基于本地化因子的上海市露天蔬菜地氨排放时空分布特征

2022-05-25苗文亮徐昶沈根祥钱晓雍纪英杰倪远之付侃徐春花

农业资源与环境学报 2022年3期

苗文亮，徐昶，沈根祥，钱晓雍，纪英杰，倪远之，付侃，徐春花

（1.上海市环境科学研究院，国家环境保护新型污染物环境健康影响评价重点实验室，上海 200233；2.华东理工大学资源与环境工程学院，上海 200233；3.上海市农业技术推广中心，上海 200233）

氨（NH3）是大气中主要的碱性气体，在大气化学作用、运输和沉降等过程中扮演着重要角色[1]。挥发到大气中的NH3在大气运输和沉降过程中对环境形成氮负荷，过量的氮负荷会使环境富营养化，因此会对生态系统造成各种负面影响，如导致土壤、水体酸化和生物多样性的变化[2-3]。NH3排放还会在大气中快速沉积形成N2O，而N2O 是重要的温室气体之一，因此NH3排放会增加与农业系统相关的全球变暖潜力[4]。在空气潮湿的情况下，NH3易与大气中硫酸和硝酸反应形成颗粒物，对PM2.5污染及灰霾天气的产生有重要影响[5-7]。研究表明，农业源NH3排放是大气中NH3的主要来源之一[8]，其中施用氮肥造成的NH3排放占总排放量的40%以上[9]。2006—2014年长江三角洲地区氮肥施用所释放的NH3排放量占总排放量的60%左右[10]。研究显示，蔬菜种植过程的氮肥施用是北方种植业NH3排放的最主要来源，贡献率达到了38.91%[11]，而在上海地区，随着工业化和城市化的持续发展，近年来耕地面积逐渐减少，蔬菜种植面积不断上升[12]，其NH3排放对大气环境的影响也日益凸显。

国外较早就已经开展NH3排放来源的研究，据FERM[13]的研究统计，欧洲NH3排放量从1950 年前后开始急剧增加，其中畜禽养殖和氮肥施用排放的NH3占人为源NH3排放总量的90%以上，在大多数亚洲国家，氮肥施用造成的NH3排放约占总排放量的45%[14]。有研究表明，全球农田NH3排放量为（14.4±2.3）Tg[15]，中国、印度和美国贡献最大，占全球农田NH3排放量的60%以上[16]。国内当前对农田NH3挥发方面的研究主要集中在水稻、玉米、小麦等粮食作物。研究显示，我国太湖流域水稻种植期间NH3累积排放量占施氮量的21.3%[17]，东北地区春玉米种植NH3排放损失率为11.06%[18]；山楠等[19]研究发现京郊地区小麦田NH3排放损失率为2.0%～6.7%。然而国内外针对蔬菜种植NH3排放损失的研究较少，丁武汉[20]研究得到设施黄瓜-番茄地中施用化肥氮处理的NH3挥发系数为0.43%～3.83%，罗付香等[21]发现白菜种植的NH3排放损失率在5.03%～7.20%之间，但这些研究大多针对某一种蔬菜或某一个季节开展，缺乏不同季节和不同蔬菜类型NH3排放特征的系统性研究。

鉴于此，本研究以上海地区典型蔬菜品种不同种植模式为研究对象，采用通气-氨捕获法对露天蔬菜种植的NH3排放进行监测，并对监测区域所在地的气象因子进行监测，通过第二次全国污染源普查及上海市农委相关统计，获取上海各区镇蔬菜种植面积，以及不同蔬菜典型季节种植面积等数据，探讨常规施肥条件下露天蔬菜地NH3排放特征及其关键影响因子，分析上海地区露天蔬菜地的NH3排放规律特征及其时空分布，为完善上海地区乃至太湖流域农业源NH3排放本地化系数和排放清单提供数据基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与试验设计

本研究选取上海市青浦现代农业园区露天蔬菜田为试验研究区域。青浦农业园区位于上海市青浦区练塘镇泾花村（30.58°N，120.04°E），该地属于北亚热带季风气候，年均温度16 ℃，年均降雨量1 181 mm，其中60%的降雨集中在4—8 月。试验区域土壤为青紫泥，0～20 cm 耕层土壤基础性质：有机碳10.3 g·kg-1，全氮1.09 g·kg-1，有效磷0.92 g·kg-1，速效钾15.35 g·kg-1，含水率17.27%，pH 7.9，阳离子交换量（CEC）12.24 cmol·kg-1。

