導讀
氨（NH3）作為大氣中堿性氣體，在霧霾形成中起著關鍵性作用，從源頭上控制NH3 排放，對降低大氣二次無機鹽及PM2.5 濃度水平，控制霧霾污染，大幅提升空氣環境質量尤為重要。農業源NH3 排放是大氣中人為源NH3 的主體，其主要來源于農田施肥和畜禽養殖。因此，總結農業源NH3 排放國內外研究進展，分析NH3 排放影響因素，對于了解其NH3 排放過程與特征，進而針對性提出控制措施具有重要意義。為此，就農田施肥和畜禽養殖NH3 排放影響因素的國內外研究現狀進行了系統總結，結果發現，肥料類型、土壤理化性質、田間氣象要素和施肥方式是影響農田施肥NH3 排放的主要因素；畜禽飼料性質、禽舍環境和清糞模式是影響畜禽養殖NH3排放的主要因素。
目前，農田施肥NH3 排放研究主要是從農田氮地球化學循環過程和糧食增產需求角度開展，而畜禽養殖NH3 排放研究主要從職業衛生健康角度開展，上述研究缺乏以NH3 排放環境暴露風險為目的的考量。因此，開展以環境空氣為排放界面的農業源NH3 排污系數研究，制定農業源NH3 排放清單，并基于環境暴露風險，明確農業源NH3 排放優先控制區域，最終可為環境管理部門制定農業源NH3 排放分區控制技術體系、策略與路線圖以及標準與政策法規提供理論依據。
背景
近些年來，我國霧霾天氣頻發，引起社會各界的廣泛關注。有研究發現，在細顆粒物（PM2.5）形成過程中，氣態氨（NH3）扮演著重要角色，對霧霾的形成起著關鍵性作用。一方面，NH3 作為大氣中唯一的堿性氣體，是大氣PM2.5 形成的重要前體物，NH3 能與二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）等反應生成硫酸銨和硝酸銨等細粒子是PM2.5 關鍵性成分。另一方面，在NH3 參與下細粒子的生成速度明顯加快，當NH3 充足時，NH3 的氣相或者非均相反應會提高氣態前體物的轉化率和二次無機鹽的生成率，引起銨根（NH4+）和硫酸根（SO42-）等細粒子組分大幅度增加。歐美發達國家PM2.5 控制實踐表明，在SO2 和NOx 基本得到控制的情況下，通過對NH3 排放進行同步削減，可以大幅度降低大氣環境中PM2.5 濃度，實現環境空氣質量的大幅提升。可見，從源頭上控制NH3 的排放，進而減少NH3 與酸性氣體（SO2、NOx 等）反應，最終減少NH4+ 濃度，對降低大氣二次無機鹽及PM2.5 濃度水平、控制霧霾污染和提升環境空氣質量顯得尤為重要。
人為源是大氣中NH3 的主要來源，人為源主要包括農業源NH3 排放、生物質燃燒排放以及其他源排放。農業源NH3 排放是大氣中人為源NH3 的主體，占全球人為源排放總量的90%。農業源NH3 排放主要來源于農田施肥和畜禽養殖，其中，農田施肥NH3 排放約占農業源NH3 排放總量的40%，畜禽養殖約占50%。因此，總結農業源NH3 排放特別是農田施肥和畜禽養殖NH3 排放國內外研究進展，分析NH3 排放影響因素，對于了解NH3 排放過程與特征，進而針對性提出控制措施具有重要意義。基于此，筆者就主要農業源NH3 排放影響因素的國內外研究現狀進行系統總結，并提出今后的研究展望。
1 農田施肥
1.1農田環境因素
<土壤理化性質>
