随着我国畜禽养殖业的迅猛发展，养殖业废弃物大幅增加^{[1, 2]}。种养过程长期分离造成大量的粪便堆积或直接排放，引发了一系列区域环境危害^[3]。据统计，我国主要粮食作物氮肥利用率30%~35%，每年农田氮肥损失率在33.3%~73.6%之间^[4]，且在稻田土壤生态系统中，氨挥发损失占施氮量的10%~38%，是稻田氮肥损失的主要途径^{[5, 6, 7]}。大气中的NH₃被氧化及与酸反应能够引起雾霾天气^[8]。同时，NH₃通过干湿沉降返回陆地和水体，造成水体富营养化，加剧温室效应，促进土壤酸化^{[9, 10]}。氨挥发受土壤含水量、温度、pH、耕作方法、施肥方式、肥料类型等影响^{[11, 12, 13, 14, 15]}。如何降低氨挥发损失，提高氮肥利用率，充分发挥氮肥增产效益，保护生态环境是我国农业亟待解决的问题。

畜禽粪便农田施用是实现畜禽粪便资源化的直接途径，在减少化肥用量、降低农业环境压力等方面具有重要意义^[16]。猪粪含有大量植物生长所必需的营养物质和微量元素，以及多种有益微生物和酶，施入土壤后，对于改善土壤物理特性、提高土壤肥力、增加作物生产力具有明显效应^{[17, 18, 19]}。畜禽粪便农田施用对土壤氨挥发特征的影响研究报道较多，但大都基于盆栽或光温培养^[20]，而大田试验不同用量猪粪对稻田氨挥发特征及环境效益的影响尚不明确。为此，本研究通过田间原位监测试验，设置不同梯度猪粪施用量，探讨猪粪施用对稻田氨挥发特征及环境、效益的影响，为猪粪合理施用、减少氮肥损失、防控农业面源污染提供理论依据。

试验地点位于都江堰天马镇（30°57′0.99″N；103°44′3.69″E，海拔648.04 m），地处成都平原的西北边缘，属四川盆地中亚热带湿润季风气候区，年均气温15.2 ℃，年均降水量近1200 mm，年均无霜期280 d，历年平均日照时数1 016.9 h。供试地块土壤为灰色冲积物发育的淹育水稻土，土壤肥力均匀，灌排方便。0~20 cm土层土壤基本化学性质为：pH6.98，有机质28.40 g·kg^-1，全氮1.87 g·kg^-1，全磷0.86 g·kg^-1，全钾32.2 g·kg^-1，碱解氮176 mg·kg^-1，有效磷11.6 mg·kg^-1，速效钾58.2 mg·kg^-1。供试猪粪由都江堰德宏农业公司提供，含N 1.75%、P₂O₅ 5.46%、K₂O 1.59%，含水率为61.14%；无机肥料分别为市售尿素（46.4%N）、过磷酸钙（12% P₂O₅）、氯化钾（60% K₂O）。水稻品种为F优498。

本试验为田间定位试验，从2012年10月开始，为冬小麦-水稻轮作体系，水稻季与小麦季所有处理均一致，本文针对2014年水稻季试验结果进行研究讨论。试验共设对照（CK）、常规化肥（NPK）、化肥+猪粪25%（NKM1）、化肥+猪粪50%（NKM2）、猪粪100%（M3）、猪粪150%（M4）、猪粪200%（M5） 7个处理，3次重复，小区面积20.0 m²，各区组随机排列。小区间田埂用塑料薄膜覆盖，以防肥、水相互渗透，四周设保护行，每个小区均单设进、排水口。水稻在2014年5月30日移栽，株、行距分别为13、28.5 cm，每穴定植2株。水稻移栽后保持田面水层5~12 cm，田面水低于5 cm时在傍晚进行灌溉，施肥后13 d气温变化如图 1所示。所有肥料均按当地施肥习惯作为基肥一次性施入，猪粪施用量按照常规化肥施氮量折算，不足养分用化肥补充。具体的施肥处理见表 1。

图 1 氨挥发监测期间气温变化 Figure 1 Dynamics of temperature during experiment

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表 1 不同施肥处理方案（kg·hm^-2） Table 1 Fertilization scheme（kg·hm^-2）

