稻田氨挥发影响因素及其减排措施研究进展

杨国英，郭智，刘红江，王鑫，陈留根

江苏省农业科学院循环农业研究中心/农业农村部种养结合重点实验室，江苏 南京 210014

中国是世界上主要的产稻国，水稻种植面积和总产量分别占全世界的 18.9%和 28.7%（FAO，2009）。中国也是化肥的主要消费国，氮肥使用量占世界总量的30%（彭少兵等，2002），而中国稻田的氮肥利用率仅为30%—35%；较低的氮素利用率降低农业生产效益，同时也对土壤、水和大气造成污染，对环境造成危害。稻田土壤氨挥发是氮素损失的主要方式，其占施氮量 10%—40%（Sun et al.，2019）。NH3挥发是指氨从土壤或田面水的表面扩散到空气中时所发生的物理化学变化过程，会影响稻田系统的生产力和水稻氮素利用率（卢丽丽等，2019）。NH3挥发损失中90%直接进入大气，从而增加大气氧化活性和空气中碱性物质含量，加剧大气污染。挥发到大气的NH3可通过氮沉降的方式返回地面，大量的氨通过大气的传输和沉积导致生态系统氮负荷，从而引发一系列环境问题，如雾霾（Yi et al.，2014）、土壤酸化（Van et al.，1998）、水体富营养化（Bosch-serra et al.，2014）等。因此，研究氨挥发损失途径和影响因子，并探索稻田 NH3挥发的减排措施，有利于提高水稻氮肥利用率，减少空气中活性氮的负荷，缓解日益突出的生态环境问题，为水稻田的氮素管理提供理论依据，对节约资源、提高粮食生产效益以及保护环境具有重要意义。本文综述了关于NH3挥发影响因素及减排措施的研究进展，为中国稻田NH3挥发减排提供技术参考。

1 稻田氨挥发的机理

稻田氨挥发过程发生于土气界面，与稻田NH3挥发相关的化学平衡为：NH4+(代换性)＜=＞NH4+(液相)＜=＞NH3(液相)＜=＞NH3(气相)＜=＞NH3(大气)。稻田作物中国主要耕地类型，氮肥施入稻田后，当环境因素有利于发生氨挥发时，氮肥中含有或能产生的 NH4+，便可以与土壤中的水分结合产生液相的NH3，最终转变成气态的NH3从稻田挥发到空气中（朱兆良等，1992）。稻田处于淹水条件下，液相为田面水，气相为贴近田面水表面的空气，NH3挥发便发生于田面水和大气的交界面。稻田的土壤和水分、水稻植株、环境因素以及田间管理措施都会稻田系统中氨挥发的动力学变化产生影响（卢丽丽等，2019）。

2 影响稻田氨挥发的因素

稻田中NH3的挥发受气候、土壤以及农业活动等因素影响，这些因素之间又相互影响。其中，气候条件、土壤因素以及稻田管理措施是影响稻田NH3挥发的重要因素。

2.1 气候条件与氨挥发的关系

2.1.1 温度

温度可从多方面影响NH3挥发，其升高将加速稻田NH3损失（Cai et al.，2002）。这首先是因为，温度升高后使液相中的氨态氮在铵态和氨态氮总量中的比例增加，加速了 NH4+向 NH3的转化（吴萍萍等，2009）；其次由于温度增加使得土壤中脲酶活性增强，加快尿素水解产生铵态氮，由于水稻未能及时吸收便以 NH3挥发的形式损失（邹长明等，2005）。

2.1.2 光照和降雨

以往研究发现，光照对氨挥发影响较大，当光照较强时，氮素主要通过NH3挥发的形式损失。如太湖流域水稻田，与光照弱的多云天气相比，晴天由于光照较强具有更多的 NH3挥发（宋勇生等，2004）。也有研究认为，光照有利于水稻田中藻类的生长，使稻田地表水的pH值增加，进而加快稻田的氨挥发（吴萍萍，2008）。但光照对氨挥发的内在驱动机制尚需进一步研究。

