冼愛丹，朱文靜，吳曉晨，彭春梅，孫 璇，謝東海

(1.海南省環(huán)境科學研究院，海南海口 570100；2.文昌市環(huán)境監(jiān)測站，海南文昌 571300；3.海南大學林學院，海南?？?570100；4.海南大學生態(tài)與環(huán)境學院，海南?？?570100；5.海南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，海南?？?570100)

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)源氨排放是大氣中氨的主要來源，其中氮肥施用及畜牧養(yǎng)殖氨排放占農(nóng)業(yè)源氨排放總量的70%～90%。大量的氨在空氣中積累，會造成空氣能見度降低、大氣霾污染、水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題，對生態(tài)系統(tǒng)及人類健康都會產(chǎn)生重要影響。氨排放對PM的貢獻很大，達到了30%左右。因此，種植業(yè)氮肥施用所帶來的氨揮發(fā)是我國氨排放研究中不可忽視的問題。海南省地處熱帶北緣，熱區(qū)面積3.54 萬km，全年日照時間長，雨量充沛，是熱帶水果種植優(yōu)良基地。據(jù)《海南統(tǒng)計年鑒—2018》數(shù)據(jù)顯示，2017年全省香蕉收獲面積達3.49 萬hm，總產(chǎn)量達127.17 萬t，是海南產(chǎn)量最大的水果和經(jīng)濟作物。且香蕉是大水大肥作物，在生長期內(nèi)要施肥多次，需肥量大，因此研究海南香蕉種植業(yè)氨排放，對下一步控制農(nóng)業(yè)源氨氣排放、提升全省環(huán)境空氣質(zhì)量、2035年海南省環(huán)境空氣質(zhì)量達到世界領先水平具有重要的意義。

近年來，我國種植業(yè)氨排放研究主要集中在以下3個方面：①建立不同區(qū)域尺度的農(nóng)業(yè)源氨排放清單，此類研究主要采用經(jīng)驗法對不同農(nóng)業(yè)源的氨揮發(fā)貢獻進行統(tǒng)計和比較；②農(nóng)業(yè)源氨排放影響因素研究，對影響氨排放的氣象條件(溫度、降水、風速和光照強度)、土壤因素(土壤類型、理化特性、含水量等)、施肥因素(肥料種類、施肥量、施肥方式、灌溉和施肥時期)等影響因子進行分析找出了部分相關性；③對某一具體作物氨揮發(fā)特征進行研究，水稻、小麥、玉米等糧食作物及蔬菜居多，涉及的其他作物種類較少。在現(xiàn)有研究中，主要集中在東北平原、長江三角等地開展水稻、蔬菜等施用氮肥后氨排放情況研究，缺乏熱帶地區(qū)種植業(yè)氨揮發(fā)特征研究，尤其是對熱帶香蕉種植業(yè)氨揮發(fā)特征和排放量鮮見系統(tǒng)研究。因此，該研究以海南香蕉種植業(yè)為研究對象，對海南香蕉種植業(yè)氨排放進行大田原位監(jiān)測，掌握海南香蕉地氨揮發(fā)規(guī)律，并建立海南省香蕉種植業(yè)氨排放清單，以期全面掌握香蕉種植業(yè)氨排放現(xiàn)狀及趨勢，為合理施肥、控制氨源、改善環(huán)境以及研究霾形成機制提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

選取海口市咸來鎮(zhèn)恭舉村一戶蕉農(nóng)的4 hm香蕉地作為監(jiān)測點，地理坐標為110°35.05′E、19°50.34′N。該試驗地供試香蕉品種為“南天黃”，2017年6月移植種植，種植密度為2 400株/hm。該地施肥方式為“噴灌法”，是大多數(shù)海南香蕉種植戶所采用的施肥方法。試驗地土壤類型為磚紅壤，pH為5.854，其耕層土壤養(yǎng)分含量分別為有機質(zhì)26.82 g/kg、全氮1.565 4 g/kg、氨氮8.338 mg/kg、有效磷0.93 mg/kg、速效鉀346.44 mg/g。海南省土壤均以弱酸性磚紅壤為主，此試驗地具有一定的代表性。

