我国规模化、集约化畜禽养殖业快速发展，产生了大量养殖废弃物，而废弃物处理和利用率较低。目前，养殖粪污年产生量约3.84×10⁹ t，其中新鲜粪便6.36×10⁸ t，污水2.63×10⁹ t，综合利用率不足60%^[1]。养殖粪水中含有大量的氮养分，直接排放不仅造成养分资源的浪费，同时对环境造成污染，引起水体富营养化现象等。将养殖粪水经过处理后转变为水肥资源循环利用是处理养殖废弃物的最佳途径之一。

畜禽养殖肥水中的氮素可促进农作物的生长和土壤肥力的提高^[2]，与此同时，也会导致氮素的氨(NH₃)挥发，造成氮素损失。杨润等^[3]研究表明施用肥水后的一周内，氨挥发所引起的氮素损失占肥水氮含量的14.52%~17.64%。孙海军等^[4]研究表明，土壤氨挥发累积量随施用肥水氮浓度的提高而增加，肥水施用使氨挥发累积量增加19.7%~40.8%。

土壤氨挥发受温度^[5]、pH^[6]、土壤含水量^[7]、施氮量^[8]等因素的影响。陈敏等^[9]研究认为，氨挥发量受温度的影响较大，温度升高促进氨的挥发。罗伟等^[10]研究发现，施用尿素后，土壤pH值与土壤氨挥发通量呈显著负相关。Pelster等^[11]研究证实，施用尿素后，土壤氨挥发量在一定范围内随土壤初始含水量的增加而增加，但超过一定范围后，受其他因素影响土壤氨挥发量不会随土壤含水量的增加而增加。罗付香等^[12]研究表明土壤氨挥发损失量与化肥氮施用量在一定范围内呈正的线性关系。

已有研究主要集中在化学氮素施用后对土壤氨挥发影响的单因素效应分析，而养殖肥水施用后土壤氨挥发对多因素的响应研究鲜见报道。本研究探讨养殖肥水施用后水、氮、热和pH多因素耦合对土壤氨挥发的影响，减少养殖肥水施用的气态损失，提高氮素利用率，筛选出实验条件下适宜的养殖肥水施用条件，为养殖肥水安全回用提供科学方法和理论数据。

1 材料与方法 1.1 供试材料

供试土壤为壤土，采自天津神驰奶牛养殖废弃物循环利用示范基地，为玉米收获后0~20 cm的土样，鲜土样采回实验室后风干，剔除杂物及根系，过2 mm筛备用。土壤基本理化性质为:pH 8.45，全氮含量380 mg·kg^-1，铵态氮含量50 mg·kg^-1，硝态氮含量20 mg·kg^-1，有效磷含量3 mg·kg^-1，有机质含量13 g·kg^-1，容重1.46 g·cm^-3。

供试肥水取自基地奶牛养殖场厌氧发酵处理后置于贮存池中的肥水。肥水主要理化性质为:pH 7.97，总氮含量1 245.74 mg·L^-1，铵态氮含量714.86 mg·L^-1，硝态氮含量1.33 mg·L^-1，总磷含量121.85 mg· L^-1，溶解性正磷酸盐含量63.65 mg·L^-1，钾离子含量1 009.59 mg·L^-1。

1.2 试验处理

试验采用4因素3水平正交试验设计，4个因素为温度(A)、土壤含水量(B)、pH(C)、施氮量(D)，每个因素设3个水平。温度因素设置15、25、35 ℃三个水平；土壤含水量因素设置田间持水量的60%、70%、80%三个水平；pH设置6、7、8三个水平；施氮量设置60、90、120 kg N·hm^-2三个水平，将其按正交表L₉(3⁴)安排设计(表 1)。

每个处理取过2 mm筛的风干土，用硫酸铝与土壤均匀混合，静置过夜后测定土壤pH，使其达到试验所设定pH，平铺于直径10 cm的塑料桶底部，肥水与无氮检出的清水混合，缓慢倒入装有风干土的塑料桶中，用无氮检出的清水调节土壤含水量。在每个塑料桶中分别放入盛有50 mL 2%硼酸混合指示剂溶液的蒸发皿，用于吸收土壤释放的气态氨。

设置9个处理，每个处理磷、钾施入量相同，分别为120 kg·hm^-2(以P₂O₅计)、180 kg·hm^-2(以K₂O计)。供试肥料分别为过磷酸钙(含P₂O₅ 12%)、硫酸钾(含K₂O 51%)。每个处理重复6次。

