基于層次分析法的稻田氨排放影響因素權(quán)重分析

盧麗麗 ，吳根義

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410128；2. 湖南省環(huán)境保護(hù)養(yǎng)殖與農(nóng)業(yè)種植污染控制工程技術(shù)中心，湖南 長沙 410128）

農(nóng)田耕種中，工業(yè)氮肥的使用會釋放出大量的氨，這是大氣中最為豐富的堿性氣體。近年來，中國科學(xué)家提出減少氨氣排放是減輕氣溶膠污染的有效措施，因為氨氣可以與酸性氣體反應(yīng)形成氣溶膠并造成污染。氮肥的過量使用不僅造成環(huán)境污染，氮肥利用率低，還造成了資源的浪費(fèi)。在稻田中，影響氨排放的最主要因素就是施肥措施，而影響施肥后氨排放的因素有氣象條件、土壤的理化性質(zhì)及田面水。這些因素相互影響，錯綜復(fù)雜，需要有一定方式方法來確定哪些因素對氨排放影響最大。此外，控制氨排放的措施需要從可控的因素入手，控制大氣氨排放。研究大氣氨排放的影響因素為后續(xù)提出大氣氨減排措施提供依據(jù)，另外，它同時關(guān)系到農(nóng)田作物產(chǎn)量的增長狀況，對以后農(nóng)田的管理工作有著十分密切的聯(lián)系[1]。

在稻田中，氨排放的過程如下：土壤中的NH4+以及施肥后由肥料水解及分解的NH4+進(jìn)入到田面水中，與水中的OH-結(jié)合產(chǎn)生NH3·H2O，最后通過水氣界面進(jìn)入到大氣環(huán)境。在氨排放過程中，不同的農(nóng)田管理措施，如耕作管理（耕作方式、耕作時間），施氮管理（施肥方式、氮肥種類、施肥時期、施肥量）、氣象條件（溫濕度、降雨量、風(fēng)速、光照），土壤性質(zhì)（土壤pH值、土壤溫度、有機(jī)質(zhì)、黏粒含量、脲酶活性、田面水pH值、田面水溫度、田面水深度）等，都會引起土壤中NH4+濃度的變化，影響農(nóng)田大氣氨排放的過程及排放量。

農(nóng)田施氮管理措施對氨排放的影響是最大的。有研究表明，稻田施用碳銨、尿素等易溶性氮肥后田面水中氨及銨態(tài)氮含量快速增高，是氨揮發(fā)的內(nèi)在原因[2]。碳銨是所有氮肥中最易揮發(fā)的，其次是硝酸銨、硫酸銨[3]。尿素的氨揮發(fā)量大于硫酸氨、硝酸銨鈣和硝酸銨[4]。施氮量與氨排放量的關(guān)系，不同學(xué)者在不同的研究中結(jié)果略有差異，有的認(rèn)為氨排放量與施氮量之間存在顯著的指數(shù)線性關(guān)系[2,5]。還有的認(rèn)為是線性顯著相關(guān)[6-7]。鄧美華研究發(fā)現(xiàn)氨揮發(fā)隨施氮量的增加而增加，兩者呈乘冪關(guān)系[8]。

影響稻田氨排放的還有氣象因素。有研究表明，稻田的氨排放速率受日平均溫度、日照時數(shù)、風(fēng)速和相對濕度等氣象條件的影響，氨揮發(fā)速率與溫度、風(fēng)速、日照時數(shù)呈正相關(guān)，而與空氣濕度呈負(fù)相關(guān)[9]。有研究發(fā)現(xiàn)，氨揮發(fā)速率和田間溫度在變化趨勢上是相似的[10]。溫度與土壤中氨排放呈極顯著正相關(guān)關(guān)系[11-14]。在一定范圍內(nèi)，風(fēng)速與氨排放呈正相關(guān)關(guān)系。Fillery在文獻(xiàn)中把風(fēng)速與氨揮發(fā)的關(guān)系用F=k×P×W表示，其中k為常數(shù)，P為田面水中的氨（NH3）分壓，W為風(fēng)速[15]。

