（植物营养学专业论文）森林土壤反硝化潜力及产物组成的地域性变异规律.pdf

独创性声明 学位论文题目： 盔盐墓区趟丝澄左区芒堑玺盛鲍地垫! 陛变是趣堡 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了 特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁 在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者： 占淘霞 签字日期：7 pf ，年歹月；口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：s 南宝导师签名：) 司众；认 签字日期： 枷f 年歹月3 p 日签字日期：乃午歹月；日 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 弓i 言1 第一章文献综述3 1 1 森林生态系统简述3 1 2 土壤反硝化作用概述3 1 2 1 土壤反硝化作用概述3 1 2 2 土壤反硝化作用的分类4 1 3 影响土壤反硝化作用的因素5 1 3 1 通气与水分状况5 1 3 2 温度5 1 3 3 碳源。5 1 3 4 氮源6 1 3 5 ：壤p h 6 1 3 6 土壤质地6 1 3 7 植物根系6 1 3 8 微生物7 1 4 反硝化作用的定量研究方法7 1 5 本研究的技术路线8 第二章森林土壤反硝化潜力及其影响因素l l 2 1 前言1 l 2 2 材料和方法1 1 2 2 1 采样地点描述和土壤采集1 1 2 2 2 厌氧培养试验方法1 4 2 2 3 土壤理化性质分析方法1 4 2 2 4 数据处理和统计方法1 5 2 3 结果与分析1 5 2 3 1 土壤理化性质1 5 2 3 2 厌氧培养过程中硝态氮含量变化1 8 2 3 3 厌氧培养过程中反硝化产物生成速率1 9 2 3 4 土壤反硝化势2 2 2 4 讨论。2 5 第三章森林土壤反硝化过程中影响n 2 0 和n o 比例组成的因素探讨2 7 3 1 前言2 7 3 2 材料和方法2 8 3 2 1 供试土壤2 8 3 2 2 试验方法2 8 3 2 3 土壤理化性质测定方法2 8 3 2 4 数据处理和统计方法2 8 3 3 结果与分析。2 9 3 3 1n 2 0 和n o 占反硝化气态产物的比例2 9 3 3 2n 2 0 比例和n o 比例与土壤性质的关系3 1 3 3 3 反硝化产物中n 2 0 + n o 排放量与土壤性质的关系。3 5 3 2 l 讨论：；6 第四章全文总结3 9 4 1 全文主要结论3 9 4 1 1 森林土壤反硝化势地域性变异规律及其影响因素3 9 4 1 2 影响反硝化产物组成及地域性变异规律的因素3 9 4 2 本研究的创新点3 9 4 3 研究不足及展望4 0 参考文献4 1 作者简介5 3 j l | 【谢5 5 摘要 森林土壤反硝化潜力及产物组成的 地域性变异规律 植物营养学专业硕士研究生吕海霞 指导教师周鑫斌副教授 石孝均研究员 蔡祖聪研究员祭租聪研冤员 摘要 通过采集中国南北样带不同纬度森林土壤，采用加入k n 0 3 在恒温2 5 0 c 条件下淹水厌 氧密闭培养乙炔抑制法，测定了森林土壤的反硝化势以及气态产物n 2 0 、n o 和n 2 的产生 量，从而研究森林土壤反硝化势和气态产物组成的地域性规律及其影响机制。 结果表明，供试的森林土壤p h ( h 2 0 ) 4 6 和7 0 6 ，除山东博山的森林土壤呈中性( p h ：7 0 6 ) 外，其余森林土壤均呈酸性；有机碳含量2 3 4 0 1 1 5 5 3gk g 1 ，其中黑龙江漠河森林土壤有机 碳含量最高( 1 1 5 5 3gk g - 1 ) ，海南的最低( 2 3 4 0gk g - 1 ) ；土壤全氮含量在1 6 8 - - 6 5 6gk g - 1 之 间，黑龙江漠河的全氮含量最高，山东泰山的最低。 森林土壤反硝化势差异很大( 0 1 9 加8 1m gk g 1h 。1 ) ，地带性规律不太明显，也未发现热 带亚热带森林土壤反硝化较弱。