海南省香蕉种植业氨排放监测评估

冼爱丹，朱文静，吴晓晨，彭春梅，孙 璇，谢东海

(1.海南省环境科学研究院，海南海口 570100；2.文昌市环境监测站，海南文昌 571300；3.海南大学林学院，海南海口 570100；4.海南大学生态与环境学院，海南海口 570100；5.海南省生态环境监测中心，海南海口 570100)

我国是农业大国，农业源氨排放是大气中氨的主要来源，其中氮肥施用及畜牧养殖氨排放占农业源氨排放总量的70%～90%。大量的氨在空气中积累，会造成空气能见度降低、大气霾污染、水体富营养化等环境问题，对生态系统及人类健康都会产生重要影响。氨排放对PM的贡献很大，达到了30%左右。因此，种植业氮肥施用所带来的氨挥发是我国氨排放研究中不可忽视的问题。海南省地处热带北缘，热区面积3.54 万km，全年日照时间长，雨量充沛，是热带水果种植优良基地。据《海南统计年鉴—2018》数据显示，2017年全省香蕉收获面积达3.49 万hm，总产量达127.17 万t，是海南产量最大的水果和经济作物。且香蕉是大水大肥作物，在生长期内要施肥多次，需肥量大，因此研究海南香蕉种植业氨排放，对下一步控制农业源氨气排放、提升全省环境空气质量、2035年海南省环境空气质量达到世界领先水平具有重要的意义。

近年来，我国种植业氨排放研究主要集中在以下3个方面：①建立不同区域尺度的农业源氨排放清单，此类研究主要采用经验法对不同农业源的氨挥发贡献进行统计和比较；②农业源氨排放影响因素研究，对影响氨排放的气象条件(温度、降水、风速和光照强度)、土壤因素(土壤类型、理化特性、含水量等)、施肥因素(肥料种类、施肥量、施肥方式、灌溉和施肥时期)等影响因子进行分析找出了部分相关性；③对某一具体作物氨挥发特征进行研究，水稻、小麦、玉米等粮食作物及蔬菜居多，涉及的其他作物种类较少。在现有研究中，主要集中在东北平原、长江三角等地开展水稻、蔬菜等施用氮肥后氨排放情况研究，缺乏热带地区种植业氨挥发特征研究，尤其是对热带香蕉种植业氨挥发特征和排放量鲜见系统研究。因此，该研究以海南香蕉种植业为研究对象，对海南香蕉种植业氨排放进行大田原位监测，掌握海南香蕉地氨挥发规律，并建立海南省香蕉种植业氨排放清单，以期全面掌握香蕉种植业氨排放现状及趋势，为合理施肥、控制氨源、改善环境以及研究霾形成机制提供科学依据。

1 材料与方法

选取海口市咸来镇恭举村一户蕉农的4 hm香蕉地作为监测点，地理坐标为110°35.05′E、19°50.34′N。该试验地供试香蕉品种为“南天黄”，2017年6月移植种植，种植密度为2 400株/hm。该地施肥方式为“喷灌法”，是大多数海南香蕉种植户所采用的施肥方法。试验地土壤类型为砖红壤，pH为5.854，其耕层土壤养分含量分别为有机质26.82 g/kg、全氮1.565 4 g/kg、氨氮8.338 mg/kg、有效磷0.93 mg/kg、速效钾346.44 mg/g。海南省土壤均以弱酸性砖红壤为主，此试验地具有一定的代表性。

选取面积分别为100、120、120 m的3个试验小区，分别作为前期肥、中期肥、后期肥的监测点位。每个点位分成面积相等的2 个地块，在每个地块内均匀布设5 个氨挥发采集装置，即每个点位共布设10 个采样装置。

试验以农民在不同时期的习惯施肥量作为试验处理标准，2019年5月14日在试验小区1按复合肥和氯化钾2∶1比例(含氮量为0.2 kg)模拟香蕉种植前期施肥，并开始第一期氨气监测；2019年6月10日，在试验小区2按复合肥和氯化钾1∶1比例(含氮量为0.36 kg)模拟香蕉种植中期施肥，在试验小区3按复合肥和氯化钾1∶2比例(含氮量为0.48 kg)模拟香蕉种植后期施肥，并开始第二期监测。

氨挥发采用通气法测定。如图1所示，采样装置内径15 cm、高15 cm，分别将2块厚度均为2 cm、直径为16 cm的海绵置于硬质塑料管中，下层海绵距管底5 cm，上层海绵与管顶部相平。

