劉伯順,黃立華,黃金鑫,黃廣志,蔣小曈

(1.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 長(zhǎng)春 130102;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049;3.吉林大安農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站 大安 131317)

氨揮發(fā)是農(nóng)田氮肥損失的主要途徑之一,也是大氣中氨濃度不斷增加的重要因素。近年來,隨著我國(guó)人口的不斷增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)糧食的需求日益增加,化肥的消耗量也急劇增大,我國(guó)已成為世界上最大的化肥生產(chǎn)國(guó)和氮肥消費(fèi)國(guó)。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)氮肥年消費(fèi)量平均約占世界的30%,水稻(L.)、小麥(L.)和玉米(L.)三大糧食作物的氮肥當(dāng)季利用率分別為39.0%、34.8%和29.1%,比國(guó)際平均水平低15%～50%,這意味著我國(guó)農(nóng)田存在更多的氮肥損失。據(jù)報(bào)道,2014年全球農(nóng)田氨揮發(fā)損失為12.32 Tg(N)·a,我國(guó)占34.09%,達(dá)4.20 Tg(N)·a,遠(yuǎn)高于其他國(guó)家。有研究指出,在有利于氨揮發(fā)的條件下,農(nóng)田氨揮發(fā)損失能達(dá)施氮量的40%～50%。因此,氨揮發(fā)在農(nóng)田氮肥損失方面占據(jù)著重要地位。

氨揮發(fā)不僅會(huì)降低農(nóng)田氮肥利用率,也會(huì)造成大氣霧霾、氮沉降和溫室效應(yīng)等環(huán)境問題。作為大氣中唯一的堿性氣體,NH易與硫酸和硝酸反應(yīng)使大氣中PM 2.5 的濃度增加,促進(jìn)霧霾的形成。以2015年12月華北平原嚴(yán)重霧霾事件為例,PM2.5 質(zhì)量的30%來自農(nóng)業(yè)中揮發(fā)的NH。NH還是活性氮的重要組成部分,其總量的84%可以通過大氣干、濕沉降返回陸地和水體,引起土壤酸化、水體富營(yíng)養(yǎng)化以及物種多樣性下降等生態(tài)環(huán)境問題。IPCC 指出,大氣中約有1%的NH會(huì)間接生成NO,其增溫潛勢(shì)是CO的298 倍。因此,在大量氨揮發(fā)的情況下,NO 的溫室效應(yīng)不容小覷。

科學(xué)合理地降低農(nóng)田NH排放量,是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高效和生態(tài)綠色可持續(xù)發(fā)展面臨的必然選擇。有研究指出,我國(guó)農(nóng)田NH排放的技術(shù)減排潛力為39%～68%,如能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)可帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益?？焖倬珳?zhǔn)的測(cè)量技術(shù)是定量研究農(nóng)田氨揮發(fā)的前提,對(duì)于不斷優(yōu)化氨揮發(fā)的減排措施具有重要意義。我國(guó)地域遼闊,土壤和氣候條件復(fù)雜多變,不同區(qū)域的農(nóng)田管理措施差別較大,農(nóng)田氨揮發(fā)存在較大的時(shí)空變異,這也在一定程度上限制了氨揮發(fā)減排措施的推廣。近年來,我國(guó)農(nóng)田氨揮發(fā)測(cè)定技術(shù)發(fā)展迅速,常用的測(cè)定方法具有較高的回收率,能在不同條件下量化氨揮發(fā)通量,但在提高測(cè)定精度和降低氨揮發(fā)損失的實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問題。

本文利用R 語(yǔ)言中的科學(xué)文獻(xiàn)計(jì)量軟件Bibliometrix,簡(jiǎn)要分析了最近10年(2011-2020年)我國(guó)農(nóng)田氨揮發(fā)的研究現(xiàn)狀和時(shí)空變異特點(diǎn),全面梳理了農(nóng)田氨揮發(fā)測(cè)定方法的發(fā)展歷程、原理以及優(yōu)缺點(diǎn),系統(tǒng)總結(jié)歸納了目前農(nóng)田氨揮發(fā)減排的主要措施及其存在的問題,并提出了一些新的思路,以期為未來我國(guó)農(nóng)田氨揮發(fā)研究提供借鑒與參考。

1 農(nóng)田氨揮發(fā)研究現(xiàn)狀

我們利用中國(guó)知網(wǎng)和Web of Science 檢索平臺(tái),分別以“氨揮發(fā)”和“soil ammonia volatilization”作為關(guān)鍵詞,先后檢索到2011-2020年關(guān)于農(nóng)田氨揮發(fā)的中文論文561 篇、SCI 論文962 篇,將上述文獻(xiàn)作為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),利用R 3.6.2 軟件中的Bibliometrix 包對(duì)發(fā)文量、引用頻次等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和可視化分析。