降雨对NH3挥发存在一定影响，多数研究认为降雨使氮肥下渗至土壤深处，使得带正电荷的NH4+更易被土壤颗粒吸附（吴萍萍，2008），也使得氨气不易扩散到地表，降低土壤表层NH4+-N浓度，进而减少NH3挥发（田光明等，2001）。

2.1.3 风速和湿度

风速和空气湿度对稻田氨挥发产生影响，但关于二者对氨挥发影响的研究结果并不一致。就空气湿度而言，有研究认为，较高的空气湿度降低了土水界面的气压差，能将土壤挥发出的氨气溶于空气中，再返还到土壤中，进而减少NH3损失（习斌等，2010；彭世彰等，2009）；但也有人认为，较高的空气湿度利于尿素水解成铵态氮，从而加快氨的挥发（Cabrera et al.，2010）。就风速而言，地表水 NH4+-N浓度、pH值以及温度等环境指标类似的两个水稻田，由于风速的不同使得两块稻田氨挥发损失量差异较大（宋勇生等，2004）。但Cai et al.（2002）认为稻田由于水稻的覆盖作用，使得土壤表面风速减缓，由此对稻田氨挥发的作用并不明显。

2.1.4 空气污染与氨挥发

NH3是大气主要的气态污染物，它虽然可以中和空气中SO2和NOx等酸性气体，一定程度降低酸雨的形成，但二者形成的铵盐是大气颗粒物的前体物（卢丽丽等，2019）。薛文博等（2016）运用WRFCMAQ空气质量模型，定量模拟NH3对PM2.5浓度的影响，结果表明，NH3排放对全国城市铵盐年均质量浓度贡献率为99.7%，且NH3排放对PM2.5的贡献达到30%。欧美国家通过对PM2.5进行控制试验发现，在SO2和NOx等污染气体基本控制的前提下，减少氨气的排放，可大幅降低空气中 PM2.5浓度，大幅提升空气质量（Dedoussi et al.，2014）。可见，从源头上控制氨挥发，避免氨气与酸性气体发生反应，对降低PM2.5水平、控制雾霾和提升环境质量较为重要。

2.2 土壤因素对氨挥发的影响

影响氨挥发的土壤因素主要有土壤pH、阳离子交换量（CEC）、有机质和粘土含量（Li et al.，2017）。土壤pH是影响稻田氨挥发的重要因素（宋勇生等，2004）。土壤pH升高使得稻田氨损失量以及损失率均增加（魏玉云，2006）。也有研究发现，与土壤pH呈酸性的水稻田相比，CaCO3含量相对较多的稻田土壤中，氨损失量增加（朱兆良等，1989）。

张庆利等（2002）研究发现，土壤的氨损失与阳离子交换量和土壤有机质显著负相关。有人通过盆栽试验发现，CEC较低的粉砂质壤土中，氨损失占总施氮量比例为34%，而CEC相对较高的粘性土壤中NH3挥发损失只占10%（宋勇生等，2004）。这主要是由于 CEC较高的土壤吸附 NH4+能力较强，从而抑制氨挥发。土壤有机质一方面能够吸附NH4+，另一方面由于有机质被分解成腐殖质，使土壤pH值降低，间接抑制氨损失。此外，粘土颗粒可以吸附稻田地表水中的NH4+，进而抑制氨挥发，使粘土的氨挥发损失量相对壤土较低（Pelster et al.，2019；Lin et al.，2012）。