1.3 样品采集与测定

于培养的第1、2、3、4、8、12、19、26 d，每个处理取其中的3个重复，用硫酸标准溶液滴定，计算氨挥发量；每个处理的另外3个重复，取鲜土样测定土壤pH值、NH₄⁺-N和NO₃^--N含量，部分风干后测定土壤脲酶活性。

氨挥发计算方法^[13]如下:

(1)

(2)

式中:F_i为第i天采样时氨挥发通量，kg N·hm^-2；V为滴定消耗硫酸标液的量，mL；V₀为空白滴定消耗硫酸标液的量，mL；C为硫酸标液的浓度，0.005 mol·L^-1；M为氮的摩尔质量，14 g·mol^-1；S为收集装置的横截面积，m²。

土壤pH采用2.5:1水土比制备土壤悬液，用pH计(METTLER TOLEDO，瑞士)测定；NH₄⁺-N和NO₃^--N含量采用2 mol·L^-1氯化钾(KCl)溶液浸提后，用流动注射分析仪(FIA-6000+，北京吉天仪器有限公司)测定；土壤脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法^[14]测定。

1.4 数据分析

采用SAS 9.2软件进行数据分析(显著水平为P < 0.05)，Design-Expert软件对数据进行响应面分析，Origin 8.0软件对数据进行作图。

2 结果与分析 2.1 养殖肥水施用后各因素对氨挥发的影响

极差分析结果(表 2)表明，施用养殖肥水后，施氮量对土壤氨挥发的影响显著高于温度和pH值，温度和pH值对土壤氨挥发的影响显著高于土壤含水量。高量肥水氮施入(氮施入量120 kg N·hm^-2)显著增加土壤氨挥发量；随着温度和pH值升高，氨挥发累积量增加；土壤含水量为70%时氨挥发累积量最高。高氮高温高pH处理T8氨挥发累积量显著高于其他处理。低氮低pH处理T5氨挥发累积量最低。

对土壤氨挥发累积量进行多元回归拟合，综合评价值以Z表示，温度、土壤含水量、pH、施氮量分别以A、B、C、D表示，得回归方程为Z=0.56+0.11A-0.010B+ 0.085C+0.31D(R²=0.903 3)。四个因素对土壤氨挥发累积量的影响依次为:施氮量>温度>pH>土壤含水量，与极差分析的结果一致。本试验模型的P < 0.01，模型显著性较高；失拟误差项的P>0.05，显示模型对试验拟合情况较好，试验误差小，可采用此模型对氨挥发累积量进行分析和预测。

由图 1和图 2可知，氨挥发累积量随着施氮量、温度和pH的升高呈现升高的趋势。利用Design-Expert软件分析回归方程得到基于氨挥发累积量的最佳肥水施用条件:施氮量75.58 kg·hm^-2，温度15.48 ℃，pH 6.22，土壤含水量为田间持水量的60.63%。在25 ℃时，通过回归方程得到基于氨挥发累积量的较佳肥水施用条件:施氮量64.98 kg·hm^-2，pH 6.02，土壤含水量为田间持水量的73.42%。

2.2 养殖肥水施用后对氨挥发累积量与氨挥发速率的影响

由图 3可知，施用养殖肥水后，各处理氨挥发速率均在肥水施用后1~3 d出现峰值，随后逐渐降低，约在12 d氨挥发速率无明显差异，26 d时，各处理氨挥发量均为零。施用养殖肥水后第1 d，高氮处理T8的氨挥发速率为0.68 kg·hm^-2·d^-1，显著高于其他处理，低氮低pH处理T5和低温低pH处理T3未产生氨挥发现象。施用肥水后第2 d，低氮低pH处理T5的氨挥发速率达到峰值，为0.21 kg·hm^-2·d^-1。施用肥水后第3 d，低温低pH处理T3的氨挥发速率达到最大值，为0.25 kg·hm^-2·d^-1。施用肥水后第19 d，除T3处理外，其他处理已无氨挥发现象，而高氮低温低pH处理T3的氨挥发速率为0.13 kg·hm^-2·d^-1。肥水施用后第26 d，各处理均无氨挥发现象。