土壤理化性質對農田的NH3 揮發具有重要影響，主要表現在2 個方面。一方面，土壤理化性質通過調控吸附-解吸作用影響表層土壤NH3 揮發底物液相中NH4+ 濃度，進而影響表層土壤的NH3 揮發過程。研究發現，質地黏重的土壤中NH3 揮發小于質地粗松的土壤，表明土壤黏粒對NH4+ 具有較強的吸附作用，可以有效降低土壤液相中NH4+ 濃度，從而減少表層土壤NH3 揮發。土壤陽離子交換量對土壤NH3 揮發有一定的抑制作用，不同陽離子對NH4+ 吸附-解吸作用的影響存在差異，當有作物吸收時，Ca2+ 和Na+ 的存在有利于土壤中礦物吸附的銨氮釋放，從而促進表層土壤NH3 揮發，而K+ 則會阻止釋放，減少NH3 揮發。
另一方面，土壤理化性質通過直接或間接調控土壤液相中NH4+ 與NH3 轉化反應體系，進而影響土壤NH3 揮發過程。其中，土壤pH 值是調控此反應體系的主導因子，是影響農田NH3 揮發的一個重要因素。隨pH 值升高，液相中NH4+ 比例升高，NH3 揮發的潛力隨之增大，進而增加NH3 的排放率。研究發現，尿素的NH3 揮發量會隨著土壤pH 值的升高而增加，與酸性水稻土相比，在含有較多游離碳酸鈣的石灰性土壤中尿素的NH3 揮發量更大。在pH 值為5.4 的菜地土壤，NH3 揮發損失率小于0. 4%，而在pH 值為7. 7 的菜地土壤，高氮施肥條件下NH3 揮發損失率達17. 1%。
土壤有機質對上述NH3 揮發的2 個作用過程都存在一定影響。有機質對NH4+ 吸附能力較強，降低NH4+ 濃度，從而減少NH3 揮發；但也有研究指出，有機質能阻礙NH4+ 進入黏土礦物的固定位置，減少NH4+ 晶穴固定，增加游離態NH4+，進而增加NH3 的揮發；同時，有機質含量高的土壤在礦化過程中，具有釋放過多NH4+ 的潛力，也會增加NH3 排放。另外，在土壤腐殖質形成過程中會產生有機酸，降低土壤pH 值，進而減小NH3 揮發潛力。土壤含水量則會影響肥料在土壤中的轉化過程，如碳銨的溶解和尿素的水解等過程，進而影響NH3 揮發。過高或過低的含水量都會減少NH3 揮發。過高的含水量會降低土壤液相中NH4+ 濃度，土-氣界面濃度梯度減小，NH4+ 擴散作用減弱，NH3 揮發量降低；過低的含水量則削弱碳銨溶解和尿素的水解，進而制約NH3 揮發。此外，土壤水分的散失過程也會影響NH3 揮發。研究發現土壤水分保持穩定，無水分散失時，NH3 揮發量僅占施氮量的1%。
<氣象因素>
影響農田NH3 揮發的氣象因素主要有風速、溫度、降水和日照。在田間，NH3 揮發一般隨風速增大而增多。研究發現，在農田NH4+ 與NH3 總濃度以及pH 值和溫度等各方面的差異不大的情況下，風速差異導致農田NH3 揮發量存在顯著差異。但是，田間NH3 揮發與風速之間的關系不一定呈線性關系。通過風洞實驗發現，當NH3 揮發隨風速增大到一定數值后，就不再隨風速增大而增加。此外，風速受到大氣和水體的穩定狀態、地面粗糙度的影響，進而會影響NH3 揮發速率。例如，良好的植被覆蓋可以減緩土壤表層的風速，同時也可能部分地增加對NH3 的吸收。
溫度是影響農田NH3 揮發的一個重要氣象因素。研究發現，pH 值大致不變情況下，在5~35 ℃ 范圍內，溫度每上升10 ℃，NH4+ 溶解率增加約 1 倍，液相中NH3 揮發速率也隨溫度增大。此外，隨著溫度的升高，施用尿素的農田土壤中脲酶活性增強，加快了尿素的水解，其同時分解的養分在被作物吸收之前就以NH3 形式損失。溫度對不同類型氮肥的NH3 排放影響還存在差異，碳銨受環境溫度變化的影響最大，溫度每升高1 ℃，NH3 排放增加0.44%; 尿素次之，為0.35%，其他含氮化肥受溫度變化的影響較小。較高的溫度會加速肥料中NH4+ 溶于土壤水的過程，同時會降低NH3 在液相中的溶解度，進而增加NH3 揮發。