相关分析表明土壤反硝化势与土壤c n 有显著的负相关关系， 与初始e h 有显著的负相关关系( p 0 0 5 ) ，对森林土壤反硝化势与土壤理化性质进行逐步回 归分析，发现土壤反硝化势与土壤初始e h 、n 地+ - n 和n 0 3 卟4 含量有较好的相关性，可以 用回归方程表示为：反硝化势= 一0 0 0 4 x 初始e h + 0 0 0 6 x a n i - h + - n + 2 3 8 5 ( n ：3 0 ，p = o 0 1 ， r 2 = 0 5 6 ) 。 在供试的所有森林土壤中，n 2 0 排放量占气态产物组成比例差异很大，在3 9 7 - 9 8 7 之间变化，从高纬度到低纬度，n 2 0 占反硝化产物的比例呈抛物线分布，在中纬度时最高， 低纬度和高纬度n 2 0 的比例都有所下降。相关分析表明，n 2 0 比例与土壤p h 呈显著负相关 ( p 0 0 5 ) ，与s o c o x c 呈显著负相关( 刚0 5 ) ；逐步回归表明，n 2 0 占气态产物排放量的 比例与土壤p h 、s o c 和土壤反硝化势有较好的相关性，可用回归方程表示为：n 2 0r a t i o = 一1 3 7 2 5 x p h 一2 9 9 x s o c + 1 6 0 0 6 7 ( n = 3 0 ，p = o 0 0 4 ，r 2 = 0 5 6 ) 。 n o 占反硝化产物组成的比例较低，并且在纬度上呈指数分布，随着纬度的降低逐渐升 高，热带亚热带森林土壤反硝化产物中n o 比例显著高于温带森林土壤，相关分析表明，n o 比例与土壤s o c 呈极显著负相关( p 0 0 1 ) ，与o x c 、t n 、s o c o x c 呈极显著正相关( p 0 0 1 ) 。 两雨大学硕- f 学位论文 逐步回归分析表明，n o 占气态产物排放量的比例与土壤s o c 有较好的相关性( p = o 0 0 4 ， = 0 2 5 7 ) ，s o c 是影响n o 比例的重要因素之一。 本研究中的森林土壤n 2 0 + n o 排放速率差异不是很大，说明n 2 0 + n o 排放速率趋于一 个常数。相关分析表明，反硝化产物氮氧化物n 2 0 + n o 排放速率与土壤p h 呈显著负相关 ( p o 0 1 ) ，说明高p h 土壤中氮氧化气体的排放较少；热带亚热带地区通过反硝化作用产生 的温室气体n 2 0 + n o 较多，反硝化过程并不能有效地将活性氮转化为惰性氮( n 2 ) 。因此， 此类森林生态系统土壤反硝化作用的生态环境意义需要重新评估。 关键词t 森林土壤反硝化势反硝化产物地域变异规律 a b s t r a c t r e g i o n a lr e g u l a t i o no np o t e n t i a la n d g a s p r o d u c t so fd e n i t r i f i c a t i o ni nf o r e s ts o i l s d i s c i p l i n e ：p l a n tn u t r i t i o n c a n d i d a t e ：l vh a i x i a s u p e r v i s o r ：a p r o z h o ux i n b i n p r o s h i x i a o j u n p r o c a iz u c o n g a bs t r a c t f o r e s ts o i l sw e r ec o l l e c t e df r o mt r a n s e c t so fd i f f e r e n tl a t i t u d e sf r o mn o r t ht os o u t h i nc h i n a , f o l l o w e db ys e a l e d ，w a t e r l o g g e da n da n a e r o b i cc u l t u r ew i t ha c e t y l e n e i n h i b i t i o nm e t h o da f t e ra d d i t i o no fk n 0 3i nac o n s t a n t t e m p e r a t u r eo f2 5 0 c d e n i t r i f i c a t i o np o t e n t i a la n dp r o d u c t i o no fg a s e o u sp