摘要: 夏玉米是我国北方地区主要粮食作物，对我国北方地区粮食安全和农民创收有着重要意义。由于我国北方地区气候干旱，风速大，自然条件相对较差，农田氮肥施用量大但利用率较低，氨挥发造成了严重的环境污染。该研究对2000年到2020年的夏玉米氨挥发文献进行分析总结，采用回归方程等方法分析了不同施肥量和施肥时期对夏玉米氨挥发的影响。结果发现，夏玉米氨挥发总量、净氨挥发量，基肥期和追肥期氨挥发量与施肥量都呈现二次函数关系，随着施肥量的增加而增加，且在追肥期氨挥发量高于基肥期。控制夏玉米的氨挥发，应考虑降低氮肥的使用，尤其是控制追肥期的氮肥用量。
Abstract:
Summer maize is the main grain crop in northern China, which is of great significance to food security and farmers’ income generation. Due to the arid climate, high wind speed and relatively poor natural conditions in northern China, the application amount of nitrogen fertilizer in farmland is large but the utilization rate is low, and ammonia volatilization causes serious environmental pollution. This study analyzed and summarized the literature on ammonia volatilization of summer maize from 2000 to 2020, and analyzed the influence of different fertilizer application amount and fertilization period on ammonia volatilization of summer maize by means of regression equation. The results showed that the total amount of ammonia volatilization, the amount of net ammonia volatilization, the amount of ammonia volatilization and the amount of fertilizer applied in summer maize showed a quadratic function and increased with the increase of the amount of fertilization applied, and in the topdressing period, the amount of ammonia volatilization is higher than that in base dressing period. To control the ammonia volatilization of summer maize, the use of nitrogen fertilizer should be reduced, especially the amount of nitrogen fertilizer in topdressing period.
1. 引言
氮素是植物生长发育过程中必不可少的元素之一 [1]，我国农田生态系统的主要氮素来源是合成氮肥 [2]。总体上，我国氮肥的施用呈现用量高、利用效率低的特点。上世纪90年代以来，随着经济水平的提高和人口的增多，我国氮肥施用量由1990年的1638.50万吨增加到2018年的2065.43万吨，增幅为26%，是全球氮素高投入国家之一 [3]。随着科技水平的提高，氮素的利用效率得到了提升，其中单位面积的用氮量由1990年的765.60 kg/hm2降低至2018年的490.25 kg/hm2。虽然单位面积用氮的强度在降低，但是利用效率仍然不高。相对于发达国家60%~80%的氮肥利用效率，我国的利用率仅为30%左右 [4]。我国2018年主要农作物播种面积为165902.38千公顷，玉米播种面积就高达42130.05千公顷，氮肥的节约利用潜力巨大。