降雨主要是通過雨水下滲將肥料帶入深層土壤，增加NH4+ 被土壤顆粒吸附或植株吸收的機會和上升到土壤表層的阻力，從而間接減少NH3 揮發損失。灌溉和降水起到相同作用，會加速肥料下滲并稀釋肥料。施肥后，光照通過提高土壤溫度可增加NH3 揮發量。溫度、濕度、日照和風速還會影響施用糞肥的蒸發過程，蒸發一方面會促進NH3 揮發，另一方面，過度的蒸發會使糞肥干燥而形成一層自然蓋膜，會抑制糞肥的NH3 揮發過程。
1.2肥料類型
<傳統氮肥>
廣泛使用的氮肥包括尿素、碳銨、硝銨和硫胺等，我國以尿素和碳銨施用最為廣泛，分別占氮肥總量的69%和26%。氮肥利用率較低是各國化肥施用中面臨的主要問題，氮肥利用率大約為30%~35%，損失率平均達45%。各種氮肥由于自身的理化性質不同，在施用后其NH3 排放強度亦存在差異。碳銨是所有氮肥中最易揮發的，超過30%的氮以NH3 揮發方式損失，是NH3 的一個重要排放源。尿素由于需經過2~3 d 脲酶水解作用才能轉化為碳酸銨，相對于碳銨氨的揮發損失要小，但要高于其他類型氮肥的NH3 揮發率。由于尿素每年的施用量巨大，農田施用尿素造成的NH3 排放是農田施肥NH3 排放的主要來源。尿素和碳銨施肥NH3 排放占農田施肥NH3 排放總量的64. 3%和
26. 5%。硫銨和硝銨NH3 揮發性更低，往往只有＜10%的氮以NH3 形式揮發。
<緩控釋肥料>
緩控釋肥的作用旨在提高化肥利用率，減少因施肥而造成的污染。緩控釋氮肥按照其溶解性釋放特征通常分為包膜緩控釋氮肥和非包膜緩控釋氮肥2 種類型。相比于普通尿素，以物理障礙為控制因素的包膜緩控釋氮肥NH3 排放削減顯著，可減少30%以上NH3 排放。包膜緩控釋氮肥施入土壤后，包膜材料可阻隔膜內尿素與土壤脲酶的直接接觸并阻礙膜內尿素溶出過程所必需的水分運移，可以顯著減少田間的銨氮濃度，尤其是稻田水層中銨氮濃度，導致參與NH3 揮發的底物顯著減少，這是降低土壤NH3 揮發的最重要因素。另外，包膜緩控釋氮肥對脲酶活性的影響時間相對較長，土壤脲酶活性明顯低于普通尿素，減少了尿素的水解，可運移銨氮的量隨之減少，進而減少田間NH3 揮發量。以化學、生物為主要緩控釋機理的非包膜緩控釋氮肥中含有一小部分無機氮（銨態氮），施入土壤后，這部分無機氮首先釋放出來，同時也會存在NH3 揮發，而其余的氮素為多形態的有機氮，需要在土壤微生物的作用下經過一定時間才能被礦化，增加了植物氮肥吸收效率，從而減少NH3 排放，但與包膜緩控釋氮肥相比，其NH3 減排作用還有一定差距。雖然緩控釋肥對NH3 排放有一定的削減作用，但是由于其成本過高且包膜材料殘留土壤而污染環境，緩控釋肥目前并未大規模應用。
<農作物有機肥>
農作物有機肥是我國傳統農業中極為重要的肥料來源，其中，在我國秸稈還田的施行最為廣泛。秸稈還田一般與化肥配合施用，與單施化肥相比，秸稈與氮肥混合施用于稻田（水田）NH3 揮發增加18.2%～20.6%，在水田中，由于秸稈和作物阻礙了肥料下滲，導致NH3 揮發增加。秸稈與氮肥混合施用于玉米田（旱田）NH3 揮發卻減少0.37%～1.17%，一方面，秸稈配施化肥增加了石灰性土壤的尿素水解速率，縮短了尿素的NH3 揮發時間，導致旱田NH3 排放減少，另一方面，秸稈減少了肥料與大氣接觸面積，降低了地表風速，從而抑制NH3 揮發。