r o d u c t sn 2 0 ，n oa n dn 2o ff o r e s t s o i lw e r em e a s u r e dt h e n , t h u sr e g i o n a lr e g u l a t i o no nd e n i t r i f i c a t i o np o t e n t i a la n d g a s e o u sp r o d u c t s c o m p o s i t i o no ff o r e s ts o i la n di t si m p a c tm e c h a n i s mw e r ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es a m p l e sh a dap hr a n g eo f4 6 4 7 0 6 w i t ht h e e x c e p t i o no ff o r e s ts o i lf r o ms h a n d o n gb o s h a nw h i c hh a dap ho f7 0 6 ，a l lt h eo t h e r s a m p l e sw e r ea c i d i c 1 1 1 es a m p l e s o r g a n i cc a r b o nc o n t e n tv a r i e df r o m2 3 4 0t o1 15 5 3 gk g 1 ，t h eh i g h e s to r g a n i cc a r b o nc o n t e n t ( 1 15 5 3gk g 。1 ) a p p e a r e di nf o r e s ts o i ls a m p l e f r o mm o h ei nh e i l o n g j i a n gp r o v i n c ea n dt h el o w e s t ( 2 3 4 0gk g 叫) i nh a i n a np r o v i n c e n l et o t a ln i t r o g e nc o n t e n to fs a m p l e sw e r eb e t w e e n1 6 8a n d6 5 6gk g _ 、析mt h e m a x i u mi nm o h eh e i l o n g ji a n ga n dt h em i n i m u mi nt a i s h a ns h a n d o n g s o i ld e n i t r i f i c a t i o nd i f f e r e dg r e a t l yf r o me a c ho t h e ri nf o r e s ts o i l ，a n dr e g i o n a l r e g u l a r i t yw a sn o to b v i o u s l y ，n e i t h e rt h ew e a k e rd e n i t r i f i c a t i o ni nt r o p i c a la n d s u b t r o p i c a lf o r e s ts o i l c o r r e l a t i o na n a l y s i ss u g g e s t e ds o i ld e n i t r i f i c a t i o np o t e n t i a lh a d ao b v i o u s l yn e g a t i v er e l a t i o n s h i p 、i 廿ls o i lr a t i oo fc n a n dn e g a t i v e 、) ，i t hi n i t i a le h ( p 0 0 5 ) a f t e rc a r r y i n go ns t e p w i s er e g r e s s i o na n a l y s i so ff o r e s ts o i ld e n i t r i f i c a t i o n a n dp h y 7 s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，ag