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稻田氨挥发采用通气法测定^[21]。氨挥发采集装置如图 2所示。由内径16 cm、高25 cm，无底的硬质PVC管制成，取样前将厚度分别为2、3 cm的海绵均匀浸入25 mL磷酸甘油溶液（50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容至1000 mL），置于PVC管中，下层用2 cm厚海绵放置于距管底15 cm处，用于吸收土壤挥发出来的氨，上层放3 cm厚海绵与PVC管顶部相平，用于防止外界气体污染和灰尘的进入。每个小区不同位置设置2个氨挥发收集装置。施肥后当天将采集装置放入田间，立即进行氨挥发收集取样，放置24 h；第二天上午8：00开始取样，每次在8：00—9：00间完成取样。在施肥后的第1周，每天取样1次，之后每隔1 d取样一次。取样时将下层海绵取出，立即放入自封袋，密封，同时下层放入另一块2 cm厚浸过磷酸甘油溶液的海绵，重新变动PVC管放置位置，进行下一次取样，上层海绵视干湿情况，2~3 d更换1次。把取下的海绵带回实验室，分别装入500 mL的塑料瓶中，加入300 mL 1 mol·L^-1的KCl，振荡 1 h，浸提液中的铵态氮用靛酚蓝比色法进行测定。

图 2 稻田氨挥发测定装置 Figure 2 Device used for ammonia collection

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田间土壤氨挥发通量由公式（1）计算，在水稻生育期间，氨挥发累积量及氨挥发损失率分别根据公式（2）、（3）计算：

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式中：F_i为第i天采样时氨挥发通量，kg N·hm^-2·d^-1；M为通气法单个装置平均每次测得的氨（NH₃-N）挥发量，mg；A为收集装置的横截面积，m²；D为每次连续收集的时间，d；Y为氨挥发累积量，kg N·hm^-2；N为氮肥总施肥量，kg N·hm^-2。

稻田田面水采样与氨挥发采集时间一致，在不扰动土层的情况下，每个小区用100 mL医用注射器，采用5点“S”型采样法小心抽取5处田面水混合成一个水样，注入聚乙烯塑料瓶，带回实验室经定量滤纸初步过滤后分析测定，少量不能测定的，滴加浓硫酸并冰冻保存，一周内测样完毕。硝态氮（NO₃^--N）用紫外分光光度法测定。

本实验数据统计分析利用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0软件对试验数据进行分析。

稻田施肥后氨挥发通量随时间的动态变化如图 3所示。施肥后各处理氨挥发通量变化趋势基本相似，均在施肥后的第1 d达到峰值，3 d内下降幅度最大，之后随着时间的推移逐渐趋于对照水平，各施肥处理较高氨挥发通量均维持在1周之内。比较施肥后的第1 d各施肥处理氨挥发通量，等氮水平下，与NPK处理相比，猪粪和化肥配施、单施猪粪处理的氨挥发通量分别降低了5.28%~19.57%和22.57%。高氮处理M4、M5氨挥发通量最大，较NPK处理提高了3.45%~23.98%。具体氨挥发通量表现为M5>M4>NPK>NPKM1>NPKM2>M3>CK。氨挥发主要集中于施肥后的半个月左右，适量的猪粪施用能有效降低氨挥发通量。

图 3 不同施肥处理稻田氨挥发动态变化 Figure 3 Dynamics of ammonia volatilization in different fertilizer treatments

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稻田施肥后田面水NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度随时间的动态变化如图 4所示。各处理NH₄⁺-N浓度变化规律基本一致，常规化肥和猪粪配施处理峰值均出现在施肥后第1 d，单施猪粪处理峰值出现在第3 d，各施肥处理田面水较高浓度NH₄⁺-N均维持在1周之内，随着时间的推移浓度逐渐降低，并下降至对照水平。降雨会对田面水氮素浓度产生稀释作用，从而使施肥后第5 d田面水表现出氮素浓度迅速降低并接近对照的现象。NO₃^--N与NH₄⁺-N、氨挥发通量变化规律则截然相反，呈现此消彼长的关系。NO₃^--N在施肥后的前7 d内均表现出了较低的浓度，随着时间的推移下降缓慢；在第7 d迅速升高，达到峰值，并维持在较高浓度，之后随着时间的推移逐渐降低，并趋于对照水平。这可能与土体NO₃^--N释放速度与硝化-反硝化间的转化有关。旱作小麦使土体NO₃^--N含量增加，水稻移栽后，水体渗漏，致使NO₃^--N含量有所下降，随着时间的推移，硝化作用变强，并大于反硝化作用，致使NO₃^--N浓度升高；随后，由于土壤淹水，O²欠缺，硝化作用减弱，致使NH₄⁺-N损失量远大于硝化作用的生成量，NO^-₃-N的含量随之下降^[22]。等氮水平下，与NPK处理相比，猪粪和化肥配施能明显降低NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度，可以有效降低氮素流失，高氮猪粪处理提高了田面水中NH₄⁺-N与NO₃^--N浓度。

