氮肥品种对露地蔬菜NH3挥发及经济效益的影响

李晓明，居静，夏永秋，钱晓晴，颜晓元，周伟

（1.扬州大学环境科学与工程学院，江苏 扬州225000；2.江苏常熟农田生态系统国家野外观测研究站，中国科学院南京土壤研究所，南京210008）

我国是世界上最大的蔬菜生产国和消费国，2018年蔬菜播种面积已经达到了2.04×107hm2，占农作物总播种面积的12.30%[1]。叶菜类蔬菜在蔬菜种植中占比较大，其种类繁多、生长期较短、扎根较浅、肥料需求量大[2]。由于复种指数高，蔬菜氮肥的周年施用量可达1 000 kg·hm-2，是其他大田作物的2倍，但氮肥利用率却小于20%[3]。大量输入到蔬菜系统的氮素通过NH3、N2O等形式排放至大气中[2]，据统计，露地蔬菜种植所施用的氮肥有11%会以NH3挥发的形式进入大气与酸性物质结合，引起雾霾、酸雨等环境问题[4-6]。

太湖地区是我国经济最发达的地区之一，该地区蔬菜种植氮肥投入量大、复种指数高，NH3挥发损失量可占到施氮量的24%[7]。前人研究表明，选择合适的肥料品种、优化肥料措施是减少蔬菜地NH3挥发的重要途径[8-9]。例如代明等[10]发现适当比例的硝基复合肥替代氮肥可增加马铃薯产量，提高其品质，同时提高了化肥利用率。万伟帆等[11]发现脲酶抑制剂尿素可以减少马铃薯种植过程中的NH3挥发。有机肥替代也有较好的NH3减排潜力，武星魁等[12]发现适当比例的有机肥替代可以减少包心菜和小青菜种植所造成的NH3挥发。在冬小麦和夏玉米种植中，有机肥适量替代氮肥可以显著降低NH3挥发速率[13-14]。但这些研究大多针对某一种肥料或某一个季节开展研究，缺乏不同氮肥类型NH3排放特征的系统性研究。为此，本研究以当地大面积种植的上海青为供试蔬菜作物，通过田间试验，研究了不同氮肥品种对上海青产量及NH3挥发的影响，比较了NH3挥发造成的环境损失效益，旨在为本地区寻找合适的露地蔬菜NH3挥发减排增效技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在中国科学院常熟生态实验站（31°02′45″N，120°41′57″E）进行，该站地处亚热带中部湿润季风气候区，年平均温度16.5℃，年降雨量1 135.6 mm。供试菜地土壤类型为乌栅土，试验开始前采集土壤样品，利用元素分析仪（Vanio MACROcube CN）测定土壤碳、氮含量。供试土壤全氮（TN）为2.1 g·kg-1，全碳（TC）为20.2 g·kg-1，pH为6.1，电导率为149 mS·m-1，容重为1.21 g·cm-3。试验期间气温与降水量数据由中国科学院常熟生态实验站提供。

1.2 试验方法

试验于2019年5月至11月进行，共种植了4季上海青。试验共设置5个处理：传统尿素施肥处理（N200）、硝基复合肥处理（N200A）、脲酶抑制剂（NBPT）尿素处理（N200B）、有机肥部分替代（尿素∶有机肥=7∶3）处理（N200C）和不施肥处理（CK）。各处理肥料用量见表1。每个处理3个重复，随机区组排列。小区面积为5.20 m×4.80 m，每个小区设置一个NH3挥发采样微区，面积为0.60 m×0.30 m，微区施肥方法和施肥量与所处小区相同。根据当地农民施肥习惯，肥料作基肥深耕翻地后撒施，不再追肥。