o o dc o r r e l a t i o nb e t w e e ns o i ld e n i t r i f i c a t i o n a n di n i t i a ls o i le ka n h 4 + - n ，c o n t e n to fn 0 3 - nw a sd i s c o v e r e d t h er e g r e s s i o n e q u a t i o n w a s ：d e n i t r i f i c a t i o n = - 0 0 0 4 x i n i t i a l e 1 1 + 0 0 0 6 x a n h 4 + - n + 2 3 8 5 ( n = 3 0 i l l 两南大学硕卜学位论文 p = 0 01 ，r e = o 5 6 ) i i la l lt h et e s t e df o r e s ts a m p l e s ，r a t i oo fn 2 0e m i s s i o nt ot o t a lg a s e o u sp r o d u c t s v a r i e dal o t ，b e t w e e n3 9 7 a n d9 8 7 t h ep r o p o r t i o no fn 2 0c h a n g e dw i t hl a t i t u d e l i k eap a r a b o l a , t h a tm e a n ti tw a sh i g h e s ti nm i d - l a t i t u d ea n df r o mt h em i dt oh i g h e r a n dl o w e ri tb o t hd e s c e n d e d c o r r e l a t i o na n a l y s i si n d i c a t e dt h a tn 2 0p r o p o r t i o nh a sa m a r k e d l yn e g a t i v er e l a t i o n s h i p 谢t l lb o t hs o i lp h ( p o 0 5 ) a n ds o c o x c ( p 0 0 5 ) s t e p w i s er e g r e s s i o na n a l y s i sd e m o n s t r a t e dn 2 0r a t i ot ot h et o t a lg a s e o u sp r o d u c t sw a s w e l lr e l a t e dw i t l ls o i lp h s o ca n ds o i ld e n i t r i f i c a t i o n 1 1 1 er e g r e s s i o ne q u a t i o nw a s n 2 0r a t i o = 一1 3 7 2 5 x p h - 2 9 9 x s o c + 1 6 0 0 6 7 ( n = 3 0 ，p = 0 0 0 4 ，影= 0 5 6 ) n ow a sas m a l lf r a c t i o ni nd e n i t r i f i c a t i o np r o d u c t s c o m p o s i t i o n ，a n dd i s t r i b u t e d l i k el o g a r i t h m 、) l ，i t l ll a t i t u d e ，a st h el a t i t u d e sg o tl o w e ra n dt h ep r o p o r t i o n sg o th i g h e r 1 1 1 ep r o p o r t i o n so fn oi nd e n i t r i f i c a t i o np r o d u c t si nt r o p i c a la n ds u b t r o p i c a lf o r e s t w e r ed i s t i n c t l yh i g h e rt h a nt h o s eo ft e m p e r a t e c o r r e l a t i o na n a l y s i si m p l i e dt h e p r o p o r t i o nw a sn e g a t i v e l yr e l a t e dw i t hs o i ls o c ( p o 01 ) ，b u tw e l lp o s i t i v e l yr e l a t e d 谢t l ls o i lo x c ，t na n ds o c o x c ( p 5 0 。