图1 通气法装置Fig.1 Ventilation device

每期监测采样15 d，前6 d每天1次，后9 d每3 d 1 次。作物施用肥料后立即开始第1 次采样，之后按照采样频次每天09：00—10：00采样。取样时，将通气装置下层的海绵取出，装袋密封，同时换上另一块浸过15 mL磷酸甘油(50 mL 磷酸加 40 mL 丙三醇，定容至1 000 mL)的海绵。如上层海绵变干，及时进行更换。

种植业氨气排放量测定采用海绵浸提法，即采用氯化钾溶液提取海绵中吸收的NH，浸提液中的铵离子用靛酚蓝比色法测定，该方法灵敏度和准确性高，适于大批量样品人工分析测定。

(1)氨挥发速率计算公式如下：

=[(·)]100

(1)

式中，为氨挥发速率[kg/(hm·d)]；为通气法中单个装置平均每次测得的氨量(mg)；为捕获装置的截面积(m)；为每次连续捕获的时间(d)。

(2)每个监测地块氨挥发量计算公式如下：

(2)

式中，为监测地块氨挥发量(g)；为第次氨挥发采集装置捕获的中氨氮含量(g)；为采样装置横切面积(cm)；为监测地块面积(m)。

(3)海南香蕉种植业氨排放量：

=×EF

(3)

式中，为地区(以市县为行政单元)，为地区香蕉种植业氨排放量(g)，为地区香蕉种植业的氮肥施用量(kg)，EF为海南香蕉种植业氮肥施用氨排放系数(g/kg)。

2 结果与分析

由图2可知，对香蕉地进行3种不同施肥时间后，氨挥发速率变化趋势大体一致，施肥后第1天氨挥发最大，氨挥发速率分别为0.045 9、0.109 5、0.194 5 kg/(hm·d)，表明施用氮肥会促进氨的挥发，氨挥发速率随着施氮量的增加而增加。香蕉种植3个时段的氨挥发速率在第2天迅速降低，并达到相近水平，且前期挥发速率开始超过中期。在第3～5天时，前期和后期挥发速率基本相同，且均高于中期水平；在第6天，各时段氨挥发速率已无明显差异，处于0.004 1～0.006 8 kg/(hm·d)；在第7～12天时，氨挥发速率大小表现为中期>后期>前期；测至第15 天时，各时段氨挥发速率基本接近0。

图2 3种不同施肥时间氨挥发速率变化Fig.2 Variation of ammonia volatilization rate at three different fertilization times

香蕉地施用氮肥后表现出的氨挥发速率，分析原因可能有以下几个方面：①监测第1天出现峰值，第2天又迅速降低。这与试验地采用的喷灌施肥方法有关，氮肥溶于水中后喷射在空中，铵离子随水蒸气极易被吸附于采样装置中；第2天后，空气中的铵离子大量减少，且肥料氮水解产生氨氮易被土壤吸附，生成的氨气减少。②前期的施氮量只有中期的67%、后期的50%，在第2～6 天氨挥发速率超过中期，与后期水平接近。主要是因为第2～5 天时，中(后)期降雨强度大于前期(图3)，会使土壤含水量大量增加，从而阻碍土壤中吸附的NH向地表扩散。

图3 施肥后日平均温度和降水量Fig.3 Average daily temperature and precipitation after fertilization

从表1可以看出，香蕉种植3 个时段的累积氨挥发量和损失率均较低，香蕉园氨挥发累积损失量和损失率随施氮量增加而增加。其中，前期、中期、后期3个时期因施氮肥所产生的累积氨挥发量分别为0.160、0.414、0.613 kg/hm，损失率分别为0.80%、1.38%、1.53%。此次进行的香蕉种植业氨气排放大田原位监测，共施氮肥90 kg/hm，氨挥发总量为1.187 kg/hm，平均氮肥损失率为1.32%。

孙桂兰等研究得出，黄河流域棉田氨挥发导致的氮肥损失率为 2.46%～3.67%。贺发云等对南京秋季种植大白菜进行了不同施氮处理，发现大白菜整个生长周期平均氮肥损失率在12.1%～17.1%。田光明等对镇江丘陵区稻麦轮作制度下水稻田氨挥发损失进行了研究，发现1995—1997年水稻基施尿素的氨挥发损失为0.63%～8.00%。可见，海南香蕉地氨挥发速率处于相对较低水平。