分析結(jié)果表明,全球農(nóng)田氨揮發(fā)研究最近10年呈上升趨勢(shì)(圖1)。以有關(guān)農(nóng)田氨揮發(fā)研究的SCI文章發(fā)文量為例,2011年全球發(fā)表的SCI 文章為74 篇,2020年 為150 篇,增長(zhǎng)102.7%。我國(guó)SCI 發(fā)文量也基本呈不斷上升的趨勢(shì),2011年為9 篇,2020年為56 篇,增長(zhǎng)522.2%,增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)高于世界平均水平。我國(guó)SCI 發(fā)文量占世界發(fā)文量的比例也從2011年的12.2%增長(zhǎng)到2020年的37.3%,增長(zhǎng)25.1個(gè)百分點(diǎn)。上述分析均表明,我國(guó)有關(guān)農(nóng)田氨揮發(fā)的研究在最近10年發(fā)展迅速,并在國(guó)際上占據(jù)重要地位。同時(shí),我國(guó)SCI 發(fā)文量占中國(guó)發(fā)文總量的比例也由2011年的13.9%,增長(zhǎng)到2020年的40.3%,這表明我國(guó)在該領(lǐng)域的國(guó)際化趨勢(shì)日漸明顯(圖1)。

圖1 2011—2020年我國(guó)和其他國(guó)家關(guān)于農(nóng)田氨揮發(fā)研究的發(fā)文量及其占比的變化Fig.1 Amount and proportion changes of the articles about ammonia volatilization from farmland in China and other countries from 2011 to 2020

在農(nóng)田氨揮發(fā)研究的SCI 論文發(fā)文量排序上,前10 個(gè)國(guó)家的發(fā)文量占全球總發(fā)文量的84.3%,其中中國(guó)、美國(guó)和巴西以超10%發(fā)文量占比位列世界前三,成為該領(lǐng)域研究的主體力量(表1)。進(jìn)一步分析表明,我國(guó)最近10年SCI 發(fā)文總量為286 篇,發(fā)文量占全球發(fā)文量的比例達(dá)29.7%,遠(yuǎn)高于其他國(guó)家。從國(guó)際合著文章占比看,我國(guó)為37.4%,略低于日本的38.9%和德國(guó)的38.5%,處于中等偏上的位置,表明我國(guó)在該領(lǐng)域研究上傾向于國(guó)際合作。從引用頻次來看,我國(guó)SCI 論文的總引用頻次最高,為5709,但平均單篇引用頻次為19.96,低于新西蘭、西班牙、澳大利亞和意大利,處于中等水平,表明我國(guó)在該領(lǐng)域研究的國(guó)際影響力還有很大的提升空間。

表1 農(nóng)田氨揮發(fā)領(lǐng)域SCI 發(fā)文量TOP 10 國(guó)家論文發(fā)表情況Table 1 Conditions of publication of SCI papers in the field of farmland ammonia volatilization in top 10 countries

2 農(nóng)田氨揮發(fā)特點(diǎn)及影響機(jī)制

為探究傳統(tǒng)施肥條件下,我國(guó)農(nóng)田氨揮發(fā)的時(shí)空變異特點(diǎn),對(duì)上述文獻(xiàn)進(jìn)行了篩選,具體標(biāo)準(zhǔn)如下:1)確定用于分析我國(guó)農(nóng)田氨揮發(fā)的文獻(xiàn)數(shù)量為847 篇,且試驗(yàn)為在我國(guó)境內(nèi)開展的大田試驗(yàn),研究地點(diǎn)中的北方和南方以秦嶺-淮河線為界;2)作物類型為小麥、玉米(旱地)和水稻;3)根據(jù)小麥、玉米和水稻的全國(guó)平均施氮量水平,確定作物生長(zhǎng)季總施氮量≥240 kg(N)·hm為過量施氮。從中進(jìn)行文獻(xiàn)提取,并且文獻(xiàn)中包括未施氮處理N(用于計(jì)算氨揮發(fā)損失率),農(nóng)田管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)方式基本相同。采用GetData Graph Digitizer 2.25 軟件對(duì)所選文獻(xiàn)中圖表數(shù)據(jù)進(jìn)行提取,統(tǒng)計(jì)整理文獻(xiàn)中的作物類型、試驗(yàn)地點(diǎn)和氨揮發(fā)損失率等數(shù)據(jù),最終篩選出符合要求的文獻(xiàn)共49 篇,用R 3.6.2 軟件中的ggplot2包和Adobe Illustrator 2019 進(jìn)行繪圖。