图 4 不同施肥处理稻田田面水铵态氮和硝态氮动态变化 Figure 4 Concentrations of ammonium-nitrogen（NH+4-N） and nitrate（NO-3-N） in water in different treatments

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稻田氨挥发通量与其对应小区田面水NH₄⁺-N浓度关系如图 5所示。NPK、NKM1、NKM2、M3、M4和M5处理其决定系数分别为0.8557、0.8066、0.8287、0.8933、0.7273和0.7793，表明各施肥处理的氨挥发通量和对应田面水中的NH₄⁺-N浓度呈线性正相关关系，即田面水中的NH₄⁺-N浓度是影响稻田氨挥发通量的重要因素。因此，控制水稻田面水NH₄⁺-N浓度是控制氨挥发通量的主要途径，也是决定稻田氮素养分利用效率的根本途径之一。

图 5 氨挥发与稻田田面水铵态氮浓度关系 Figure 5 Relationship between ammonia volatilization and NH+4-N in field surface water

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从表 2可以看出，除对照外，氨挥发平均通量在2.87~5.89 kg·hm^-2·d^-1之间，施肥显著提高了稻田平均氨挥发通量。等氮水平下，相比NPK处理，NKM2处理能显著降低平均氨挥发通量12.03%；随着猪粪投入量的增加，氨挥发通量显著上升，M4、M5处理分别是NPK处理的1.32倍和1.74倍。

表 2 不同施肥处理氨挥发特征比较 Table 2 Comparison of ammonia volatilization in different fertilization

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不同施肥处理氨挥发累积量存在很大差异，除对照外，均在43.72~87.38 kg·hm^-2之间，具体表现为M5>M4>NPK>NKM1>NKM2>M3>CK。施肥明显提高了氨挥发累积量，各施肥处理氨挥发累积量是对照的3.22~6.64倍。相比NPK处理，在等氮水平上，猪粪和化肥配施、单施猪粪处理氨挥发累积量分别降低4.21%~16.72%和10.10%，显著降低了稻田氨挥发；单施高氮猪粪M4、M5处理较NPK处理氨挥发累积量提高了28.97%和66.44%，显著提高了氨挥发，造成氮肥损失。

从氨挥发损失率来看，施肥后各处理间均在24.27%~29.17%之间，NPK处理氨挥发损失率最高，达29.17%；猪粪和化肥配施、单施猪粪较NPK处理减少1.23%~4.9%。综上所述，猪粪适量配施化肥，能有效降低氨挥发通量以及氨挥发累积量，能有效减少氮肥损失，提高氮肥利用率，也是实现畜禽粪便资源化利用的有效途径之一。

稻田氨挥发累积量的经验模拟如图 6所示。在稻田施肥后，稻田氨挥发累积量与时间的关系可以用经验函数表示。各处理间氨挥发累积量与时间的关系符合对数函数模型（R²≥0.99），在该模型的初始阶段氨挥发累积量增加幅度较大，在后期增加速率减小。对数模型可以对各处理氨挥发累积量变化做出一个基本计算。

图 6 氨挥发累积量经验模拟 Figure 6 Simulation models for cumulative ammonia volatilization

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由表 3可以看出，所有施肥处理显著提高了稻谷产量。猪粪和化肥配施、单施猪粪处理与NPK处理相比，稻谷产量分别增加了2.35%~9.35%和2.51%~7.87%，其中NKM2处理稻谷产量最高（9114 g·hm^-2）。随着稻田猪粪投入量的增加，M3、M4、M5处理较NKM2处理稻谷产量有所下降，主要由于稻田氮肥投入量太高，导致水稻贪青晚熟，造成稻谷减产。各处理间稻谷产量具体表现为NKM2>M3>M4>M5>NKM1>NPK>CK。

表 3 不同施肥处理经济产量及效益分析 Table 3 Economic yields and benefit analysis under different doses of fertilizers applied

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从总投入成本来看，常规施肥处理投入成本最高（2 293.74元·hm^-2），NKM2处理投入成本最低（1 678.42元·hm^-2），适量的猪粪投入量降低了投入成本。从纯收入来看，除对照外，NKM2处理纯收入最高（22 564.81元·hm^-2），常规施肥与M5处理收入最低，分别为19 877.36、18 292.66元·hm^-2。高成本投入的NPK处理（2 293.74元·hm^-2） 与M5（4 434.37元·hm^-2） 处理并没有带来高收入。因此，猪粪适量施用能有效提高经济收入，同时也是养殖废弃物农田消纳的有效途径之一。