c 时化学反硝化作用将起主要作用【4 1 。在7 5 8 5 。c 时反硝化作用将停 止，没有反硝化作用的进行f 3 9 , 4 1 】。 1 3 - 3 碳源 绝大多数反硝化细菌是异养的，土壤有机质为参与这一过程的微生物提供了能源。同时 有机物质本身是一种电子供体，而且还是一种呼吸基质，可引起氧协迫。因此，土壤有机质 含量越高，反硝化作用潜力越大【4 2 , 4 3 1 。有些研究者认为土壤反硝化作用的空间变异性部分原 因是有机碳的差异所致4 “引。 土壤反硝化势还与有机碳的形态有关，特别是与水溶性碳或易矿化碳的关系更为密切 5 西南大学硕十学位论文 4 9 】。此外反硝化势还与碳源的特性有关，许多化合物如葡萄糖、蔗糖、甲酸盐、柠檬酸盐等 可以有效地促进反硝化作用【5 0 1 。在田间条件下，植物残茬、根系分泌物、绿肥或圈肥等也会 促进反硝化作用的进行1 5 l 】，但是在土壤供氮不足的情况下，反硝化作用反而会下降，因为作 物残茬有较大的碳氮比，在分解过程中易引起氮的固定【5 2 ，5 3 】。 1 3 4 氮源 在实验室条件下，反硝化速率随土壤n 0 3 浓度的增加而增加，但在土壤n 0 3 - 浓度增加到 较高的数值后，反硝化速率稳定在较高的水平，不再增加。由于n 0 3 到n 0 2 的还原酶系表观 k m 值极低，一般在5 - - 2 9 0l u n o l l 1 之间 5 4 , 5 5 】，当土壤n 0 3 浓度达到2 5 1 0 0m gk 9 1 时，反硝 化潜势与土壤n 0 3 浓度无关，即呈零级反应f 5 6 】。当土壤n 0 3 浓度低于4 0 瞧ng - 1 时，土壤反 硝化反应呈一级反应，此时土壤生物反硝化速率完全决定于n 0 3 在土壤溶液中的扩散速率 5 7 - 5 9 。在实验室条件下，当反硝化不受有机碳供应和水分含量限制时，n 0 3 - n 浓度是反硝化 速率主要限制因素【6 0 1 。当n 0 3 - - n 不成为反硝化的限制因素时，那么c 的供应就成为限制反 硝化强弱的主要因素。c n 比值较大可能会降低反硝化的氮损失【3 5 1 。 1 3 5 土壤p h 土壤p h 对反硝化作用的影响目前还没有定论。通常认为适宜反硝化进行的土壤p h 值范 围是6 - + 8 之间。反硝化速率随p h 值的升高而升高【6 l 】，因为土壤中微生物的种类以及n 0 3 浓度状况决定反硝化作用的最佳p h 值【6 2 1 ，而绝大多数反硝化微生物生长的最佳p h 范围在 6 8 之间，虽然弱碱性环境有利于反硝化过程，但在自然的酸性土壤上即使p h 低至3 5 时， 仍发现有明显的反硝化损失 6 3 - 6 7 】。长期的酸性土壤环境使一些反硝化微生物适应了这种低p h 环境1 6 8 , 6 9 发现在瑞典和芬兰的酸性土壤上反硝化速率与土壤p h 值之间呈现正相关关系。 1 3 6 土壤质地 土壤质地对反硝化的影响主要是通过土壤结构、孔隙大小、团粒、以及导水速率等物理 因素的变化状况而进行的。通常质地较重的粘壤反硝化强于质地较轻的砂壤，即随着土壤质 地变细反硝化作用增强( 砂壤 广东南昆山( n0 5 3m gk 9 1h - 1 ) 福建万木林( n0 4 4 m gk g 1h 。1 ) 海南( n0 4 3m g k 9 1h 1 ) 吉林长白山( n0 4 2m gk g 1h 以) 江西双圳( n 0 3 3m g k g 1h 1 ) 黑龙江漠河 ( n0 2 3 m g k g 1h - 1 ) 黑龙江凉水( n0 2 1m g k g - 1h 。1 ) 山东泰山( n 0 1 9 m g k g 1h - 1 ) 。森 林土壤的地带性规律不太明显。