有机替代下华北平原旱地农田氨挥发的年际减排特征

张怡彬，李俊改，王 震，戴孚岳，翟丽梅，杨 波，王洪媛*，刘宏斌

（1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部面源污染控制重点实验室，北京 100081；2 中国农业大学烟台研究院，山东烟台 261400）

大气中的氨 (NH3) 是形成 PM2.5的重要前体物，PM2.5是造成雾霾的主要组成成分[1-3]。近年来，由氨挥发引起的雾霾污染已引起了越来越广泛的关注。有研究表明，2010年有177万人因PM2.5暴露而过早死亡，空气污染已严重影响人类健康[4]。An等[5]的模拟研究结果表明，2015年的一次严重雾霾事件期间，约30%的PM2.5质量可归因于农业氨。

我国氮肥施用量大，其中有10%～30%会通过氨挥发形式损失[6]。有研究表明，全国主要粮食作物氨挥发损失量和损失率分别为N 20.7 kg/hm2和11.2%[7]。华北平原是我国小麦、玉米等旱地作物的主产区，该地区氮肥投入量大，施用化肥产生的氨挥发量占全国的43%[8]。

已有研究表明，有机肥替代化肥可以提高作物产量，降低农田氨挥发。与单施化肥相比，在包菜季和小青菜季，25%有机替代可以降低23.4%和41.6%的氨挥发量[9]；李燕青等[10]在冬小麦和夏玉米上的研究表明，与单施化肥相比，50%的猪粪、牛粪替代化肥可以降低玉米季氨挥发量的52.9%和52.0%；郑凤霞等[11]4年的冬小麦大田试验表明，与单施化肥相比，半量有机替代可以降低氨挥发量30.7%；Zhang等[2]的meta分析结果表明，完全有机替代可降低62%～77%的氨，部分有机替代也可降低氨挥发损失，但是还取决于具体条件。试验时间、地点以及气候环境等条件都会对氨挥发产生影响。周静等[12]的田间试验结果表明，春秋二季基肥氨挥发总量和通量均与气温、气压、蒸发量和土温等环境气象因子有较好的相关性 (P＜ 0.05)。也有研究表明，在pH大致不变的情况下，在5℃～35℃的范围内，温度每上升10℃，氨损失量的比例约增加1倍[13]。但是年际间气候变化对特定区域有机替代的氨挥发减排效果的影响仍缺乏研究。

本研究基于华北平原春玉米长期定位试验，以全量化肥、半量有机替代和全量有机替代等3种有机肥替代比例，系统研究年际间有机替代对作物产量和氨挥发损失量的影响，以期为华北地区科学减少氨挥发损失提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于北京市昌平区“北京昌平土壤质量国家野外科学观测研究站”(40.22°N、116.23°E)，海拔高度为43.5 m，年平均温度为11.5℃，大于等于10℃的积温为4500℃，年降雨量和蒸发量平均分别为625和1065 mm，无霜期为210天，春旱和夏季暴雨是该地点的主要灾害性天气，全年80%以上的降雨天气集中在每年的6—10月份，且不同年份之间降雨差异很大。在2017—2019年春玉米种植季，昌平基地气温及降雨状况见图1。

图1 2017—2019年春玉米全生育期的气温和降雨、灌溉量Fig. 1 The temperature, rainfall and irrigation during the three experimental years

1.2 试验设计

本研究通过肥料长期定位试验进行，该定位试验于2007年开始布置实施，距今已有13年。小区规格为 1 m (宽) × 2 m (长) × 1.2 m (深)，四周均由混凝土包围而成。该研究种植模式为春玉米—冬闲田，品种为京单28，发芽率 ≥ 85%，种植密度为60000 株/hm2；试验地的土壤类型为褐潮土，基础理化性质如表1所示。试验共设置4个处理：PK (不施氮处理)、NPK (常规处理)、HONS (一半化肥氮被有机氮替代，half organic nitrogen substitution)、FONS(全部化肥氮被有机氮替代，full organic nitrogen substitution)，每个处理3次重复，共12个小区，完全随机排列。试验所用磷肥和钾肥分别为磷酸二氢钾 (P2O552.1%) 和硫酸钾 (K2O 50.0%)；有机肥为干猪粪，在播种前一次性施入。猪粪的基础性质为：总氮 (TN) 25.1 ± 0.1 g/kg、总磷 (P2O5) 55.3 ± 0.1 g/kg、总钾 (K2O) 24.9 ± 0.3 g/kg，pH 6.7。HONS 和FONS处理根据猪粪N含量确定猪粪用量，并计算猪粪携入的磷钾量，剩余养分用尿素、磷酸二氢钾(52.1% P2O5) 和硫酸钾 (50.0% K2O) 补齐，达到和单施化肥处理相同的氮磷钾施用量。尿素按照37.5%基肥、62.5%追肥 (小喇叭口期) 的比例施入，施肥方式均为撒施后翻耕，具体施肥措施见表2。2017—2019播种与收获时间分别为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 土壤基础理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of soil