试验时间为2017 年3 月—2018 年3 月，春季为3—6 月，夏季为6—9 月，秋季为9—11 月，冬季为11月至次年3 月。共设置三块小区，面积分别为60 m×30 m、40 m×30 m 和30 m×30 m，分别种植叶菜类蔬菜、白菜类蔬菜、瓜类蔬菜、茄果类蔬菜和豆类蔬菜。每个小区设置3个平行、1个背景空白对照，小区之间设置0.5 m高的水泥田埂，防止土壤与水分交换。

根据上海市农委数据及露天常见蔬菜类型调研结果，试验地根据蔬菜种植的季节性规律分时段种植不同品种蔬菜。叶菜类蔬菜种植时间一般为春季与秋季，生长周期为1～2 个月，种植期与生长期均在春秋季；夏季温度高，适合喜热怕冷的茄果类和瓜类蔬菜生长，茄果类蔬菜生长周期为2～3 个月，瓜类蔬菜生长周期为4～6个月，一般初夏种植，夏季生长成熟；豆类蔬菜生长周期为2～3个月，一般在夏季末进行种植，秋季生长成熟；冬季温度较低，一般种植白菜，生长周期为1～2 个月。因此，本研究在春季种植叶菜类，代表性蔬菜为小青菜；夏季种植茄果类和瓜类，代表性蔬菜为茄子和南瓜；秋季种植豆类，代表性蔬菜为豇豆；冬季种植白菜类，代表性蔬菜为大白菜。各季节种植品种及周期如表1所示。

1.2 施肥管理

研究期间施肥管理及灌溉方式如表1 所示。叶菜类、瓜类与茄果类蔬菜在基肥撒施后进行定植或播种，之后进行追肥。豆类与白菜类蔬菜施用基肥后定植，不再进行追肥。施肥量均参照当地常规施肥方式与用量，以反映上海市露天蔬菜实际种植状况下的NH3排放特征。其中所用有机肥主要成分为有机质，尿素主要成分为碳酰胺，复合肥为硫酸钾型复合肥，主要成分为硫酸一铵、硫酸二铵、硫酸铵、硫酸钾。灌溉方式为漫灌，即直接利用胶皮水管从灌溉渠道引水进行大水浇灌。

表1 露天蔬菜种植周期、施肥管理及灌溉方式Table 1 Planting cycle，fertilization management and irrigation mode of open field vegetables

1.3 试验材料与方法

基于露天蔬菜田的实际特点，采用通气法监测获取NH3排放通量。通气法装置由内径15 cm、高14 cm的圆柱形聚氯乙烯管制成。在管内距地面5 cm 和9 cm处分别放置两块厚度2 cm、直径15 cm的海绵。海绵放置之前浸以15 mL 的磷酸甘油溶液，下层的海绵用于吸收土壤排放的NH3，上层海绵用于隔绝外界空气中的NH3。土壤挥发NH3的捕获于施肥当天开始，在各小区的不同位置分别放置3 个捕获装置，次日早晨8：00 取样。取样时，将通气装置下层的海绵取出，迅速装入盛有300 mL KCl 浸提液的塑料瓶中，密封后带回实验室分析；同时将另一块准备好的浸过磷酸甘油的海绵换上；上层海绵则根据实际情况3～7 d 更换1 次。采集的海绵样品装入盛有300 mL 1.0 mol·L-1KCl 浸提液的塑料瓶中，使海绵完全浸于其中，振荡1 h 后，浸取液用流动注射-水杨酸分光光度法（HJ 666—2013）测定铵态氮的浓度。采样周期为每次施肥后的1～10 d，此后根据NH3浓度水平每隔3 d 或7 d监测一次，直到浓度变化趋向平稳。NH3排放通量具体试验方法参考文献[22]及第二次全国污染源普查种植业氨气排放量普查核算的NH3排放通量推荐测试方法。为了保证试验数据可靠性，本研究在实验室内进行回收率试验，结果表明该方法回收率达到99.51%，变异系数仅为0.77%，证明通气法捕获装置内的NH3挥发过程更接近于自然情况，测定结果的准确度和精确度也较高。

通过拓普瑞超声波气象五参数仪在线获取试验期间的温度、相对湿度、气压、风速等主要气象数据，并通过全球天气精确预报网（www.wunderground.com）获得区域环境气象数据作为比对，确保数据准确可靠。

