《Environmental Advances》：Reducing ammonia emissions from rice paddies: Modeling and field test of an alternative fertilizer
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农业贡献了全球80%以上的氨（NH?）排放，由于NH?挥发与一系列有害环境和公共健康后果相关，因此减轻NH?挥发的挑战十分突出。目前，由于缺乏排放清单与田间验证的充分结合，针对特定来源的缓解策略仍然缺乏约束。在这项研究中，研究人员结合了基于过程的耦合人类与自然
农业贡献了全球80%以上的氨（NH?）排放，由于NH?挥发与一系列有害环境和公共健康后果相关，因此减轻NH?挥发的挑战十分突出。目前，由于缺乏排放清单与田间验证的充分结合，针对特定来源的缓解策略仍然缺乏约束。在这项研究中，研究人员结合了基于过程的耦合人类与自然系统（CHANS）建模与田间试验，以量化韩国农业中NH?排放的部门贡献，并评估基于肥料的缓解措施。2001年至2019年间，韩国农业部门的NH?排放占总排放的72-80%，其中种植系统贡献了12%（36%来自低地，64%来自旱地），畜牧业生产是主要来源，占88%。模型分析确定，稻田中尿素的应用是NH?排放的主要来源，这促使研究人员假设用硫酸铵替代尿素可以减少NH?挥发。一项系统的田间试验揭示了施肥后的快速排放，无论氮肥类型如何，NH?通量在施肥后立即达到峰值，并在3-4天内恢复到背景水平。总体而言，在45和90 kg N ha?1的尿素施用后，分别有15%和49%的施氮量以NH?形式挥发。相比之下，硫酸铵的排放量始终低于22%。重要的是，水稻产量不受肥料类型的影响。这些发现表明，在不影响生产力的情况下，用硫酸铵替代尿素可以大幅减少NH?排放，为减少农业氨损失提供了一种实用策略。
研究背景与意义
氨气（NH?）作为大气中重要的活性氮（N）形态，其全球排放量呈持续增长态势，从2000年的54 Tg攀升至2018年的106 Tg。大气中的NH?经再沉降进入陆地和水生生态系统后，会引发土壤酸化、水体富营养化，并成为细颗粒物（PM?.?）形成的关键前体物，对生态环境与公共健康构成严峻威胁。尽管农业活动贡献了全球约80%的NH?排放，但由于不同地区的排放源结构存在显著差异，且现有排放清单多局限于农业总量的宏观统计，缺乏对具体管理措施的精细化解析，导致难以制定精准的靶向减排策略。特别是在亚洲地区，以水稻为基础的种植系统中普遍大量施用尿素，其在淹水条件下经脲酶水解产生的碱化效应极易诱发NH?的大量挥发。针对这一现状，本研究旨在通过系统级的源解析与田间验证相结合的方法，探讨将尿素替换为硫酸铵在降低水稻田NH?排放方面的潜力及其对作物产量的影响，为实现农业绿色可持续发展提供科学依据。该研究发表于期刊《Environmental Advances》。
关键技术与方法
研究人员采用了“自上而下”的国家尺度模型模拟与“自下而上”的田间控制试验相结合的研究范式。在国家尺度上，利用耦合人类与自然系统（CHANS）模型，整合了2001年至2019年韩国国家统计数据库及相关国际数据集，采用排放因子法量化了包括种植业、畜牧业在内的14个子系统的NH?排放量，并通过历史数据进行了严格的校准与验证。在田间尺度上，选取具有50年连作历史的代表性稻田，设置了随机区组试验，设置对照及尿素、硫酸铵两种肥料在45和90 kg N ha?1两个梯度下的处理，采用酸陷阱法动态监测整个生育期的NH?通量，并结合淹水及土壤化学性质分析，系统阐明了不同肥料调控下的NH?排放机制。
研究结果
3.1 韩国NH?排放变化特征
模型分析显示，2001年至2019年间，韩国NH?总排放量增长了36%，从231.7 Gg增至315.5 Gg。农业部门是绝对主导来源，贡献率高达75%-78%。其中，畜牧业占比约88%，且排放量大幅增长69%；而种植业虽占比约12%，但排放量下降了37%。在种植系统内，低地（稻田）与旱地的排放量均呈下降趋势，但稻田因淹水环境导致的反硝化受阻及NH??积累，使其NH?排放因子显著高于旱地。
3.2 尿素与硫酸铵对稻田NH?排放的影响
3.2.1 作物生长季NH?排放动态
研究发现，施肥后NH?通量均会在2-4天内达到峰值，并随施氮量增加而成比例上升。然而，在相同施氮水平下，硫酸铵处理的排放量显著低于尿素。例如，90 kg N ha?1施用量下，尿素处理的累积排放量高达39 kg NH?-N ha?1，而硫酸铵仅为14 kg NH?-N ha?1。此外，尿素处理引发了累积排放量的指数级增长，而硫酸铵的增长则相对温和。
3.2.2 土壤与水环境化学特征
淹水pH值与NH??-N浓度是决定NH?排放的核心驱动因子。尿素水解产生的碳酸铵导致淹水pH值瞬时升高1-2个单位，强烈推动NH??向NH?转化；而硫酸铵溶解后，其硝化过程释放的H?离子产生局部酸化效应，抑制了NH?挥发。同时，硫酸铵处理还显著提高了土壤交换性钾（K）与有效磷（P）含量，表现出优于尿素的农艺与生态效益。
3.2.3 水稻产量与排放强度
施氮显著促进了水稻生长，90 kg N ha?1处理使籽粒产量较对照平均提高138%。关键的是，在推荐施氮量（90 kg N ha?1）下，硫酸铵处理的水稻产量与尿素相当，未出现统计学差异。从排放强度（单位产量NH?排放量）来看，尿素处理导致其急剧上升，而硫酸铵处理仅呈现微弱且不显著的增加，证明了替代策略的高效性。
讨论与结论
讨论部分指出，硫酸铵之所以能有效减排，根本在于其改变了稻田系统的酸碱平衡。尿素引起的“水解-碱化”链条是NH?爆发式排放的主因，而硫酸铵的“硝化-酸化”过程则构成了天然的减排屏障。尽管硫酸铵含氮量（21%）低于尿素（46%），导致其单位面积施用量增加，但得益于其极低的挥发损失率（<22% vs 尿素最高49%），实际保留在土壤-植物系统中的有效氮大幅增加，从养分利用效率看具有经济可行性。此外，虽然长期施用硫酸铵存在土壤酸化风险，但在具有较强缓冲能力的淹水还原环境中，单季试验未发现负面农学效应。
结论
本研究证实，韩国农业是国家NH?排放的主体，其中稻田尿素施用是关键排放热点。通过引入硫酸铵替代尿素，可显著降低由淹水pH升高驱动的NH?挥发，且不影响水稻产量。这一基于源解析指导的精准肥料替代策略，为缓解农业活性氮流失、改善大气环境质量提供了切实可行的技术方案。未来需在更多样化的土壤气候条件下开展长期定位试验，以全面评估其对土壤健康的累积影响。