1.3 氨挥发的采集与测定

采用间歇密闭通气法，采集春玉米生育期氨挥发样品[14-15]。该方法的原理是利用透明有机玻璃制成的密闭室的通气孔与装有稀硫酸吸收液 (40 mL，0.05 mol/L) 的气体洗瓶相连，洗瓶的另一端与真空抽气泵相连，通过真空抽气泵使密闭室减压，使密闭室内的氨随空气流动进入稀硫酸吸收液，抽气结束后，收集稀硫酸吸收液，利用连续流动分析仪(AA3) 测定吸收的NH4+浓度。为防止土壤扰动影响监测结果，在春玉米施基肥之前，将装置固定于春玉米植株的间隙中。该装置的材质是厚度为3 mm的聚氯乙烯(PVC)板；底座规格为内径 25 cm、外径31.5 cm、埋深 20 cm；密闭盖的规格为内径 26 cm、高 15 cm。施肥后 1、2、3、4、6、8、10、13、15、18、21 天······，采集氨挥发样品，直至 NPK、HONS和FONS等处理的氨挥发数据与PK处理基本相同时结束监测。测定前，在底座的槽里添加水以起到密封的作用，然后将密闭盖置于底座上，确保换气速率为15～20次/min，每次取样在当天上午9:00—11:00和下午15:00—17:00进行，氨挥发速率、氨挥发累积损失量和氨挥发系数计算公式如下：

表2 各处理的施肥量Table 2 The fertilizer application rates of each treatment

式中：V为氨挥发速率[kg/(hm2·d)]；C为各处理氨挥发样品的铵态氮浓度 (mg/L)；S为密闭室覆盖面积(m2)；t为抽气时间 (h)；24为时间换算系数；10–2为体积换算系数。F为氨挥发累积损失量 (kg/hm2)；n为施肥后总的测定次数；Vi为第i次测定时的氨挥发速率 [kg/(hm2·d)]；Vi–1为第i–1 次测定时的氨挥发速率[kg/(hm2·d)]；Ti为第i次测定时施肥后的天数，Ti–Ti–1为两个相邻测定日期之间的时间间隔 (天)。为氨挥发损失系数 (%)；为单位面积内施氮处理的氨累积挥发量 (kg/hm2)；为单位面积内未施氮处理的氨累积挥发量 (kg/hm2)；FN为总施氮量 (kg/hm2)。

1.4 数据处理

采用 Microsoft Excel 2016 和 Origin 2019 软件处理数据并作图，并采用SPSS 19.0软件的单因素方差分析 (One-way ANOVA) 中的 Duncan法检验处理之间的差异，P＜ 0.05 为差异显著。

2 结果与分析

2.1 作物产量和氮素偏生产力

2017—2019 年，不施氮肥 (PK)、单施化肥 (NPK)、半量有机替代 (HONS) 及全量有机替代 (FONS) 等4个处理的春玉米平均产量差异显著 (图2a)。氮肥施用显著提高作物产量，与PK处理相比，NPK处理春玉米产量提高100.5%。等氮有机替代处理进一步提高了作物产量，如HONS处理和FONS处理比NPK处理的玉米产量分别提高了20.7%和30.9%。可见，等氮有机替代能够有效提高作物产量，且与半量有机替代相比，全量有机替代对作物产量的提升能力更强。

不同施氮处理的氮素偏生产力在35.6～46.7 kg/kg(图2b)，其中FONS处理的氮素偏生产力最高，HONS次之，NPK最低。与NPK处理相比，HONS处理和FONS处理的氮素偏生产力分别提高20.8%和30.9%。可见，等氮有机替代能够有效提高氮素偏生产力，相比半量有机替代，全量有机替代对氮素偏生产力的提升效果更强。

图2 玉米产量和氮素偏生产力Fig. 2 Maize yield and partial factor productivity of applied N (PFPN)

