土壤反硝化作用研究進(jìn)展

呂海霞 楊丹丹 牛犇

土壤反硝化作用是氮素生物地球化學(xué)循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)完整氮素循環(huán)不可缺少的組成部分。

一、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

（一）影響因素

19世紀(jì)五六十年代以來(lái)，國(guó)際上對(duì)土壤反硝化作用進(jìn)行了大量的研究，特別是在其發(fā)生條件、研究方法及產(chǎn)物組成上有很大的進(jìn)展。一般認(rèn)為pH值和有機(jī)碳含量是影響土壤反硝化作用的重要因素。

（二）發(fā)生要求

反硝化過(guò)程通常用于描述氮氧化物（NO3-或NO2-）還原轉(zhuǎn)化成氮?dú)怏w（N2O和N2）的過(guò)程。反硝化作用發(fā)生的總要求是：反硝化微生物并且具有代謝能力;合適的電子供體;嫌氣條件或O2的有效性受到限制;N的氧化物，如 NO3-、NO2-、NO或N2O作為末端電子受體;適當(dāng)?shù)臏囟?。只有在上述條件同時(shí)滿足的情況下，反硝化作用才能顯著。

（三）研究方法

土壤反硝化作用的研究方法種類很多，根據(jù)是在室內(nèi)或是室外測(cè)定的不同，一般可分為田間原位測(cè)定方法和實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)測(cè)定方法兩類。根據(jù)測(cè)定的是產(chǎn)物還是反硝化底物的不同，可分為直接氣體產(chǎn)物測(cè)定法、間接平衡差減法和底物消失速率測(cè)定法。另外，根據(jù)測(cè)定中所用試劑的不同，又可將其分為15N同位素方法和乙炔抑制法。

（四）產(chǎn)生的效應(yīng)

反硝化的氣態(tài)產(chǎn)物為NO， N2O和N2 。反硝化作用對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生的效應(yīng)取決于其所產(chǎn)生的終產(chǎn)物及不同產(chǎn)物之間的比例。眾所周知，N2O是重要的溫室氣體之一，參與大氣的光化學(xué)反應(yīng)，而且很容易破壞臭氧層。在百年時(shí)間尺度上N2O的全球增溫潛勢(shì)是CO2的296倍，其在大氣中的壽命為120年 。自1988年以來(lái)，N2O以每年0.8 ug/L的速率增長(zhǎng)，2004年濃度達(dá)318.6 ug/L ，比工業(yè)革命前（270 ug/L）增長(zhǎng)了18%。全球N2O年排放量是16.4Tg，其中土壤是N2O重要的排放源，約占年總排放量的62.2% ，施肥農(nóng)業(yè)土壤上排放的N2O-N約為2.8 Tg。產(chǎn)物NO雖然不是溫室氣體，但其是大氣中的活性物質(zhì)，在對(duì)流層中很容易被氧化成NO2。另外，NO也是形成酸雨和光化學(xué)煙霧的前提物質(zhì)。全球土壤排放的NO估計(jì)為4～21 TgNyr-1 ，其中施肥農(nóng)業(yè)土壤上排放的NO—N為1.6Tg，由土壤硝化和反硝化產(chǎn)生的NO占總排放量的35%。

反硝化作用的主要終產(chǎn)物是N2O和N2，其中，N2O所占的比例變化很大，變幅在0%～100%。NO通常認(rèn)為并不是反硝化作用的主要終產(chǎn)物。N2O的凈排放量取決于N2O的產(chǎn)生速率和還原速率的相對(duì)大小，當(dāng)N2O產(chǎn)生速率大于還原速率，則有N2O的凈排放，否則有N2O的凈消耗。影響土壤反硝化產(chǎn)物比例的因素有很多，如土壤理化性質(zhì)、作物類型、氣候因素和施氮量等。此外，還受反硝化微生物種群組成、結(jié)構(gòu)和酶活性的影響。

二、土壤反硝化作用的意義

反硝化作用是使氮素以N2的方式離開土壤或水體，最終回到大氣的過(guò)程。反硝化作用是生物固氮的主要途徑，也是實(shí)現(xiàn)氮素完整循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。從保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā)，反硝化作用可以移除水體中的NO3—N或其他的氮氧化物，從而達(dá)到調(diào)節(jié)水體質(zhì)量的作用。從生態(tài)學(xué)的意義來(lái)講，反硝化過(guò)程是一種自平衡機(jī)制，可以防止系統(tǒng)失穩(wěn)失衡。

反硝化作用也是氮素?fù)p失最重要的途徑之一。通過(guò)反硝化作用進(jìn)入再循環(huán)的氮素占全球總輸入氮量的52%～100%，而氮肥的反硝化損失占施入氮肥量的12%～30%。

反硝化作用也是溫室氣體N2O的主要來(lái)源。研究表明，大氣中N2O總量的90%來(lái)自土壤硝化和反硝化過(guò)程，土壤反硝化已成為全球N2O的主要來(lái)源之一，估計(jì)每年全球土壤排放的N2O為9.5±4.5Tg N。全球自然陸地生態(tài)系統(tǒng)N2O的排放量為9.7～12.0 TgN yr-1，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)N2O的排放量為2.3～3.7 TgN yrr-1 。

總體來(lái)說(shuō)，反硝化過(guò)程對(duì)氮素循環(huán)、土壤肥料流失和生態(tài)環(huán)境都有重大的影響。研究反硝化已成為許多科學(xué)家的熱點(diǎn)，對(duì)其深入研究有助于我們進(jìn)一步量化氮素周轉(zhuǎn)、預(yù)測(cè)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中氮肥的去向、制定污水處理措施、應(yīng)對(duì)由于溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球變暖等都具有重大的意義。

三、討論

NO雖然不是溫室氣體，但它是大氣中的活性物質(zhì)，在對(duì)流層中很容易被氧化成NO2。另外，NO也是形成酸雨和光化學(xué)煙霧的重要前提物質(zhì)。目前，關(guān)于NO方面的研究文獻(xiàn)中多為自然田間狀態(tài)下或室內(nèi)培養(yǎng)條件下由硝化和反硝化過(guò)程共同產(chǎn)生的NO總和，反硝化過(guò)程中NO產(chǎn)生的條件和機(jī)制尚不完全清楚，因此，關(guān)于單獨(dú)由反硝化過(guò)程產(chǎn)生NO的報(bào)道很少，有待進(jìn)一步研究。