稻田氨挥发研究进展

增加液相中的氨态氮在铵态和氨态氮总量中的比
例 同时 NH3 和 NH4+的扩散速率也随之增加 pH 大致不变的情况下 在 5~35 的范围内 温度每
基金项目 国家重点基础研究发展规划 973 项目 G1999011802 中国科学院知识创新工程项目 KZCX2-413-3 作者简介 宋勇生 1977 男 硕士 从事土壤肥料与植物营养研究 E-mail: yshsong@ 收稿日期 2002-10-28
微气象法和风洞法直接从试区上方的空气中采 样测定 准确性高 然而要求较大的试区面积,试验 费用大 微气象学方法的试区面积不能小于 1 hm2 且周围田块不能施用化肥 风洞法要求的面积虽可 在 1 hm2 以下 但亦不能很小 因此 这两种方法 多适用于大型生态区域的气体动态研究 对于多因 素的田间小区试验 由于从不同小区挥发的氨在试 区上部来回流动 微气象学方法难以区分其来源 但是微气象学法可以在不干扰田间自然条件下测定 一些如风速 干湿温度 净辐射量和热通量等气象 条件以及空气中的氨含量 因而可以用来进行大田 氨挥发的测定 微气象法主要发展为 3 种方法 涡 流相关法 梯度扩散法和质量平衡法 前两种方法 要求试验地面积很大 一般至少要达到 150 m×150 m 而且作物处理一致 不易采用 质量平衡法可 在长宽为 20 m×40 m的地块进行 这对于小块和小 面积种植作物系统而言是可取的
３ 稻田氨挥发的测定方法
可分为间接和直接两类 前者主要指土壤平衡 法 由施肥量 植物吸收量 土壤残留量和淋失量 来估算氨的挥发量 由于测定项目多 不考虑反硝 化 误差较大 后者常用的主要有两种 密闭气室 法和微气象学法 另外还有欧洲一些国家流行的风 洞法[16]
密闭气室法的原理是将供试的土壤 肥料和作 物等放在一密闭容器中 用酸或碱性物质吸收自该 系统的氨 然后进行定量测定 密闭室法测定装置 结构简单 直接捕获从土壤表面挥发的氨 常用于 小区试验 但密闭状态下的氨挥发过程完全不同于 自然状态 密闭期间分通气和不通气两种 不通气 者 多在密闭容器内 用浸过酸的玻璃棉 滤纸 泡沫塑料或者直接用酸吸收由土壤中挥发出的氨 通气者 则是用不含氨的空气流将密闭室空气中的 氨带到系统外用酸吸收 在通气条件下测出氨挥发 较高 并在一定范围内随通气频率的增加而增大
生态环境 2003, 12(2): 240-244 Ecology and Environment
E-mail: editor@
稻田氨挥发研究进展
宋勇生 范晓晖
中国科学院南京土壤研究所 江苏 南京 210008
和温度等各方面的差异都不大 但由于风速差异较
大 两地的氨挥发损失相差悬殊 Fillery 等[8]把风 速与氨挥发的关系用
F = k×P×W
2
表示 k 为常数 P 为田面水中的氨 NH3 分压
W 为风速 它们的相关系数为 R2=0.90 但风洞实
验结果表明[9] 在 pH 很高的情况下 当氨挥发随 风速增大到 7 m/s 后 就不再随风速的增大而增加 这意味着此时下层溶液的铵或氨迁移到表层的速率
已经成为氨挥发的限制因素 此外 大气和水体的
稳定状态 地面的粗糙度也会影响氨挥发速率 良
好的植被覆盖可以减缓土壤表层的风速 同时也可
能部分地增加对挥发氨的吸收 因此 氨挥发与风
速之间的关系不一定是线性关系 但在种植水稻条
件下 一般多用直线关系处理[7]
２．２ 温度
温度对氨挥发的影响是多方面的 升高温度能
田氮肥损失的主要机制之一 国外研究表明 氮肥
表施时氨挥发损失占总施氮量的 10%~60%[2] 国内
报道氨挥发损失也占总施氮量的 9%~40%[3] 氨挥
发同时也带来了环境问题 Schulze 等认为在氮限
制因子的生态系统中 大气沉降的 NH3 和 NH4+的 积累促进超营养化和土壤酸化[4] 积累在大气中会
万方数据
242
