一种简单且准确的Dosi-Tube方法，用于估算玉米田在生长季节施用氮肥后氨的流失量

《Canadian Journal of Soil Science》：A simple and accurate Dosi-Tube method for estimating ammonia loss from in-season nitrogen application in corn fields

氨挥发测量与模型优化研究在玉米冠层中的应用。采用改进的Dosi-Tube方法与风洞法对比，建立了考虑ppm浓度、风速及二者交互作用的预测模型，精度提升显著，有效指导氮肥管理。

　　在农业实践中，氨（NH?）的挥发是氮肥损失的一个重要途径，尤其是在地表施用尿素的肥料中。为了更准确且经济地测量玉米冠层下的氨挥发，研究人员对一种最初用于无作物冠层的施肥田地的Dosi-Tube方法进行了改进。这项研究在加拿大安大略省的Woodslee地区进行，覆盖了2022和2023两个生长季，分别对尿素溶液（UAN）和尿素（urea）施用情况进行测量，包括是否添加尿酶抑制剂（UIs）。

氨挥发的测量不仅有助于理解氮素在土壤中的去向，还能为农业管理者提供关于施肥策略对环境影响的宝贵信息。在加拿大，农业活动占总人为氨排放的90%。因此，研究者对不同氮素管理措施的减排效果表现出浓厚兴趣，这包括使用尿酶抑制剂或结合尿酶与硝化抑制剂，以及在作物生长高峰期施用氮肥。为了更好地评估这些措施，需要一种能够在多种环境中使用、成本低廉且操作简便的测量方法。

目前，风洞法被认为是测量氨挥发最精确的方法之一。然而，这种方法不仅操作复杂，而且成本较高，需要专业技术人员进行定期维护和校准，这限制了其在农业领域的广泛应用。为了解决这一问题，Van Andel等人（2017）开发了一种成本更低的Dosi-Tube方法，用于预测土壤中的氨损失。这种方法基于Dosi-Tube内部的酸性试剂与空气中的氨发生反应，引起颜色变化的原理，从而测量氨的浓度。通过将风速和氨浓度数据输入到一个经验模型中，可以预测氨的损失量。

本研究的目标是评估并改进Van Andel等人（2017）提出的模型，将其应用于在玉米冠层下施用的无机氮肥。为了确保测量的准确性，实验中同时采用了风洞法和Dosi-Tube方法，对每个地块进行测量。测量过程持续28天，每天记录一次数据。在2022年的测量期间，平均风速为0.30 m/s，平均温度为21.9°C，降雨量为45.4 mm；而在2023年，平均风速上升至0.33 m/s，平均温度降至20.7°C，降雨量显著增加至243.6 mm。

实验中的氮肥包括尿素（urea）和尿素溶液（UAN），其中尿素溶液还可能添加尿酶抑制剂（UI）。实验共设置四种处理方式：尿素、尿素+尿酶抑制剂、尿素溶液和尿素溶液+尿酶抑制剂。每种处理方式重复四次，总共形成16个实验地块。尿素在玉米行间进行撒播，而尿素溶液则在土壤表面的窄带中施用。尿酶抑制剂的使用旨在减少氨的挥发，从而提高氮素利用效率，减少对环境的负面影响。

在实验中，氨的挥发量通过风洞法和Dosi-Tube方法进行测量。风洞法的测量流程经过改良，以适应小面积的测量需求，同时尽量减少对自然条件的影响。风洞的长度为3米，宽度为0.5米，确保空气流动的稳定性。空气采样点设置在距地面0.25米的高度，通过高密度聚乙烯管道进行采样，并使用吹风机将风速控制在0.85 m/s。空气流量通过数字流量计进行测量，随后进入弱磷酸酸陷阱，以捕获空气中的氨。这些酸性样本被保存在Histoplex容器中，并在4°C的低温下冷藏，直至分析。氨浓度的测量采用比色法，通过流动注射分析（FIA）进行，从而获得精确的氨浓度数据。