分析結(jié)果表明,傳統(tǒng)施肥條件下,我國(guó)農(nóng)田氨揮發(fā)表現(xiàn)出較大的時(shí)空變異性,季節(jié)之間、區(qū)域之間、水田與旱地之間,以及作物種類之間的農(nóng)田氨揮發(fā)均具有差異(圖2)。在時(shí)間尺度上,農(nóng)田氨揮發(fā)表現(xiàn)出明顯的日動(dòng)態(tài)變化和季節(jié)性變化的特點(diǎn)。氨揮發(fā)的峰值通常發(fā)生在施用氮肥后的1～3 d,在一天中,氨揮發(fā)表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì),NH濃度峰值出現(xiàn)在12:00 左右且白天高于夜間,一周左右NH損失開始下降;在一年中,氨揮發(fā)峰值主要發(fā)生在夏季。農(nóng)田氨揮發(fā)在時(shí)間上的變化主要受氣候條件的影響,通常與溫度、光照以及風(fēng)速等有關(guān),也會(huì)受到施肥因素的影響。

圖2 我國(guó)不同耕地類型(A)和作物種類(B)氨揮發(fā)損失率Fig.2 Ammonia volatilization loss rates of different arable land (A) and crop (B) types in China

在空間尺度上,我國(guó)北方與南方農(nóng)田的氨揮發(fā)損失率總體上差異不顯著,但是不同耕地類型的氨揮發(fā)損失率卻存在顯著差異,如南方的水田氨揮發(fā)損失率顯著大于旱地(＜0.05),北方的水田與旱地氨揮發(fā)損失率雖無(wú)顯著差異,但從全國(guó)來看,水田氨揮發(fā)損失率大于旱地,且具有極顯著差異(圖2A) (＜0.01),這可能是因?yàn)樗锸┓史绞蕉酁楸砻嫒鍪?而旱地施肥通常施后覆土,進(jìn)而減少了氨揮發(fā)損失;同時(shí),南北方之間、水田和旱地之間還存在著氣候、土壤、耕作習(xí)慣等諸多方面的差異。另外,從作物類型來看,氨揮發(fā)損失率從大到小依次為水稻＞玉米＞小麥(圖2B),且具有顯著差異(＜0.05)。因此,農(nóng)田氨揮發(fā)損失是一個(gè)綜合因素作用的結(jié)果,與施肥、氣候、土壤以及作物生長(zhǎng)期等均有關(guān),必須多角度全方位進(jìn)行考量,才能做到科學(xué)管控。

農(nóng)田氨揮發(fā)時(shí)空尺度的變異,其實(shí)質(zhì)是氣象條件(光照、溫度、風(fēng)速等)、土壤條件(pH、CEC、質(zhì)地、含水量等)以及農(nóng)田管理措施(施肥、耕作、灌溉等)的差別所導(dǎo)致的,也是這些因素綜合作用的結(jié)果。已有研究表明,農(nóng)田氨揮發(fā)與田面水或土壤溶液中的 NH濃度和pH 呈顯著正相關(guān),能增加NH濃度和pH 的過程均可促進(jìn)氨揮發(fā)。以水田和旱地施用尿素為例,水田施肥方式多為表面撒施,而旱地通常施后覆土,施入農(nóng)田的尿素在脲酶的作用下迅速水解,使NH濃度和pH 增加,高溫和光照等會(huì)加速 NH向NH轉(zhuǎn)化,當(dāng) NH減少到一定水平后,NH揮發(fā)開始減少,這也導(dǎo)致氨揮發(fā)的峰值主要出現(xiàn)在施肥后1～3 d 且集中在白天溫度較高的時(shí)間段,季節(jié)分布也主要集中在高溫和施肥較多的夏季。與旱地不同,水田氨揮發(fā)是在水層中進(jìn)行的,尿素在水層中水解更加迅速,使水層中 NH濃度和pH 迅速增加,這有利于藻類快速生長(zhǎng),其光合作用會(huì)消耗尿素水解產(chǎn)生的CO,進(jìn)一步提高了水層的pH,為氨揮發(fā)創(chuàng)造了有利條件。旱地土壤可以吸附尿素水解產(chǎn)生的部分NH,這在一定程度上抑制了 NH向NH的轉(zhuǎn)化,同時(shí)旱地土壤通氣性好,硝化作用更加強(qiáng)烈,能夠促進(jìn) NH向 NO轉(zhuǎn)化,降低 NH濃度的同時(shí)還釋放H,最終導(dǎo)致旱地土壤氨揮發(fā)小于水田(圖3)。由此可見,農(nóng)田氨揮發(fā)是多種因素綜合作用的結(jié)果,施用氮肥是氨揮發(fā)的主要推動(dòng)力,氣象條件、土壤條件以及其他農(nóng)田管理措施則是通過調(diào)控氮素轉(zhuǎn)化過程間接地影響農(nóng)田氨揮發(fā)。