1.3 植株样品采集与测定

上海青生长成熟后，每个小区选取1 m×1 m的样方进行记产，去除不可食用部分后计算商品上海青产量。

1.4 NH3挥发采集与测定

采用密闭室-间歇抽气法测定菜地NH3挥发[15]，密闭室由直径20 cm、高30 cm、无底有盖的有机玻璃罩组成，密闭室顶部的一个通气孔通过波纹管与2 m换气杆连接，另一个通气孔通过硅胶管与NH3吸收瓶连接，再通过硅胶管依次与流量调节阀、流量计、缓冲瓶和抽气泵相连。NH3吸收瓶为500 mL有机玻璃瓶，每个瓶内装有100 mL 0.05 mol·L-1的稀硫酸溶液，作为NH3吸收液。每日9：00—11：00和14：30—16：30进行采样，以这4 h的NH3挥发量作为每日NH3挥发的平均通量，估算每日NH3挥发总量。每次施肥后即开始采样测定，直至施氮处理与对照的NH3挥发通量无显著差异为止。采样结束后，将吸收液带回实验室，利用全自动化学分析仪（AMS SmartChem140，AMS-Alliance，Italy）测定吸收液中NH+4-N浓度。

表1试验处理肥料用量Table 1 Fertilization rates of the treatments

NH3挥发排放通量计算公式：

式中：F为NH3挥发排放通量，kg·hm-2·d-1，以N计；C为吸收液中NH+4-N浓度，μg·mL-1；V为NH3吸收液体积，mL；t为采样时间，h；S为密闭室的面积，m2；24为24 h·d-1；10-2为单位转换系数。

NH3挥发累积量计算公式：

式中：M为NH3挥发排放累积量，kg·hm-2；n为施肥后测定总次数；Fi为第i次测定时NH3挥发排放通量，kg·hm-2·d-1；ti为第i次测定的施肥后的天数；ti-ti-1时间间隔，d。

NH3排放系数计算公式：

式中：ρ为NH3排放系数；MT为各施肥处理的NH3挥发累积量，kg·hm-2；MCK为空白处理NH3挥发累积量，kg·hm-2；200为施氮量，kg·hm-2。NH3减排比例计算公式：

式中：R为NH3减排比例；MN200为传统尿素处理的NH3挥发累积排放量，kg·hm-2；Mt为其他施肥处理的NH3挥发累积排放量，kg·hm-2；MCK为空白处理NH3挥发累积排放量，kg·hm-2。

1.5 经济效益和环境效益评价方法

1.5.1 经济效益

增产率计算公式：

式中：N为增产率，%；Y为除N200外其他施肥处理产量，t；y为N200处理产量，t。增产效益计算公式：

式中：E为增产效益，元；Y为除N200外其他施肥处理产量，t；y为N200处理产量，t；VP为蔬菜价格，元·t-1；PC为种植成本，元·hm-2，包含肥料费、人工费、农药费、土地租金。

尿素价格为2 000.00元·t-1，硝基复合肥价格为4 000.00元·t-1，脲酶抑制剂尿素价格为2 100.00元·t-1，有机肥价格为1 000.00元·t-1，上海青价格为5 000.00元·t-1。人工费为15 000.00元·hm-2，土地租金为22 500.00元·hm-2，农药费为2 250.00元·hm-2。

1.5.2 NH3挥发造成的环境损失效益

式中：EC为环境损失，元·hm-2；M为土壤NH3挥发累积量，kg·hm-2；DC为NH3挥发环境损失，37.5元·kg-1N[16-17]。

1.6 数据分析方法

采用SPSS20.0软件进行统计分析，运用LSD方法检验处理间的差异性。采用Origin 2018、Excel 2016软件进行图表制作。

2 结果与分析

2.1 不同种类氮肥对上海青产量的影响

不同氮肥种类对上海青产量的影响如图1所示。N200、N200A、N200B和N200C处理上海青平均产量为27.20、34.03、31.46 t·hm-2和30.84 t·hm-2，其中N200A与N200处理差异显著，N200B、N200C与N200处理产量之间差异不显著。