对森林土壤反硝化势与土壤理化性质进行逐步回归分析，发 现土壤反硝化势与土壤初始e h 、a n i - h + - n 和n 0 3 - n 含量有较好的相关性，可以用回归方程 表示如下： 反硝化势= 一0 0 0 4x 初始e h + 0 0 0 6x n h 4 + - n + 2 3 8 5 ( n = 3 0 ，p = o 0 1 ，r 2 = o 5 6 ) ( 5 ) 表明，反硝化势与土壤初始e h 呈负相关，与n h a + - n 正相关，e h 的升高降低了土壤反硝化 势，n 】h 4 + - n 的增加有利于反硝化的进行。 f 要 暑 蚤 兰 口 2 漠河 - 凉水 o4 06 08 0l o o 培养时间i n c u b a t i o nt h n e t h ) 山 山 加 o 08鲁咖iiolbq趸嚣q器k基翟哒 两南大学硕十学位论文 0 2 04 06 0 8 0l o o1 2 0 培养时间i n c u b a t i o nt i m c ( h ) 图2 5 森林土壤反硝化产物累积排放量随培养时间的变化 f i g2 5a c c u m u l a t i o no fd e n i t r i f i c a t i o ng a s e o u sp r o d u c t si nt h ef o r e s ts o i l sd u r i n gt h ea n a e r o b i c i n c u b a t i o n 硝化产 如 如 加 m o -互e吾j口2厶 j8肇呻暑鼍c趸8凸霉k尊翟谜 第二章森林十壤反硝化潜力及其影响冈素 1 o 8 蛩0 6 暑 密o 4 o 霞 谜 o 2 o o1 0 03 0 0 4 0 0 森林土壤初始e h ( m v ) 图2 7 森林土壤反硝化势与初始e h 的关系 7 0 0 f i g2 7r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e n i t r i f i c a t i o np o t e n t i a li nf o r e s ts o i la n di n i t i a le h 2 4 讨论 土壤反硝化势是文献中对在淹水、厌氧、密闭条件下n 0 3 - n 供应充分时，土壤反硝化 强度的专指【1 0 4 1 。在反硝化研究中，土壤反硝化势有两种表征方法：1 ) 用培养过程中硝态氮 减少量表征，2 ) 用培养过程中气态产物的产生总量表征。许多研究表明，硝态氮加入到土壤 中后，在极短的时间( 几小时，甚至是几十分钟) 内会大量被土壤固剧1 0 孓1 0 7 1 ，使用硝态氮 减少量表征土壤反硝化势存在过高估算反硝化势的问题，因此，本研究采用气态产物的产生 总量表征土壤反硝化势【1 0 引。为了避免乙炔抑制n 2 0 转化为n 2 过程的效果随着乙炔加入时间 延长而下降，本研究在测定时，均只测定乙炔加入后6h 内n 2 0 和n 2 产生量。因此，由此测 定的结果应该能够更好地反映土壤硝化势的强度和反硝化产物组成。研究结果表明，森林土 壤反硝化势差异很大，变化在0 1 9 o 8 1m gk g - 1h - 1 之间。在淹水、充氮气创造强烈的厌气环 境后，从0 - - 6h 测定的反硝化势与2 4 3 0h 的测定结果比较，同一土壤的反硝化势均有不同 程度的增加( 图2 2 、图2 3 和图2 4 ) ，表明随着土壤还原程度的加深，土壤反硝化势增加。 但在整个培养过程中，如果n 0 3 供应充分，反硝化产物的积累量与培养时间呈极显著的线性 正相关( 图2 5 ) ，这一结果表明反硝化势随着土壤还原性增强而增加的程度在整体上是可以 忽略不计的。 亚热带地区土壤具有高度风化，脱硅富铝化程度高，氧化铁、铝含量丰富f 1 0 8 】，土壤酸性 强，氧化势高【1 0 9 】，土壤侵蚀严重导致有机碳含量低【1 1 0 1 等特点。亚热带土壤所具有的这些特 点使得反硝化势可能较低，推测反硝化势由北到南随着纬度的逐渐降低反硝化势逐渐降低， 两南大学硕 ：学位论文 但本研究中森林土壤的反硝化势顺序为山东博山 黑龙江帽儿山 广东南昆山 福建万 木林 海南 吉林长白山 江西双圳 黑龙江漠河 黑龙江凉水 山东泰山，森林土 壤反硝化势的地带性规律不明显，也没有发现热带亚热带森林土壤反硝化较弱。 土壤有机碳、全氮含量、p h 、n 0 3 和n h 4 + 浓度、温度等均可能是影响反硝化作用的因 素 1 2 h 。