海南省香蕉種植業(yè)氨排放監(jiān)測評估

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(xué)研究院，海南?？?570100；2.文昌市環(huán)境監(jiān)測站，海南文昌 571300；3.海南大學(xué)林學(xué)院，海南?？?570100；4.海南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，海南海口 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(xiàn)很大，達(dá)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(shí)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(jì)年鑒—2018》數(shù)據(jù)顯示，2017年全省香蕉收獲面積達(dá)3.49 萬hm，總產(chǎn)量達(dá)127.17 萬t，是海南產(chǎn)量最大的水果和經(jīng)濟(jì)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(dá)到世界領(lǐng)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(gè)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(yàn)法對不同農(nóng)業(yè)源的氨揮發(fā)貢獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(fēng)速和光照強(qiáng)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(shí)期)等影響因子進(jìn)行分析找出了部分相關(guān)性；③對某一具體作物氨揮發(fā)特征進(jìn)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(jìn)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(jī)制提供科學(xué)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(diǎn)，地理坐標(biāo)為110°35.05′E、19°50.34′N。該試驗(yàn)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(yàn)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(jī)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(yàn)地具有一定的代表性。

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

試驗(yàn)以農(nóng)民在不同時(shí)期的習(xí)慣施肥量作為試驗(yàn)處理標(biāo)準(zhǔn)，2019年5月14日在試驗(yàn)小區(qū)1按復(fù)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(yàn)小區(qū)2按復(fù)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(yàn)小區(qū)3按復(fù)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(shí)，將通氣裝置下層的海綿取出，裝袋密封，同時(shí)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(shí)進(jìn)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(lán)比色法測定，該方法靈敏度和準(zhǔn)確性高，適于大批量樣品人工分析測定。

(1)氨揮發(fā)速率計(jì)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(gè)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(shí)間(d)。

(2)每個(gè)監(jiān)測地塊氨揮發(fā)量計(jì)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(jié)果與分析

由圖2可知，對香蕉地進(jìn)行3種不同施肥時(shí)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(jìn)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(gè)時(shí)段的氨揮發(fā)速率在第2天迅速降低，并達(dá)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(shí)，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(shí)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(shí)，氨揮發(fā)速率大小表現(xiàn)為中期>后期>前期；測至第15 天時(shí)，各時(shí)段氨揮發(fā)速率基本接近0。

圖2 3種不同施肥時(shí)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(gè)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(yàn)地采用的噴灌施肥方法有關(guān)，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?yàn)榈?～5 天時(shí)，中(后)期降雨強(qiáng)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(kuò)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(gè)時(shí)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(gè)時(shí)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(jìn)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(dǎo)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(jìn)行了不同施氮處理，發(fā)現(xiàn)大白菜整個(gè)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(jìn)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%?？梢姡Ｄ舷憬兜匕睋]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(diǎn)：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(jìn)行研究，結(jié)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(yàn)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(jī)質(zhì)。Fan等研究得出，氨揮發(fā)隨土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而降低，試驗(yàn)地較高的有機(jī)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(shù)，能有效節(jié)約肥料，減少揮發(fā)浪費(fèi)。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(yàn)地前期、中期、后期3個(gè)時(shí)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(xí)慣，可初步計(jì)算得出該試驗(yàn)地香蕉種植各個(gè)時(shí)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(gè)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(jì)

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(yàn)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(jì)算結(jié)果見表3和圖4。2017 年海南省種植香蕉收獲面積總計(jì)達(dá)34 948 hm，占當(dāng)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?？谑小⒊芜~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(jì)算，2017 年全省種植香蕉一個(gè)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(gè)地區(qū)氨揮發(fā)總量占全省氨揮發(fā)量50.9%。

3 結(jié)論與討論

該研究用通氣法對海南香蕉地進(jìn)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(jié)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(shí)氨揮發(fā)速率大小表現(xiàn)為中期>后期>前期，第15天時(shí)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(jī)質(zhì)、降雨量等。在不同監(jiān)測時(shí)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(gè)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(jī)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(gè)方面加強(qiáng)改進(jìn)：①在施肥總量不變的情況下，應(yīng)少量多次施肥，減少揮發(fā)總量；②改進(jìn)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(jī)質(zhì)含量。