此外，根据第二次全国污染源普查及上海市农委相关数据，获取了上海各区镇蔬菜种植面积以及不同蔬菜各季节种植面积（春季10 548 hm2、夏季8 754 hm2、秋季15 513 hm2、冬季3 729 hm2）等数据，结合实测获得的本地化排放因子，得到全市各区镇NH3排放时空分布清单。

1.4 数据处理

NH3排放通量及损失率等参数计算参照文献[22]和第二次全国污染源普查种植业氨气排放量普查核算的推荐方法，具体如下：

（1）NH3排放通量

式中：F为NH3排放通量，mg·m-2·d-1；C为所测得NH3浓度，mg·L-1；V为提取液体积，L；r为气体收集装置的半径，m；T为收集时间，d。

（2）NH3累积排放量

式中：L为NH3累积排放量，kg·hm-2；j为时间，d；Fj为第j天的NH3排放通量，kg·hm-2·d-1；FCK，j为第j天空白对照处理的NH3排放通量，kg·hm-2·d-1；

（3）NH3排放损失率

式中：U为NH3排放损失率，%；Q为施氮量，kg·hm-2。

（4）区域蔬菜种植NH3排放量

式中：G为区域NH3排放量，kg；Ui为第i种蔬菜的NH3排放氮损失率，%；Si为第i种蔬菜的种植面积，hm2；Pi为第i种蔬菜单位面积施氮量，kg·hm-2。

运用Excel 2016 软件进行Pearson 相关性分析，通过Origin软件进行制图。

2 结果与讨论

2.1 NH3排放季节变化特征

图1 为春夏秋冬4 个季节5 种典型蔬菜品种露天种植期间NH3排放通量变化趋势。总体来看，叶菜类、瓜类、茄果类、豆类和白菜类种植期间的NH3排放通量变化范围分别为0.23～389.71、13.09～1 636.93、11.33～1 619.15、22.91～345.57 mg·m-2·d-1和2.82～1 189.11 mg·m-2·d-1，NH3排放最大值大多出现在施肥后的2～5 d之间，分别达到本底值的322、1 349、1 335、156 倍和423 倍，表明种植过程的氮肥施用对大气NH3排放具有显著影响。

图1 5种典型蔬菜种植期间NH3排放通量和气象因子变化Figure 1 Changes in NH3 emission flux during planting of five typical vegetables

具体来看，春夏季叶菜类、瓜类、茄果类蔬菜种植均存在基肥和追肥两个阶段。基肥期间NH3排放通量变化趋势整体较为平稳，表明该期间NH3排放量总体较小；追肥期间NH3排放通量的变化趋势与基肥施用密切相关，追肥后NH3排放通量显著上升，最高达到施肥前的近1 000 倍，显著高于基肥期NH3排放水平，表明追肥施用过程对NH3排放具有显著影响。基肥和追肥过程NH3排放通量的巨大差异可能有两方面原因。一方面，基肥和追肥时期施用的肥料类型不同。基肥施用的肥料为有机肥，其含有的有机氮会先被微生物转化为尿素氮，进而水解成形式，这种延迟作用在一定程度上降低了NH3的挥发[23]；相比而言，追肥施用的肥料为尿素，其主要成分为碳酰胺，施入土壤后会快速水解反应生成OH-，从而提升土壤中的pH，加快NH3的生成，促进NH3的挥发[24]，因此其损失率显著大于有机肥。另一方面，春夏季频繁的降水也是影响NH3挥发的重要因素。基肥期间降水频繁，导致有机肥料被雨水带入土壤深层，增加了被土壤胶体吸附或作物吸收的机会[25-26]，导致NH3挥发量一直处于较低水平；而追肥期间施用的是尿素，频繁的降水也导致土壤含水量升高，促进了尿素的水解，使得浓度升高，加速了向NH3的转化，进而促进了NH3的挥发[24]。

与春夏季不同的是，秋冬季蔬菜种植期间仅施肥一次，两者的NH3排放通量变化趋势均呈现施肥后显著上升、到达顶峰后缓慢下降的变化趋势。具体来看，秋季豆类和冬季白菜类蔬菜的NH3排放通量峰值时间存在显著差异，分别出现在施肥后的第6 天和第2天，这可能与肥料施用后的溶解效率和土壤对-N的固持能力有关。碳铵的溶解和尿素的水解都会影响农田NH3的挥发[24]，8 月15 日基肥施用后进行了浇灌，由于温度较高，田间水分蒸发较快，氮肥较难得到充分溶解，再加上种植豆类蔬菜的土壤对-N 的固持能力较强，导致初期NH3挥发速度缓慢；3日后又对豆田进行浇灌，促进了未溶解的氮肥进一步溶解，在高温环境下，NH3挥发量迅速上升并达到了最大值。相比而言，冬季白菜类种植期间温度相对较低，田间水的存留时间较长，导致氮肥被充分溶解挥发，排放通量最大值也出现得较早。

