基于不同監(jiān)測方法的太湖地區(qū)稻田基蘗肥期氨排放研究*

田玉華 曾 科 尹 斌

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

太湖地區(qū)水稻基肥自古以來就講求肥力供應(yīng)的“慢而長”以及“插下便興旺”，《沈氏農(nóng)書》［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”。在我國水稻種植中，化學(xué)氮肥開始施用時(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越大［3］，化學(xué)氮肥的過量以及不合理施用，造成氮肥損失嚴(yán)重，已對土壤、大氣和水體帶來了一系列的負(fù)面影響，如近年來發(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，田間直接測定氨排放的方法主要分為三類，分別為無干擾的微氣象學(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］。國際公認(rèn)的監(jiān)測農(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，我國稻田氨排放研究尚缺乏在同一田塊上采用不同監(jiān)測方法的同步對比研究，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稻田氨排放通量的動態(tài)變化特征及主要影響因素進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測，以期對稻田氨排放的科學(xué)監(jiān)測及氨排放量的評估提供支撐，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）開展。試驗(yàn)區(qū)年均氣溫15.5 ℃，年均降水量1 038 mm，年均無霜期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稻田基肥和分蘗肥施用后的氨排放進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。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)測裝置各重復(fù)3次。圓形區(qū)域周圍200 m無高大建筑物或樹木，其周圍稻田不施氮肥，在氨排放監(jiān)測期間，試驗(yàn)區(qū)外圍無明顯氨排放源。

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?；屎头痔Y肥施用后氨排放監(jiān)測期間保持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)采樣器可直接測定氨的水平通量，無需單獨(dú)測定不同高度的風(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)氨被洗氣瓶內(nèi)的稀硫酸（0.01 mol?L-1）溶液吸收。監(jiān)測期間抽氣室內(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）測定，所有水樣的含量均采用靛酚藍(lán)比色法測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測數(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動態(tài)變化

圖2 基肥和分蘗肥施用后田面水濃度和pH動態(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)測的稻田基蘗肥期氨排放動態(tài)變化

采用三種方法監(jiān)測的基肥和分蘗肥施用后稻田氨排放動態(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)過實(shí)地監(jiān)測進(jìn)一步研究。

2.4 三種方法監(jiān)測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)測的氨排放動態(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)已開展的相關(guān)試驗(yàn)，當(dāng)換氣率超過每分鐘17次時(shí)，測定的氨排放量可達(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)測方法評述

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)測期間周圍不能有明顯氨排放源，因此，該方法適用于評價(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)測的氨排放量與微氣象學(xué)法接近。然而，該法會高估穗肥期的氨排放，密閉室抽氣法測定的整個(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，不適于水稻植株長大尤其是封行后的稻田氨排放監(jiān)測。

通氣法監(jiān)測的是土-水表面的氨排放，無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)措施對氨排放的減排潛力，不適于評價(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，采用無干擾的微氣象學(xué)法監(jiān)測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，通氣法由于其測定裝置內(nèi)換氣受阻，導(dǎo)致采用該法監(jiān)測的兩次施肥氨排放總量僅是微氣象學(xué)法的40.4%。三種方法監(jiān)測的基蘗肥施用后氨排放動態(tài)變化特征大體一致，方法之間具有良好的相關(guān)性。考慮到采用微氣象學(xué)法監(jiān)測的稻田穗肥期水稻冠層上方氨排放并不嚴(yán)重，稻田氨減排對象應(yīng)是基蘗肥施用后的氨排放。