基于氨挥发因子方法的中国农田氨排放量估算

农田是氨的主要排放源,估算农田的氨挥发量可以明确其潜在的生态环境风险,为制定农田氨减排策略提供科学依据.通过文献收集,建立了包含867对观测值的中国农田氨挥发数据库,然后以氮肥施用量为自变量,氮肥施用引起的氨排放量为因变量,计算得到体现农业区、作物类型、肥料类型、土壤pH差异的氨挥发因子,采用独立样本进行验证,发现计算得到的氨挥发因子可以无偏地、较为准确地估算中国农田的氨挥发.不同区域、作物和管理措施下的氨挥发因子有显著差异,整体上,由于南方地区年均温和年降雨量均高于北方,导致南方的氨挥发因子高于北方,而碱性土壤的氨挥发因子高于中性和酸性土壤;与单施化肥相比,多数情况下施用有机肥可降低氨挥发因子,使用缓释控释肥或抑制剂可显著降低氨挥发因子;以单施化肥为例,水稻种植的氨挥发因子为9.9%~37.0%,高于蔬菜（2.2%~13.0%）和其他作物（3.3%~8.0%）.2015年中国农田由无机氮肥使用引起的氨排放总量为3.21 Tg,95%置信区间为2.92~3.46 Tg,其中,粮食作物和蔬菜占比最高,分别为66%和20%,豆科作物占比最低（0.8%）.由于气候、土壤、作物类型的差异,氨挥发呈现明显的空间异质性,长江中下游区排放量最高,而青藏区排放量最低.     

华北平原冬小麦-夏玉米轮作体系氮肥的氨挥发

 利用可多点原位测定氨挥发的风洞系统,监测了华北平原2002～2004年冬小麦-夏玉米轮作体系传统和优化氮肥管理下的氨挥发损失.结果表明,氨挥发主要发生在施肥后2～3周内,以施肥后连续采样15d的氨挥发累积量作为总排放量,相同施氮量下生长季夏玉米的氨挥发大于冬小麦.优化处理的氨挥发平均损失率(35.9%)显著高于传统处理(20.9%),但从氨挥发绝对量上看,传统处理为125.1kgN/hm²,优化处理为42.3kgN/hm²,降幅达66.2%.施肥和灌水方式显著影响氨挥发,撒施碳铵后翻耕的氨挥发损失为10.1%,追肥撒施的氨挥发损失平均为24.6%;撒施尿素后立即灌水,氨挥发损失为19.7%,5h后灌水氨挥发损失为34.0%,增加了72.6%.     

氮肥使用对北方夏玉米季氨挥发的影响

氨挥发是农田作物生产中氮肥损失的主要途径之一,对空气质量有重要影响.为研究我国北方地区化肥类型、施用数量、施氮时期以及采样方法等因素对夏玉米季氨挥发的影响,本研究收集了1980~2018年发表的北方地区夏玉米生产中氨挥发的研究文献,并对数据进行统计分析.结果发现,随着化肥施氮量的增加,氨挥发总量呈指数型增长,净氨挥发量呈幂函数型增长.基肥/追肥施氮量为1/1时,追肥期氨挥发总量和净氨挥发量显著高于基肥期（P<0.05）,氨挥发总量分别约占总生育期的58.4%和41.6%.随着施氮量的增加,激发效应先表现为负效应后逐渐转变为正效应,转折点施氮量为297 kg ·hm^-2.采用抽气法与海绵法测定的氨挥发量存在显著差异（P<0.01）,且抽气法测定数据更为稳定.施用缓释尿素相较于普通尿素可降低氨挥发约20%~50%.我国北方夏玉米生产中,合理控制追肥期施氮量更有助于减少氨挥发,且高氮肥条件下抽气法比海绵法更适合于氨挥发的测定.     