本试验通过田间原位监测，对猪粪施用稻田氨挥发特征及稻田经济效益等进行了相关分析。稻田施肥后，各处理间氨挥发均呈现相似的变化趋势，氨挥发通量在施肥的第1 d达到了峰值，之后迅速下降，一周后趋于稳定。这与国内外研究基本一致^{[23, 24, 25]}。主要由于水稻移栽期间，正值高温天气，日照强烈，田面水温度升高，施肥后尿素与猪粪迅速水解为NH₄⁺-N，促进了氨挥发；之后由于水体渗漏、土壤的固定和水稻的吸收，导致NH₄⁺-N浓度降低，氨挥发减弱。

在稻田施肥后的整个监测过程中，除对照外，氨挥发平均通量为2.87~5.89 kg N·hm^-2·d^-1，氨挥发累积量为43.72~87.38 kg N·hm^-2。马玉华等^[26]报道的免耕施肥处理NH₃挥发累积量为19.63~23.8 kg N·hm^-2，汪军等^[27]报道的乌栅土和黄泥土氨挥发累积量分别为38.1~45.6 kg N·hm^-2和10.2~12.3 kg N·hm^-2，而肖新等^[25]报道的水稻土氨挥发量为31.67~69.70 kg N·hm^-2，与本试验结果相接近。究其原因可能与耕作模式、pH、土壤类型有关。本试验水稻土为旋耕模式，土壤结构疏松，呼吸作用强烈，土壤微生物活跃，促进了稻田氨挥发；其次，马玉华研究的水稻土与汪军研究的黄泥土pH值分别为5.16和5.8，而本试验的pH值为6.98。相关研究也表明，稻田氨挥发与pH值呈正相关关系^{[11, 12]}。同时，在本试验等氮水平上，随着猪粪的投入量增加氨挥发累积量减小，其中NKM2处理最小，主要由于猪粪施用后，在分解过程中产生有机酸降低土壤pH，同时形成的腐殖质增加了土壤吸附力，对氨挥发有明显的抑制作用^[28]。此外，猪粪投入对土壤提供了充足的碳源和氮源，促进了微生物活动，微生物对有机质分解的过程中将无机氮固定转化为有机氮，无机氮数量的减少最终降低了氨挥发累积量^[29]。

在稻田施肥后，各处理间氨挥发累积量与时间的关系符合对数函数模型（R2≥0.99）。上官宇先等^[30]研究结果表明，平常耕作氨挥发累积量符合对数函数模型，而垄作氨挥发累积量符合线性函数模型，因此，氨挥发累积量经验模型受耕作模式等其他因素影响，还需进一步探讨验证。

朱兆良等和俞映倞等^[6]在太湖地区水稻土上研究表明，稻季氨挥发损失量一般占各施肥期施氮量的18.6%~38.7%，而肖新等^[25]在南方丘陵地带研究表明，氨挥发损失量占施氮量的17.95%~28.64%，与本试验氨挥发累积量占施氮量24.27%~29.17%的结果基本一致。而朱小红等^[31]和马玉华等^[26]研究表明，稻季氨挥发总损失量分别占氮肥施用量的5.24%~7.13%和6.2%~8.5%，与本试验结果相比偏低。可能由于氮肥用量不同所导致，本试验地区常规施氮量为180 kg·hm^-2，而其他地区施氮量在200~250 kg·hm^-2，甚至高达350 kg·hm^-2，氨挥发累积量一定，施肥量越高，氨挥发损失率越小；其次，本试验在水稻移栽后几天降雨导致稻田一直处于淹水状态，加剧了稻田氨挥发；pH值不同也是导致氨挥发损失率差异的直接因素。