2.2 NH3排放通量及损失率

表2 为不同季节不同类型露天蔬菜NH3排放通量及损失率，可见种植期间各类别蔬菜的NH3排放持续时间为15～18 d。贺发云等[27]对南京地区小青菜种植期间NH3排放的研究表明其NH3排放持续时间为17～19 d，与本研究结果相似，说明露天蔬菜的NH3挥发是一个相对缓慢的过程。相比而言，陈园等[28]和房效凤[29]对水稻种植期间NH3排放进行研究，发现其排放过程持续时间为7～11 d，低于本研究旱地露天蔬菜的排放周期。研究发现，水田作物种植过程施肥后的NH3排放最大值通常出现在施肥后1～3 d[30]，这主要是由于水田中土壤含水量高且存在田间水，能够有效促进氮肥水解，因此NH3排放最大值出现较早；有研究表明，稻田NH3挥发通量与田间水NH+4浓度并非完全的线性同步关系，一方面，随着稻田尿素的逐渐水解，更多地吸附分配到土壤胶体上，导致田面水浓度锐减，另一方面，田面水中游离态NH3浓度较高，而NH3有2 个孤立电子，游离NH3通过极性共价键影响其活度，其活性随游离NH3浓度增加而降低，从而影响NH3的排放过程[31]。这也表明了旱地与水田作物种植的NH3排放过程具有显著差异，其机制较为复杂，受多种因素影响。

表2 露天典型蔬菜种植NH3排放特征Table 2 NH3 emission characteristics of typical open-air vegetable cultivation

相比而言，瓜类和茄果类的NH3排放通量最大，分别达到了1 636.93 mg·m-2·d-1和1 619.15 mg·m-2·d-1。一方面，夏季蔬菜种植期间的施肥量达到了240 kg·hm-2，总体高于秋冬季；另一方面，夏季较高的温度和频繁降雨所导致的较高土壤含水量，促进了肥料的溶解，增加了NH+4浓度，从而促进了NH3挥发，进而提升了NH3排放通量。

整体来看，叶菜类、瓜类、茄果类、豆类和白菜类的NH3排放损失率分别达到了6.02%、18.30%、14.98%、14.57%和11.77%，表现为瓜类>茄果类>豆类>白菜类>叶菜类，季节上表现为夏季>秋季>春季>冬季。不同类型蔬菜NH3排放呈现显著的季节变化特征，并主要受以下几个因素影响。首先，露天蔬菜的种植具有显著的季节性特征，如上海地区春季一般种植叶菜类蔬菜，夏季多种植茄果类和瓜类蔬菜，秋季种植豆类蔬菜，冬季种植白菜类蔬菜。而不同季节温度、湿度、降水、风速等主要气象因子也具有明显差异，因而对NH3排放水平具有重要影响。其次，不同蔬菜类型的施肥水平和管理也存在较大差异，如叶菜类、茄果类和瓜类蔬菜分别施用基肥和追肥，豆类和白菜类蔬菜则只施用基肥。肥料成分也存在明显不同，前者主要为有机肥+尿素，后者则为复合肥，这也是影响NH3排放的另一个重要原因。第三，蔬菜的生长周期、生长环境、植株大小等也对NH3排放有重要影响。研究表明，植株较大的作物可以形成一个覆盖层，将地表基本覆盖，在一定程度上阻挡了NH3的挥发，同时也增加了作物对挥发的NH3重新吸收利用的机会（植物叶片在一定条件下可以吸收空气中的NH3）[24]。不同蔬菜植株的大小会造成地面涡流的差异，也会影响NH3的挥发。