選取面積分別為100、120、120 m的3個試驗小區(qū)，分別作為前期肥、中期肥、后期肥的監(jiān)測點位。每個點位分成面積相等的2 個地塊，在每個地塊內(nèi)均勻布設5 個氨揮發(fā)采集裝置，即每個點位共布設10 個采樣裝置。

試驗以農(nóng)民在不同時期的習慣施肥量作為試驗處理標準，2019年5月14日在試驗小區(qū)1按復合肥和氯化鉀2∶1比例(含氮量為0.2 kg)模擬香蕉種植前期施肥，并開始第一期氨氣監(jiān)測；2019年6月10日，在試驗小區(qū)2按復合肥和氯化鉀1∶1比例(含氮量為0.36 kg)模擬香蕉種植中期施肥，在試驗小區(qū)3按復合肥和氯化鉀1∶2比例(含氮量為0.48 kg)模擬香蕉種植后期施肥，并開始第二期監(jiān)測。

氨揮發(fā)采用通氣法測定。如圖1所示，采樣裝置內(nèi)徑15 cm、高15 cm，分別將2塊厚度均為2 cm、直徑為16 cm的海綿置于硬質(zhì)塑料管中，下層海綿距管底5 cm，上層海綿與管頂部相平。

圖1 通氣法裝置Fig.1 Ventilation device

每期監(jiān)測采樣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開始第1 次采樣，之后按照采樣頻次每天09：00—10：00采樣。取樣時，將通氣裝置下層的海綿取出，裝袋密封，同時換上另一塊浸過15 mL磷酸甘油(50 mL 磷酸加 40 mL 丙三醇，定容至1 000 mL)的海綿。如上層海綿變干，及時進行更換。

種植業(yè)氨氣排放量測定采用海綿浸提法，即采用氯化鉀溶液提取海綿中吸收的NH，浸提液中的銨離子用靛酚藍比色法測定，該方法靈敏度和準確性高，適于大批量樣品人工分析測定。

(1)氨揮發(fā)速率計算公式如下：

=[(·)]100

(1)

式中，為氨揮發(fā)速率[kg/(hm·d)]；為通氣法中單個裝置平均每次測得的氨量(mg)；為捕獲裝置的截面積(m)；為每次連續(xù)捕獲的時間(d)。

(2)每個監(jiān)測地塊氨揮發(fā)量計算公式如下：

(2)

式中，為監(jiān)測地塊氨揮發(fā)量(g)；為第次氨揮發(fā)采集裝置捕獲的中氨氮含量(g)；為采樣裝置橫切面積(cm)；為監(jiān)測地塊面積(m)。

(3)海南香蕉種植業(yè)氨排放量：

=×EF

(3)

式中，為地區(qū)(以市縣為行政單元)，為地區(qū)香蕉種植業(yè)氨排放量(g)，為地區(qū)香蕉種植業(yè)的氮肥施用量(kg)，EF為海南香蕉種植業(yè)氮肥施用氨排放系數(shù)(g/kg)。

2 結果與分析

由圖2可知，對香蕉地進行3種不同施肥時間后，氨揮發(fā)速率變化趨勢大體一致，施肥后第1天氨揮發(fā)最大，氨揮發(fā)速率分別為0.045 9、0.109 5、0.194 5 kg/(hm·d)，表明施用氮肥會促進氨的揮發(fā)，氨揮發(fā)速率隨著施氮量的增加而增加。香蕉種植3個時段的氨揮發(fā)速率在第2天迅速降低，并達到相近水平，且前期揮發(fā)速率開始超過中期。在第3～5天時，前期和后期揮發(fā)速率基本相同，且均高于中期水平；在第6天，各時段氨揮發(fā)速率已無明顯差異，處于0.004 1～0.006 8 kg/(hm·d)；在第7～12天時，氨揮發(fā)速率大小表現(xiàn)為中期>后期>前期；測至第15 天時，各時段氨揮發(fā)速率基本接近0。