圖3 水田和旱地施用尿素后氨揮發(fā)過程圖Fig.3 Diagram of ammonia volatilization process after applying urea in paddy and upland

3 農(nóng)田氨揮發(fā)測(cè)定方法

氨氣活躍的化學(xué)性質(zhì)不僅造成了農(nóng)田氨揮發(fā)時(shí)空分異,還在一定程度上增加了定量測(cè)定的難度,如何在測(cè)定過程中減少對(duì)氨揮發(fā)的影響,保證田間氨揮發(fā)的真實(shí)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)成為迫切需要解決的問題。

有關(guān)NH的科學(xué)研究,最早可追溯到18世紀(jì)中期。1774年P(guān)riestley采用裝有液態(tài)汞的曲頸瓶,首次分離出氣態(tài)NH,并將其命名為“堿性空氣”。這種“堿性空氣”隨后被正式命名為“氨氣(Ammonia)”。18世紀(jì)末和19世紀(jì)初是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要時(shí)期,人們逐漸認(rèn)識(shí)到有機(jī)肥對(duì)于農(nóng)業(yè)高產(chǎn)的重要性,1808年P(guān)otts在文中報(bào)道了NH排放存在跨界傳輸,即農(nóng)田土壤產(chǎn)生的NH可以揮發(fā)到大氣。

精確有效的測(cè)定技術(shù)是定量研究農(nóng)田氨揮發(fā)的前提,國(guó)外最先開展了相關(guān)研究并取得了一系列成果。1849年,Fresenius在德國(guó)威斯巴登進(jìn)行了第一個(gè)可行的NH定量評(píng)估,測(cè)得大氣中的NH為70～230 mg·m,但受氣體分離和采樣技術(shù)的限制,測(cè)定結(jié)果存在很大的不確定性。20世紀(jì)40年代農(nóng)田氨揮發(fā)測(cè)定方法逐漸完善并迅速發(fā)展,1942年Jewitt進(jìn)行了最早的氨揮發(fā)測(cè)定室內(nèi)試驗(yàn),他采用封閉的廣口瓶作為發(fā)生裝置,內(nèi)部放置土壤并施用氮肥,在瓶塞處用導(dǎo)管連接稀硫酸溶液用于捕獲揮發(fā)出的NH,該方法在當(dāng)時(shí)僅限于實(shí)驗(yàn)室分析,后經(jīng)Volk改進(jìn)后應(yīng)用到田間氨揮發(fā)測(cè)定。1973年,Fenn 等在密閉裝置的基礎(chǔ)上引入空氣壓縮機(jī),通過保持一定的換氣頻率和速度來提高NH的回收率和測(cè)定精度。1981年Bouwmeester 等首次提出了風(fēng)洞法,該方法利用自動(dòng)控制系統(tǒng)改進(jìn)了裝置的通氣條件,并在歐洲得到廣泛應(yīng)用。上述方法往往基于一定體積的箱體,適用于測(cè)定小尺度農(nóng)田氨揮發(fā)。為監(jiān)測(cè)大面積(一般要求是150 m×150 m)農(nóng)田氨揮發(fā)通量,Denmead 等提出了微氣象學(xué)法,并將微氣象學(xué)法分為質(zhì)量平衡法、梯度擴(kuò)散法和渦度相關(guān)法。對(duì)于更大尺度(國(guó)家或全球)的農(nóng)田氨揮發(fā),目前主要使用模型法和揮發(fā)因子法進(jìn)行評(píng)估。進(jìn)入21世紀(jì),先進(jìn)的光譜技術(shù)為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)農(nóng)田揮發(fā)的痕量NH提供了可能,其中包括Warland 等使用的可調(diào)諧二極管激光吸收光譜儀,該方法實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田氨揮發(fā)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),大幅度提高了測(cè)定精度和效率,是氨揮發(fā)測(cè)定技術(shù)的歷史性突破。

我國(guó)農(nóng)田氨揮發(fā)的研究起步較早,20世紀(jì)50年代就開展了相關(guān)的研究,并在國(guó)外測(cè)定方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。1983年趙振達(dá)等在Hargrove 方法上進(jìn)行了改進(jìn),該方法是基于氮素平衡理論間接估算氨揮發(fā),誤差較大。1987年南京土壤研究所聯(lián)合澳大利亞國(guó)際研究中心,在中國(guó)丹陽(yáng)比較了3 種簡(jiǎn)化的微氣象學(xué)法,結(jié)果表明分別測(cè)量稻田水面以上0.8 m 處的風(fēng)速和NH濃度,得到的數(shù)據(jù)最為準(zhǔn)確。2002年王朝輝等采用浸有磷酸甘油溶液的海綿捕獲田間土壤揮發(fā)的NH,該方法不需要?jiǎng)恿υO(shè)備,簡(jiǎn)單易行,在我國(guó)得到了廣泛推廣和應(yīng)用。2012年楊文亮等將可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)與反向拉格朗日擴(kuò)散模型(BLS)相結(jié)合,為探索農(nóng)田氨揮發(fā)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律提供了新技術(shù)。此外,Huang 等和Ma 等分別采用揮發(fā)因子法編制了全國(guó)和全球農(nóng)田氨排放清單,在評(píng)估國(guó)家和全球尺度農(nóng)田氨揮發(fā)方面取得了重要進(jìn)展,也為農(nóng)田氨揮發(fā)空間異質(zhì)性研究提供了理論支持。