1.3田間施肥
<施肥量>
NH3 揮發與施氮量顯著相關，減少施氮量22%~44% 可降低NH3 揮發損失20.2%~35.3%。我國是世界第1 大氮肥消費國，氮肥用量占全球氮肥用量的30%。美國和歐盟農業氮肥施用強度分別為69 和124 kg·hm-2，我國農業施氮量平均為150~250 kg·hm-2，遠高于國際公認的安全施用上限，其中，以中東部和東南部地區施肥強度最大，平均高達350 kg·hm-2。
<施肥方式>
耕作與施肥模式影響作物對氮素的吸收，從而對NH3 揮發過程影響顯著。施肥方式主要分為表層撒施和覆土深施2 類。人工表面撒施肥料不僅會造成嚴重的NH3 揮發損失，而且在施氮量上難以控制且很難均勻撒施。如將尿素撒施在地表，常溫下需經4～5 d 轉化過程才能被作物吸收，大部分氮素在被植物吸收之前已通過NH3 揮發損失，利用率只有30%左右，而將銨態氮通過深施置于還原態土壤中能顯著降低NH3 的揮發損失。我國《化肥使用環境安全技術導則》也指出氮肥覆土深施時，可通過土壤膠粒對銨離子的吸附作用，減少NH3 的揮發損失。英國國家NH3 減排措施評價體系模型顯示，氮肥表面撒施導致NH3 排放最大。我國冬小麥表施方式下的尿素NH3 揮發損失率最高達46.08%，而深施和表施結合灌溉處理方式下的NH3 揮發損失率則分別為6.24%和3.75%，表明氮肥深施是減少農田NH3 揮發量、提高淹水稻田氮肥利用率的有效途徑。
此外，其他因素，如作物類型、作物生長階段對NH3 揮發過程也存在影響。研究發現，水稻、玉米施肥后的NH3 揮發損失率分別為30%~39%和11%～48%。
2 畜禽養殖
2.1飼料
飼料中50%～70%的氮以糞氮和尿氮方式排出體外，其中，所含尿素可水解為碳銨，并以NH3 形式揮發至大氣中。畜禽糞便中的含氮物質主要是飼料中蛋白質在動物消化道中通過各種酶的作用分解的氨基酸。可見，飼料蛋白質供給量對NH3 的排放影響顯著。研究發現，養豬日糧中粗蛋白水平每降低1%，氮排泄量平均可減少8%，NH3 排放量可降低10%；在豬的不同生長階段，分別降低日食中粗蛋白質含量和增加基礎氨基酸含量，可以減少NH3 排放15%～20%。
飼糧中粗纖維比例對糞便中NH3 排放也存在影響。研究發現，在飼料中添加適量的粗纖維可以有效地減少糞污中NH3 排放。在日糧中粗纖
維比例由12.1%增加到18.5%，豬場NH3 排放可減少40%。但是，若飼料中添加過高的粗纖維則導致豬排泄物增多，并增強糞污的黏性，則會增加NH3 排放。飼料中谷物類型也可影響NH3 排放。育肥豬飼料中添加部分小麥，可以減少約40%NH3 排放。
此外，在飼料中添加酸性添加劑、沸石、益生菌、酶制劑、酸制劑和絲蘭提取物等，也可降低畜禽NH3 排放。在飼料中添加一定的硫酸鈣、苯甲酸和脂肪酸可以有效降低動物尿pH 值，分別可減少NH3 排放5%、20%和25%。在飼料中加入1%～2%的低比例天然沸石，最多可減少33% NH3 排放。在豬飼料中添加0.05%~0.2%的含有枯草桿菌和芽孢桿菌的益生菌添加劑可使NH3 排放減少50%。
2.2禽舍環境