圖2 3種不同施肥時間氨揮發(fā)速率變化Fig.2 Variation of ammonia volatilization rate at three different fertilization times

香蕉地施用氮肥后表現(xiàn)出的氨揮發(fā)速率，分析原因可能有以下幾個方面：①監(jiān)測第1天出現(xiàn)峰值，第2天又迅速降低。這與試驗地采用的噴灌施肥方法有關，氮肥溶于水中后噴射在空中，銨離子隨水蒸氣極易被吸附于采樣裝置中；第2天后，空氣中的銨離子大量減少，且肥料氮水解產(chǎn)生氨氮易被土壤吸附，生成的氨氣減少。②前期的施氮量只有中期的67%、后期的50%，在第2～6 天氨揮發(fā)速率超過中期，與后期水平接近。主要是因為第2～5 天時，中(后)期降雨強度大于前期(圖3)，會使土壤含水量大量增加，從而阻礙土壤中吸附的NH向地表擴散。

圖3 施肥后日平均溫度和降水量Fig.3 Average daily temperature and precipitation after fertilization

從表1可以看出，香蕉種植3 個時段的累積氨揮發(fā)量和損失率均較低，香蕉園氨揮發(fā)累積損失量和損失率隨施氮量增加而增加。其中，前期、中期、后期3個時期因施氮肥所產(chǎn)生的累積氨揮發(fā)量分別為0.160、0.414、0.613 kg/hm，損失率分別為0.80%、1.38%、1.53%。此次進行的香蕉種植業(yè)氨氣排放大田原位監(jiān)測，共施氮肥90 kg/hm，氨揮發(fā)總量為1.187 kg/hm，平均氮肥損失率為1.32%。

孫桂蘭等研究得出，黃河流域棉田氨揮發(fā)導致的氮肥損失率為 2.46%～3.67%。賀發(fā)云等對南京秋季種植大白菜進行了不同施氮處理，發(fā)現(xiàn)大白菜整個生長周期平均氮肥損失率在12.1%～17.1%。田光明等對鎮(zhèn)江丘陵區(qū)稻麥輪作制度下水稻田氨揮發(fā)損失進行了研究，發(fā)現(xiàn)1995—1997年水稻基施尿素的氨揮發(fā)損失為0.63%～8.00%?？梢?，海南香蕉地氨揮發(fā)速率處于相對較低水平。

海南香蕉地較低的氮肥損失率主要原因有以下3點：①較低的土壤pH。魏平云對熱帶地區(qū)磚紅壤不同pH濃度對氨揮發(fā)的影響進行研究，結果發(fā)現(xiàn)，土壤pH越高，越有利于肥料轉(zhuǎn)化為NH，所造成的氮量損失越大。所以試驗地的弱酸性磚紅壤會阻礙NH的形成，從而表現(xiàn)出較低的氨累積揮發(fā)量和損失率。②較高的土壤有機質(zhì)。Fan等研究得出，氨揮發(fā)隨土壤有機質(zhì)含量的增加而降低，試驗地較高的有機質(zhì)含量是降低氨揮發(fā)的一大制約因素。③施肥方式。灌溉施肥是水肥一體化農(nóng)業(yè)技術，能有效節(jié)約肥料，減少揮發(fā)浪費。楊潔等通過對比研究噴灌和溝灌方式對農(nóng)田土壤 NH揮發(fā)的影響，得出噴灌比溝灌更能有效降低農(nóng)田土壤 NH累積揮發(fā)量。

表1 香蕉種植施氮量、氨揮發(fā)量及損失率

根據(jù)模擬得出的香蕉種植試驗地前期、中期、后期3個時期的施肥和氨揮發(fā)情況，以及全省香蕉種植農(nóng)戶施肥習慣，可初步計算得出該試驗地香蕉種植各個時期的施用氮肥總量和氨揮發(fā)總量(表2)。從表2可以看出，前期、中期、后期施氮總量分別為120、60和480 kg/hm，氨揮發(fā)總量分別為0.96、0.83和7.35 kg/hm。一個生長周期(1年)施用氮肥總量660 kg/hm，氨排放量為9.14 kg/hm。