各处理土壤氨挥发累积量随着培养时间的增加，先增加后趋于稳定(图 4)。在培养期间，高氮中温处理T4和高氮高温处理T8氨挥发累积量显著高于其他处理，高氮低温处理T3在培养前8 d，氨挥发累积量显著低于其他处理，在第8 d之后，氨挥发累积量显著高于低氮处理组(T1、T5和T9)和中氮处理组(T2、T6和T7)。

2.3 养殖肥水施用后对土壤铵态氮、硝态氮的影响

土壤铵态氮变化如图 5所示。肥水施用后各处理土壤铵态氮含量迅速升高，随培养时间的增加，土壤铵态氮含量显著降低，至第26 d，土壤铵态氮含量接近于零。施用肥水后第1 d，各处理的铵态氮含量均达到峰值，其中高氮高温处理T8和高氮中温处理T4的土壤铵态氮含量分别为458.08、414.20 mg·kg^-1，显著高于其他处理。施用肥水后第4 d，各处理的铵态氮含量显著降低并趋于稳定，其中，低温处理组(T1、T2和T3)的土壤铵态氮含量分别为141.86、154.78、213.59 mg·kg^-1，显著高于中温和高温处理组。第19 d，高氮低温低pH处理T3土壤铵态氮含量为45.69 mg·kg^-1，显著高于其他处理。

土壤硝态氮含量变化如图 6所示。各处理硝态氮含量随着培养时间的增加逐渐升高，施用肥水后的前4 d，各处理土壤硝态氮含量显著增加；第4 d后，各处理土壤硝态氮含量缓慢增加；肥水施用第19天后，各处理土壤硝态氮含量增至最大值，其中高氮中温、中氮高温和高氮高温处理(T4、T7和T8)土壤硝态氮含量分别为82.26、78.96、78.62 mg·kg^-1，显著高于其他处理。

相关性分析(图 7)表明，各处理土壤氨挥发速率与土壤铵态氮含量呈显著正相关(r=0.740 5)，与土壤硝态氮含量呈显著负相关(r=-0.701 0)。

2.4 养殖肥水施用后对土壤pH和土壤脲酶活性的影响

由图 8可知，各处理土壤pH呈先增加后降低的趋势。肥水施用后1~3 d，pH上升；肥水施用3 d后，pH逐渐下降趋于平缓，且pH均大于7.0。肥水施用后第1 d，高pH处理组(T1、T6和T8)土壤pH显著高于中pH处理组(T2、T4和T9)，中pH处理组显著高于低pH处理组(T3、T5和T7)。

脲酶活性强弱直接影响土壤氨挥发损失。由图 9可知，各处理土壤脲酶活性均先增高后降低。肥水施用后第1 d，高氮高温高pH处理T8土壤脲酶活性为2.88 mg·g^-1·d^-1，显著高于其他处理，而其他处理间土壤脲酶活性差异不显著。肥水施用后第3 d，各处理的脲酶活性达到峰值，高氮高温高pH处理T8的脲酶活性为3.37 mg·g^-1·d^-1。肥水施用后第19 d，各处理的脲酶活性逐渐降低，各处理土壤脲酶活性在2.15~2.37 mg·g^-1·d^-1之间，差异不显著。

3 讨论

养殖肥水中氮素以铵态氮为主，一般情况下养殖肥水中铵态氮约占总氮量的70%^[15]，本试验所用养殖肥水铵态氮占总氮量的57.4%。养殖肥水施用后，土壤铵态氮含量迅速增加，为氨挥发过程提供了充足的底物，使氨挥发很快达到峰值^[16]。肖娇等^[17]研究表明，施氮量越高，土壤中铵态氮含量越高，进而使土壤的氨挥发速率增大。本研究表明，培养前期，高氮处理组(T4和T8)土壤氨挥发速率很快达到峰值，而高氮处理T3受到温度和pH的影响，在肥水施用前2 d未检测出氨挥发现象，但在肥水施用第19 d时仍有氨挥发现象；高氮处理组(T3、T4和T8)氨挥发累积量显著高于低氮处理组(T1、T5和T9)和中氮处理组(T2、T6和T7)，本研究结果与肖娇等^[17]结果一致。经过微生物利用及硝化过程后，铵态氮逐渐转变为硝态氮，氨挥发速率逐渐降低^[11]。高氮处理中土壤氨挥发有充足的底物，虽然温度和pH会影响其氨挥发速率，但不影响其氨挥发累积量。在不同的水、氮、热、pH耦合条件下，施氮量对土壤氨挥发的影响显著高于温度和pH。