海南香蕉地较低的氮肥损失率主要原因有以下3点：①较低的土壤pH。魏平云对热带地区砖红壤不同pH浓度对氨挥发的影响进行研究，结果发现，土壤pH越高，越有利于肥料转化为NH，所造成的氮量损失越大。所以试验地的弱酸性砖红壤会阻碍NH的形成，从而表现出较低的氨累积挥发量和损失率。②较高的土壤有机质。Fan等研究得出，氨挥发随土壤有机质含量的增加而降低，试验地较高的有机质含量是降低氨挥发的一大制约因素。③施肥方式。灌溉施肥是水肥一体化农业技术，能有效节约肥料，减少挥发浪费。杨洁等通过对比研究喷灌和沟灌方式对农田土壤 NH挥发的影响，得出喷灌比沟灌更能有效降低农田土壤 NH累积挥发量。

表1 香蕉种植施氮量、氨挥发量及损失率

根据模拟得出的香蕉种植试验地前期、中期、后期3个时期的施肥和氨挥发情况，以及全省香蕉种植农户施肥习惯，可初步计算得出该试验地香蕉种植各个时期的施用氮肥总量和氨挥发总量(表2)。从表2可以看出，前期、中期、后期施氮总量分别为120、60和480 kg/hm，氨挥发总量分别为0.96、0.83和7.35 kg/hm。一个生长周期(1年)施用氮肥总量660 kg/hm，氨排放量为9.14 kg/hm。

表2 香蕉种植氨挥发量统计

通过调研发现，在海南不同区域种植不同香蕉品种，其施肥方式、氮肥施用量、土壤本底值等情况均与该试验地差异不大。因此，根据2017 年海南各地香蕉种植收获面积及监测得出的每公顷香蕉的施氮量和氨挥发量，估算出2017 年海南各地区香蕉种植业施氮总量和氨挥发量，计算结果见表3和图4。2017 年海南省种植香蕉收获面积总计达34 948 hm，占当年农作物播种面积的4.4%。除洋浦无大面积种植香蕉记录外，其余各市县均有香蕉种植区域。如图4所示，海南香蕉种植主要集中在北部的海口市、澄迈县、临高县和西部的昌江县、东方市、乐东县等地，中部地区较少，香蕉收获面积在1 000 hm以下，其中，澄迈县、乐东县、昌江县种植面积较大，分别为8 744、4 569、4 479 hm。

经计算，2017 年全省种植香蕉一个生长周期(1年)施用氮肥总量为23 065.6 t，占海南省农业氮肥施用总量的5.8%，施用产生氨排放量为304.5 t。氮肥施用产生氨排放量与香蕉种植面积分布规律相同，氨排放量较大的区域主要集中在北部和西部区域。澄迈县、乐东县、昌江县氨挥发量较大，分别为76.2、39.8和39.0 t，3个地区氨挥发总量占全省氨挥发量50.9%。

3 结论与讨论

该研究用通气法对海南香蕉地进行氨气排放大田原位监测，开展施用氮肥后氨排放情况分析，结果发现，不同施氮肥阶段氨挥发速率变化趋势大体一致，呈现施肥后第1天氨挥发最大，第2天迅速降低，随后逐渐降低，第7～12天时氨挥发速率大小表现为中期>后期>前期，第15天时基本接近0。影响海南香蕉地氨挥发速率的主要影响因子有施氮肥量、土壤pH、土壤有机质、降雨量等。在不同监测时段的主要影响因子不同。香蕉地氨挥发累积损失量和损失率随施氮量增加而增加。

表3 2017年海南省香蕉种植业氨排放清单

图4 2017年海南省香蕉种植业氨排放区域分布Fig.4 Regional distribution of ammonia emission from banana planting in Hainan in 2017

海南种植香蕉一个生长周期(1 年)施用氮肥总量为660 kg/hm，氨排放量为9.14 kg/hm，即施用化肥含氮量为23 065.6 t，氨排放量为304.5 t，其中澄迈县、乐东县、昌江县氨挥发量较大，占全省氨挥发量50.9%。海南香蕉种植业施肥氨排放的氮肥损失率为1.32%，与其他作物相比较低，主要原因：①较低的土壤pH；②较高的土壤有机质；③较合理的喷灌施肥方式。海南各市县氨排放量大小分布规律与种植面积一致，海南香蕉种植业施肥氨排放主要集中在北部和西部区域，其他区域分布相对较少。

为减少海南省因香蕉种植施肥带来的氨挥发，建议从以下几个方面加强改进：①在施肥总量不变的情况下，应少量多次施肥，减少挥发总量；②改进施肥方式，从源头上减少氮肥损失量；③尽量选择降雨期间施肥；④增加土壤有机质含量。