總體來看,隨著時(shí)間的推移,農(nóng)田氨揮發(fā)測(cè)定方法已逐漸趨于成熟,能夠應(yīng)用于不同尺度氨揮發(fā)的評(píng)估與測(cè)定。依據(jù)不同的測(cè)定原理,可將其大致劃分成3 類,分別是間接估算法、化學(xué)吸收法和光學(xué)測(cè)定法。

3.1 間接估算法

間接估算法是間接測(cè)定農(nóng)田氨揮發(fā)的一類方法,可細(xì)分為差值法、模型法和揮發(fā)因子法。其中,差值法主要是基于農(nóng)田氮素平衡,從施肥總量中減去植物吸收量、土壤殘留量和淋失量來估算NH的揮發(fā)量,該方法無(wú)需捕獲揮發(fā)的NH,通過計(jì)算即可獲得氨揮發(fā)損失量,但忽略了反硝化作用,誤差較大。模型法可以較為全面地評(píng)估大尺度農(nóng)田氨揮發(fā)狀況,但在使用前通常需要進(jìn)行田間驗(yàn)證以及大量的氣象和土壤等數(shù)據(jù)支撐,這往往限制了它的推廣與使用。揮發(fā)因子法只需要一些氮素投入量、肥料和土壤pH 等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)便可以進(jìn)行國(guó)家或全球尺度的農(nóng)田氨揮發(fā)估算,但在更小的區(qū)域尺度上應(yīng)用時(shí),估算精度會(huì)受到影響。

總之,間接估算法需要一定數(shù)量的研究數(shù)據(jù)做支撐,適用于評(píng)估較大尺度的氨揮發(fā),不同估算方法的結(jié)果存在較大差異,其結(jié)果的準(zhǔn)確性往往依賴于選取的數(shù)據(jù)是否充足、具體、真實(shí)和有效。

3.2 化學(xué)吸收法

化學(xué)吸收法的特點(diǎn)是利用酸液(2%的硼酸溶液或2%稀硫酸溶液等)對(duì)農(nóng)田揮發(fā)的NH進(jìn)行捕獲,一段時(shí)間后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行滴定分析,可細(xì)分為箱式法和微氣象學(xué)法。箱式法包括密閉室法、德爾格氨管法(DTM 方法)、密閉室間歇抽氣法、通氣法和風(fēng)洞法,主要用于田間小尺度氨揮發(fā)對(duì)比試驗(yàn)。微氣象學(xué)法以質(zhì)量平衡法為主,通常用于田間較大尺度氨揮發(fā)通量測(cè)定。上述方法的原理、裝置示意圖和優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 化學(xué)吸收法測(cè)定氨揮發(fā)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)Table 2 Principles,advantages and disadvantages of chemical absorption method for determination of ammonia volatilization

總體來看,化學(xué)吸收法具有較高的測(cè)定精度,其中密閉室間歇抽氣法和通氣法也是目前我國(guó)應(yīng)用最多的方法,但這類方法無(wú)法避免人為操作對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響,且NH性質(zhì)非?；钴S,易溶于儀器管壁上凝結(jié)的水珠,造成測(cè)量結(jié)果偏低。

3.3 光學(xué)測(cè)定法

光學(xué)測(cè)定法基于比爾-朗伯定律,即NH分子會(huì)選擇性吸收特定波長(zhǎng)的光造成光能量的衰減,NH的分子數(shù)與光衰減的能量呈正比,從而構(gòu)建光譜信息與NH濃度之間的函數(shù)關(guān)系。NH在中紅外波段的吸收峰要明顯強(qiáng)于近紅外波段,在紫外線和近紅外線的HO、NO 和NO的吸收光譜可能會(huì)與NH的光譜重疊,進(jìn)而干擾NH的測(cè)定,因此選擇合適的光譜范圍對(duì)于精確檢測(cè)氨揮發(fā)具有重要意義。常見的光學(xué)測(cè)定法的原理、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)如表3所示。

表3 常見的光學(xué)測(cè)定法測(cè)定氨揮發(fā)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)Table 3 Principles,advantages and disadvantages of common optical measurement methods for determination of ammonia volatilization

