田玉華 曾 科 尹 斌

（土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008 )

太湖地區(qū)水稻基肥自古以來(lái)就講求肥力供應(yīng)的“慢而長(zhǎng)”以及“插下便興旺”，《沈氏農(nóng)書(shū)》［1］載：“肥氣深入土中，徐徐討力，且根派深遠(yuǎn)……墊底（基肥）多，插下便興旺”。在我國(guó)水稻種植中，化學(xué)氮肥開(kāi)始施用時(shí)，采用化肥與有機(jī)肥配施的方式，其結(jié)果表明，在有機(jī)肥的基礎(chǔ)上增施化肥的處理水稻產(chǎn)量均顯著增加［2］。如今，化學(xué)氮肥在肥料投入中的比例越來(lái)越大［3］，化學(xué)氮肥的過(guò)量以及不合理施用，造成氮肥損失嚴(yán)重，已對(duì)土壤、大氣和水體帶來(lái)了一系列的負(fù)面影響，如近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的大氣霧霾與農(nóng)業(yè)源氨排放密切相關(guān)，氮肥施用產(chǎn)生的氨排放的評(píng)估及其相關(guān)減排措施成為關(guān)注熱點(diǎn)［4-6］。

稻田基蘗肥施用的氮肥一般超過(guò)全生育期氮肥用量的60%［7-9］，目前水稻基肥大多采用表面撒施氮肥后再淺耕的施肥方式，分蘗肥則是在水稻移栽后10 d左右表面撒施，這樣的施肥方式易導(dǎo)致稻田土-水表層存有大量的氨揮發(fā)底物，此時(shí)，水稻剛剛移栽，養(yǎng)分吸收能力較弱，在夏季高溫環(huán)境下，易發(fā)生氨揮發(fā)損失。目前，田間直接測(cè)定氨排放的方法主要分為三類，分別為無(wú)干擾的微氣象學(xué)法、強(qiáng)制換氣的密閉室抽氣法和靜態(tài)的通氣法。我國(guó)稻田氨揮發(fā)研究在20世紀(jì)80年代有個(gè)別采用了微氣象學(xué)法［10-13］，近年來(lái)的稻田氨排放研究大部分采用密閉室抽氣法［14-16］，少數(shù)研究采用通氣法［17-18］。國(guó)際公認(rèn)的監(jiān)測(cè)農(nóng)田氨排放的標(biāo)準(zhǔn)方法是微氣象學(xué)法［19］，該方法可監(jiān)測(cè)施肥均勻的大面積農(nóng)田向大氣的實(shí)際氨排放量。就已經(jīng)發(fā)表的稻田基蘗肥期氨排放結(jié)果而言，密閉室抽氣法的結(jié)果普遍低于微氣象學(xué)法（位于不同研究地點(diǎn)的非同步研究），其原因尚不明確。目前，我國(guó)稻田氨排放研究尚缺乏在同一田塊上采用不同監(jiān)測(cè)方法的同步對(duì)比研究，稻田基肥和分蘗肥施用后實(shí)際向大氣排放氨的量仍不確定，這些現(xiàn)狀將影響到稻田氨排放的科學(xué)評(píng)價(jià)以及稻田氮肥的合理施用，也影響到農(nóng)業(yè)氨排放清單的制定及氨減排措施的實(shí)施。

本研究在太湖地區(qū)水稻基肥和分蘗肥施用后，同步采用微氣象學(xué)法、密閉室抽氣法和通氣法對(duì)稻田氨排放通量的動(dòng)態(tài)變化特征及主要影響因素進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，以期對(duì)稻田氨排放的科學(xué)監(jiān)測(cè)及氨排放量的評(píng)估提供支撐，為稻田氮肥的合理施用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院常熟農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站（31° 15′15″N，120°57′43″E）開(kāi)展。試驗(yàn)區(qū)年均氣溫15.5 ℃，年均降水量1 038 mm，年均無(wú)霜期224 d。土壤為湖積物發(fā)育而成的潛育型水稻土（烏柵土），表層（0～20 cm）土壤基本理化特征：pH（H2O）7.36，有機(jī)質(zhì)35.0 g?kg-1，全氮2.09 g?kg-1，全磷0.93 g?kg-1，陽(yáng)離子交換量(CEC)20.2 cmol?kg-1。2017年水稻插秧至中期烤田期間氣溫見(jiàn)圖1。