运用Jayaweera-Mikkelsen模型对太湖地区水稻田稻季氨挥发的模拟

运用密闭气室通气法测定了太湖地区典型水稻田lysimeter实验中肥料施用后的稻季氨挥发动态变化和总损失量,并使用Jayaweera-Mikkelsen氨挥发模型验证了测定结果.田间测定结果表明,施用普通尿素和控释尿素后的氨挥发显著不同,在水稻生育期普通尿素的氨挥发损失达施入N量的29%～35%,不同施N水平间差异显著;而不同用量的控释尿素的氨挥发损失则相对一致,仅为施入N量的5%.模型高估了生育期的氨挥发总量,特别是在普通尿素高挥发时期造成了较大偏差.对尿素处理,模型预测值与实测值的比率为2.95～4.19;对控释尿素处理,预测值对实测值有正负偏差,比率为1.19～1.40.运用预测值与实测值的级数商评价了模型的实用性.通过灵敏度分析,对模型中的参数NH 4-N的浓度进行了修正,引入了限制条件.修正后的模型能够很好地满足对高挥发量的预测,模拟结果比率为1.12～1.28.实测田面水中的NH 4-N浓度不能代表模型中参与计算的实际浓度,可能原因是藻类活动对NH 4-N浓度和氨挥发过程产生的影响.     

垄作覆膜条件下田间氨挥发及影响因素

通过大田试验,采用密闭法研究了垄沟覆膜栽培条件下冬小麦生育期内土壤氨挥发动态过程及相关土壤理化性质.结果表明,生育期内垄沟覆膜处理氨挥发累积量（以N计）为（1.66±0.3）～（3.28±0.51）kg.hm-2,常规栽培为（4.68±0.35）kg.hm-2,垄作栽培比常规栽培减少了29.8%～63.8%,氮肥损失率从常规栽培的1.9%下降到了0.3%～0.8%.小麦生育期内土壤氨挥发速率先升后降,冬前高、冬后低.常规栽培土壤氨挥发主要发生在越冬前,其挥发量占总挥发量的82%;而垄作栽培的越冬前挥发量只占挥发总量的49%～61%.越冬前常规栽培土壤氨挥发速率受土壤铵态氮浓度和土壤含水量的共同影响;而垄作条件下土壤氨挥发主要受土壤铵态氮浓度影响,地表温度和土壤含水量通过土壤铵态氮间接影响氨挥发.返青后2种栽培模式下的氨挥发主要受土壤铵态氮浓度的影响.常规栽培和垄沟覆膜高施氮量条件下土壤氨挥发累积量动态过程符合对数函数;而不施肥和垄沟覆膜低施氮量条件下的动态过程可以用线性函数表示.垄沟覆膜栽培在一定程度上改变了土壤氨挥发机制和过程,显著降低土壤氨挥发和氮肥损失.     

不同施肥方式对设施土壤氨挥发特征的影响

有机肥与改良剂施入土壤是改善土壤结构、增加土壤有机质含量和培肥地力的重要措施,但也会影响土壤的氨挥发,探索不同施肥方式对土壤氨挥发的影响,对于减少氮素损失和保护生态环境具有重要意义.基于设施番茄微区试验,采用LGR915-0016超便携NH₃分析仪观测不同施肥方式[50%化肥N+50%有机肥N+改良剂组（HYG）、50%化肥N+50%有机肥N组（HY）、100%有机肥N组（Y）、100%化肥N组（H）和不施肥处理组（CK）]下土壤氨的排放特征.结果表明:在番茄生育期内,不同施肥方式下设施土壤氨挥发通量的变化趋势基本一致.在土壤氨累积挥发量方面,与CK处理相比,H和HY处理下土壤中氨累积挥发量分别增加了11.76%和12.03%;Y和HYG处理则显著降低了土壤中氨累积挥发量,分别下降了24.31%和15.20%.就单因素模型而言,不同施肥处理下土壤氨挥发通量与0~10 cm土壤温度呈线性回归关系,且各处理均达到显著水平（P均小于0.05）;不同施肥处理下土壤氨挥发通量与0~10 cm土壤含水量均呈显著二次回归关系（P均小于0.05）;与单因素相比,0~10 cm土壤含水量和土壤温度的双因素复合模型（R2为0.700 6~0.849 7）可以更好地解释土壤氨挥发通量的变化情况.相关分析显示,土壤氨累积挥发量与0~20 cm土层土壤铵态氮含量、硝态氮含量、pH及土壤孔隙度均呈极显著相关（P均小于0.01）,与0~20 cm土层土壤容重呈显著相关（P < 0.05）.采用PCA分析提取的2个主成分的累积贡献率为83.09%.研究显示,不同施肥方式会影响设施土壤氨挥发通量,综合考虑土壤氨累积挥发量及其影响因素,100%有机肥N组在降低土壤氨挥发方面显著优于其他处理组.      