2.2 施肥后农田氨挥发特征

本研究中，NPK和HONS处理的化肥分为基肥和追肥两次施用，HONS和FONS处理的有机肥作为基肥一次性施用。因此，根据化肥施用时期，将农田氨挥发特征分为基肥期和追肥期进行分析 (图3)。年际间和处理间的氨挥发规律基本一致，都是在施肥后的第2～4天出现排放峰值，之后氨挥发速率逐渐降低，一般在9天内基本趋于稳定。施肥后的前9天氨挥发量占基肥期氨挥发总量的70.1%，占追肥期氨挥发总量的63.7%。

图3 施肥后农田氨挥发特征Fig. 3 Characteristics of ammonia volatilization in farmland after fertilization

各施肥处理基、追肥期间的氨挥发规律年际间变化显著 (图3)。2017和2019年基肥期的氨挥发速率低于追肥期，可能是由于这两年的基肥期温度都要低于追肥期，且追肥施肥量 (150 kg/hm2) 高于基肥量 (90 kg/hm2)；而2018年的氨挥发速率呈相反趋势，可能是由于基肥期的温度高于追肥期温度。不同处理间农田氨挥发速率差异显著，2017—2019年间各处理氨挥发速率表现为 NPK ＞ HONS ＞ FONS ＞PK。不同处理的氨挥发年际特征也有明显差异，NPK和HONS处理的氨挥发特征年际间存在显著差异，但FONS的氨挥发特征年际间差异不明显。

对于NPK处理，2017和2019年的基肥期氨挥发速率都小于 1 kg/(hm2·d)，2017年NPK处理基肥期的氨挥发速率峰值出现在施肥后的第4天，为0.61 kg/(hm2·d)，并在施肥后第13天出现一个小峰值0.13 kg/(hm2·d)；2019年的基肥期氨挥发速率峰值出现在施肥后的第 2 天，为 0.56 kg/(hm2·d)。2018 年的氨挥发强度较高，基肥期氨挥发速率最高达2.07 kg/(hm2·d)(施肥后第3天)，并在第7天出现一个小波峰0.60 kg/(hm2·d)。在追肥期，NPK处理3年的氨挥发速率峰值差异不大，为 1.10～1.84 kg/(hm2·d)，且都出现在施肥后的第2或第3天，这可能是由于相对于基肥期，追肥期年际间的温度差异较小，温度越高，农田中的氨挥发量越大[16]。HONS处理年际间的变化规律与NPK处理基本一致，但氨挥发速率均小于NPK处理 (图3)。在基肥期，2017和2019年的氨挥发峰值分别仅为 0.36 和 0.23 kg/(hm2·d)；而 2018 年基肥期的氨挥发峰值则达到了1.39 kg/(hm2·d)。在追肥期，2017年和2019年农田氨挥发速率峰值均出现在施肥后的第2天，最高值分别为1.13和0.56 kg/(hm2·d)；2018年的峰值则出现在施肥后的第1 天，氨挥发速率为 0.92 kg/(hm2·d)。FONS 处理氨挥发过程没有显著峰值，一直都处于比较低的释放状态，且年际间没有显著差异。这可能是由于有机肥中的氮主要是有机氮，其矿化为氨的转化过程较慢，不会造成氨挥发释放出现峰值[10]。

2.3 农田氨挥发累积量和损失率

图4显示，各处理年际间氨挥发损失量差异显著，NPK、HONS以及FONS处理3年的氨挥发损失量变化范围分别为 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)；氨挥发系数分别为 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%)。有机替代处理农田氨挥发的年际间变化显著高于化肥。相比氨挥发损失较低的2019年，2018年NPK处理的氨挥发损失增加了12.3%，而HONS和FONS处理分别增加了91.2%和105.0%，相应的减排率，也从2019年的54.3%和71.1%降到了22.1%和47.2%。NPK、HONS以及FONS处理的氨挥发损失最高和最低之差，分别为1.94、4.34和3.16 kg/hm2。华北平原春玉米氨挥发损失主要来自追肥期，从2017—2019年3年平均来看，NPK处理追肥期平均氨挥发损失量占整个生育期的63.7%，HONS处理占58.6%，FONS处理占53.0%。但是年际间差异较大。2017—2019年的NPK、HONS以及FONS的追肥期氨挥发损失量占整个生育期的变化范围分别为46.3%～74.9%、48.0%～58.8%和51.2%～54.8%。尤其是2018年，基肥期温度显著高于其他年份 (高3.2℃～4.0℃)，故NPK和HONS处理的基肥期氨挥发损失占比较高，分别为53.7%和52.0%。