田面水中銨態(tài)氮濃度是影響稻田氨排放的重要因素。有研究發(fā)現(xiàn)，水稻施肥后短期內(nèi)田面水NH4+-N含量顯著上升，其與氨揮發(fā)速率呈顯著正相關(guān)（線性相關(guān)）[6,7,14,16-20]。除此之外，田面水pH值也是影響稻田氨排放的一個重要因素，且與氨排放呈線性正相關(guān)關(guān)系[14,16,17,19,21]。水層深度以及溫度也是研究稻田NH3排放時需要考慮的一個因素。已有研究表明，高溫會通過提高脲酶活性加快尿素的水解速度，也可通過提高NH3和NH4+的擴(kuò)散速率，促進(jìn)NH4+轉(zhuǎn)化為NH3[22]。田面水溫度與氨揮發(fā)速率呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.964 0（n=9）[16]。在盛偉紅的試驗研究中，水層溫度與NH3揮發(fā)通量之間總體呈正相關(guān)關(guān)系[23]。田面水越深，可以抑制稻田的氨揮發(fā)，因此，田面水深度與氨揮發(fā)呈負(fù)相關(guān)。

土壤因素是稻田氨排放的另一個重要影響因素。有研究表明，氨揮發(fā)通量與表層土壤NH4+-N含量亦呈現(xiàn)極顯著相關(guān)關(guān)系（P<0.01）[18]。在稻田分蘗肥時期和穗肥時期，土壤NH4+-N濃度，pH值和溫度與氨排放通量呈正相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)在不同時期略有不同[14]。在稻田，土壤NH4+-N濃度與氨排放的相關(guān)系數(shù)為0.874 1[20]。在整個水稻生長季節(jié)，土壤NH4+-N濃度、pH值和土壤溫度與氨排放的相關(guān)系數(shù)分別為0.731、0.704和-0.210[21]。施用尿素后，土壤脲酶活性與氨揮發(fā)量之間相關(guān)系數(shù)R=0.979 9[24]。

綜上所述，在眾多報道的文獻(xiàn)中，都是對單個因素或幾個因素的分析，對所有氨排放影響因素整體分析的文獻(xiàn)較少，哪些因素是最主要的影響因素或者關(guān)鍵影響因素未有系統(tǒng)分析，筆者將通過層次分析法，結(jié)合諸多學(xué)者的研究結(jié)果，綜合分析各影響因素的影響權(quán)重，確定關(guān)鍵影響因子，從可控制的影響因素入手，提出減少或控制氨排放的措施和建議，為制定氨減排措施提供依據(jù)及建議。

1 影響因素及分析方法

1.1 建立氨排放影響因素層次分析結(jié)構(gòu)模型

利用層次分析法（AHP）對影響稻田氨排放的因素進(jìn)行權(quán)重計算與分析。

首先構(gòu)造出有層次的影響因素結(jié)構(gòu)模型。對影響因素進(jìn)行歸納以及總結(jié)后建立的層級結(jié)構(gòu)分析圖（圖1）。

圖1 氨排放影響因素結(jié)構(gòu)

1.2 各因素的重要度分析

如圖1所示，建立了影響稻田氨排放的因素層次結(jié)構(gòu)圖，結(jié)構(gòu)圖中的各影響因素的重要度通過兩兩比較來確定并得到相應(yīng)的判斷矩陣。具體取值如表1所示，使用1～9標(biāo)度來定量。

在影響氨排放的三大因素中，施肥因素是最主要的因素，稻田中的氨排放最重要的來源。土壤因素和氣象因素中，對氨排放影響較大的是土壤因素。因此，認(rèn)為準(zhǔn)則層中的重要度排序為：B3>B2>B1。利用兩兩比較的方法，結(jié)合表1對其進(jìn)行賦值，再利用和積法求出重要度，構(gòu)造出準(zhǔn)則層中三因素對于目標(biāo)層的相對重要度。準(zhǔn)則層的構(gòu)造判斷矩陣如表2所示。

表1 標(biāo)度含義

表2 B-B判斷矩陣

用MATLAB計算判斷矩陣的最大特征值λmax=3.096 0，為防止構(gòu)建的判斷矩陣邏輯混亂，需要用一致性比率進(jìn)行一致性檢驗。一致性比率計算見公式①及公式②。