缓控释肥侧深施对稻田氨挥发排放的控制效果

以减少氨挥发损失为目的,以无机化肥分次施用为对照,选用树脂包膜尿素(RCU)、硫包衣尿素(SCU)和掺混控释肥(RBB)3种不同类型缓控释肥料,采用一次性施肥(B)和一基一穗(BF)2种施肥方式,研究了插秧施肥一体化条件下不同类型缓控释肥侧深施及施用方式对稻田田面水氮浓度及氨挥发损失的影响.结果表明,除SCU处理基肥期田面水总氮和铵态氮质量浓度均高于常规分次施肥处理CN,RCU和RBB处理均低于CN处理.不同缓控释肥料稻田氨挥发损失差异较大,损失量占施肥量的3.84%~28.17%.与CN处理相比,不同类型缓控释肥料均有减少稻田氨挥发损失的效应,处理间氨挥发损失量表现为:CN、B-SCUBF-SCU、BF-RBB、BF-RCU、B-RBB、B-RCU.一次性基施下,B-SCU处理的氨挥发总量显著高于B-RCU和B-RBB处理,一基一穗下3种处理间氨挥发总量差异不显著.不同肥料在2种施肥方式下氨挥发损失量差异不显著,但表现不一致.BF-SCU处理的氨挥发损失量低于B-SCU处理,BF-RCU和BF-RBB处理的氨挥发损失量分别高于B-RCU和B-RBB处理.阶段氨挥发损失来看,施用SCU处理的基肥-蘖肥(7.54%)和蘖肥-穗肥阶段(16.04%)的损失较高,RBB处理的基肥-蘖肥阶段氨挥发损失(2.91%)明显增加,而RCU处理的穗肥后阶段(2.75%)是氨挥发损失的集中时期.追施穗肥尿素增加了穗肥后阶段的氨挥发排放损失,穗肥后阶段氨挥发量与田面水铵态氮质量浓度在不同类型肥料间无明显相关关系.     

氮肥减投条件下膜材料使用对稻田氨挥发排放的影响

氨挥发排放是稻田系统氮损失的主要途径.现有技术多以调控氮肥施用为削减氨挥发排放的技术手段;但由于氮肥投入基数较大且减投不能改变氨挥发途径氮损失比例,氮肥减投后的氨挥发排放仍是限制氮肥利用效率提升的瓶颈.对此,本研究选用满足环境友好和使用便捷的农业废弃物粉末和两性分子物质作为膜材料,配合氮肥施用在田面水表进行多次铺洒,研究膜材料对氨挥发排放过程及排放总量的影响,结合作物生长和氮去向探索膜材料对氨挥发排放的影响机制.连续2 a小区试验发现,膜材料使用可减少水稻种植期氨挥发排放总量的19%~31%,由此减少的氮损失或以矿质态氮形态贮存于土壤或提高了作物氮吸收量.施氮条件下,田面水铵态氮含量和pH以及膜材料使用是影响氨挥发排放的主控因子;氮肥减投后,膜材料使用可进一步削减氨挥发排放.基于不同膜材料对氨挥发排放影响机制差异,应用时,可根据实际生产需求对膜材料进行按需选择.     