2.3 NH3排放通量影响因素

对研究期间主要气象因子进行分析，探讨不同季节蔬菜种植期间NH3排放通量的主要影响因素。如表3 所示，温度和湿度是影响露天蔬菜种植NH3排放的最主要因素。温度与各类型蔬菜NH3排放通量呈现较好的正相关关系，相关系数分别达到了0.58、0.85、0.51、0.45 和0.59，表明温度是影响NH3排放的最主要的因素，该结果与XU 等[32]和付莉等[33]的研究结论相似；相反地，湿度与各类型蔬菜NH3排放通量呈现较好的负相关关系，相关系数分别达到了-0.57、-0.88、-0.52、-0.84 和-0.86，表明湿度是影响NH3排放的另一大重要因素。有研究认为，较高的湿度降低了上升气流的湍流扩散作用，能将挥发的NH3溶于空气，再返还到土壤中，进而减少氮损失[23]。相比温度和湿度，风速与各类型蔬菜NH3排放通量的相关性未表现出一致性，相关系数分别为0.33、-0.22、-0.65、0.55 和0.38。卢丽丽等[24]研究发现，田间的NH3挥发与风速的关系不一定是线性关系。水体的稳定状态、作物的生长期、植株的大小、地面的粗糙度等多种因素对NH3排放具有不同影响。本研究观测的蔬菜类型涉及5 个品种，观测周期跨越4 个季节，可能是各类型蔬菜NH3挥发与风速相关性差异较大的主要原因。

表3 露天蔬菜种植的NH3排放通量与气象因子的相关关系Table 3 Correlation between NH3 emission flux and meteorological factors of open-air vegetable cultivation

2.4 排放系数比较

表4 为近年来文献中报道的蔬菜NH3排放损失率。本研究白菜类蔬菜种植期间NH3排放损失率为11.77%，高于叶菜类的6.02%～10.7%，花菜类的4.83%，低于瓜果类的14.98%～18.30%，该结果与姜振萃等[34]对秋季大白菜的研究结果相近。原因可能有以下两点：首先，白菜类蔬菜对氮肥的需求相比于叶菜类和花菜类蔬菜较低，这是造成损失率高于叶菜类和花菜类的重要原因；其次，白菜类蔬菜一般在秋冬温度较低时种植，而瓜类蔬菜大多种植在夏秋温度较高时期，因此，温度的较大差异也可能是导致其损失率低于瓜类蔬菜的重要因素。罗健航等[35]、山楠等[36]和马晓燕等[37]发现蔬菜种植NH3排放损失率在4.83%～16.9%之间，而本研究露天蔬菜种植的NH3排放损失率略高，在6.02%～18.30%之间，这主要由试验环境条件差异所致。本研究的地点是在太湖流域，而罗健航等和马晓燕等的研究均在北方，山楠等的研究在南方中部，各研究区域土壤类型、气象因子不同可能是造成排放损失率差异的重要原因。另外，本研究采用的监测方法是通气-NH3捕获法，而罗健航等、山楠等和马晓燕等分别采用密闭室间歇通气法和密闭室静态箱法，不同的监测方法也对排放损失率有一定影响。

表4 露天蔬菜种植NH3排放损失率对比Table 4 Comparison of NH3 emission loss rate in open-air vegetable cultivation

2.5 NH3排放量时空分布特征

上海地区露天蔬菜种植NH3排放时空分布情况如图2 所示。2017 年上海市露天蔬菜种植NH3排放总量达到832 t。从空间分布来看，NH3排放量最高的区为崇明区，达到了254.11 t，占全市蔬菜种植NH3排放总量的30.56%。其次为浦东新区与青浦区，NH3排放量分别为187.03 t 和120.85 t，占全市蔬菜种植NH3排放总量的22.49%、14.53%。闵行、松江和宝山是NH3排放量较低的区，其总和不足崇明区的1/4。崇明区播种面积为27 057 hm2，是上海播种面积最大的区，因此NH3排放量在各区中最高。宝山区是上海传统重工业和能耗大区，种植业发展相对较少，蔬菜种植面积为1 600 hm2，仅为崇明区的6%，是上海蔬菜种植NH3排放量最低的区。

图2 2017年上海地区不同类型露天蔬菜种植NH3排放空间分布Figure 2 Distribution of NH3 emissions from different open-air vegetable cultivation in Shanghai in 2017

从时间分布来看，上海地区露天蔬菜种植NH3排放水平特征表现为夏季>秋季>春季>冬季。不同季节NH3排放量变化范围分别为0.10～9.10、0.02～19.86、0.02～15.21 t 和0.01～5.51 t，夏季的NH3排放总量达到冬季的3.6倍。一方面，这与不同季节蔬菜种植面积有关，上海市春夏秋冬4个季节露天蔬菜种植面积分别为10 548、8 754、15 513 hm2和3 729 hm2，春夏秋季显著大于冬季，较大的种植面积也导致NH3排放量总体较高；另一方面，夏秋季的温度较高，总体上利于施肥后NH3的挥发，从而影响NH3排放总量。