的氨 并防止其进入装置内而被下层海绵吸收 吸 收在下层海绵的氨可用 1.0 mol⋅L-1 的 KCL 溶液浸 取 通气法克服了传统密闭法捕获装置内外不透气 的缺点 与微气象法 风洞法相比又不需要高精密 度的监测仪器 操作简便易行 回收率高达 99.51% 变异系数仅为 0.77% 田间的比较试验表明 通气 法的测定结果与目前普遍承认的微气象学方法相一 致[8] 因此 这一方法对于原位测定土壤氨挥发应 有较大的应用潜力
引起空气质量恶化[5]
研究稻田氨挥发的过程以及减少稻田氨挥发的
技术方法 不仅能减少稻田氮肥损失 提高农业经
济效益 而且还可以防止由此引起的环境污染 本
文综述了国内外稻田氨挥发损失的研究进展 可为
我国稻田氨挥发进一步研究提供参考
１ 稻田氨挥发过程机理
NH4+-N 及其转化在水－气界面是一个包括多种 反应在内的复杂动力学过程 水分 土壤 生物
土壤培育试验表明 氨挥发随土壤阳离子交换
量 CEC 的增加而降低 达显著相关[13] 在水稻 盆载试验中 在阳离子较低的粉砂质壤土上 氨挥
发占施氮量的 35% 而在阳离子交换量较高的粘土 上 则只占施氮量的 10%
Duan[14]等认为在土壤 pH 和 CEC 之间关系可 用下式表示
LogY =-1.907 4+0.275 33x1-0.003 79x2
0.11
1.11
10.1
52.9
91.8
上升 10 氨的比例约增加 1 倍 表 1 对尿素 来说 脲酶活性还因温度的升高而增强[10]
２．３ 光照和降雨
施肥后的光照情况对氨挥发有很大影响 若光
照弱 则氨挥发小 若光照强 氨挥发则成为肥料
氮损失的主要途径或主要途径之一[11] 降雨主要是
通过雨水下渗将肥料带入深层土壤 增加 NH4+被 土壤颗粒吸附或植株吸收的机会和上升到土壤表层
生态环境 第 12 卷第 2 期 2003 年 5 月
Leuning[18]等研制了一种氨迎风采样器来测定 氨的平均水平总通量密度 将迎风采样器安装在 z1 高度处 这与上述的单一高度法相同
u ρ = M / At M 是采样器在 t 时间 秒 内收集到的氨量 g 以 N 计算 A 是通过风洞校正试验测得的采样 器的有效界截面积 m2 迎风采样器可以用来 代替氨采集器和风速计 这种方法的优点是设备 简单 无须电力供应和抽气泵 只需设置圆形施 肥区 缺点是结果不如单一高度法准确 气体动力学－水化学法 溶液中氨挥发的驱动 力是与液相相平衡的气态氨浓度与周围大气中的氨 浓度之差[19] 风速越大 则水面上氨移走越快 淹 水系统的氨挥发速率也就越高 将这些影响因子综 合起来 即为
稻下 液相是指田面水 气相是指田面水表面的空
气 氨挥发发生在田面水与大气的接口处 凡是能
使上述化学平衡向右进行的因素 都将促进氨挥
发
２ 影响稻田氨挥发的因素
２．１ 风速
在田间 氨挥发随风速增大而增多[7] Fillery[9] 等比较了菲律宾两个地区的水稻田中的氨挥发 虽
然两地在田面水中的铵态和氨态氮总浓度以及 pH
3
R 2 = 0.711 6
式中 Y 是氨挥发量 x1 是 pH 值 x2 是 CEC 因 pH 和 CEC 的相互作用导致了氨挥发总量中的
71.16%的损失 相关分析也表明 这两个因素也与
CaCO3 含量 总盐量 粘土含量和有机质含量密切 相关 所有这些土壤特征的相互作用促进了 pH 值
对氨挥发的影响 其相关系数达 0.718 3
F=ku( o- a) F 是从水面逸出的氨垂直通量密度 k 是迁移常数 u 是参比高度处的风速 o 是与液相相平衡的氨的 平均浓度 a 是在参比高度处的大气中氨浓度 Datta[20]用这个等式验证了氨挥发的预期值和测量值 的相关性达到 r 0.917 k 值在不同的位置不一 样 在液相平衡中的氨浓度与水中的(NH3+NH4+)-N 和水层温度 T, K 及 pH 相关 即
摘要 就稻田氨挥发产生过程和机理 影响因素 测定方法以及减少稻田氨挥发的有效技术作一综合回顾 对稻田氨挥发研
究中存在问题和今后研究的重点进行了讨论
关键词 稻田 氮素 氨挥发
中图分类号 S153
文献标识码 A