麦秸水热炭及其改良产物对水稻产量和稻田氨挥发排放的影响

水热炭的酸性特性及材料吸附性质为其稻田回用及氨挥发损失控制提供了可能.为实现农业废弃物的资源化利用和稻田环境损失控制,本研究以小麦秸秆为原材料,通过土柱模拟试验,考察了麦秸水热炭（WHC）及其水洗改良产物（W-WHC）对水稻产量和稻田氨挥发排放的影响.结果表明,麦秸水热炭及其改良产物稻田回用能够增加水稻产量,低量添加（0.5%）的增产效应高于高量添加（1.5%）处理.低量添加下,WHC和W-WHC处理的水稻产量分别较对照处理（CKU）增加17.16%和20.20%.结果同时表明,除W-WHC低量添加处理的氨挥发损失量与对照相当,水热炭及其改良产物添加均能够减少稻田氨挥发损失.其中,WHC低量添加和W-WHC高量添加处理的稻田氨挥发损失显著低于CKU处理,NH₃挥发累积排放量分别减少31.01%和17.40%.阶段氨挥发损失结果分析表明,水热炭添加对稻田氨挥发损失的控制效应主要集中在蘖肥期和穗肥期,水热炭添加后蘖肥期田面水氮素浓度的变化和穗肥期田面水pH的改变是秸秆水热炭添加后稻田氨挥发控制的主要驱动因素.结果说明,适宜用量下小麦秸秆碳化还田可以在提高作物产量的同时减少稻田氨挥发损失,是一种适于农业副产物资源化利用的良好方式.     

两种土壤增效剂对稻田氨挥发排放的影响

硝化抑制剂和生物炭是农田土壤管理常用的土壤增效剂.其中,硝化抑制剂可以增加作物产量提高氮素利用率,而生物炭是生物质资源利用的一种新方式,且具有一定的吸附特性.以减少稻田氨挥发带来的氮素损失及环境污染问题为目的,在原状土柱模拟试验条件下,以单施化肥处理(CN)为对照,研究了生物炭(B)添加、硝化抑制剂(CP)添加及复合添加处理(BCP)对田面水p H、田面水铵态氮浓度、水稻产量及氨挥发损失的影响.结果表明,两种增效剂施用对水稻产量无显著影响,硝化抑制剂添加有增加水稻产量的趋势.两种土壤增效剂添加均显著增加了稻田氨挥发损失,损失量占施氮量的25%～35%.其中,肥期(施肥后7 d内)氨挥发损失占总损失的86%～91%,是氨挥发损失的主要时期.与CN处理相比,CP处理明显提高了田面水NH_4~+-N浓度和氨挥发损失,基肥期、穗肥期和非肥期增加效应明显,氨挥发增幅分别为138%、48%和78%,全生育期氨挥发总损失量增加59%.生物炭添加对稻田氨挥发损失也有明显的促进效应,且具有阶段性特征,前期(基肥期和蘖肥期)的增加效应高于后期(穗肥期和穗肥后),田面水NH_4~+-N浓度和p H也表现出相同的趋势.两者配施添加处理显现出了正交互作用,氨挥发损失量大于单施处理,与化肥处理差异显著.结果说明,生物炭添加不能解决硝化抑制剂添加引起的铵态氮浓度升高和氨挥发损失增加的问题,对于硝化抑制剂添加引起的氨挥发损失增加的问题需要继续研究.     

氮肥与DCD配施对棚室黄瓜土壤NH3挥发损失及N2O排放的影响

以传统水氮管理为对照,进行了优化水氮管理条件下氮肥与DCD配施对大棚黄瓜土壤氨挥发损失及氧化亚氮排放的影响研究.试验结果表明,与传统水氮管理相比,优化水氮管理减少了氮肥用量及灌水量,但黄瓜产量并没有降低.各水氮处理的NH3挥发速率峰值出现在施肥灌水后的第3d,添加DCD的各优化水氮处理与传统水氮处理相比,土壤氨挥发累积量分别减少55.97%、43.68%、66.47%,4次追肥后W2N2+DCD、W2N3+DCD和W2N4+DCD的氨挥发速率峰值与累积量变化范围较小.不同水氮处理的N2O排放通量的峰值均出现在施肥灌水后的第4d,各追肥时期W2N2+DCD、W2N3+DCD和W2N4+DCD处理,土壤N2O排放通量峰值与N2O累计排放量均显著低于传统水氮处理W1N1,并且3个处理之间不存在显著差异,充分表明优化水氮管理中将氮肥与DCD配施对减少N2O排放起到了显著作用.     