2.2 不同种类氮肥NH3挥发排放通量

不同氮肥种类施入土壤后均观测到明显的NH3挥发损失（图2）。N200、N200A、N200B、N200C和CK处理NH3挥发通量的变化范围分别为0.02～7.74、0.03～0.54、0.01～1.66、0.01～4.58 kg·hm-2·d-1和0.02～0.39 kg·hm-2·d-1。4个种植季蔬菜地NH3挥发通量均表现为施肥后先显著上升到达顶峰再缓慢下降的变化趋势。具体而言，N200、N200C处理NH3挥发排放通量波动较为明显，N200B处理NH3排放通量较为平稳，N200A处理的NH3挥发速率很低，与CK处理处于同等水平。从NH3挥发速率动态变化看，施肥后1～8 d是NH3挥发发生的主要时间段，此阶段各施肥处理NH3挥发速率差异显著（P＜0.05），第9 d之后各处理NH3挥发速率无差异。从季节变化看，夏季种植季（8—9月）蔬菜地NH3挥发通量显著高于其他季节。

2.3 不同种类氮肥NH3挥发累积排放量及排放系数

不同氮肥处理NH3挥发累积排放量存在明显差异，具体见表2。4个蔬菜种植季N200、N200A、N200B、N200C和CK处理的NH3挥发累积量的变化范围分别为1.80～44.86、0.47～5.72、0.09～8.84、0.48～24.55 kg·hm-2和0.18～3.87 kg·hm-2。4个种植季各施肥处理平均NH3挥发系数分别为11.22%（N200）、0.84%（N200A）、2.28%（N200B）和5.12%（N200C），常规尿素NH3排放系数最高，硝基肥NH3排放系数最小。

如表2所示，与常规尿素相比，其他氮肥处理均有显著的NH3减排效果，其中N200A的减排比例达到84.84%，其次是N200B，减排比例达74.52%。不同种植季NH3减排量存在差异，其中第二季NH3减排量最大，而第四季各处理间NH3排放通量差异不显著，因此NH3减排效果不明显。

2.4 不同种类氮肥对上海青经济效益的影响

与N200相比，N200A、N200B和N200C处理均有增产效果（表3），其中N200A增产率为25.13%，N200B与N200C处理的增产率分别为15.68%和13.41%。N200A增产带来的经济收益可达到29 686.25元·hm-2，N200B、N200C处理分别为21 256.53元·hm-2和15 460.84元·hm-2。

2.5 不同种类氮肥NH3挥发造成的环境损失效益

如图3所示，不同氮肥种类NH3挥发造成的环境损失效益存在显著差异，其中N200的环境损失最高，为928.13元·hm-2，其次为N200C。N200A的环境损失效益最低，仅为140.63元·hm-2，与N200相比，减少了84.85%。

表2不同种类氮肥NH3挥发平均累积排放量及平均排放系数Table 2 Average total NH3 fluxes and the average emission rates of the four vegetable growing seasons for the different nitrogen fertilizer types

表3不同种类氮肥对上海青经济收益的影响Table 3 Economic benefits of pak choi under the different nitrogen fertilizer types

3 讨论

3.1 不同种类氮肥对上海青产量及菜地NH3挥发的影响

与常规尿素相比不同种类氮肥对上海青均有一定的增产效果，说明本试验所选用的氮肥品种在减少NH3挥发的同时，不会对蔬菜产量造成影响。不同种类氮肥施入土壤后均观测到明显的NH3挥发损失，不同种植季间NH3挥发排放通量有所差别。其中第二季（8—9月）和第三季（9—10月）各处理NH3的排放通量明显高于第一季（5—6月）和第四季（10—11月）。这主要是受到温度的影响，随着气温的升高，NH3的溶解性降低，同时由NH+4转化为NH3的比例增多，从而增加了NH3由土壤向空气中排放的数量[18]。万伟帆等[11]、龚巍巍等[19]的研究均表明NH3挥发与土壤温度呈正相关。土壤含水率也是影响NH3排放的一个重要因素，不同蔬菜种植季降雨量不同，导致土壤含水率不同，从而造成NH3排放的差异[20]，本次试验前3季种植期降水丰沛（图4），因此NH3排放量要高于第4季。采样期间土壤含水率与NH3排放通量呈显著相关（P＜0.05），土壤温度与NH3排放通量相关性不显著，但是总体动态趋势较为一致，这可能是由于采样期间温度变化不明显导致的（图5、图6）。