總體來看,這類方法實(shí)現(xiàn)了由耗時(shí)低效的人工分析向快速高效的設(shè)備連續(xù)分析的轉(zhuǎn)變,選擇性好,精度高,但受目前成本較高因素的限制,應(yīng)用范圍和數(shù)量還有很大的局限性。

4 農(nóng)田氨揮發(fā)的減排措施

近年來,我國(guó)有關(guān)農(nóng)田NH減排措施的研究得到迅速發(fā)展,包括優(yōu)化施肥、灌溉和耕作方式,秸稈還田,施用脲酶抑制劑和生物炭等,在控制氨排放方面發(fā)揮著重要作用,但一些減排措施仍存在爭(zhēng)議,在實(shí)際應(yīng)用中也面臨著一些問題。

4.1 施肥管理

農(nóng)田氨揮發(fā)會(huì)隨著氮肥施用量的增加而增加,且增長(zhǎng)速度高于線性增長(zhǎng)。在當(dāng)前過量施肥的背景下,適當(dāng)減少氮肥的投入量并不會(huì)影響作物產(chǎn)量,還能有效減少NH排放。Liu 等通過模型模擬發(fā)現(xiàn),將中國(guó)旱地氮肥用量減少20%,氨揮發(fā)量將減少24%。盡管“減氮行動(dòng)”已在我國(guó)普遍開展,但不同地區(qū)具體怎樣“減氮”仍缺乏理論指導(dǎo)。如何在不影響作物產(chǎn)量的前提下,通過減少氮肥投入量實(shí)現(xiàn)最小NH排放量仍需要進(jìn)一步研究。

有機(jī)肥是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中非常重要的養(yǎng)分資源,施用有機(jī)肥對(duì)于氨揮發(fā)的影響尚存在爭(zhēng)議。有研究認(rèn)為,施用有機(jī)肥可以增加土壤有機(jī)酸的含量,降低pH,減少NH排放量。也有研究認(rèn)為,施用有機(jī)肥會(huì)增加脲酶活性,進(jìn)一步促進(jìn)氨揮發(fā)。最近,新型肥料在抑制農(nóng)田氨揮發(fā)方面得到廣泛關(guān)注,研究表明,緩/控釋肥料的包膜材料可以緩慢釋放氮素并與作物需求同步,增加氮素利用率,減少氨揮發(fā)。也有研究表明,綠色木霉和枯草芽孢桿菌等生物肥料可以增加氨氧化菌(AOA 和AOB)的豐度來增加硝化作用,減少土壤中NH+濃度,降低NH排放。當(dāng)前我國(guó)有機(jī)肥施用以人工為主,利用率低,需盡快向?qū)I(yè)化的方向發(fā)展。同時(shí),新型肥料在包膜材料的穩(wěn)定性、肥效期等方面有待于進(jìn)一步研究,盡快發(fā)揮其控制農(nóng)田氨揮發(fā)的主力軍作用。

氮肥深施被認(rèn)為是增加產(chǎn)量,減少氨揮發(fā)的有效途徑。Yao 等研究發(fā)現(xiàn),在稻田尿素深施后,季節(jié)性氨揮發(fā)量?jī)H為施氮量的1%,比地面撒施處理降低了91%。Liu 等研究發(fā)現(xiàn)氮肥深施后,氨揮發(fā)量減少了20%～45%,這是因?yàn)榈噬钍┦雇寥滥z體吸附了更多的 NH,抑制了脲酶活性,降低了NH濃度和田面水pH,抑制了氨揮發(fā)。然而,人工深埋氮肥的勞動(dòng)力成本較高,水田或山地等特殊地形的農(nóng)田條件下,施肥機(jī)械的應(yīng)用又受到很大限制,也在一定程度上阻礙了我國(guó)農(nóng)田氮肥機(jī)械深施技術(shù)的發(fā)展。

4.2 灌溉管理

灌溉對(duì)農(nóng)田氨揮發(fā)的影響通常是與氮肥結(jié)合實(shí)現(xiàn)的,合理的水肥管理對(duì)于減小NH排放非常重要。Xu 等研究表明,與淹水灌溉相比,控制灌溉能有效減少稻田14%的NH排放量。通常認(rèn)為施肥后立刻灌溉會(huì)抑制氨揮發(fā),因?yàn)檩^多的灌溉水會(huì)將表層尿素帶入深層土壤,增加了土壤膠體對(duì)NH的吸附能力,但過量灌溉可能會(huì)增加氮素淋溶風(fēng)險(xiǎn)。因此,要結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況,選擇合適的灌溉量和灌溉時(shí)間,減少氨揮發(fā)的同時(shí)避免氮素淋溶損失。