解淀粉芽孢杆菌生物有机肥防控土壤氨挥发

为了验证解淀粉芽孢杆菌生物有机肥防控农田土壤氨挥发的效果,并了解其微生物生态学机制,通过温室蔬菜大棚盆栽生菜的方式,探究在施用解淀粉芽孢杆菌生物有机肥（BB）与化肥的条件下,土壤氨挥发量、作物品质及产量、土壤微生物的变化.设置4组盆栽试验,依次为不施肥对照（CK）、100%化肥处理（C）、50% BB+50%化肥处理（B1）和100% BB处理（B2）,3组处理的施氮量相同.采用动态箱法对施肥后土壤氨挥发通量进行测定.基于16S rDNA高通量测序分析,对土壤氨挥发峰值期间的细菌群落进行分析.结果发现,与C组相比,B1和B2组的氨挥发总量分别降低79.5%和84.8%;B2组生菜硝酸盐含量最低、产量最高,相对于CK和C组分别增产50.5%和12.3%;B1组生菜的维生素C含量最高,为67.6mg ·kg^-1;施用BB提高了土壤细菌群落的多样性及丰富度,特别是芽孢杆菌、硝化螺菌属相对丰度明显提升;显示出施用BB对防治空气污染和提高氮素利用率具有重要作用.     

控释氮肥减量配施对土壤氨挥发和N2 O排放的影响

施用控释氮肥是提高氮素利用效率、减少氮素损失的重要途径.为研究聚合物包膜氮肥与普通尿素配比减量施用对旱作棕壤氨挥发和N₂O排放的影响,利用15N同位素标记技术,通过5个不同氮肥施用量处理,分析施肥后土壤的氨挥发和N₂O排放规律以及玉米的当季氮肥利用率.结果表明:①土壤氨挥发主要出现在施肥后的前2周,普通尿素氨挥发速率最大可达4.04 kg/（hm2·d）,最大值出现在施肥后第7天,施用配比包膜氮肥氨挥发峰值出现时间比普通尿素延迟2 d,且氨挥发总量明显降低,为2.15 kg/（hm2·d）.②对于各处理下的氨挥发总量,无氮处理（CK）为3.69 kg/hm2,常规尿素处理（NU）为18.64 kg/hm2,配比控释氮肥处理（PU1）为9.39 kg/hm2,减量配比控释氮肥处理（PU2）为6.44 kg/hm2,再减量配比控释氮肥处理（PU3）为5.02 kg/hm2.③N₂O排放规律呈现先平稳后升高的趋势,较高的N₂O排放通量集中在施肥后的55~91 d之间.N₂O排放峰值最高的是常规尿素处理,在施肥后第79天出现,达到0.299 mg/（m2·h）,施用配比包膜氮肥N₂O排放峰值均低于常规尿素处理.④施用配比包膜氮肥玉米产量高于普通尿素处理,减量配比包膜氮肥不会降低玉米产量.⑤土壤氨挥发总量与施氮量呈显著正相关.施用配比包膜氮肥相比于普通尿素可显著减少土壤氨挥发,减量配施氮肥相比于全量施肥可显著减少土壤氨挥发.因此,施用配比包膜氮肥,可在保证粮食产量的前提下减少氮肥投入,降低氮肥的气态损失,从而降低环境风险.      