2.3 农业措施对氨挥发的影响

2.3.1 施肥

氨挥发损失与稻田氮肥施用种类、方法以及时期相关。不同种类的氮肥氨挥发量与自身的酸碱性以及相伴离子的特征有关。施用尿素和碳酸氢铵能够增加稻田地表水的pH值，从而加快氨损失，但硫酸铵则无此作用（鲁如坤，1998）。研究表明，施氮量相同情况下，单独施用尿素的氨损失占总施氮量的比例为 37%，而施用有机肥以及有机无机混施的氨损失占总施氮量的比例仅为0.7%和18.2%，表明施用有机肥能明显减少稻田氨损失（李菊梅等，2005）。Shang et al.（2014）研究也发现，与氮磷钾肥均衡施用相比，氮磷肥配施、氮钾肥配施和纯氮肥施用使双季稻生长季累积 NH3挥发量分别增加9.7%、50.6%和37.6%，而有机无机肥配施则使氨挥发降低24.6%。作为新型肥料，缓控释肥料的包膜或缓溶性物质通过阻隔包膜内外的水分运移，延缓氮素溶出过程，从而控制氮素释放速度，使得稻田土壤和田面水NH4+-N水平较低，并长时间供水稻吸收利用，最终减少稻田土壤NH3挥发以及提高水稻氮素利用率（Li et al.，2018a；Yang et al.，2019）。目前使用较多的包膜肥料包括树脂包膜、硫包膜和有机肥包膜等，研究表明，与普通肥料相比，包膜肥料的氨挥发量减少30%以上（卢艳艳等，2011），并且随着包膜材料和土壤类型的不同减排效果存在较大差异。此外，草酰胺和聚脲甲醛缓释肥也能够降低氨挥发量（Tang et al.，2018；赵蒙等，2019）。

施肥量直接影响田面水铵态氮浓度。适宜的肥料可以被植物所吸收（田光明等，2001），过量的施用氮肥则会导致氮损失（高文伟等，2009），并且通常施氮量越多氨损失就越多（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，不同施肥方式之间，氨损失存在差异，主要体现在表施大于其他施用方式，而粒肥深施的氨挥发损失相对较低，不同施肥方式下氨挥发表现为：表施＞混施＞深施＞粒肥深施（Xu et al.，1993；Li et al.，2018b）。Liu et al.（2015）研究发现，与表施相比，氮肥深施显著降低田面水 pH达 2%—4%，铵态氮浓度降低29%—98%，从而显著降低累积NH3挥发量达20%—45%。土壤 NH3损失对施肥深度的响应较为敏感，这主要由于氮肥深施后，NH4+-N在土壤中扩散时被土壤所吸附，从而使土壤中NH4+-N浓度降低（Yao et al.，2018b）；并且深施减少了肥料与空气的接触，缩短养分向根系移动的时间，增加水稻对氮素的吸收利用，最终降低稻田NH3损失（Yao et al.，2018c）。此外，施肥时期也影响氨挥发量，如Qi et al.（2012）研究发现氮肥后移能减少氨挥发。

2.3.2 耕作方式

耕作方式不同导致土壤氨挥发量产生差异。有研究发现，免耕时氮肥在表层土壤富集，增加氨挥发（Rochette et al.，2009；李诗豪等，2018）；而深耕使土壤疏松，便于养分下渗进土壤，同时深耕的方式使土壤耕层变厚，促进水稻植株根系的生长，促进其对氮素的吸收，减少NH3挥发；另外，翻耕也能使NH3挥发显著降低30%（曹凑贵等，2010）。

2.3.3 灌溉

研究发现，灌溉时间、灌水量（徐万里等，2011）和灌溉方式（马腾飞等，2010）等都对氨挥发产生不同程度的影响。当施肥量相同、土壤含水量和灌水量相同时，延长灌水时间使氨挥发速率加快。若加大稻田灌入的水量，反而减少土壤氨挥发损失（Alberto et al.，2010）。He et al.（2019）研究发现，随着水位的增加，控制性灌溉的水稻田浅水层保持时间延长，可减少施肥后第一周氨挥发损失，控制性灌溉和控制性排水的结合是一种有效的水管理方法，用来减少稻田氨挥发损失。此外，肖新等（2012）研究发现，水氮耦合可显著降低稻田氨挥发损失。

