基于层次分析法的稻田氨排放影响因素权重分析

卢丽丽 ，吴根义

（1. 湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128；2. 湖南省环境保护养殖与农业种植污染控制工程技术中心，湖南 长沙 410128）

农田耕种中，工业氮肥的使用会释放出大量的氨，这是大气中最为丰富的碱性气体。近年来，中国科学家提出减少氨气排放是减轻气溶胶污染的有效措施，因为氨气可以与酸性气体反应形成气溶胶并造成污染。氮肥的过量使用不仅造成环境污染，氮肥利用率低，还造成了资源的浪费。在稻田中，影响氨排放的最主要因素就是施肥措施，而影响施肥后氨排放的因素有气象条件、土壤的理化性质及田面水。这些因素相互影响，错综复杂，需要有一定方式方法来确定哪些因素对氨排放影响最大。此外，控制氨排放的措施需要从可控的因素入手，控制大气氨排放。研究大气氨排放的影响因素为后续提出大气氨减排措施提供依据，另外，它同时关系到农田作物产量的增长状况，对以后农田的管理工作有着十分密切的联系[1]。

在稻田中，氨排放的过程如下：土壤中的NH4+以及施肥后由肥料水解及分解的NH4+进入到田面水中，与水中的OH-结合产生NH3·H2O，最后通过水气界面进入到大气环境。在氨排放过程中，不同的农田管理措施，如耕作管理（耕作方式、耕作时间），施氮管理（施肥方式、氮肥种类、施肥时期、施肥量）、气象条件（温湿度、降雨量、风速、光照），土壤性质（土壤pH值、土壤温度、有机质、黏粒含量、脲酶活性、田面水pH值、田面水温度、田面水深度）等，都会引起土壤中NH4+浓度的变化，影响农田大气氨排放的过程及排放量。

农田施氮管理措施对氨排放的影响是最大的。有研究表明，稻田施用碳铵、尿素等易溶性氮肥后田面水中氨及铵态氮含量快速增高，是氨挥发的内在原因[2]。碳铵是所有氮肥中最易挥发的，其次是硝酸铵、硫酸铵[3]。尿素的氨挥发量大于硫酸氨、硝酸铵钙和硝酸铵[4]。施氮量与氨排放量的关系，不同学者在不同的研究中结果略有差异，有的认为氨排放量与施氮量之间存在显著的指数线性关系[2,5]。还有的认为是线性显著相关[6-7]。邓美华研究发现氨挥发随施氮量的增加而增加，两者呈乘幂关系[8]。

影响稻田氨排放的还有气象因素。有研究表明，稻田的氨排放速率受日平均温度、日照时数、风速和相对湿度等气象条件的影响，氨挥发速率与温度、风速、日照时数呈正相关，而与空气湿度呈负相关[9]。有研究发现，氨挥发速率和田间温度在变化趋势上是相似的[10]。温度与土壤中氨排放呈极显著正相关关系[11-14]。在一定范围内，风速与氨排放呈正相关关系。Fillery在文献中把风速与氨挥发的关系用F=k×P×W表示，其中k为常数，P为田面水中的氨（NH3）分压，W为风速[15]。

田面水中铵态氮浓度是影响稻田氨排放的重要因素。有研究发现，水稻施肥后短期内田面水NH4+-N含量显著上升，其与氨挥发速率呈显著正相关（线性相关）[6,7,14,16-20]。除此之外，田面水pH值也是影响稻田氨排放的一个重要因素，且与氨排放呈线性正相关关系[14,16,17,19,21]。水层深度以及温度也是研究稻田NH3排放时需要考虑的一个因素。已有研究表明，高温会通过提高脲酶活性加快尿素的水解速度，也可通过提高NH3和NH4+的扩散速率，促进NH4+转化为NH3[22]。田面水温度与氨挥发速率呈正相关关系，相关系数达0.964 0（n=9）[16]。在盛伟红的试验研究中，水层温度与NH3挥发通量之间总体呈正相关关系[23]。田面水越深，可以抑制稻田的氨挥发，因此，田面水深度与氨挥发呈负相关。

土壤因素是稻田氨排放的另一个重要影响因素。有研究表明，氨挥发通量与表层土壤NH4+-N含量亦呈现极显著相关关系（P<0.01）[18]。在稻田分蘖肥时期和穗肥时期，土壤NH4+-N浓度，pH值和温度与氨排放通量呈正相关性。相关系数在不同时期略有不同[14]。在稻田，土壤NH4+-N浓度与氨排放的相关系数为0.874 1[20]。在整个水稻生长季节，土壤NH4+-N浓度、pH值和土壤温度与氨排放的相关系数分别为0.731、0.704和-0.210[21]。施用尿素后，土壤脲酶活性与氨挥发量之间相关系数R=0.979 9[24]。