大量研究表明，田面水NH₄⁺-N 浓度是氨挥发的决定因素之一，与氨挥发通量呈正相关^{[13, 14]}。本试验各处理田面水NH₄⁺-N 浓度变化规律基本一致，在施肥后的1~2 d达到峰值，之后迅速下降，逐渐趋于对照，NO₃^--N与NH₄⁺-N呈现此消彼长的关系，与前人研究结果基本一致^{[32, 33]}。田面水高浓度NH₄⁺-N均维持在一周之内，是控制氮素流失风险的关键时期。猪粪适量农田施用能有效降低田面水NH₄⁺-N浓度，同时也降低了氨挥发通量。主要由于猪粪施用后，一部分铵态氮转化为NH₃，通过NH₃的形式挥发到空气中，另一部分NH₄⁺-N随水体渗漏到土壤底层，同时表层的NH₄⁺-N通过硝化转化为NO₃^--N，降低了田面水NH₄⁺-N浓度^[34]。在稻田施肥后的整个监测期间，各处理氨挥发通量与对应田面水中NH₄⁺-N浓度相关系数为0.729 3~0.893 3，呈线性正相关关系，与朱小红等^[31]研究结果的相关系数（0.638 9~0.839 4）相吻合。进一步验证了氨挥发通量与田面水NH₄⁺-N的密切相关性。

吴萍萍等^[35]研究表明，一定范围内，温度升高能够提高脲酶活性，促进尿素分解；同时，温度升高增加液相中氨态氮在铵态和氨态氮总量中的比例，从而促进氨挥发。此外，当气温高、水分蒸发速率大时，氨会随着水分大量逸散^[36]。土壤Eh与土壤类型也是氨挥发通量的影响因子，汪军等^[27]研究表明，秸秆还田降低了表层土壤Eh，主要由于秸秆降解会消耗一部分土壤中的溶解氧，从而导致表层土壤Eh下降；乌栅土氨挥发通量大于黄泥土，可能由于乌栅土通透性强，土壤空气扩散性与流动性较好，尿素施入后，土层对氨气扩散的阻隔作用被削弱，促进了氨挥发。

从稻田经济产量和效益来看，等氮水平猪粪与化肥配施能显著提高稻谷产量，随着猪粪量投入的增加，产量有所降低，这与张鸣等^[17]、高菊生等^[18]研究结果一致。主要由于猪粪氮磷钾等营养元素丰富，同时含有多种微量元素，且有机质在分解过程中增加土壤胶体，形成水稳性团粒结构，提高了营养元素有效性，进而提高了稻谷产量。化肥长期施用易造成土壤退化，稻谷减产，同时化肥成本高；而猪粪施用，能有效降低稻田投入成本，提高农民收入，值得大力推广。

从稻田消纳量和承载力来看，稻田猪粪适量施用能有效降低氨挥发通量与田面水NH₄⁺-N浓度，能有效降低氨挥发损失率与氮肥流失风险。通过对稻田环境及经济效益等方面综合分析，确定NKM2处理水平为水稻生长最佳投入量，由此可以计算得出稻田鲜猪粪消纳量为13 264.54 kg·hm^-2。根据文献^[37]和^[38]，生猪的排便量为1.8 kg·d^-1，则稻田对生猪的承载量为20.19头·hm^-2。而万大娟等^[39]研究表明，在保证水稻产量和环境效应前提下，稻田最大猪粪消纳量为14 911 kg·hm^-2，按复种指数为2计算，生猪承载量为45.39头·hm^-2。这与本试验复种指数为2计算的40.38头·hm^-2有一定的差异，可能由于两个试验所用猪粪性质、土壤地力水平、水热气候条件及水稻品种不同。

成都平原稻田常规生产条件下，施肥后较高氨挥发通量持续在一周之内。在整个监测期间，氨挥发平均通量为2.87~5.89 kg·hm^-2·d^-1，氨挥发累积量为43.72~87.38 kg·hm^-2，占氮肥施用量的24.27%~29.17%。猪粪适量施用能有效降低稻田氨挥发通量，与常规施肥相比，猪粪和化肥配施能减少氨挥发累积量2.21~8.78 kg·hm^-2，单施过量猪粪促进了氨挥发。

稻田田面水NH₄⁺-N与NO₃^--N浓度呈现此消彼长的关系，猪粪和化肥配施有效降低了NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度。氨挥发通量与田面水NH₄⁺-N浓度呈明显线性正相关。从环境和氮肥利用考虑，施肥后一周是控制径流和氨挥发的关键时期。

稻田猪粪适量施用也提高了稻谷产量，与常规施肥相比，猪粪和化肥配施稻谷增产196~779 kg·hm^-2。猪粪的施用同时也降低了稻田肥料投入成本，增加了农民收入。综合环境及经济效益等方面考虑，化肥+猪粪50%处理猪粪投入量最佳，稻田消纳猪粪13 264.54 kg·hm^-2，生猪承载量为20.19 头·hm^-2，既能有效实现畜禽粪便资源化利用，同时可获得较高经济效益，适宜在成都平原推广。