圖1 水稻插秧至中期烤田期間的氣溫變化Fig.1 Dynamics of air temperature during the period between rice transplanting and midseason drainage

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開(kāi)始前，以一塊方形稻田中心處為圓心，規(guī)劃出一個(gè)半徑為20 m的圓形區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)同步采用微氣象學(xué)法、密閉室抽氣法和通氣法對(duì)稻田基肥和分蘗肥施用后的氨排放進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。微氣象學(xué)法裝置位于圓形區(qū)域中心處，密閉室抽氣法和通氣法監(jiān)測(cè)裝置各重復(fù)3次。圓形區(qū)域周圍200 m無(wú)高大建筑物或樹(shù)木，其周圍稻田不施氮肥，在氨排放監(jiān)測(cè)期間，試驗(yàn)區(qū)外圍無(wú)明顯氨排放源。

圓形區(qū)域內(nèi)水稻全生育期施氮量270 kg?hm-2，氮肥品種為尿素，基肥施氮量為108 kg?hm-2，于2017年6月29日施用，施用方法為氮肥撒施后立即用鐵搭將氮肥與表層土耙勻。水稻品種為南粳46，秧齡35 d，插秧密度為20 cm × 20 cm。分蘗肥于2017年7月18日施用，施用方法為表面撒施，施氮量為81 kg?hm-2。基肥和分蘗肥施用后氨排放監(jiān)測(cè)期間保持3～5 cm的表面水層，7月29日至8月7日進(jìn)行中期烤田。

1.3 氨排放監(jiān)測(cè)方法

1.3.1 微氣象學(xué)法 微氣象學(xué)法的質(zhì)量平衡法（Integrated horizontal flux，IHF）的基本原理是氣態(tài)氨的垂直通量等于不同高度氨的垂直截面上水平遷移總量［20］，在任一高度上，氨的水平通量是該處的瞬時(shí)風(fēng)速和氨濃度的乘積，迎風(fēng)采樣器可直接測(cè)定氨的水平通量，無(wú)需單獨(dú)測(cè)定不同高度的風(fēng)速和空氣氨濃度［21］?；适┯煤?，立即在圓心處豎桿上的五個(gè)高度（田面水上方0.4、0.8、1.2、1.8和2.8 m）分別放置內(nèi)表面涂有草酸-丙酮溶液的迎風(fēng)采樣器［13］。在上風(fēng)口非施氮區(qū)距離田面水表面1.2 m處放置迎風(fēng)采樣器，用于測(cè)定背景值，根據(jù)試驗(yàn)區(qū)風(fēng)向標(biāo)所示風(fēng)向變化調(diào)整測(cè)定背景值的迎風(fēng)采樣器位置，保證其始終處于上風(fēng)口處，避免受施肥區(qū)揮發(fā)氨的影響。迎風(fēng)采樣器每24小時(shí)更換一次，采回后用60 mL去離子水提取。迎風(fēng)采樣器氣態(tài)氨的水平通量和IHF法氨排放通量的計(jì)算公式參見(jiàn)前文研究［22］。

1.3.2 密閉室抽氣法 密閉室抽氣法裝置由通氣桿、抽氣室、洗氣瓶、流量計(jì)和真空泵等組成。抽氣室頂部有2個(gè)通氣孔，其中一個(gè)與通氣桿相連，另一個(gè)與洗氣瓶相連。通過(guò)真空泵產(chǎn)生的負(fù)壓使抽氣室內(nèi)的氣態(tài)氨被洗氣瓶?jī)?nèi)的稀硫酸（0.01 mol?L-1）溶液吸收。監(jiān)測(cè)期間抽氣室內(nèi)的換氣次數(shù)為每分鐘17次，抽氣流量14.5 L?min-1。每天抽氣時(shí)間段為上午8:00～9:00和下午4:00～5:00［22］，以此時(shí)間段的氨揮發(fā)量作為日平均量算出日揮發(fā)量，直至施肥區(qū)氨排放量與非施肥區(qū)無(wú)明顯差異為止。

