發損失量及占比

灌溉模式、施氮水平以及水氮交互作用對不同生育階段氨揮發損失量的影響見表5。水、氮及其耦合作用對3 a中稻氨揮發損失總量及各生育階段氨揮發損失量的影響均不顯著。逐年對中稻氨揮發損失量進行檢驗可知，2019年和2020年，灌溉模式對中稻氨揮發損失總量均有顯著影響，且2019年灌溉模式對拔節孕穗期氨揮發損失量的影響達到了極顯著水平，2020年灌溉模式對抽穗開花期氨揮發損失量的影響達到了顯著水平。然而，2021年施氮水平以及灌溉模式對氨揮發損失總量和不同生育階段氨揮發損失量的影響均不顯著。原因可能是氨揮發除受灌溉、施肥等農田管理措施影響外，還受氣象要素影響，2021年水稻各生育階段的日照時間、風速、蒸發量等氣象條件與2019年和2020年有較大差異，導致氨揮發損失規律不一致。

表5 2019—2021年中稻各生育階段氨揮發損失量顯著性分析

2.3 不同水氮調控下氨揮發損失量的差異

2019—2021年中稻全生育期各處理氨揮發損失總量見圖2。由于2020年未設置W0N0處理和W1N0處理，因此，圖2未給出2020年相應處理的數值。W0N1、W0N2、W1N1處理和W1N2處理的氨揮發損失量存在一定差異。總體來看，W0模式下，N2（180 kg/hm2）施氮水平稻田氨揮發損失總量比N1（135 kg/hm2）施氮水平稻田氨揮發損失總量高出8.98%～16.01%；W1模式下，N2（180 kg/hm2）施氮水平稻田氨揮發損失總量比N1（135 kg/hm2）施氮水平稻田氨揮發損失總量高出4.49%～37.16%。這表明在同一灌溉模式下，在一定范圍內增施氮肥會增加氨揮發損失量。N1（135 kg/hm2）施氮水平下，W1模式稻田氨揮發損失總量比W0模式稻田氨揮發損失總量高10.70%～10.86%；在N2（180 kg/hm2）施氮水平下，W1模式稻田氨揮發損失總量比W0模式稻田氨揮發總量高13.29%～35.28%。這表明在同等施氮水平下，間歇灌溉較傳統淹灌會增加氨揮發損失。

圖2 2019—2021年中稻全生育期氨揮發損失總量

對3 a內W0N1、W0N2、W1N1處理和W1N2處理之間的氨揮發損失總量差異進行顯著性分析，結果見表6。同一灌溉模式不同施氮水平下的氨揮發損失總量之間差異不顯著，同種施氮水平不同灌溉模式下的氨揮發損失總量之間差異也不顯著。不同處理下氨揮發損失量的標準偏差均在14～20 kg/km2之間，表明不同水氮耦合下的氨揮發損失量波動較大。

表6 2019—2021年中稻不同水氮調控下氨揮發損失量差異顯著性分析

2.4 氣象因子對氨揮發速率的影響

對3 a氨揮發速率與平均氣溫、相對濕度、降水量、日照時間、風速、蒸發量6個氣象因子進行線性逐步回歸分析，通過逐步回歸將變量引入，并對已選入的變量進行逐個檢驗，最終引入了日照時間、風速和蒸發量，剔除了平均氣溫、相對濕度和降水量，得到氨揮發速率與日照時間、風速和蒸發量之間的回歸方程如下：