氮肥的使用在很大程度上促进了我国粮食增产，在保障我国粮食安全上发挥了重要作用，但氮肥的低利用率不仅造成了物质能源的浪费，而且影响了农业生态环境安全。李燕青 [2] 认为在有利于氨挥发的条件下，氨的挥发损失率可高达施氮总量的40%~50%，氨挥发是氮损失的主要途径。合成氮肥未被植物根系吸收利用的部分通过溶解入渗、氨挥发等途径进入到环境中 [5]，其中氨挥发是氮肥气态损失的重要途径 [6]，损失率达到了施肥量的20%以上。大气中的氨可随着降水重新返回地面，但大部分进入到了河流、湖泊、海洋、森林中，导致这些区域氮素含量不断升高、富营养化现象出现，进而导致植物种类的灭绝或更替 [7]。氨挥发也造成了大气污染，为雾霾的形成尽了一份力 [8]。氨挥发与气温、土壤酸碱度、施肥时期、施肥模式等因素息息相关。气温越高，土壤酶活性越强，尿素的水解速度就越快，氨挥发量就越大 [9]。土壤温度的升高也降低了氨在水溶液中的溶解程度，促进其在大气中的扩散，也就是说氨挥发损失主要发生在温度较高的夏季——夏玉米生长期。杨清龙 [7] 等针对玉米保护性耕作、施用缓控释肥、秸秆还田配施化肥条件下的氨挥发损失进行了大量研究。我国北方地区耕地占到了全国耕地面积的60%以上，土壤以中性、微碱性为主，同时还广泛分布着石灰性碱性土壤，为氨挥发提供了便利条件 [10]。针对氨挥发总结性论文很少，本文通过知网文献搜索了2000年至今我国北方地区夏玉米氨挥发的田间试验，对涉及到的数据进行搜集、整理、处理和分析，研究化肥施用量和夏玉米生长发育过程中氨挥发的总量，旨在为我国北方地区夏玉米氮肥的合理施用和减少氮素的损失提供科学的理论依据。
2. 数据来源与研究方法
2.1. 数据收集
本研究数据来源于CNKI数据库，文献主要来源于中文核心期刊的期刊文献和博硕士学位论文，通过检索20年的有关夏玉米的氨挥发文献，以“夏玉米”、“氨挥发”为主题词进行搜索，从中筛选、整理并提取本研究需要的数据，本研究筛选的文献应满足以下条件：① 种植作物为夏玉米；② 实验发生于我国北方地区；③ 田间试验所用氮肥为化学合成氮肥，排除农家肥、秸秆还田等其他类型肥料；④ 选取常规处理的数据，排除不同灌溉模式、肥料深施等措施；⑤ 长期以来，对我国北方地区氨挥发研究不少，大量文献表明，采用不干扰自然气象条件的微气象学法和风洞法较少，大部分采用的是较为简便的通气法，故本次只考虑通气法，其他方法暂不考虑；⑥ 实验重复3次以上。本次共搜集和使用文献26篇，氨挥发观测数据共计60个。
2.2. 研究区域
本次主要研究我国北方，文献中涉及的区域主要包括山东、河北、陕西、甘肃、河南、山西等省区，这些区域夏玉米的产量约占全国玉米产量的50%左右 [11]，这些区域地处大陆性季风气候区和暖温带季风气候区，年平均气温、日照情况、降水量以及种植制度等方面差异较小，这些地区土壤类型主要有棕壤、褐土、潮土、风沙土等系列 [12]，耕性条件较为相近，且矿物质养分较为丰富，所以这些区域的夏玉米氨挥发情况相比而言较为一致 [13]。
2.3. 数据分析
提取相关文献中不施肥氨挥发量，施肥量及氨挥发量、净氨挥发量，基追肥施肥量及氨挥发量，并利用Excel进行拟合、统计分析。在处理数据过程中，若文献中缺失未施化肥氨挥发的数据，则采取先计算其他文献中未施肥处理的氨挥发平均值，高于平均值的4倍或者低于平均值的1/4的数据要进行剔除处理，然后再算均值，作为未施化肥的土壤氨挥发值 [14]。
3. 结果与分析
3.1. 不同施肥量对氨挥发的影响
我国北方地区不施肥处理的氨挥发量在0.13~11.00 kg/hm2，平均值为4.05 kg/hm2，农习化肥施用量为270 kg/hm2左右，实验常规施用量在20~360 kg/hm2，平均值207.35 kg/hm2，平均氨挥发总量为18.42 kg/hm2，图1是夏玉米氨挥发总量和施肥量的关系，从图中可以清晰地看出，随着化肥施用量的增加，氨挥发量也在逐渐增加，而且夏玉米整个生育期内的氨挥发总量与化肥施用量呈现出二次型函数关系。
北方地区大多为小麦-玉米轮作种植模式，小麦生育期内施用化肥可能会对夏玉米氨挥发有一定的影响，本次利用夏玉米净氨挥发量作为由化肥引起的氨挥发量，即从施氮肥处理的氨挥发量中扣除土壤不施用氮肥处理的氨挥发，对于缺失未施化肥的氨挥发数据的，按扣除平均值处理。常规实验施肥的净氨挥发量在2.15~36.85 kg/hm2，平均值为11.29 kg/hm2，平均占到化肥施用量的5.5%左右，图2是夏玉米净氨挥发量和施肥量的关系，从图中也可以看出，随着化肥施用量的增加，净氨挥发量也在逐渐增加，且二者呈现出二次型函数关系，与夏玉米氨挥发总量和施肥量的关系基本一致。
Figure 1. The relationship between total ammonia volatilization amount and fertilizer application amount of summer maize
图1. 夏玉米氨挥发总量和施肥量的关系