温度和降雨灌溉造成的土壤湿度不同，有机替代处理年际间氨挥发损失减排潜力差异显著 (图4)。与NPK处理相比，2017—2019年HONS处理对氨挥发损失的减排率分别为24.9%、22.1%和54.3%，平均为33.5%；FONS处理的减排率分别为59.3%、47.2%和71.1%，平均为58.7%。

图4 农田氨挥发累积损失量与损失率Fig. 4 Cumulative loss and emission reduction rate of farmland ammonia volatilization

2.4 气温、土壤湿度与氨挥发累积量的相关性分析

农田氨挥发影响因素的主成分分析结果 (图5)表明，温度和土壤湿度是影响氨挥发累积量的两个主要因素，温度和湿度对氨挥发累积量影响的贡献率是49.4%，产量和降雨量对氨挥发累积量影响的贡献率为31.3%。

图5 农田氨挥发影响因素主成分分析Fig. 5 Principal component analysis of ammonia volatilization factors in farmland

春玉米整个生育期内，氨挥发损失量与大气温度呈正相关关系 (图6a–c)。在基肥期，随着大气温度的升高，氨挥发损失量显著增加。追肥期由于温度变化幅度较小 (29.4℃～30.6℃)，且受作物冠层遮盖的影响，温度对农田氨挥发的影响不显著。在春玉米的整个生育期内，氨挥发累积量和土壤湿度呈正相关关系 (图6d–f)。在基肥期，随着土壤湿度的增加，氨挥发累积量显著增加。追肥期由于受到作物冠层遮盖的影响，土壤湿度对农田氨挥发累积量的影响不显著。

图6 气温、土壤湿度与氨挥发累积量的相关性分析Fig. 6 Correlation analysis of temperature, soil humidity and ammonia volatilization accumulation

3 讨论

3.1 有机替代对作物产量的影响

本研究表明，有机肥替代化肥能有效提高作物产量，这与大多数研究结果[11,17-22]相一致。习斌等[17]5年田间试验结果表明，有机肥50%替代化肥能够提高玉米产量10.3%。郑凤霞等[11]的4年田间试验结果表明，在同等施氮量下，化肥有机肥1∶1配施可以提高冬小麦产量6.8%。杨晓梅等[20]和周慧等[21]也得到了同样的结果，50%的有机肥替代化肥可以提高小麦产量12.4%和玉米产量12.6%～17.0%。杜少平等[23]和李喜喜等[24]的田间试验结果表明，全量有机替代化肥可提高西瓜产量27.4%～31.6%和水稻产量7.8%。也有研究认为，有机替代对作物产量的影响受替代比例的控制，并指出有机肥替代比例为75%时处理效果最优[25]，不仅可保证作物产量，还能有效提高品质和氮磷肥利用率[19]。但也有研究表明，完全有机替代会降低作物产量[2,10,20]，这与本研究得出的相比半量有机替代，全量有机替代对作物产量的提升潜力更高的结论相反。导致结果有差异的原因可能与施肥措施的持续时间有关。因为有机肥养分释放速率较慢，短期内难以像化肥处理那样可以在作物生长前期迅速增加土壤中速效氮含量，为作物提供养分，但随着时间的延长，有机替代处理土壤肥力提升，进而提升了作物产量[2,26]。

3.2 有机替代对氨挥发的影响

本研究结果表明，有机替代能够有效降低华北旱作农田氨挥发损失，而且替代比例越高，减排潜力越大，这与已有研究结果[9,24-25]基本一致。李喜喜等[24]的大田试验结果表明，猪粪和化肥配施处理较常规施肥处理能降低4.21%～16.74%的氨挥发。武星魁等[9]的研究表明，随着替代比例的增加，氨挥发量逐渐降低，包心菜季75%有机替代处理下氨挥发量最低，为25.8 kg/hm2，比单施化肥处理降低53.1%；小青菜季100%有机替代处理下氨挥发量最低，为2.7 kg/hm2，比单施化肥处理降低87.8%。吕凤莲的冬小麦–夏玉米大田试验结果表明，与单施化肥相比，50%～100%有机肥氮替代化肥氮能显著降低小麦/玉米轮作年总氨挥发量[25]。究其原因可能是尿素和有机肥发生的反应不同。化学氮肥施入土壤后溶解较快，在土壤脲酶的作用下，尿素被水解成NH4HCO3，随后迅速转化为NH4+-N，一部分被土壤胶体吸附成为吸附态的NH4+，另一部分则进入到土壤溶液中，使NH4+的浓度迅速提高，为氨挥发提供了充足的底物；而有机肥中大量的有机氮组分则需要经过长时间的矿化分解才能参与氨挥发的过程[10]，而且有机质在分解过程中会释放大量有机酸，并形成腐殖质，抑制尿素水解过程中土壤酸碱度的升高，从而显著抑制了土壤氨挥发[27]。同时，有机肥施用能够促进土壤微生物活动，将土壤无机氮固定在有机氮库中，减少了产生氨的无机氮量，进而降低氨挥发损失，最终实现有机替代的氨挥发减排[11]。然而，需要注意的是本研究施用的是干猪粪，新鲜猪粪在晾干过程中，氨挥发损失率可达11.4%[28]。因此，有机替代对氨挥发减排潜力的总体评估还应充分考虑猪粪在前期晾干过程中产生的氨挥发量。Zhou等[29]利用生命周期评价法综合分析表明，不同有机肥替代化肥比例，菜地氨挥发与单施化肥相比显著减少了17.8%～22.2%。