温度是影响土壤氨挥发的重要因素之一。氮素施用后，温度升高使脲酶活性增强，减少土壤胶体对NH₄⁺的吸附，加速NH₄⁺向NH₃的转化，提高土壤的氨分压，增加氨挥发损失^[18]。王成等^[19]研究表明，施用氮肥后，土壤氨挥发与温度密切相关，土壤温度与氨挥发速率呈正相关，温度的升高可促进氨挥发。养殖肥水中铵态氮含量较高，施用后，温度一方面影响土壤脲酶活性^[20]，另一方面也会影响肥水自身的氨挥发^[21]。本试验培养期间，高氮高温处理的氨挥发累积量显著高于高氮低温处理、低氮高温处理和低氮低温处理，高氮低温处理的氨挥发累积量显著高于低氮高温处理，低温处理的土壤氨挥发速率显著低于高温处理和中温处理。这是因为高氮低温处理和低氮低温处理时，土壤脲酶活性弱，在试验初期铵态氮含量低，氨挥发的底物维持在较低水平，极大降低了氨挥发速率；高温处理增强了土壤脲酶活性，土壤铵态氮含量增加的同时也增强了施入肥水自身的氨挥发，使低氮高温处理在试验初期氨挥发速率显著高于高氮低温处理。

土壤pH值是影响氨挥发的重要参数之一^[22]。pH值升高，促进NH₄⁺向NH₃转化的过程，加快氨挥发含量^[23]。一般情况下，氨挥发随着pH的升高而增强，在一定范围内呈正相关关系^[6]。王大鹏等^[23]和Rochette等^[24]研究表明，氨挥发动态变化与表层土壤pH和铵态氮含量变化同步。李雨繁等^[25]研究认为，土壤pH是决定土壤氨挥发高低的重要因素。本研究证实，土壤pH值变化规律与土壤氨挥发速率的变化规律一致，低pH处理的氨挥发速率低于高pH处理，高氮高pH处理的氨挥发累积量显著高于高氮低pH处理、低氮高pH处理和低氮低pH处理，且高氮低pH处理的氨挥发累积量显著高于低氮高pH处理。总体来说，当温度一定时，pH是影响NH₄⁺↔NH₃平衡的决定性因素，pH越低，固定的NH₄⁺越多，从而降低氨挥发^[26]。

土壤含水量相较氮、温度和pH三个因素对氨挥发的影响作用较小，但施氮量与土壤含水量的交互作用对氨挥发的影响作用显著。本试验结果表明，不同水氮处理的氨挥发存在差异，低氮高含水量处理的氨挥发速率显著低于高氮低含水量处理，低氮低含水量处理和低氮高含水量处理的氨挥发累积量显著低于高氮低含水量处理和高氮高含水量处理。适宜的土壤含水量可增加微生物活性从而促进氨挥发^[27]，这是因为低氮低含水量处理促进了土壤颗粒对的NH₄⁺-N吸附作用，降低了氨挥发^[28]。高氮高含水量处理土壤含水量的升高使土壤水中溶解的氨增多，土体-气体界面氨浓度差减小，氨扩散作用减弱，氨挥发量随之降低^[29]，随着时间的延长，土壤水分垂直入渗，导致土壤含水率不断降低，硝化作用逐渐增强，大量铵态氮被硝化为硝态氮，使得氨挥发速率逐渐降低^[30]。

4 结论

(1) 养殖肥水中氮带入量对土壤氨挥发的影响显著高于温度和pH。土壤含水量对土壤氨挥发的影响显著低于施氮量、温度和pH，其交互作用对土壤氨挥发的影响作用显著。土壤氨挥发量与施氮量、温度、pH均呈显著正相关关系。

(2) 养殖肥水施用后，氨挥发速率在1~3 d出现峰值，第26 d没有氨挥发现象；土壤氨挥发累积量随着时间的延长先增加后趋于稳定。

(3) 在温度15~35 ℃、土壤含水量60%~80%、pH 6~8、施氮量60~120 kg N·hm^-2的范围内，基于肥水施用，土壤氨挥发最低的条件为:肥水氮带入量75.58 kg N·hm^-2，温度15.48 ℃，pH 6.22，土壤含水量为田间持水量的60.63%。考虑实际情况，当温度为25 ℃时，最佳肥水施用条件为:施氮量64.98 kg N·hm^-2，pH 6.02，土壤含水量为田间持水量的73.42%。