Ammonia volatilization losses and balance from urea applied to rice on a paddy soil

Ammonia volatilization loss and 15N balance were studied in a rice field at three different stages after urea application in Taihu Lake area with a micrometeorological technique. Factors such as climate and the NH4+-N concentration in the field floodwater affecting ammonia loss were also investigated. Results show that the ammonia loss by volatilization accounted for 18.6%-38.7% of urea applied at different stages, the greatest loss took place when urea was applied at the tillering stage, the smallest at the ear bearing stage, and the intermediate loss at the basal stage. The greatest loss took place within 7 d following the fertilizer application. Ammonia volatilization losses at three fertilization stages were significantly correlated with the ammonium concentration in the field floodwater after the fertilizer was applied. 15N balance experiment indicated that the use efficiency of urea by rice plants ranged between 24.4% and 28.1%. At the early stage of rice growth, the fertilizer nitrogen use efficiency was rather low, only about 12%. The total amount of nitrogen lost from different fertilization stages in the rice field was 44.1%-54.4%, and the ammonia volatilization loss was 25.4%-33.3%. Reducing ammonia loss is an important treatment for improving N use efficiency.     

常规施肥条件下农田不同途径氮素损失的原位研究:以长江中下游地区夏玉米季为例

为了解农田常规施肥条件下的不同途径氮素损失特征,本文通过田间原位试验同步研究了长江中下游地区夏玉米生长季氮肥施用后的农田N2O排放、NH3挥发、氮渗漏和地表径流的变化.结果表明,在复合肥为基肥,尿素为追肥,基追肥氮素水平均为150 kg·hm-2的条件下,整个玉米生长季N2O排放系数为3.3%,NH3挥发损失率为10.2%,氮渗漏和地表径流损失率分别为11.2%和5.1%.此外,基肥施用以氮素渗漏损失为主,而追肥氮素损失以氨挥发和渗漏为主,表明不同途径化肥氮素损失主要受氮肥品种影响,玉米季追肥可改用低氨挥发氮肥品种以减少氮素损失.     

滇池北岸典型农区韭菜田大气氮湿沉降与氮挥发研究

选择滇池北岸大清河下游典型农区韭菜田为对象,对雨水进行化学分析,研究了2007年大气氮湿沉降通量及其动态变化,并通过田间试验观测了地表(韭菜地土壤、韭菜废弃物原位腐解、沟渠污水)的氨氮挥发.结果表明,全年大气湿沉降氮(以N计)7.1kg/hm2,其中雨季(4～9月份)占89%.韭菜一次基施尿素(以N计)276kg/hm2,35d累计氨挥发占施氮量的32%,其中前9d氨挥发占总氨挥发96%.韭菜残体腐解21d累计氮挥发占植株氮23%.含氮7～51mg/L的污水(其中氨氮2.7～25.8mg/L)露天放置12d,水体总氮的27%～38%挥发进入大气.可见,韭菜田氮挥发是该地大气氮重要来源之一.     

Ammonia volatilization from a Chinese cabbage field under different nitrogen treatments in the Taihu Lake Basin, China

Ammonia(NH_3) volatilization is a major pathway of nitrogen(N) loss from soil-crop systems.As vegetable cultivation is one of the most important agricultural land uses worldwide,a deeper understanding of NH_3 volatilization is necessary in vegetable production systems.We therefore conducted a 3-year(2010–2012) field experiment to characterize NH_3 volatilization and evaluate the effect of different N fertilizer treatments on this process during the growth period of Chinese cabbage.Ammonia volatilization rate,rainfall,soil water content,p H,and soil NH_4~+were measured during the growth period.The results showed that NH_3 volatilization was significantly and positively correlated to topsoil p H and NH4+concentration.Climate factors and fertilization method also significantly affected NH_3 volatilization.Specifically,organic fertilizer(OF) increased NH_3 volatilization by 11.77%–18.46%,compared to conventional fertilizer(CF,urea),while organic–inorganic compound fertilizer(OIF) reduced NH_3 volatilization by 8.82%–12.67% compared to CF.Furthermore,slow-release fertilizers had significantly positive effects on controlling NH_3 volatilization,with a 60.73%–68.80% reduction for sulfur-coated urea(SCU),a 71.85%–78.97% reduction for biological Carbon Power~#174; urea(BCU),and a 77.66%–83.12% reduction for bulk-blend controlled-release fertilizer(BBCRF)relative to CF.This study provides much needed baseline information,which will help in fertilizer choice and management practices to reduce NH_3 volatilization and encourage the development of new strategies for vegetable planting.