3 稻田氨挥发减排措施

3.1 稻渔共作

稻渔共作是将水稻与水产动物生产相结合，在中国水稻生产中有广泛的应用（Li，1988）。以稻鱼共作系统而言，Li et al.（2008）研究发现，稻田养殖鱼类使稻田氨挥发降低。这主要由于，一方面鱼类的生长抑制了稻田中藻类的繁殖，能够避免稻田中藻类进行光合导致的田面水 pH值升高的问题，进而抑制NH3挥发；另一方面稻田养殖鱼类，需在稻田设置环沟，这使田面水体积相对增大，当稻田施入尿素后，可使水体铵态氮浓度大幅降低，从而降低氨挥发（Liao et al.，2015）。

稻蟹共作作为另一种稻渔共作的模式，同样在中国稻田被广泛使用，具有较好的效益（Li et al.，2007）。王昂等（2018）研究表明，与常规稻田相比，稻蟹共作水稻田NH3挥发量降低28.4%。这一方面是因为稻田养蟹使得水体变浑，抑制浮游植物生长，能避免因植物光合导致的田面水pH值升高；同时河蟹自身的呼吸作用增加水体中CO2，使田面水pH值降低（孙文通等，2014），从而减少氨气的产生和挥发（张启明等，2006）。另一方面，河蟹能够使土壤质地得到改善，增强稻田土壤对铵态氮的固定作用（汪清等，2011）。水稻根系对氮素的吸收能力也由于河蟹扰动作用得以增强，最终降低田面水铵态氮浓度。有人认为，河蟹代谢产物和残余饵料会增加稻田的氮素总量，但由于这些主要是有机氮，需缓慢矿化成无机氮，不会使稻田水体铵态氮浓度升高（郝晓晖等，2007）。此外，杨亚男等（2015）研究也表明，水稻立体种养模式，即水稻-鱼-虾-蟹共作，使稻田土壤NH3挥发量显著降低58.64%。

3.2 稻田套养浮萍

浮萍是稻田中普遍存在的典型水生漂浮植物，研究发现稻田套养浮萍能降低稻田土壤氨挥发总量（Yao et al.，2017；Li et al.，2009）。Sun et al.（2019）研究表明，尿素与浮萍配合施用降低施氮后NH3挥发量达55.2%。这主要由于一方面，就稻田田面水pH值而言，浮萍覆盖田面，使田面水中光线降低，从而抑制藻类生长。此外，唐萍等（2001）通过将栅藻与浮萍共同培养，发现浮萍能够降低栅藻叶绿素含量，增加细胞丙二醇浓度，降低超氧物歧化酶活性，促进藻类细胞衰老死亡。胡洪营等（2006）研究也发现，水生植物的浸提液能够抑制小球藻的生长。藻类生长受到抑制后，稻田水体中HCO3-浓度得以维持，防止田面水pH值升高，从而降低氨挥发。

另一方面，就田面水铵态氮浓度而言，浮萍对田面水中的铵态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铵态氮，即便田面水中总氮浓度较低，浮萍也先吸收铵态氮；同时微生物能够吸附在浮萍的下叶面和根部形成微生物膜，这能够吸附田面水中的铵态氮，进一步降低田面水铵态氮浓度（沈根祥等，2006）。

再者，从浮萍对微生物的影响来看，周影茹等（2010）通过模拟太湖流域水稻田的水体氮磷环境，发现浮萍可能通过释放次生代谢物或化感物质，改变水体微环境，利于微生物生存。同时，浮萍的根部能够吸附稻田中的有机物，提供微生物生存的场所（吴晓磊，1995）。此外，浮萍具有发达的通气系统，能将氧气从茎叶转移到根部，根部再将氧气释放，使根区氧气浓度相对高于根区以外区域，为硝化与反硝化功能微生物的生存提供适宜的环境，从而促进土壤硝化与反硝化（吴晓磊，1995），降低稻田水体中NH4+-N浓度，从而减少氨挥发。