式中：為氨揮發速率（kg/（hm2·d））；1為日照時間（h）；2為風速（m/s）；3為蒸發量（mm）。

日照時間對氨揮發速率的影響最大，呈正相關，其次是風速，呈負相關，最后是蒸發量，呈負相關。

3 討 論

3.1 水氮調控對中稻全生育期氨揮發速率的影響

2021年與2019—2020年中稻分蘗期的氨揮發速率變化規律略有差異。2021年中稻在施入分蘗肥7 d后至分蘗期結束，日照時間相比2019—2020年同時期明顯下降，2019年和2020年同期平均日照時間分別為4.0 h和7.5 h，而2021年同期日照時間平均僅為1.4 h。劉伯順等[8]研究表明，光照會加速NH4+向NH3轉化，日照時間越長這種過程則越持久，這也使得2021年中稻分蘗期的氨揮發速率出現了下降趨勢。而其速率在下降之后又緩慢上升，這是因為在分蘗后期到拔節孕穗期曬田期間，2021年相比2019—2020年同期的降水總量明顯減少，其中2020年該期間降水總量達到35.7 mm，而2021年同期的降水總量僅為2.9 mm。盧麗麗等[10]研究表明，降水會抑制氨揮發，這也導致2021年中稻氨揮發速率在下降后又緩慢上升，使得2021年與2019—2020年中稻氨揮發速率不同，表現出“增-減-增”的波動趨勢。追施拔節肥后氨揮發速率沒有增大，反而在施肥5～7 d內逐漸下降。原因在于8月4日追施拔節肥的前1天及后1天均有降水，并且在8月3—10日的7 d內有3次降水，集中的降水抑制了氨揮發，使得其揮發速率不斷減小，并在8月10日降至最低。雨水下滲將肥料帶入深層土壤，增加NH4+被土壤顆粒吸附或植株吸收的概率和氨氣上升到土壤表層的阻力，從而間接減少氨揮發損失[24-25]。

3.2 水氮調控對中稻各生育階段氨揮發損失量的影響

2019—2021年，中稻各生育階段的氨揮發損失量有所差異。總體來看，3 a中稻的氨揮發損失基本發生在分蘗期、拔節孕穗期和抽穗開花期，表現出生育中前期氨揮發損失量大于生育中后期。李然等[26]研究表明，不同生育階段田間土壤銨態氮濃度表現出分蘗期、拔節孕穗期、抽穗開花期>成熟期的規律，而稻田氨揮發排放通量與表層土壤銨態氮濃度又呈極顯著正相關[27]，表明田間氨揮發損失主要發生在分蘗期、拔節孕穗期和抽穗開花期，與本文結論一致。肖新等[28]研究發現，不同生育階段的氨揮發損失量表現為返青期>拔節孕穗期>分蘗期>抽穗開花期>乳熟期，與本文的結論不同。返青期氨揮發損失量較大的原因可能是水稻處于生長初期，生物量小、根系不發達、覆蓋度較低、植株對氮素吸收速度較慢且吸收量也較少，使得在水稻移栽初期大部分的氮素從田間流失，增加了田間氮素濃度，促進稻田氨揮發[29]。

3.3 水、肥因子對中稻氨揮發損失量的影響

針對3 a的W0N1、W0N2、W1N1、W1N2處理，在同等施氮水平下，間歇灌溉相比傳統淹灌會增加氨揮發損失，這與余雙等[30]的研究結論一致。一方面，節水灌溉稻田水分相對較少，基質濃度較高，導致間歇灌溉氨揮發損失高于淹灌[20]。另一方面，由于間歇灌溉條件下田間干濕交替，田間裂隙發育較強，土壤結構性較好，土壤孔隙度得到改善，進而提高土壤透氣能力，促進氨揮發[31-32]。彭世彰等[21]研究發現，與淹水灌溉相比，控制灌溉減少了稻田氨揮發損失，與本文結論不一致。原因在于二者試驗在分蘗期前氮肥投入比例不同，本試驗在分蘗期前氮肥投入比例為80%，而彭世彰的試驗分蘗期前氮肥投入比例為57%，此外，二者施肥次數也不一致，這種施肥制度的差異導致2種節水灌溉模式下氨揮發現象與淹灌相比具有不同的結果[30]。針對3 a內W0N1、W0N2、W1N1、W1N2處理，在同一灌溉條件下，在一定范圍內增施氮肥會增加氨揮發損失量，這與區惠平等[33]研究結論一致。