4.3 耕作管理

合理的耕作方式在減少農(nóng)田氨揮發(fā)方面也發(fā)揮著重要的作用。Zhao 等研究發(fā)現(xiàn),水稻和豆科作物輪作可減少31.3%～38.0%的NH排放量,這是因?yàn)槎箍凭G肥代替了部分化肥的投入,但同時(shí)增加了CH的排放量。而免耕可有效降低溫室氣體排放,但免耕稻田氨揮發(fā)量比常規(guī)翻耕高,這是因?yàn)槊飧麕黼迕富钚缘脑黾雍偷适┯蒙疃鹊臏p少。因此,在選擇耕作方式減少農(nóng)田氨揮發(fā)同時(shí),還要重點(diǎn)關(guān)注其對(duì)溫室氣體排放的影響。

4.4 秸稈還田

秸稈還田對(duì)農(nóng)田氨揮發(fā)的影響目前尚存在一定的爭(zhēng)議。有研究表明玉米秸稈還田顯著降低了氨揮發(fā)量,也有研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田會(huì)促進(jìn)氨揮發(fā),二者的差異主要取決于秸稈種類、溫度、風(fēng)速和土壤條件等。一方面,秸稈覆蓋減緩了高溫和強(qiáng)風(fēng)對(duì)氨揮發(fā)的影響,這可能會(huì)抑制氨揮發(fā);另一方面,高C/N 秸稈可能會(huì)提高微生物活性,增強(qiáng)尿素水解和田面水 NH-N 濃度,秸稈分解過程中會(huì)釋放堿性陽(yáng)離子,增加pH 并促進(jìn)氨揮發(fā)。當(dāng)前已報(bào)道的秸稈還田引起的氨揮發(fā)損失率差異較大(5%～39%),需要進(jìn)一步研究。在實(shí)際應(yīng)用過程中也要綜合考慮當(dāng)?shù)氐臍夂?、土壤以及秸稈本身的C/N 等因素。

4.5 脲酶抑制劑和硝化抑制劑

近年來,脲酶抑制劑被廣泛應(yīng)用于農(nóng)田來延緩尿素水解,降低土壤或田面水中NH的濃度,減少NH排放。Sha 等研究發(fā)現(xiàn),與常規(guī)尿素相比,脲酶抑制劑處理的尿素氨排放量減少了41%～96%。盡管脲酶抑制劑在抑制氨揮發(fā)方面表現(xiàn)出巨大的潛力,但它的穩(wěn)定性受溫度、降水和土壤性質(zhì)的影響較大,對(duì)增加作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)較小。硝化抑制劑通常會(huì)抑制硝化作用來增加NH在土壤中的停留時(shí)間,它往往會(huì)增加作物產(chǎn)量但也會(huì)增加氨揮發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。因此脲酶抑制劑常與硝化抑制劑配合使用以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的平衡,但二者如何配比才能達(dá)到最大收益,以及對(duì)氨揮發(fā)的長(zhǎng)期影響和作用機(jī)制仍有待于進(jìn)一步研究。

4.6 生物炭

生物炭是近年興起的一種有機(jī)新材料,因具有較大的表面積和良好的吸附性在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。有研究發(fā)現(xiàn),施用生物炭會(huì)減少氨揮發(fā),這主要是因?yàn)樯锾吭黾恿送寥滥z體對(duì) NH的吸附,刺激了AOA 和AOB 菌的活性,促進(jìn)了硝化作用,使土壤溶液或田面水中的 NH濃度降低。也有研究報(bào)道施用生物炭會(huì)使小麥和玉米季節(jié)性氨揮發(fā)增加31%和26%,這是因?yàn)樯锾繒?huì)增加土壤pH,促進(jìn)氨揮發(fā)。比起熱解法制得的生物炭,水熱碳化產(chǎn)生的水熱炭由于自身較低的pH 和良好的吸附性能,在抑制氨揮發(fā)方面表現(xiàn)出巨大的潛力。而隨著時(shí)間的推移,老化生物炭的功能也會(huì)有所變化,有關(guān)老化生物炭對(duì)氨揮發(fā)的影響仍需要進(jìn)一步研究。

總體而言,我國(guó)農(nóng)田氨揮發(fā)減排措施可歸納為研發(fā)新型肥料、改進(jìn)施肥方式、完善管理方式和添加土壤添加劑4 個(gè)方面,其減排效率、主要優(yōu)勢(shì)、存在的問題和改進(jìn)方向如表4所示。

表4 我國(guó)農(nóng)田氨揮發(fā)主要減排措施的優(yōu)勢(shì)及存在的問題Table 4 Advantages and problems of the main emission reduction measures for ammonia volatilization from farmland in China