3.3 年际变化对氨挥发的影响

农田施肥后氨挥发量主要受大气温度、气压、风速和降雨等多个气象因素的影响，不同施肥期的主要影响因素也不同[12]。本研究结果表明，大气温度和土壤湿度是年际间各施肥处理基肥期氨挥发损失量变化的主要驱动因子。

温度对农田系统中氨挥发具有很大促进作用[30-34]。在基肥期，大气温度和氨挥发累积量呈显著正相关关系，且2017和2019年基肥期温度低于追肥期温度，氨挥发速率显著小于追肥期氨挥发速率；而2018年基肥期温度高于追肥期温度，则基肥期氨挥发速率高于追肥期，表明温度是控制不同施肥期氨挥发的主要因素。温度通过影响土壤微生物和酶的活性，控制NH4+向NH3的转化，从而对氨挥发速率及累积量产生影响。温度升高会减弱土壤胶体对NH4

+的吸附能力，使土壤溶液中NH4+浓度上升，促进NH4+向氨的转化，使氨挥发速率增加[33]。纪锐琳等[35]的研究表明，氮肥氨挥发量随着土壤含水量的上升而递增，这与我们的研究结果相一致。土壤含水量对农田氨挥发的影响主要是影响肥料在土壤中的转化过程，例如碳铵的溶解、尿素的水解、有机物的微生物分解等过程，进而影响到农田氨的挥发[16]。尿素在较高的土壤含水量下会与土壤充分接触，使得尿素形态转化加快，同时还会阻碍空气进入土壤，抑制氨氧化过程的发生，增加NH4+-N (液相) 所占氮素的形态比，从而促进氨挥发[36]。在水旱轮作种植体系中，水稻氨挥发损失率显著高于旱地作物，水稻期氮肥氨挥发损失率为9.88%～19.29%，小麦期氨挥发损失率为5.92%～13.2%[37]。然而也有研究认为，施肥后及时浇水会通过水分稀释和淋洗作用降低表层挥发底物NH4+的浓度[38]。

本研究发现，有机替代处理农田氨挥发的年际间变化显著高于化肥。其原因可能是高温高湿的气候条件会促进有机肥的矿化速率，增强氨挥发损失[39]。如，2019年施肥期的温湿度较低，NPK、HONS和FONS处理的氨挥发损失量分别为10.4、4.76和3.01 kg/hm2；而2018年施肥期的温湿度较高，NPK、HONS和FONS处理的氨挥发损失量分别增加了12.3%、91.2%和105.0%。HONS和FONS处理对氨挥发损失的减排率分别从54.3%和71.1%，降低到22.1%和47.2%。可见，在氨挥发损失量较高的年份，有机替代的减排潜力会被削弱，因此在估算有机替代氨挥发减排潜力的时候应充分考虑气候条件带来的减排潜力变化。

4 结论

相比单施化肥，有机肥替代化肥能够提高玉米产量；相比半量有机替代，长期全量有机替代对玉米产量的提升能力更强。华北地区春玉米农田氨挥发损失率为3.8%，有机肥替代化肥能够有效降低农田氨挥发损失量，半量有机替代和全量有机替代的氨挥发损失量可降低33.5%和58.7%。有机替代处理农田氨挥发的年际间变化显著高于化肥处理，化肥处理的年际间变化幅度较小，但是在氨挥发损失量较高的年份，有机替代对氨挥发损失的减排潜力会被削弱。值得注意的是，有机替代对氨挥发减排潜力的总体评估还应充分考虑猪粪在前期晾干过程中产生的氨挥发，因此，在施用有机肥之前，还应充分考虑有机肥处理方式，以降低施入农田前期的氨挥发。