3.4 氣象因子對中稻氨揮發速率的影響

氣象因子對氨揮發速率的影響表現為日照時間>風速>蒸發量，且日照時間表現出正相關，風速和蒸發量表現為負相關。日照時間對氨揮發速率影響最大，會促進氨揮發，這是因為日照時間越大，凈輻射量就越多，從而加速氨揮發進程，這與劉伯順等[8]的研究結論一致。朱兆良等[34]研究發現，田間氨揮發速率隨著風速增大而增大，風速較大時會帶走揮發出的氨氣，從而促進氨的擴散，與本文的研究結論不一致，這可能與施氮時間、地面的粗糙度、植被覆蓋以及氨揮發取樣時的天氣狀況有關[35]。周靜等[36]研究表明，在230 kg/km2施氮水平下，蒸發量對氨揮發速率表現為負相關，與本文的研究結論較為一致。這是由于稻田蒸發量越大時，其上方的空氣濕度就會因蒸發產生的水汽而逐漸增大，而空氣濕度會影響水氣或土氣界面氣壓差，空氣濕度增大會減小水氣或土氣界面氣壓差，從而減小氨揮發速率[21]。

4 結 論

1）3 a中稻氨揮發速率除分蘗期外變化規律大致相似，表現為“拔節孕穗期和抽穗開花期減小，乳熟期增加，黃熟期減小”的波動變化趨勢。

2）氨揮發損失基本發生在分蘗期、拔節孕穗期和抽穗開花期，3個時期的氨揮發損失量占整個生育期氨揮發損失總量的50%以上，總體上表現出生育中前期氨揮發損失大于生育中后期。

3）同一灌溉模式下，一定范圍內增施氮肥會增加氨揮發損失量；同等施氮水平下，間歇灌溉相比傳統淹灌會增大氨揮發損失，不同水肥調控下氨揮發損失量存在差異，但這種差異均不顯著。

4）各氣象因子對氨揮發速率的影響為日照時間>風速>蒸發量，氨揮發速率與日照時間呈正相關，與風速和蒸發量呈負相關。

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Ammonia Volatilization from Irrigated Paddy Fields in Southern China Plains and Its Determinants

YANG Zirong1, ZOU Zhike2, LUO Wenbing2*, XIAO Xin1, HUANG Shaozhe1, PAN Hongzhong1, LI Yalong2

(1. Yangtze University, Wuhan 430100, China; 2. Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430100, China)

【Objective】Ammonia volatilization is a pathway of nitrogen cycling in soil. It is mediated by various biotic and abiotic processes. The objective of this paper is to study its variation and determinants in irrigated midseason rice fields in southern China plains.【Method】The field experiment was conducted in an irrigation experimental station in Jiangxi province. It consisted of two irrigation methods: intermittent irrigation (W1) and traditional flooding irrigation (W0), and three nitrogen fertilizations: 0 (N0), 135 kg/hm2(N1), 180 kg/hm2(N2). We measured the ammonia volatilization from each treatment and analyzed its correlation with different meteorological factors.【Result】When irrigation was the same, increasing nitrogen fertilization increased ammonia volatilization, while when nitrogen fertilization was the same, ammonia volatilization was less in flooded irrigation than in intermittent irrigation. Ammonia volatilization occurred mainly in the tillering, jointing and heading stages, the total ammonia volatilization during which accounted for more than half of the total ammonia volatilization in the whole growth season. Among the meteorological factors, sunshine duration positively impacted ammonia volatilization the most, followed by wind speed and evaporation but their influence was negative.【Conclusion】Compared with traditional flooding irrigation, intermittent irrigation increased ammonia volatilization, especially in early and middle stages of the growth season. Ammonia volatilization was positively correlated with sunshine duration and negatively with wind speed and evaporation.

ammonia volatilization; water and fertilizer management; meteorological factor; plain irrigation area; significance

1672 - 3317（2023）02 - 0079 - 08

S143.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022370

楊子榮, 鄒志科, 羅文兵, 等. 南方平原灌區稻田氨揮發排放規律及影響因素研究[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(2): 79-86.

YANG Zirong, ZOU Zhike, LUO Wenbing, et al. Ammonia Volatilization from Irrigated Paddy Fields in Southern China Plains and Its Determinants[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(2): 79-86.

2022-07-02

國家自然科學基金委員會-中華人民共和國水利部-中國長江三峽集團有限公司長江水科學研究聯合基金項目（U2040213）；中央級公益性科研院所基本科研業務費資助項目（CKSF2019251/NY，CKSF2021299/NY）

楊子榮（1998-），男。碩士研究生，主要從事農業水資源管理研究。E-mail: 1944183037@qq.com

羅文兵（1986-），男。博士，主要從事農田排水及水管理研究。E-mail: luowenbing20050@126.com.

責任編輯：韓 洋