1.3.3 通氣法 通氣法裝置采用內(nèi)徑15 cm、高度20 cm、兩端開(kāi)口的聚氯乙烯（PVC）圓筒，基肥施用后立即將圓筒一端插入土壤，在圓筒內(nèi)上下兩層分別放置一片半徑15 cm、厚度2 cm的浸有15 mL磷酸甘油溶液的海綿，下層海綿用于吸收田面水表面揮發(fā)的氨；上層海綿用于吸收外圍空氣中的氨［23］。下層海綿24 h更換一次，直至其氨揮發(fā)量與非施肥區(qū)無(wú)明顯差異為止；上層海綿48 h更換一次。將取回的下層海綿置于自封袋中，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)向袋中加入300 mL的2 mol?L-1氯化鉀溶液提取。

1.4 測(cè)定方法

基肥與分蘗肥施用前3 d及施肥后8 d，于每天上午8:00在施肥區(qū)和非施肥區(qū)分別采集3個(gè)田面水樣品，田面水濃度在當(dāng)天測(cè)定。田面水pH在原位采用便攜式pH計(jì)（SX-620，上海三信儀表廠）測(cè)定，所有水樣的含量均采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用 Excel 2010進(jìn)行處理，計(jì)算其平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，作圖軟件采用Origin 9.0。

2 結(jié) 果

2.1 基蘗肥施用后田面水濃度和pH動(dòng)態(tài)變化

圖2 基肥和分蘗肥施用后田面水濃度和pH動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamics of the ammonium concentration and pH in floodwater after application of the basal and tillering N fertilizer

2.2 基蘗肥施用后田面水上方氨水平通量的垂直分布

農(nóng)田上方某一高度的氨水平通量是該處的氨濃度與瞬時(shí)風(fēng)速的乘積，迎風(fēng)采樣器可直接監(jiān)測(cè)氨的水平通量，不再需要一系列抽氣裝置和風(fēng)速儀，大大減少了野外采樣的勞動(dòng)量。稻田基肥與分蘗肥施用后，田面水上方氨的水平通量迅速升高，且大致隨田面水上方高度的降低而增加，對(duì)于本研究中的5個(gè)采樣高度，在基肥施用后的5 d內(nèi)，氨的水平通量在2.8 m處最小，在0.4 m處最大（圖3）。分蘗肥施用后的3 d內(nèi)，氨的水平通量最大值則出現(xiàn)在0.8～1.2 m處。5個(gè)高度的氨水平通量除基肥施肥后第3天隨高度的增加呈顯著的指數(shù)形式降低外，其他時(shí)間段的水平通量不一定嚴(yán)格按照高度降低而逐步增加，這可能與氣候因素如不同高度的氣流特征有關(guān)。

圖3 基肥 a）分蘗肥 b）施用后位于田面水上方5個(gè)高度的氨水平通量Fig.3 Horizontal ammonia flux after basal a) and tillering b) fertilization relative to height above the surface water

2.3 三種方法監(jiān)測(cè)的稻田基蘗肥期氨排放動(dòng)態(tài)變化

采用三種方法監(jiān)測(cè)的基肥和分蘗肥施用后稻田氨排放動(dòng)態(tài)變化特征大體一致（圖4），氨排放峰值出現(xiàn)在基肥施肥后的第3～4天和分蘗肥施用后的第2天，基肥施肥7 d、分蘗肥施用5 d后不再有明顯排放。微氣象學(xué)法監(jiān)測(cè)的基肥和分蘗肥施用后氨排放量峰值分別為8.8和12.5 kg?hm-2?d-1，密閉室抽氣法監(jiān)測(cè)的兩次施肥后氨排放峰值分別為11.2和7.7 kg?hm-2?d-1，而通氣法監(jiān)測(cè)的氨排放量峰值僅為3.2和5.3 kg?hm-2?d-1。