文章编号 1672-2175 2003 02-0240-05
我国是世界上最大的产稻国 水稻土的面积达
质量平衡法要求必须在几个高度处同时测定风 速和大气中氨的浓度 设置的最后高度应当是在试 区半径长度的 1/10 一般至少要测五个高度层面 试验区外作物的覆盖应与试区内相同 周围不施氮 肥 该法测得的结果比较准确 但是设备多 工作 量大
单一高度法[11]是质量平衡法的简化 只需测定 一个高度处氨的水平通量密度 在一定的风程和地 面粗糙程度下 在有氨逸出的施肥区上地某一高度 处 氨的水平通量密度与垂直通量成正比 而与大 气的涡流状态无关 此法要求是面积不能太小 半 径要在 20~50 m 之间 和地面作物覆盖一致 否则 由于采用的高度低 易于失去风速值 在水稻田间 试验中 当圆形区半径为 25 m 时 我国采用的测 定高度一般为 0.8 m 得出的氨总损失量与实测值 只相差 8 这个方法更简单省力 但是需要电力 支持
环境因素和管理措施的变化都会影响稻田系统中氨
挥发的动力学变化[6]
氮肥施入水田后 发生一系列变化 其中与氨
挥发直接有关的化学平衡如下
NH4+ 代换性 <=> NH4+ 液相 <=> NH3 液
相 <=> NH3 气相 <=> NH3 大气
1
氮肥指的是含有或能产生铵离子的肥料 如
碳酸氢氨 硫酸铵 尿素和各种有机肥 在淹水种
的阻力[12] 从而间接减少氨挥发损失
２．４ 土壤环境
分为促进因素和抑制因素两类 前者主要包括
土壤 pH CaCO3 含量和土壤总盐量 后者则包括 土壤有机质 CEC 和粘土含量 其中 pH 和 CEC 分别起主要作用
土壤 pH 值是影响氨挥发的一个十分重要的因 素 随 pH 升高 液相中氨态氮的比例升高 氨挥 发的潜力随之增大 如表 1 在 pH 6~8 范围内 每 增加一个 pH 单位 氨态氮占其总量的百分数约增 加 10 倍 pH 从 8 增加到 9 时 又增加 5~10 倍 ２．５ 阳离子交换量
在密闭法基础上 王朝辉等发展了一种适用于 小区试验和多因素对比研究的通气法[17] 该方法氨 捕获装置仅由一个聚氯乙烯硬质塑料管和两片浸过 磷酸甘油溶液的海绵构成 结构简单 浸润每块海 绵所需要的磷酸甘油溶液不超过 15 ml 仅相当于 海绵通气体积的 3.8% 试验过程中可以保证装置 内的土壤表面经海绵与外界环境的空气流通 下层 海绵用来吸收土壤挥发的氨 上层海绵吸收空气中
万方数据
宋勇生等 稻田氨挥发研究进展
表 1 温度和 pH 对溶液中 m(NH3-N)/m[(NH3+ NH4+)-N]比值(%) 的影响[7]
温度/ 6
pH
7
8
9
10
5
0.01
0.12
1.22
11.0
55.2
15
0.03
0.27
2.62
21.2
72.9
25
0.06
0.56
6.32
36.0
84.稻土面积的 23% 占我国
粮食耕地面积的 29% 但我国稻田中氮肥 碳铵和
尿素 的利用率只有 30%~35% 损失高达 50%以
上[1] 氮肥利用率低不仅直接影响农业生产效益
同时也造成土壤 水和大气环境的污染 对人类赖
以生存的环境造成危害
在稻田氮肥损失中 氨挥发占很大比例 是稻
241
发的影响 其相关系数达 0.718 3 ２．６ 管理因素
氮肥施入稻田后 其损失程度与氮肥种类 施 肥的方法和时期有关 从氮肥种类来说 碳酸氢铵 比尿素和硫酸铵的损失量大 而硫酸铵的肥效要比 尿素好一些 不同氮肥在氨挥发上的差异除了决定 于其本身的酸碱性外 还与相伴离子的性质有关 铵态氮肥的阳离子与碳酸钙反应形成的产物溶解度 愈小 则氨挥发也就可能愈多[7] 施尿素和碳酸氢 铵可使水稻田面水层 pH 上升 这促使以氨形态的 挥发损失严重 但是硫酸铵无此作用[15] 施肥量则 直接影响到田面水层的 NH4+的浓度 施肥方式主 要有表施 深施 粒肥深施等 不同施肥方式 NH3 挥发损失为 表施>混施>深施>粒肥深施[10] 灌溉 水或降水的性质也会影响到氨的挥发 其主要是通 过影响田面水的 pH 值而作用