其中，CI是一致性檢驗指標(biāo)；λmax是判斷矩陣的最大特征值；n是判斷矩陣的矩陣階數(shù)。

其中，CR是一致性比率；RI是隨機(jī)一致性指標(biāo)，取值跟判斷矩陣的矩陣階數(shù)有關(guān)（見表3）。

表3 RI隨機(jī)一致性指標(biāo)取值

判斷準(zhǔn)則：當(dāng)CR<0.1時或λmax=n，CI=0時，認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需調(diào)整判斷矩陣中的元素以使其具有滿意一致性。

指標(biāo)層的構(gòu)造判斷矩陣見表4～表7所示，表6是對各判斷矩陣的一致性判斷結(jié)果。由表7所知，判斷矩陣的判斷結(jié)果具有滿意的一致性，因此，各影響因素的相對重要度是可取的。

表4 B1-P判斷矩陣

表5 B2-P判斷矩陣

表6 B3-P判斷矩陣

表7 判斷矩陣一致性

2 結(jié)果與分析

根據(jù)矩陣計算出影響稻田氨排放的各影響因素的權(quán)重及排列順序如表8所示。

表8 各影響因素的權(quán)重及排序

根據(jù)表8及圖2可知，對稻田氨排放的最大影響因素是施肥的方式，其次是施肥量和肥料種類的影響，所占權(quán)重值分別是0.382 2、0.199 7和0.097 0。其中，施肥方式的影響權(quán)重占整個影響因素權(quán)重的38.22%，施肥量是第二大影響因素，所占權(quán)重比例為19.97%，第三大影響因素是肥料種類，所占權(quán)重比例為9.70%。田面水銨態(tài)氮濃度和田面水pH值是土壤及田面水因素中對氨排放影響最大的兩個因素，所占權(quán)重分別為0.073 0和0.049 9，權(quán)重比例之和為12.29%。因為稻田的氨排放發(fā)生在水氣界面，水的參數(shù)影響最大，但同時施肥后田面水中銨態(tài)氮濃度和pH值也會發(fā)生變化，施肥也是影響田面水參數(shù)的主要因素之一。

圖2 各影響因素權(quán)重分布情況

在氣象條件中，對稻田影響最大的是大氣溫度，權(quán)重值為0.040 8，所占權(quán)重比例是4.08%，大氣溫度和光照同時也影響著田面水和土壤的溫度。但大氣溫度是不可控因素。其他氣象條件對氨排放也有影響，所占比重較小，因此影響都較小。

3 結(jié) 論

通過層次分析法對稻田氨排放的各影響因素的定量分析，結(jié)果表明：稻田氨排放的影響因素從大到小依次為：施肥與田間管理>田面水與土壤>氣象條件，施肥與田間管理是最大的影響因素；這些因素中，排在前三位的分別是施肥方式、施肥量和肥料種類，其權(quán)重分別是0.382 2、0.199 7和0.0970，這3項占整個權(quán)重的67.89%。田面水與土壤因素中，田面水銨態(tài)氮濃度與pH值是影響氨排放的重要因素，權(quán)重值分別為0.073 0和0.049 9；氣象條件中，影響最大的因素是溫度，權(quán)重值為0.040 7。因此，控制稻田氨排放首先是施肥方式的選擇，其次是用合理的施肥量進(jìn)行施肥，施肥后可采取灌溉等方式降低田面水銨態(tài)氮濃度來減少稻田氨的排放。