盡管三種方法監(jiān)測(cè)的氨排放量不同，但三種方法之間有良好的直線相關(guān)性（圖5）。在本研究中，微氣象學(xué)法與密閉室抽氣法之間的斜率為0.9，微氣象學(xué)法與通氣法之間的斜率為2.7，但不同種植系統(tǒng)中三者之間的關(guān)系尚不確定，需經(jīng)過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)進(jìn)一步研究。

2.4 三種方法監(jiān)測(cè)的氨排放量與田面水濃度的相關(guān)性

采用三種方法監(jiān)測(cè)的水稻基肥和分蘗肥施用后同一天的氨排放量不同，但三種方法的日排放量均與田面水濃度呈顯著線性相關(guān)（圖6），微氣象學(xué)法、密閉室抽氣法和通氣法的決定系數(shù)R2分別為0.920 6、0.816 7和0.884 4，表明該試驗(yàn)地稻田基蘗肥期氨排放主要決定于田面水濃度。

圖4 基肥與分蘗肥施用后同步采用三種方法監(jiān)測(cè)的氨排放動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamics of ammonia emission after basal and tillering fertilization relative to three monitoring techniques

圖5 微氣象學(xué)法與密閉室抽氣法（左）以及通氣法（右）監(jiān)測(cè)的氨排放之間的相關(guān)性Fig.5 Relationships between ammonia emissions monitored with the micrometeorological technique and dynamic chamber technique(left), and static chamber technique (right)

2.5 三種方法監(jiān)測(cè)稻田基蘗肥期氨揮發(fā)損失量與損失率

基肥施用后，微氣象學(xué)法、密閉室抽氣法和通氣法監(jiān)測(cè)的稻田氨排放量分別為34.6、38.2和12.9 kg?hm-2，占基肥施氮量的32.0%、35.4%和11.9%；分蘗肥施用后，三種監(jiān)測(cè)的氨排放量分別為26.7、16.8和11.8 kg?hm-2，占分蘗肥施氮量的33.0%、20.7%和14.6%（表1）。

綜合基肥和分蘗肥期氨排放總量，密閉室抽氣法和通氣法分別是微氣象學(xué)法的90%和40%。密閉室抽氣法與微氣象學(xué)法監(jiān)測(cè)的氨排放結(jié)果比較接近，分別占施氮量的29.1%和32.4%，而通氣法則低估了氨排放，僅占兩次施肥施氮量的13.1%。

圖6 基肥和分蘗肥施用后三種方法監(jiān)測(cè)的氨排放與田面水濃度之間的相關(guān)關(guān)系Fig.6 Relationship between ammonia emission and NH4+-N concentration in floodwater after basal and tillering fertilizer application relative to monitoring techniques

3 討 論

3.1 三種方法監(jiān)測(cè)稻田基蘗肥期氨排放的差異

稻田基肥和分蘗肥施用時(shí)水稻處于插秧及分蘗初期階段，植株較小，施肥后土-水表面的氨排放基本等同于稻田生態(tài)系統(tǒng)的氨排放，不同方法監(jiān)測(cè)氨排放通量的差異主要由揮發(fā)氨的收集方式引起。微氣象學(xué)法屬田間無(wú)干擾的收集方式，密閉室抽氣法屬壓強(qiáng)制換氣的收集方式，通氣法則屬于靜態(tài)半密閉的被動(dòng)收集方式。在本研究中，稻田基肥施用后，微氣象學(xué)法氨排放量為34.6 kg?hm-2，密閉室抽氣法為38.2 kg?hm-2，而通氣法僅有12.9 kg?hm-2；分蘗肥施用后，三種方法氨排放量分別為26.7、16.8和11.8 kg?hm-2，密閉室抽氣法在基肥期稍高于微氣象學(xué)法，而在分蘗肥期則低于微氣象學(xué)法。綜合兩次施肥氨排放總量，微氣象學(xué)法的結(jié)果與密閉室抽氣法接近，通氣法則嚴(yán)重低估了氨排放量，其原因主要是由于硬質(zhì)圓筒內(nèi)的空氣交換受阻。