在对反硝化过程的研究中，土壤p h 值通常被认为是和n 0 3 - n 含量、土壤水分含量、 温度同等重要的影响反硝化速率的因素之一【l l 。通常认为中性至微碱性的土壤p h 值条件有 利于反硝化的进行1 1 1 2 j ，a u l a k 等认为大多数反硝化微生物适宜生长和活性最强的p h 值范围 是6 , 8 i r a ，酸性条件下也可能导致反硝化微生物可利用的有机碳和矿质氮的有效性下降，但 是文献中关于土壤p h 值对反硝化的影响仍然存在争论【u 4 1 。在本研究中未发现反硝化势与土 壤p h 有显著相关性，供试的森林土壤只有山东博山的土样略呈碱性( p h = 7 0 6 ) ，其余均为 酸性( 表2 2 ) ，但土壤反硝化势并没有因为较低的p h 值而受到显著抑制( 图2 5 ) ，福建万 木林( p h = 4 8 1 ) 和广东南昆山( p h = 4 7 8 ) p h 较低，仅仅高于山东泰山( p h = 4 6 4 ) ，但是 反硝化势却分别高达4 8 9 8m gk 9 1h 。1 和4 8 9 5m g k g - 1h ，而黑龙江漠河的( p h = 5 8 6 ) 较高， 但是反硝化势却最低，仅仅为1 9 7m gk g - 1h - 1 ，可能是由于n 源受限。总之p h 对反硝化势 的影响不确定，p h 不是影响反硝化势的主要因素。 回归分析发现土壤反硝化势与土壤初始e h 有显著的负相关，与土壤n h 。+ - n 有极显著 的正相关关系( p = 0 0 1 ，r 2 = o 5 6 ) ，因为土壤反硝化作用是消耗电子的异养呼吸过程【1 15 1 ，当 土壤中氧化物含量高时，土壤e h 高，还原物质较少，供电子能力就较弱，从而抑制了反硝 化作用，不利于反硝化作用的进行，张等也发现中国东部森林土壤反硝化势与土壤o x c 和 土壤e h 呈显著相关i l0 2 1 。所以说土壤氧化还原电位是影响反硝化势的一个很重要的因素，高 的氧化还原电位抑制反硝化作用的进行。土壤a n h 4 + - n 代表了土壤有机氮的矿化能力，为 n 0 3 孙j 的还原提供电子，从而促进反硝化作用的进行，回归分析表明土壤初始e h 对反硝化 作用的影响大于土壤n h 4 + - n 的影响作用。 相关分析表明土壤反硝化势与土壤c n 比显著负相关( 图2 6 ) ，土壤有机质矿化作用 不仅提供还原n 0 3 - - n 所需的电子，而且提供反硝化微生物生长的有机底物和能量来源。土 壤有机质含量越高，反硝化作用潜力越大1 4 2 , 4 3 】，在自然条件下，水分含量、有效碳、硝态氮 源等因素间相互作用【1 1 6 】。这是由于硝酸盐浓度、有效碳、通气状况及微生物分布的不均一性 造成的，而实验室条件下，当反硝化不受有机碳供应和水分含量限制时，n 0 3 - n 浓度是反硝 化速率主要限制因素6 0 , 3 2 】。当n 0 3 - n 不成为反硝化的限制因素时，那么c 的供应就成为限 制反硝化强弱的主要因素，有机碳和n 0 3 - n 对反硝化的影响，实际上是c n 比值在起作用， c n 比值较大可能会降低反硝化的氮损失l ”j 。 第三审森林十壤反石肖化过程中影响n 2 0 和n ol - i ：例组成的冈素探讨 第三章森林土壤反硝化过程中影响n 2 0 和n o 比例组成的因 素探讨 3 1 前言 反硝化的气态产物主要是n 2 0 ，n o f f h n 2 【1 17 1 。反硝化作用的环境效应取决于其反硝化产物， 并且与这些产物间的比例关系密切。n 2 0 是重要的温室气体之一，它参与大气光化学反应，对 臭氧层造成一定的破坏。在百年时间尺度上n 2 0 的全球增温潜势是c 0 2 的2 9 6 倍，它在大气中 的存活寿命为1 2 0 年羽。近些年来，n 2 0 浓度迅速增加，从1 9 8 8 年来n 2 0 以每年0 8p p b 的速率 增长，2 0 0 4 年浓度达3 1 8 6p p b ，比工业革命前( 2 7 0p p b ) 增- l c , ：- j 大约1 8 1 1 1 9 】。全球n 2 0 年排放量 是1 6 4t g ，土壤是n 2 0 重要的排放源，由土壤排放的n 2 0 量约占年总排放量的6 2 2 1 1 1 引，施肥 农业土壤上排放的n 2 0 - n 约为2 8t g t l 2 0 1 。