与常规尿素相比，本试验选用的硝基氮肥、脲酶抑制剂尿素和有机肥部分替代尿素均在一定程度上减少了菜地NH3挥发，其中硝基氮肥的NH3减排效果最佳。与传统尿素相比，硝基复合肥的氮素主要以NO-3-N为主，溶于水、肥效快。且上海青属于喜硝作物，硝基肥料施入土壤后可在短时间内溶解而被根系吸收利用，在促进作物生长的同时[21-22]，也大幅降低了菜地的NH3挥发排放。

脲酶是一种重要的土壤水解酶，它可以催化尿素水解产生NH3、水和CO2[23]。常规尿素在施入土壤后会在土壤脲酶的作用下水解，水解产生的NH4HCO3会迅速转化为NH+4-N，其中一部分被土壤吸收成为吸附态的NH+4，另一部分则进入到土壤溶液中，迅速提高NH+

4的浓度，为NH3挥发提供了充足的底物。有研究表明，施用脲酶抑制剂会使NH3挥发的高峰期推迟[24-25]，可以有效降低NH3排放速率、减少NH3挥发累计损失量[24]。因此，实际生产中常通过在尿素中添加脲酶抑制剂，以达到提高氮素利用率的目的。本研究中脲酶抑制剂尿素的NH3挥发损失率为2.28%，远低于常规尿素的11.22%。

与常规尿素相比，有机肥替代部分尿素也有一定的NH3减排效果，这主要是因为有机肥腐解时会产生大量的有机酸[26-27]，有机酸可以降低土壤pH，增加土壤对NH+

4的固持，从而减少NH3的排放，有效实现NH3减排的目的。本试验中的有机肥替代率为30%，小于其他研究者50%以上的氮肥替代率，因此NH3减排效果不及其他研究者的结果[28]。

3.2 不同种类氮肥对露地蔬菜NH3减排效果的评价

不同种类的氮肥除了对NH3排放有一定程度的影响，可能还会引起其他风险和成本效益的改变。有研究表明，在种植菠菜时使用硝基肥可增产7 500 kg·hm-2[29]。付胜昔[30]发现，与尿素相比硝基复合肥可使辣椒增产11.0%。尹飞等[31]发现使用硝基复合肥可使小麦增产5.8%。在冬瓜种植时使用添加脲酶抑制剂的尿素，可增产17.0%[32]。武星魁等[12]发现有机肥部分替代化肥氮可使包心菜和小青菜增收11.7%和5.4%，NH3挥发可分别降低53.1%和87.8%。本研究中，与N200处理相比，N200A、N200B、N200C处理在减少NH3排放的同时，上海青的产量也有不同幅度的增加，提高了经济效益。其中N200A蔬菜产量最高，平均为34.03 t·hm-2，与N200相比增加25.13%，同时N200A的环境损益最低，为140.63元·hm-2，是最有效的露地蔬菜NH3减排技术。

4 结论

4个种植季观测期内，NH3挥发主要发生在施肥后15 d内，峰值主要出现在施肥后5～9 d。与常规尿素处理相比，脲酶抑制剂、有机肥替代和硝基复合肥处理既可保证上海青的产量，同时能大幅降低NH3排放。其中硝基复合肥处理增产率最高，NH3挥发减排量最多，是最有效的露地蔬菜NH3减排肥料品种。如果能进一步降低成本，硝基复合肥将具更大优势。