3.3 稻田放养满江红

满江红（Azolla）又称红萍或绿萍，与浮萍不同，它常与有固氮作用的鱼腥藻共生，是一种高固氮的水生蕨类植物，其广泛用作绿肥（Yao et al.，2018a）。研究发现，稻田放养满江红可提高土壤总氮、有机质以及速效磷含量，能够保持土壤养分平衡，增加土壤孔隙度，使容重降低，改善土壤结构，利于增产培肥（Kollah et al.，2016）。稻田放养满江红是减少氨挥发的有效途径（Macale et al.，2004），其主要通过影响田面水铵态氮浓度、pH及温度等因子来影响稻田氨挥发（Kollah et al.，2016；Yang et al.，2020）。研究表明，稻田放养满江红减少氨挥发比例达10%—50%（Yao et al.，2018a）。

满江红直接吸收田面水中氮素是降低氨挥发的重要途径，其最大吸氮量占总施氮量的 68%（Cisse et al.，2003），水稻成熟期满江红植株残留氮占总施氮量的5%—14%（Macale et al.，2004）。与其他水生植物一样，满江红对铵态氮的吸收优于其他氮源（易厚燕，2013），并且满江红也表现出对NH3的偏好吸收，具有直接从水中吸收NH3的能力（Selvarani et al.，2015）。此外，满江红根部渗出的质子与水中NH3结合形成NH4+，也有利于其对氮素的吸收（Vlek et al.，1995），从而减少氨挥发。同时，研究表明，满江红通过吸收光合辐射，使田面水中光照强度降低，从而抑制藻类的光合作用，减少田面水含氧量，增加田面水中溶解性CO2，进而降低田面水pH（Kollah et al.，2016）。同时，由于满江红的覆盖作用，使田面水温度降低，这与田面水pH值、NH4+-N浓度，共同降低稻田土壤氨损失。

3.4 秸秆直接还田与炭化还田

关于秸秆还田对稻田氨损失的影响研究结果不一致。多数研宄发现秸秆还田后，能够增加土壤有机质，有机质分解产生有机酸能够形成腐殖质，提高土壤吸附 NH4+的能力的同时也降低了稻田土壤的 pH值，从而抑制土壤氨挥发（李菊梅等，2005）。但也有研究发现，秸秆还田后形成的有机质，减少了土壤对NH4+-N的固定，并且秸秆降解后产生的有机基团能够中和稻田水体中酸根离子，使水体pH值增加，对氨挥发起到促进作用（Sun et al.，2018）。

秸秆炭化成生物炭，可作为土壤改良剂重新施入稻田。生物炭添加对稻田氨挥发损失影响的研究结果不尽相同。生物质炭孔隙结构发达、比表面积较大，吸附能力较强，对氨气和铵态氮均有较强的固持作用（Asada et al.，2006；Sun et al.，2018；Liu et al.，2020）。生物炭中酸性官能团起主导作用，可通过其表面的阳离子与NH4+-N发生静电交换作用，实现对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过影响土壤微生物的活动来降低稻田氨挥发损失（Sanchita et al.，2019；Sun et al.，2019），但也有研究认为生物炭可能通过影响pH和硝化作用增加氨挥发损失（Feng et al.，2017）。

就生物炭施加方式而言，Feng et al.（2017）研究认为，考虑到NH3挥发，应以较低的速率施用生物炭。He et al.（2018）研究发现，稻田添加生物炭后，使第一个水稻生长季NH3损失增加，但第二个水稻季 NH3损失减少 6.8%，这可能是由于其对NH4+的高吸附能力和硝化作用的增加。当生物炭和脲酶抑制剂（HQ）的结合使NH3损失降低10.5%—23.4%；当生物炭与 HQ和硝化抑制剂（DCD）联合施用时，对第一季NH3损失没有影响，但第二年NH3挥发减少19.8%；而生物炭与过磷酸钙混合后与尿素配施，能有效地降低NH3的损失达39.2%（He et al.，2018）。此外，Sun et al.（2020）研究发现，将碳化过程的液体副产物木醋液，配合生物炭施用能减少稻田氨挥发量达13.6%。