Figure 2. The relationship between net ammonia volatilization and fertilizer application of summer maize
图2. 夏玉米净氨挥发量和施肥量的关系
3.2. 不同施肥时期对氨挥发的影响
氨挥发呈现出先增后减的趋势，随着时间的推移，伴随着一定幅度的波动，这些可能与施肥方式或者肥料种类有很大的关系 [15]。一般情况下，基肥期氨挥发周期为14天左右，呈现双峰波动，在1~4天出现一个峰值，10~14天出现一个峰值；追肥期氨挥发量持续增高，一般在6天左右趋势变缓，追肥期氨挥发强烈，持续时间也较长 [16]。基肥和追肥期比较，田间土壤氨挥发有明显的差异，基肥期氨挥发平均占到施肥量的4.25%，追肥期氨挥发占到6.75%。氨挥发在一天24小时中中午(12:00~14:00)时段挥发速率最高，在凌晨(0:00~2:00)时段挥发速率最低 [17]。夏玉米生产过程中，基肥追肥比例一般为1:1，常规施肥量在0~300 kg/hm2。图3、图4分别是是夏玉米基肥期和追肥期氨挥发量和施肥量的关系，由图可知，随着施肥量的增加，氨挥发量呈线性增加趋势，基肥期、追肥期与施肥量均呈现出二次型函数关系，与夏玉米氨挥发总量、净氨挥发量和施肥量的关系基本一致。
图5是夏玉米基肥期和追肥期氨挥发量对比图。对26对夏玉米基肥追肥期的文献样本进行分析，可以发现夏玉米在追肥期氨挥发的平均值高于基肥期氨挥发的平均值，其中追肥期平均值为13.81 kg/hm2，占到了氨挥发总量的75%左右，基肥期平均值为6.42 kg/hm2，基肥期占到35%左右。
Figure 3. The relationship between ammonia volatilization and fertilizer application in summer maize basal fertilizer stage
图3. 夏玉米基肥期氨挥发量和施肥量的关系
Figure 4. The relationship between ammonia volatilization and fertilizer application in summer maize topdressing period
图4. 夏玉米追肥期氨挥发量和施肥量的关系
Figure 5. The comparison of ammonia volatilization quantity of summer maize in basal fertilizer stage and topdressing stage
图5. 夏玉米基肥期和追肥期氨挥发量对比图
4. 讨论
4.1. 不同施肥量对氨挥发的影响
影响土壤氨挥发的主要因素就是施肥量，施氮水平高，土壤氨挥发排放总量就越多，相应的净氨排放就越高，减少施氮量，可以有效地降低土壤氨排放量 [18]。本次收集的数据也佐证了这一观点，经研究发现，夏玉米各个施肥时期氨挥发量及其占施肥量的比例都随着施肥量的增加而增大，在进行常规施肥处理下，氨挥发总量和净氨挥发量都与施肥量呈二次型函数关系。目前我国还处于过度使用肥料的时代，在保证作物正常生长的前提下，适当减少氮肥的施用量，可以减少土壤氨排放量，缓解其带来的环境问题。也有研究发现，施肥量在112.3~205 kg/hm2范围内，就可以保证作物正常生长，过多的施用氮肥并不利于作物产量增加 [19]。
4.2. 不同施肥时期对氨挥发的影响
本研究中，夏玉米追肥期氨挥发量明显高于基肥期，追肥期氨挥发平均占到了整个生育期氨挥发量的75%，占施肥量的6.6%，基肥期氨挥发占到总挥发量的35%，占施肥量的3.3%，这与前人研究结果基本是一致的。基肥氨挥发量少的原因主要是施肥方式采取将肥料与表层0~20 cm的土壤混合，而氨挥发强度受到施入土壤深度水平的影响，会随着施肥深度的增加而降低。化肥施入后与土壤充分混合，尿素深施后可以充分与土壤混合，NH4+被土壤吸附，活动范围受限制，故挥发不强 [12]；追肥期氨挥发量较高的原因是：一方面，追肥期环境温度较高，土壤温度高可以促进
转换成NH3，一般追肥后会灌水，土壤水分迅速蒸发，NH3会随之扩散到大气中，加速了土壤氨挥发的速率，这也说明了土壤含水量促进了氨挥发；另一方面，土壤含水量高，脲酶活性增强，促进尿素分解成无机氮，利于氨气从土壤逸出 [20]。
5. 结论
本文通过总结相关论文得出：在我国北方夏玉米生长中，氨挥发总量、净氨挥发量，基肥期和追肥期氨挥发量与施肥量都呈现二次函数关系，随着施肥量的增加而增加，且在追肥期氨挥发量高于基肥期。降低氮肥的使用，特别是在追肥期控制用量，可以有效降低氨挥发量。目前也有很多学者针对不同的施肥方式进行了研究，提出了很多可以降低氨挥发的方式，在未来还需要进行学习和实践，进一步总结新方法、新结论。
基金项目
陕西省土地工程建设集团内部项目(DJNY2021-35)。