畜禽圈舍是畜禽NH3 排放的重要節點，圈舍NH3 排放量約占畜禽全周期排放總量的30%~55%。畜禽圈舍結構影響圈舍內的溫度、濕度等環境因子，進而影響圈舍的NH3 排放。NH3 排放量與周圍的溫度呈正相關。溫度可以直接影響NH3 排放，較高溫度能提高脲酶活性，促進糞便中含氮物質分解釋放NH3 。此外，溫度也間接影響牲畜排泄行為進而影響NH3 排放。研究發現，在恒定的通風條件下封閉豬舍內的溫度從10 ℃ 上升到20 ℃，NH3 排放量增加2 倍；當溫度從17 ℃ 上升到28 ℃時，每天每頭豬NH3 排放量從12.8 g 增加到14.6 g。由于NH3 水溶解度很高，故濕度與NH3 排放量呈反比，但與溫度和通風相比，濕度對NH3 排放影響并不顯著。
增加通風頻率可提高禽舍的NH3 排放量，降低禽舍內NH3 濃度。在封閉式育肥豬舍中，當通風頻率提高到3 倍，由于溫度下降，NH3 排放量只增加25%，舍內NH3 濃度降低3 倍。而在非封閉式育肥豬舍，通風頻率提高5 倍，由于溫度幾乎沒有下降，NH3 排放也相應增加5 倍。禽舍進風口和出風口的位置對排放影響不大。對于大規模的封閉式管理的養殖場，如豬場、雞場等，對廢氣進行收集，若采用酸式洗滌器或生物滴濾器對其進行處理可減少5%～30% NH3 排放。
2.3糞便清理模式
存積在禽舍內的糞、尿是舍內NH3 釋放的最主要來源，及時清理可顯著降低舍內NH3 濃度。根據圈舍地板模式，清糞方式一般設計為干清糞、機械清糞和水沖清糞等。研究發現，水沖清糞模式下沖洗頻率、時間以及水壓影響NH3 排放量。漏縫地板結合水沖清糞的斜坡禽舍，每天多次沖水，可以減少30%的NH3 排放量。在實心地面禽舍不
斷地用水沖洗糞溝，可以減少70% 的NH3 排放量。在育肥豬舍內，漏縫地板結合水沖清糞的斜坡禽舍若采用“V”型排污溝設計可減少50%的NH3 排放量，若使其坡度從1%增加到3%，NH3 釋放量可減少17%。機械刮板清糞方式對豬場NH3 排放量并沒有顯著影響。刮板清除糞尿時地板表面殘留部分糞尿，反而增加了釋放NH3 的地板面積。在深坑育肥豬舍，與整個育肥階段糞污清理1 次相比，若每2 周清糞污1 次可有效減少20%的NH3 排放量，每周清理可減少35%的NH3 排放量，每2~3 d 清糞污1 次可減少46%的NH3 排放量。但是，沖洗后的污水若不及時處理，溶解于水中的NH3 還會進行二次釋放。
2.4畜禽糞便還田
畜禽糞便還田方式分直接利用與加工利用2 種，直接利用是畜禽糞尿經發酵處理后直接施用，加工利用則是將糞便經脫水除菌后加工為商品有機肥施用，目前在我國直接施用占絕大部分。畜禽糞便還田NH3 排放主要受畜禽糞便理化性質的影響，若含水率低、總氮尤其是銨態氮含量高的糞便還田，NH3 排放量高。研究發現，相較于肉雞糞和牛糞，蛋雞糞干重高，對應有機質和總氮尤其是銨態氮含量也高，若將其施用于農田，NH3 排放顯著高于前者。較干的糞便在土壤中的下滲率低，特別是在低滲透率的土壤上施用干重高糞肥，NH3 排放量占氮流失的比例最大。稀釋糞肥則可加快糞肥向土壤下滲進而減少參與NH3 排放的銨態氮含量，研究表明，與施用未稀釋的糞肥相比，施用稀釋一定比例的糞肥可以有效減少25%~50%的NH3 排放量。但是，過量施用稀釋糞肥既會導致土壤含水率飽和，又會降低糞肥在土壤中的下滲速率，這可能抵消稀釋糞肥減少的NH3 排放。
畜禽糞便的pH 值對NH3 排放影響顯著。在10~30 ℃ 之間，當糞肥pH 值為7 時，只有不到1%的銨態氮以NH3 形式釋放到空氣中，當pH 值為10 時，超過50%的銨態氮經NH3 揮發散失。酸化糞肥是減少NH3 排放的一個有效措施。研究發現，將施用的牛糞pH 值從7 降至5~6.5 之間，可以降低