就新型生物炭而言，余姗等（2020）研究发现，水热碳化法制备的水热炭能显著降低氨挥发量和单位产量NH3挥发量，相比常规施肥处理分别减少32.42%和47.61%，而水洗水热炭处理对氨挥发的减排效果稍弱，相比常规施肥处理分别减少10.14%和27.71%。Chu et al.（2020c）将活性污泥以不同混合溶液为反应介质，制备成3种污泥水热炭，并应用于稻田，研究发现柠檬酸镁与稀硫酸为反应介质制备的改良水热炭，由于自身较低pH值和较大的吸附能力使稻田氨挥发量显著降低。若将水热炭结合厌氧发酵技术制成微生物陈化水热炭，减少了水热炭溶解性有机物，使其比表面积增加，炭的pH趋于中性，施加到稻田后，虽然单位产量氨挥发量与对照相比没有差异，但水稻氮素利用率的提升有显著作用（Chu et al.，2020b）。此外，将膨润土和水热炭制成的复合材料，用于稻田土壤，由于其具有较大的孔径和比表面积，同时显著降低土壤 amoA基因的丰度，可能抑制了硝化作用，增加了土壤对NH4+的固持，从而减少氨挥发量达 41.8%（Chu et al.，2020a）。可见，通过改变生物炭的施用量、施用方式以及研发新型生物炭，对稻田氨挥发减排具有重要意义。

4 结论与展望

稻田系统氨挥发，已成为国内外科学家关注的一个重要领域。就影响氨挥发的因素而言，稻田氨挥发最主要的影响因素是施肥，而施肥后影响NH3挥发的因素有气象条件和土壤理化性质，其中最主要的气象因素为温度和土壤pH。随着对稻田NH3挥发机理的深入研究，对NH3挥发的影响由单因素到多因素交互作用，今后研究可从以下几方面入手：（1）通过研究水稻不同栽培管理模式下，NH3挥发的变化差异，并在深入研究栽培管理模式基础上，加强稻田NH3挥发的研究力度；（2）将稻田NH3挥发与水稻氮素利用率、产量、气象因素和土壤中氨氧化功能微生物相结合，分析和总结NH3挥发的规律及影响因素；（3）加强对稻田 NH3挥发机理研究，为水稻最佳栽培管理模式提供理论依据。

就稻田氨挥发减排措施而言，基本思路主要包括设法防止水稻田面水pH上升，以及采取措施降低稻田水体中NH4+-N浓度。由于稻田是开放生态系统，降低肥料氨挥发损失，需考虑水稻生产过程中可产生NH3挥发的主要环节。应改变传统粗放式的种植方式，综合使用多种配套措施，包括合理施肥、化肥减量，深耕与粒肥深施相结合，以及水分管理措施等。其次，覆盖也能有效降低稻田NH3挥发，如秸秆还田覆盖能起到保水、保肥和减少氨挥发损失的作用。此外，生物措施也是控制稻田氨挥发的重要手段（彭世彰等，2009），稻田通过套萍和放养满江红，降低田面水铵氮浓度，从而减少NH3挥发。今后对稻田氨挥发减排措施的研究主要集中在以下几个方面，即：（1）定量估计不同栽培措施下稻田 NH3挥发量；（2）探索减少氨挥发的不同技术途径；（3）有针对性地提出综合的氨挥发减排技术体系，如从有机肥、化肥、缓控释肥配施、精准施肥和覆土深施等方面构建稻田氨挥发最佳防控技术体系。