综上所述，在众多报道的文献中，都是对单个因素或几个因素的分析，对所有氨排放影响因素整体分析的文献较少，哪些因素是最主要的影响因素或者关键影响因素未有系统分析，笔者将通过层次分析法，结合诸多学者的研究结果，综合分析各影响因素的影响权重，确定关键影响因子，从可控制的影响因素入手，提出减少或控制氨排放的措施和建议，为制定氨减排措施提供依据及建议。

1 影响因素及分析方法

1.1 建立氨排放影响因素层次分析结构模型

利用层次分析法（AHP）对影响稻田氨排放的因素进行权重计算与分析。

首先构造出有层次的影响因素结构模型。对影响因素进行归纳以及总结后建立的层级结构分析图（图1）。

图1 氨排放影响因素结构

1.2 各因素的重要度分析

如图1所示，建立了影响稻田氨排放的因素层次结构图，结构图中的各影响因素的重要度通过两两比较来确定并得到相应的判断矩阵。具体取值如表1所示，使用1～9标度来定量。

在影响氨排放的三大因素中，施肥因素是最主要的因素，稻田中的氨排放最重要的来源。土壤因素和气象因素中，对氨排放影响较大的是土壤因素。因此，认为准则层中的重要度排序为：B3>B2>B1。利用两两比较的方法，结合表1对其进行赋值，再利用和积法求出重要度，构造出准则层中三因素对于目标层的相对重要度。准则层的构造判断矩阵如表2所示。

表1 标度含义

表2 B-B判断矩阵

用MATLAB计算判断矩阵的最大特征值λmax=3.096 0，为防止构建的判断矩阵逻辑混乱，需要用一致性比率进行一致性检验。一致性比率计算见公式①及公式②。

其中，CI是一致性检验指标；λmax是判断矩阵的最大特征值；n是判断矩阵的矩阵阶数。

其中，CR是一致性比率；RI是随机一致性指标，取值跟判断矩阵的矩阵阶数有关（见表3）。

表3 RI随机一致性指标取值

判断准则：当CR<0.1时或λmax=n，CI=0时，认为判断矩阵具有满意的一致性，否则需调整判断矩阵中的元素以使其具有满意一致性。

指标层的构造判断矩阵见表4～表7所示，表6是对各判断矩阵的一致性判断结果。由表7所知，判断矩阵的判断结果具有满意的一致性，因此，各影响因素的相对重要度是可取的。

表4 B1-P判断矩阵

表5 B2-P判断矩阵

表6 B3-P判断矩阵

表7 判断矩阵一致性

2 结果与分析

根据矩阵计算出影响稻田氨排放的各影响因素的权重及排列顺序如表8所示。

表8 各影响因素的权重及排序

根据表8及图2可知，对稻田氨排放的最大影响因素是施肥的方式，其次是施肥量和肥料种类的影响，所占权重值分别是0.382 2、0.199 7和0.097 0。其中，施肥方式的影响权重占整个影响因素权重的38.22%，施肥量是第二大影响因素，所占权重比例为19.97%，第三大影响因素是肥料种类，所占权重比例为9.70%。田面水铵态氮浓度和田面水pH值是土壤及田面水因素中对氨排放影响最大的两个因素，所占权重分别为0.073 0和0.049 9，权重比例之和为12.29%。因为稻田的氨排放发生在水气界面，水的参数影响最大，但同时施肥后田面水中铵态氮浓度和pH值也会发生变化，施肥也是影响田面水参数的主要因素之一。

图2 各影响因素权重分布情况

在气象条件中，对稻田影响最大的是大气温度，权重值为0.040 8，所占权重比例是4.08%，大气温度和光照同时也影响着田面水和土壤的温度。但大气温度是不可控因素。其他气象条件对氨排放也有影响，所占比重较小，因此影响都较小。