NH3 排放30%~98%，將豬糞pH 值降低到6.5和5.5，分別可減少NH3 排放49. 4% 和92. 3%。
此外，畜禽糞便還田的施用方式也會影響NH3 排放，目前主要的還田方式包括帶狀施肥、表面播撒、牽引式軟管和地下注射等，后2 種方式只適用于液態糞肥。我國糞肥主要還田方式還是表面播撒。由于糞肥在施用后24 h 內會出現明顯的NH3 排放過程，其中，50%的NH3 在施用后6 h 即排放出來。因而，表面播撒或牽引軟管施肥后，及時覆土或翻耕可以有效減少NH3 揮發。相比于其他施肥方式，地下注射方式可以減少70%~80%的NH3 揮發量，但運行成本較高。
3 總結與展望
總的來看，目前針對農田NH3 排放研究主要是基于2 個需求開展的。
（1）農田氮地球化學循環過程一直是全球變化研究的熱點領域。農田NH3 揮發過程作為大氣氮的一個主要來源及農田氮循環的一個重要環節，已成為科學界關注的一個重要領域。研究者通過野外觀測或室內模擬，在定量分析農田NH3 揮發量的基礎上，探討農田施肥NH3 揮發過程及影響因素，揭示自然過程和人類活動對NH3 揮發影響的驅動機制，評估NH3 揮發在天氣和氣候、生物地球化學循環方面的作用。
（2）基于糧食增產需要，研究者通過開發各類施肥技術以減少農田NH3 揮發來提高氮肥使用效率。而針對畜禽養殖NH3 排放研究主要從職業衛生健康角度開展，大多是基于源防控原理，從飼料、禽舍環境和糞便清理模式等方面開展禽舍內部濃度控制研究。上述研究缺乏以NH3 排放環境暴露風險為目的的考量，農田施肥及畜禽養殖生產各個過程均會導致NH3 排放，但其排放通量尚不明確，其排放引起的區域環境質量下降風險及環境影響機制尚不清楚，導致無法明確農業NH3 排放優先控制區域，給環境管理部門針對性制定分區域的農業源NH3 排放控制策略、標準與政策法規帶來很大困難。因此急需廣泛、全面、深入地開展相關基礎調查和研究工作。
2015 年，我國修訂《大氣污染防治法》，基于環境空氣質量，第七十四條從最高立法層面，已明確提出控制農業NH3 排放。為此，基于農業源氮物質流，以NH3 排放全過程控制為原則，就農業源NH3 排放的各個節點，開展以環境空氣為排放界面的農業源NH3 排污系數研究，著重辨析NH3 排放關鍵影響因素，從源頭、過程和末端揭示農業源NH3 排放特征與規律，調查畜禽養殖NH3 排放現狀，從有機肥、化肥、緩控釋肥配施、精準施肥和覆土深施等方面構建農田NH3 排放最佳防控技術體系，從飼喂、畜禽圈舍、糞污存儲和糞肥土地利用等方面構建畜禽養殖NH3 排放最佳防控技術，并對上述技術進行生態效益和社會效益評價，實現能與現有環境友好型農業生產方式有機結合的全過程綜合防控技術體系。通過制定農業源NH3 排放清單，開展生態環境風險評估研究，基于環境暴露風險，結合區域環境質量現狀，明確農業NH3 排放優先控制區域，最終為環境管理部門制定農業源NH3 排放分區控制技術體系、策略與路線圖以及標準與政策法規提供理論依據。
作者：王文林 劉波 韓睿明 王燁 劉筱 徐喬 李文靜 唐曉燕
作者單位：環境保護部南京環境科學研究所，南通大學地理科學學院，南京師范大學環境學院
來源：生態與農村環境學報 2016年06期
中國鄉村發現網轉自：微信號 農業環境科學
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