5 未來減排對(duì)策的幾點(diǎn)思考

隨著全社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)理念的不斷深入,清潔生產(chǎn)、綠色發(fā)展、生態(tài)農(nóng)業(yè)等將是未來人類社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)?？偟膩砜?我國(guó)農(nóng)田氨揮發(fā)方面的科學(xué)研究和減排行動(dòng)在近10年得到迅速發(fā)展,在測(cè)定方法上日趨向精準(zhǔn)化和智能化邁進(jìn),農(nóng)田減排也將是未來一段時(shí)期內(nèi)的重要命題,以下幾個(gè)方面值得深入研究與思考。

5.1 農(nóng)田氨揮發(fā)的微生物學(xué)機(jī)理和時(shí)空變異性

目前我國(guó)農(nóng)田氨揮發(fā)的研究主要集中在短時(shí)間和小尺度的氨揮發(fā)綜合對(duì)比,研究機(jī)理多為物理和化學(xué)機(jī)制,缺乏對(duì)農(nóng)田氨揮發(fā)微生物學(xué)機(jī)理和時(shí)空變異性的深入研究。在未來的研究中,應(yīng)將農(nóng)田氨揮發(fā)與土壤中氮素轉(zhuǎn)化功能微生物相結(jié)合,深入理解其微生物學(xué)機(jī)理。在時(shí)間上,要加強(qiáng)農(nóng)田氨揮發(fā)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)點(diǎn)的建設(shè),綜合分析短期試驗(yàn)和長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的結(jié)果,明確不同時(shí)間尺度農(nóng)田氨揮發(fā)的差異。在空間上,應(yīng)加強(qiáng)不同單位之間的合作,將單點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果與多點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)分析,深入探討不同區(qū)域農(nóng)田氨揮發(fā)的關(guān)鍵影響因素。

5.2 農(nóng)田氨揮發(fā)測(cè)定方法的對(duì)比研究及空天地一體化技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)前我國(guó)農(nóng)田氨揮發(fā)測(cè)定方法較為單一,手段也較為落后,受人為操作的影響大,且研究主要采用某一種方法,缺乏不同方法的綜合對(duì)比。因此,未來應(yīng)在不同區(qū)域進(jìn)行氨揮發(fā)測(cè)定技術(shù)的對(duì)比研究,探討不同區(qū)域最佳的測(cè)定方法。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)光學(xué)傳感器的研發(fā),為農(nóng)田氨揮發(fā)提供多種監(jiān)測(cè)手段,包括土中監(jiān)測(cè)、地面監(jiān)控、無(wú)人機(jī)空中近攝與天上衛(wèi)星遙感等立體信息采集系統(tǒng),結(jié)合分子光譜技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度和高時(shí)間分辨率的農(nóng)田氨揮發(fā)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),推動(dòng)農(nóng)田氨揮發(fā)監(jiān)測(cè)的空天地一體化技術(shù)的應(yīng)用,在此基礎(chǔ)上建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),對(duì)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,建立動(dòng)態(tài)模型實(shí)現(xiàn)農(nóng)田氨揮發(fā)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)與預(yù)警。

5.3 農(nóng)田耕作機(jī)械化與智能化,逐步完善減排評(píng)價(jià)體系

施肥是影響農(nóng)田氨揮發(fā)最重要的因素,但我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平低,施肥和灌溉等農(nóng)田管理措施仍存在一定的盲目性,這在一定程度上加劇了農(nóng)田氨揮發(fā)。未來應(yīng)加強(qiáng)機(jī)械深施等先進(jìn)農(nóng)機(jī)具的研發(fā),增加農(nóng)民購(gòu)買農(nóng)機(jī)具的補(bǔ)貼,注重農(nóng)業(yè)人才的培養(yǎng)。建立精準(zhǔn)施肥技術(shù)體系,采用信息傳感技術(shù)獲取氣象和土壤等數(shù)據(jù),通過云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等將數(shù)據(jù)分析結(jié)果傳輸?shù)接脩艚K端,支持用戶做出科學(xué)的農(nóng)田管理決策,結(jié)合作物對(duì)氮素的需求,采用變量施肥和自動(dòng)灌溉等技術(shù),提高作物對(duì)氮素的利用效率,減少氨揮發(fā)損失。

同時(shí),我國(guó)農(nóng)田氨揮發(fā)的減排措施研究往往只關(guān)注氨氣排放的絕對(duì)量,忽視了對(duì)其他氮素?fù)p失途徑的影響,未來的研究應(yīng)從氮素循環(huán)的整體出發(fā),建立完善的農(nóng)田氨揮發(fā)評(píng)價(jià)體系,因地制宜,在降低農(nóng)田氨揮發(fā)的同時(shí)減少其他途徑的氮素?fù)p失,以減少氮素的總體損失,提高氮肥利用效率為目標(biāo),實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的最大效益。