3 结 论

通过层次分析法对稻田氨排放的各影响因素的定量分析，结果表明：稻田氨排放的影响因素从大到小依次为：施肥与田间管理>田面水与土壤>气象条件，施肥与田间管理是最大的影响因素；这些因素中，排在前三位的分别是施肥方式、施肥量和肥料种类，其权重分别是0.382 2、0.199 7和0.0970，这3项占整个权重的67.89%。田面水与土壤因素中，田面水铵态氮浓度与pH值是影响氨排放的重要因素，权重值分别为0.073 0和0.049 9；气象条件中，影响最大的因素是温度，权重值为0.040 7。因此，控制稻田氨排放首先是施肥方式的选择，其次是用合理的施肥量进行施肥，施肥后可采取灌溉等方式降低田面水铵态氮浓度来减少稻田氨的排放。

4 讨论及建议

通过对稻田中氨排放影响因素的分析，施肥及田间管理模式是导致稻田中氨排放的最大影响因素。其中施肥的方式及施肥量是最主要的影响因素。影响权重分别为0.382 2和0.199 7。另外，肥料种类的不同也是影响氨排放的一个重要因素，权重为0.097 0。这三项影响因素权重占整个权重的67.89%，且这三项都是施肥管理中的因素，都是可控因素，因此，要控制农田氨排放量，可以从施肥方式、施肥量以及施肥种类入手，来减少农田氨排放量。（1）在施肥方式上，稻田施肥基肥一般采用撒施靶混的形式，追肥都采用撒施的形式。因为有研究表明，肥料深施或撒施靶混能有效减少氨的排放，是因为深施或撒施靶混的施肥方式增大了肥料与土壤的接触面积，间接增加土壤胶体对NH4+的吸附能力，减少了NH4+转化为NH3，有效减少了氨的排放。（2）在施肥量上，应该在尽量满足作物需求的同时减少施肥量，有研究表明，施肥量较小时，氨排放与施肥量呈线性相关，施肥量过大，氨排放与施肥量呈指数相关。因此，合理施肥是关键。另外，采取同等施肥量下多次施肥的方式也是减少氨排放的一个措施。（3）在肥料种类上，有资料显示，碳铵是所有工业化肥中最易会发的，其次是硝酸铵、氯化铵和硫酸铵，尿素虽不是氨排放速率最大的，但却是使用最大的工业化肥，因此也是农田氨排放的重要来源。还有研究显示，使用有机肥或者有机化肥配施化肥能在一定程度上减少氨的排放，但使用有机肥料也受多种条件的影响，氨排放减少，但减少程度不确定，因此，在这方面还需加强研究，找出一套降低农田氨排放的有机肥施肥措施。

土壤理化性质的不同对田面水中的pH值和铵态氮浓度的变化有影响，同时也影响田间氨排放。田面水中铵态氮的浓度是氨转化和挥发的主要影响因素，田面水浓度是土壤及田面水因素中的主要影响因素，其次是田面水的pH值，权重分别为0.073 0与0.049 9。田间氨挥发与田面水NH4+-N浓度、pH值、田面水温度的关系，使用灰色关联熵方法进行分析，发现3个影响因子与氨挥发的殇关联度分别约是0.992 9、0.992 5、0.987 0[5]，说明田面水对田间氨挥发的影响大小分别是：田面水NH4+-N浓度> pH值>田面水温度，与此研究结果一致。因此，对氨排放最大的影响因素是田面水NH4+-N浓度、田面水pH值，其次是土壤NH4+-N浓度、土壤pH值。土壤温度、田面水温度以及土壤有机质对氨排放影响不显著，土壤脲酶活性在使用尿素时对氨排放有明显的作用。对于水田，水层深度可能会影响氨挥发，浅水层铵态氮浓度和水温要高于深水层，氨挥发速率也较大[17]。

在气象条件影响因素中，温度的高低是主要影响因素，所占权重为0.040 7。大气温度和光照时间主要是影响土壤和田面水的温度，温度越高，光照时间越长，土壤和田面水温度升温越快，温度越高。降雨量的大小主要是影响田面水的深度，空气湿度影响液相中的氨向空气中释放。风速越高，水面上方大气中的氨被带走的越快，从而促使液相氨不断向气相氨转化，较大的风速还通过扰动水层而使得与气相平衡的水面已耗竭的氨能迅速被补充，从而使氨挥发继续进行[25]。因此，温度是稻田施肥后氨排放的最大影响因素，其次是风速和日照。空气湿度和降雨量在稻田与氨排放呈负相关，对氨排放的影响较小。

因此，控制稻田氨排放量，主要从可控的影响因素入手来减少氨排放量。在这些主要影响因素中，施肥方式、施肥量、肥料种类以及田面水铵态氮浓度是可以通过人为手段来调节，控制氨排放量。