Dosi-Tube方法则更加简便，无需在Dosi-Tube周围维持恒定的风速。该方法使用半开放的静态室和Dosi-Tube，Dosi-Tube内部填充了硫酸作为试剂，当空气中的氨与试剂发生反应时，会引起颜色变化，从而测量氨的浓度。Dosi-Tube的开口高度设置在距地面15厘米处，确保空气流动的顺畅。静态室的设计考虑到了防止邻近来源的污染，其体积为15.8升，高度为28厘米，底部内径为28.5厘米。为了促进空气流动，实验中在静态室的顶部和底部均钻有直径为1.27厘米的孔，这些孔起到了烟囱的作用，当风在静态室顶部形成负压时，外部空气会被吸入室内。对于尿素溶液的处理，静态室直接放置在施用带上方，通过静态室的面积与施用带面积的比例，来估算氨的损失量。

为了改进模型，研究者采用交叉验证的方法，将整个数据集（n=168）分为五个子集，其中四个子集用于训练模型，一个子集用于测试模型。通过逐步回归分析，筛选出对模型有显著影响的参数，最终确定了参数的最优系数。经过交叉验证，新的模型公式为：风洞法测量的氨挥发量（kg N ha?1 day?1）= 0.0378 × ppm + 0.01 × ppm × 风速 + 0.000099 × ppm2 × 风速。这个模型在预测玉米冠层下的氨损失方面表现更好，特别是在尿素处理中，能够更准确地捕捉到氨的每日峰值，尽管在某些情况下出现了21%的高估。

尽管新的模型在整体上提高了预测的准确性，但其仍然存在一些局限性。例如，该模型未包含与氨损失相关的其他变量，如空气或土壤温度。这些变量的缺失可能会影响模型在预测细粒度氨波动方面的准确性，特别是在尿素溶液+尿酶抑制剂的处理中，氨的损失量较低，模型的预测效果相对较弱。因此，未来的研究可能需要考虑引入更多的环境因素，以提高模型的全面性和准确性。

此外，Dosi-Tube方法在实际应用中具有显著的优势。每个Dosi-Tube的成本为12至15加元，每个测量周期需要3至6个Dosi-Tube，静态室的构建成本为15加元。这种低成本、高效率的测量方法使得农民、农业顾问和研究人员能够更方便地评估他们的氮管理策略对土壤氨损失的影响。同时，这种方法的简便性也意味着它可以在更广泛的农业环境中应用，为氮素管理提供更加实用的工具。

研究结果表明，使用尿酶抑制剂可以有效减少尿素和尿素溶液的氨挥发。这种减少在尿素处理中更为明显，可能与尿素溶液的氮组成有关，其含有约50%的尿素、50%的硝酸盐（NO??）和铵（NH??），因此相较于纯尿素，其氨的挥发量较低。这些发现与Drury等人（2017, 2024）的研究结果一致，进一步支持了尿酶抑制剂在减少氨损失方面的有效性。

通过对比不同氮肥处理方式的氨损失数据，研究者发现尿素和尿素溶液的损失量在不同年份间存在一定的差异。这可能与当年的气候条件有关，如降雨量、温度和风速等。例如，在2023年的测量期间，降雨量显著增加，这可能导致了更多的氨损失，因为雨水会促进氨的挥发和迁移。相比之下，2022年的降雨量较低，氨的损失量也相对较小。

为了确保测量的准确性，实验中还特别考虑了降雨的影响。当遇到降雨时，静态室和Dosi-Tube会被移至附近的湿润土壤区域，以反映当时的气候条件。这种调整有助于减少雨水对测量结果的干扰，确保数据的真实性和可靠性。同时，实验中还记录了风速和温度的变化，这些数据可以用于进一步分析氨挥发的影响因素。

研究结果的分析显示，新的模型在预测氨挥发方面表现优于旧模型，特别是在尿素处理中，能够更准确地捕捉到氨的每日峰值。然而，在某些情况下，如尿素溶液+尿酶抑制剂的处理中，模型的预测效果相对较弱，这可能与模型未包含温度等变量有关。因此，未来的研究可以考虑在模型中引入更多的环境因素，以提高其预测的准确性。

总的来说，这项研究为农业管理者提供了一种更准确、更经济的氨挥发测量方法，有助于优化氮素管理策略，减少氨的损失，提高氮素利用效率。通过改进Dosi-Tube方法，研究人员能够更有效地评估不同氮肥处理方式对氨挥发的影响，从而为农业可持续发展提供科学依据。此外，该研究还强调了在实际应用中，气候条件对氨挥发的影响，为未来的氮素管理研究提供了新的视角和方向。