4 討論及建議

通過對稻田中氨排放影響因素的分析，施肥及田間管理模式是導(dǎo)致稻田中氨排放的最大影響因素。其中施肥的方式及施肥量是最主要的影響因素。影響權(quán)重分別為0.382 2和0.199 7。另外，肥料種類的不同也是影響氨排放的一個重要因素，權(quán)重為0.097 0。這三項影響因素權(quán)重占整個權(quán)重的67.89%，且這三項都是施肥管理中的因素，都是可控因素，因此，要控制農(nóng)田氨排放量，可以從施肥方式、施肥量以及施肥種類入手，來減少農(nóng)田氨排放量。（1）在施肥方式上，稻田施肥基肥一般采用撒施靶混的形式，追肥都采用撒施的形式。因為有研究表明，肥料深施或撒施靶混能有效減少氨的排放，是因為深施或撒施靶混的施肥方式增大了肥料與土壤的接觸面積，間接增加土壤膠體對NH4+的吸附能力，減少了NH4+轉(zhuǎn)化為NH3，有效減少了氨的排放。（2）在施肥量上，應(yīng)該在盡量滿足作物需求的同時減少施肥量，有研究表明，施肥量較小時，氨排放與施肥量呈線性相關(guān)，施肥量過大，氨排放與施肥量呈指數(shù)相關(guān)。因此，合理施肥是關(guān)鍵。另外，采取同等施肥量下多次施肥的方式也是減少氨排放的一個措施。（3）在肥料種類上，有資料顯示，碳銨是所有工業(yè)化肥中最易會發(fā)的，其次是硝酸銨、氯化銨和硫酸銨，尿素雖不是氨排放速率最大的，但卻是使用最大的工業(yè)化肥，因此也是農(nóng)田氨排放的重要來源。還有研究顯示，使用有機(jī)肥或者有機(jī)化肥配施化肥能在一定程度上減少氨的排放，但使用有機(jī)肥料也受多種條件的影響，氨排放減少，但減少程度不確定，因此，在這方面還需加強(qiáng)研究，找出一套降低農(nóng)田氨排放的有機(jī)肥施肥措施。

土壤理化性質(zhì)的不同對田面水中的pH值和銨態(tài)氮濃度的變化有影響，同時也影響田間氨排放。田面水中銨態(tài)氮的濃度是氨轉(zhuǎn)化和揮發(fā)的主要影響因素，田面水濃度是土壤及田面水因素中的主要影響因素，其次是田面水的pH值，權(quán)重分別為0.073 0與0.049 9。田間氨揮發(fā)與田面水NH4+-N濃度、pH值、田面水溫度的關(guān)系，使用灰色關(guān)聯(lián)熵方法進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)3個影響因子與氨揮發(fā)的殤關(guān)聯(lián)度分別約是0.992 9、0.992 5、0.987 0[5]，說明田面水對田間氨揮發(fā)的影響大小分別是：田面水NH4+-N濃度> pH值>田面水溫度，與此研究結(jié)果一致。因此，對氨排放最大的影響因素是田面水NH4+-N濃度、田面水pH值，其次是土壤NH4+-N濃度、土壤pH值。土壤溫度、田面水溫度以及土壤有機(jī)質(zhì)對氨排放影響不顯著，土壤脲酶活性在使用尿素時對氨排放有明顯的作用。對于水田，水層深度可能會影響氨揮發(fā)，淺水層銨態(tài)氮濃度和水溫要高于深水層，氨揮發(fā)速率也較大[17]。

在氣象條件影響因素中，溫度的高低是主要影響因素，所占權(quán)重為0.040 7。大氣溫度和光照時間主要是影響土壤和田面水的溫度，溫度越高，光照時間越長，土壤和田面水溫度升溫越快，溫度越高。降雨量的大小主要是影響田面水的深度，空氣濕度影響液相中的氨向空氣中釋放。風(fēng)速越高，水面上方大氣中的氨被帶走的越快，從而促使液相氨不斷向氣相氨轉(zhuǎn)化，較大的風(fēng)速還通過擾動水層而使得與氣相平衡的水面已耗竭的氨能迅速被補(bǔ)充，從而使氨揮發(fā)繼續(xù)進(jìn)行[25]。因此，溫度是稻田施肥后氨排放的最大影響因素，其次是風(fēng)速和日照。空氣濕度和降雨量在稻田與氨排放呈負(fù)相關(guān)，對氨排放的影響較小。

因此，控制稻田氨排放量，主要從可控的影響因素入手來減少氨排放量。在這些主要影響因素中，施肥方式、施肥量、肥料種類以及田面水銨態(tài)氮濃度是可以通過人為手段來調(diào)節(jié)，控制氨排放量。