常規(guī)施氮量和施肥方式下，已有的密閉室抽氣法測(cè)定稻田基肥期氨揮發(fā)研究的損失率為5%～33%［9,24-26］，分蘗肥期氨揮發(fā)損失率為13%～34%［7-8,15,24-25］。本研究采用密閉室抽氣法測(cè)定基肥期和分蘗肥期氨排放損失率分別為35.4%和20.7%，高于大部分已發(fā)表的結(jié)果，這一方面與施肥后的氣候條件有關(guān)，本研究中基肥與分蘗肥施用后一周均是晴熱天氣（圖1），有利于氨揮發(fā)的發(fā)生。造成密閉室抽氣法監(jiān)測(cè)結(jié)果差異大的重要影響因素還有換氣次數(shù)，當(dāng)換氣次數(shù)在低于每分鐘15次時(shí)，會(huì)低估氨排放［27］，因此，建議在采用密閉室抽氣法研究農(nóng)田氨排放時(shí)，有必要詳細(xì)說(shuō)明抽氣室規(guī)格、抽氣流量以及抽氣室內(nèi)田面水-土壤表面距離氣室頂部的高度。根據(jù)已開(kāi)展的相關(guān)試驗(yàn)，當(dāng)換氣率超過(guò)每分鐘17次時(shí)，測(cè)定的氨排放量可達(dá)到換氣率為每分鐘20次的95%，因此，推薦適宜的換氣率為每分鐘17～20次。另外一個(gè)因素易導(dǎo)致稻田基肥期氨排放的低估，即水稻種植之前的非淹水期間形成的土層與田埂之間的縫隙（水泥埂尤甚），在水稻基肥施用后試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)含有大量溶解態(tài)氮的田面水易進(jìn)入縫隙而流失，從而造成氨揮發(fā)的低估，因此，試驗(yàn)小區(qū)四周宜采用壓實(shí)的泥埂。

已有的研究［10-12,28］采用微氣象學(xué)法測(cè)定稻田基肥期氨揮發(fā)損失率范圍為29%～40%，本研究中微氣象學(xué)法測(cè)定的基肥期和分蘗肥期氨揮發(fā)損失率為32%和33%，與已有研究的結(jié)果一致。通氣法結(jié)果普遍低于微氣象學(xué)法，已有的研究［17-18］采用通氣法測(cè)定稻田基肥期與分蘗肥期氨揮發(fā)損失率分別為8%～29%和6%～24.7%，本研究通氣法測(cè)定基肥期與分蘗肥期氨排放損失率為11.9%和14.6%。

表1 三種方法監(jiān)測(cè)稻田基蘗肥施用后氨排放量及其占施氮量的比例Table 1 Ammonia emission and its proportion of the amount of N fertilizer applied after basal and tillering fertilization relative to monitoring techniques

3.2 稻田全生育期氨排放及監(jiān)測(cè)方法評(píng)述

水稻氮肥一般分多次施用，稻田基肥和分蘗肥施用的氮肥一般占全生育期氮肥用量的60%左右，其余氮肥則在穗肥期施用。稻田基肥常規(guī)施肥方法是在泡田之后，在插秧之前撒施氮肥后進(jìn)行淺耕，分蘗肥則是直接表面撒施，太湖地區(qū)單季晚稻基肥施用時(shí)間一般為6月中下旬，該段時(shí)間最高氣溫可達(dá)35℃，分蘗肥施用后最高溫度則高達(dá)38～41℃，此時(shí)水稻處于插秧及活棵階段，植株根系氮素吸收能力及地上部分捕獲土-水表面揮發(fā)氨的能力均較弱，田面水中高濃度的NH4+-N在pH超過(guò)8的情況下，極易發(fā)生揮發(fā)損失至周圍大氣中。