表2 香蕉種植氨揮發(fā)量統(tǒng)計

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在海南不同區(qū)域種植不同香蕉品種，其施肥方式、氮肥施用量、土壤本底值等情況均與該試驗地差異不大。因此，根據(jù)2017 年海南各地香蕉種植收獲面積及監(jiān)測得出的每公頃香蕉的施氮量和氨揮發(fā)量，估算出2017 年海南各地區(qū)香蕉種植業(yè)施氮總量和氨揮發(fā)量，計算結果見表3和圖4。2017 年海南省種植香蕉收獲面積總計達34 948 hm，占當年農(nóng)作物播種面積的4.4%。除洋浦無大面積種植香蕉記錄外，其余各市縣均有香蕉種植區(qū)域。如圖4所示，海南香蕉種植主要集中在北部的?？谑?、澄邁縣、臨高縣和西部的昌江縣、東方市、樂東縣等地，中部地區(qū)較少，香蕉收獲面積在1 000 hm以下，其中，澄邁縣、樂東縣、昌江縣種植面積較大，分別為8 744、4 569、4 479 hm。

經(jīng)計算，2017 年全省種植香蕉一個生長周期(1年)施用氮肥總量為23 065.6 t，占海南省農(nóng)業(yè)氮肥施用總量的5.8%，施用產(chǎn)生氨排放量為304.5 t。氮肥施用產(chǎn)生氨排放量與香蕉種植面積分布規(guī)律相同，氨排放量較大的區(qū)域主要集中在北部和西部區(qū)域。澄邁縣、樂東縣、昌江縣氨揮發(fā)量較大，分別為76.2、39.8和39.0 t，3個地區(qū)氨揮發(fā)總量占全省氨揮發(fā)量50.9%。

3 結論與討論

該研究用通氣法對海南香蕉地進行氨氣排放大田原位監(jiān)測，開展施用氮肥后氨排放情況分析，結果發(fā)現(xiàn)，不同施氮肥階段氨揮發(fā)速率變化趨勢大體一致，呈現(xiàn)施肥后第1天氨揮發(fā)最大，第2天迅速降低，隨后逐漸降低，第7～12天時氨揮發(fā)速率大小表現(xiàn)為中期>后期>前期，第15天時基本接近0。影響海南香蕉地氨揮發(fā)速率的主要影響因子有施氮肥量、土壤pH、土壤有機質(zhì)、降雨量等。在不同監(jiān)測時段的主要影響因子不同。香蕉地氨揮發(fā)累積損失量和損失率隨施氮量增加而增加。

表3 2017年海南省香蕉種植業(yè)氨排放清單

圖4 2017年海南省香蕉種植業(yè)氨排放區(qū)域分布Fig.4 Regional distribution of ammonia emission from banana planting in Hainan in 2017

海南種植香蕉一個生長周期(1 年)施用氮肥總量為660 kg/hm，氨排放量為9.14 kg/hm，即施用化肥含氮量為23 065.6 t，氨排放量為304.5 t，其中澄邁縣、樂東縣、昌江縣氨揮發(fā)量較大，占全省氨揮發(fā)量50.9%。海南香蕉種植業(yè)施肥氨排放的氮肥損失率為1.32%，與其他作物相比較低，主要原因：①較低的土壤pH；②較高的土壤有機質(zhì)；③較合理的噴灌施肥方式。海南各市縣氨排放量大小分布規(guī)律與種植面積一致，海南香蕉種植業(yè)施肥氨排放主要集中在北部和西部區(qū)域，其他區(qū)域分布相對較少。

為減少海南省因香蕉種植施肥帶來的氨揮發(fā)，建議從以下幾個方面加強改進：①在施肥總量不變的情況下，應少量多次施肥，減少揮發(fā)總量；②改進施肥方式，從源頭上減少氮肥損失量；③盡量選擇降雨期間施肥；④增加土壤有機質(zhì)含量。