微氣象學(xué)法可監(jiān)測(cè)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)冠層上方向大氣的實(shí)際氨排放量。然而，由于該法需要的設(shè)備比較昂貴而且試驗(yàn)地面積較大，監(jiān)測(cè)期間周圍不能有明顯氨排放源，因此，該方法適用于評(píng)價(jià)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際氨排放，但難以應(yīng)用于多處理的對(duì)比試驗(yàn)。在本研究進(jìn)行的2017年水稻季，采用微氣象學(xué)法測(cè)定的水稻整個(gè)生育期氨排放為66.8 kg?hm-2，其中，基蘗肥期氨排放量為61.3 kg?hm-2，占整個(gè)水稻生育期氨排放的91.8%，基蘗肥期氨排放基本等同于整個(gè)水稻季的氨排放，這主要是由于在穗肥施用后，水稻冠層對(duì)土-水表面揮發(fā)氨的截獲［29-30］，導(dǎo)致即使穗肥采用表面撒施的方式，稻田生態(tài)系統(tǒng)向大氣實(shí)際排放的氨量很低。

目前，絕大多數(shù)稻田氨排放研究所采用的密閉室抽氣法，僅能在一天中的有限時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)土-水表面的氨排放，并以該時(shí)間段的排放量作為一天的平均值來(lái)估算全天的排放量，在水稻植株幼小時(shí)的基蘗肥期，該法監(jiān)測(cè)的氨排放量與微氣象學(xué)法接近。然而，該法會(huì)高估穗肥期的氨排放，密閉室抽氣法測(cè)定的整個(gè)水稻生育期氨排放量為72.4 kg?hm-2，基蘗肥期氨排放占全生育期氨排放的76.0%。因此，密閉室抽氣法可用于稻田基蘗肥期水稻植株幼小時(shí)的稻田氨排放監(jiān)測(cè)，不適于水稻植株長(zhǎng)大尤其是封行后的稻田氨排放監(jiān)測(cè)。

通氣法監(jiān)測(cè)的是土-水表面的氨排放，無(wú)論是在基蘗肥期還是在穗肥期均低估了稻田氨排放量，該法僅適用于比較不同技術(shù)措施對(duì)氨排放的減排潛力，不適于評(píng)價(jià)稻田氨排放量。

稻田基蘗肥期所施氮肥的氨揮發(fā)損失嚴(yán)重，可通過(guò)氮肥深施［15,18］、控釋肥料［31］、添加脲酶抑制劑［16,32］等舉措減少氮肥的氨揮發(fā)損失，若能使稻田基肥 “深入土中”，使土層與肥料合和為一，便可減少基肥施用后田面水中的NH4+-N，繼而減少水稻活棵后分蘗肥的撒施量，實(shí)現(xiàn)稻田基蘗肥期的氨減排。

4 結(jié) 論

太湖地區(qū)單季晚稻在目前采用的常規(guī)施肥方式下，基肥和分蘗肥施用后氨揮發(fā)損失嚴(yán)重，采用無(wú)干擾的微氣象學(xué)法監(jiān)測(cè)的基肥和分蘗肥氨揮發(fā)分別占基肥和分蘗肥施氮量的32.0%和33.0%。密閉室抽氣法監(jiān)測(cè)兩次施肥后氨揮發(fā)分別占施氮量的35.4%和20.7%。然而，通氣法監(jiān)測(cè)的基肥和分蘗肥氨揮發(fā)損失僅占施氮量的11.9%和14.6%。綜合基蘗肥期兩次施肥的氨排放總量，密閉室抽氣法結(jié)果接近微氣象學(xué)法，通氣法由于其測(cè)定裝置內(nèi)換氣受阻，導(dǎo)致采用該法監(jiān)測(cè)的兩次施肥氨排放總量?jī)H是微氣象學(xué)法的40.4%。三種方法監(jiān)測(cè)的基蘗肥施用后氨排放動(dòng)態(tài)變化特征大體一致，方法之間具有良好的相關(guān)性?？紤]到采用微氣象學(xué)法監(jiān)測(cè)的稻田穗肥期水稻冠層上方氨排放并不嚴(yán)重，稻田氨減排對(duì)象應(yīng)是基蘗肥施用后的氨排放。