n o 虽然不是温室气体，但是它在大气中容易被氧化 f 戎n 0 2 ，促进0 3 的形成【1 2 1 l ，n o 也是形成酸雨和光化学烟雾的前提物质f 1 2 2 】。全球土壤排放的 n o 估计为牝1t g ny r 1 1 2 3 , 1 2 4 ，其中施肥农业土壤上排放的n o - n 为1 6t g l l 2 0 1 ，由土壤硝化和 反硝化产生的n o 占总排放量的3 5 l 砼5 1 。关于n o 方面的报道多为在田间或者实验室培养条件 下由硝化和反硝化作用同时产生的n o 的总和【1 2 6 1 ，至于由反硝化作用产生n o 的机制还不甚清 楚旧1 ，因此关于由反硝化作用产生n o 的报道较少【1 2 踟。 反硝化作用的终产物主要是n 2 0 和n 2 ，一般认为n o 不是反硝化作用的终产物，其中 n 2 0 的比例变化很大，在0 - - 1 0 0 之间变化【1 1 引。n 2 0 的净排放量取决于n 2 0 的生成速率和 n 2 0 还原速率的相对大小。影响反硝化产物比例的土壤因素有很多，如土壤理化性质( 土壤质 地、水分、有机质含量、土壤p h 值) ，作物类型、气候因素和施氮量等【l2 0 1 ，此外微生物的种 群组成、结构及酶活性都影响反硝化作用【1 2 9 1 。 p h 值是影响n 2 0 还原的因素之一。通常认为低p h 值抑制n 2 0 还原酶( n o r ) 活性6 4 1 ，酸性土 壤中有利于n 2 0 的产生h 7 1 ，p h 高时有利于氮气的产生l ”o l 。 0 2 浓度也影响反硝化作用中n 2 0 的排放量，高0 2 浓度抑制n 2 0 还原，因此随土壤含水量的 增加土壤逐步进入厌氧过程，e h 降低，此时反硝化作用产物n 2 0 n 2 比例呈下降趋势【1 3 1 , 1 3 2 】。 土壤质地和土壤e h 也影响反硝化产物中n 2 0 的排放，其中土壤质地通过影响n 2 0 在土壤剖 面的扩散难易程度而影响n 2 0 的还原强度【1 3 3 , 1 3 4 。通常情况下，当土壤中氧化物的有效性大于 还原物质的有效性时，土壤的e h 较高，氮氧化物不能完全被还原，因而产物中n 2 0 n 2 比值较 高。 n 0 3 浓度也是影响反硝化产物的因素之一。通常认为高浓度的n 0 3 或n 0 2 会抑制n 2 0 还原 为n 2 ，n 2 0 n 2 比值较高1 3 1 , 1 3 5 】。 h m u n c h 等认为，- 1 壤n 0 3 - 含量只是影响反硝化速率，并不影 响反硝化气态产物n 2 0 n 2 比【1 3 6 】。 关于能抑制n 2 0 还原彭j n 0 3 浓度阈值报道不一，如l u o 等认；为n 0 3 - n 浓度 1 0 0m gk 9 1 会抑 制n 2 0 的产生f 5 4 1 。而有的学者认为其浓度范围在l 0m gn 0 3 - nk g - 1 即足以抑制上述过程 2 7 两雨大学硕卜学位论文 1 3 7 , 1 3 8 】。 高浓度的n 0 3 不仅抑制n 2 0 还原酶的合成和活性，而且也能抑* u n o 还原酶和n 0 2 还原酶 1 1 3 9 , 1 4 0 。土壤有机碳既可以促进反硝化产生n 2 0 ，也可以促进n 2 0 的还原。一般来说，n 2 0 排放 量是随有机碳含量，尤其是有效碳含量的增加而增加的。有机质不但提供了有机碳，而且也 提供了易矿化氮，因此促进反硝化作用1 1 4 l 】。n 2 0 排放通量随有机质c n 比下降而增大【1 4 2 1 。土 壤有机c 有效性高也有助于n 2 0 的还原，随着土壤有机碳有效性的提高，n 2 0 n 2 的比值降低 1 1 3 1 , 1 3 2 。因为有机碳丰富促进了土壤微生物的呼吸，造成微域厌氧环境，有利于n 2 0 还原的进 行【1 4 扪。 温度影响n 2 0 的还原，关于温度对其的影响报道不一。y a m u l k i 等认为土壤温度与n 2 0 的 还原呈正相关，温度升高有利于n 2 0 的还原，n 2 0 n 2 的比例下降f l 槔1 矧。但_ d o n o s o 等认为n 2 0 的还原与土壤温度负相关，晚i - n 2 0 还原的比白天多。所以温度对n 2 0 净消耗的影响比较复杂 1 1 4 7 1 。此外反硝化厌氧培养时间的长短也会影响反硝化作用及产物比例 1 4 8 , 1 4 9 】。 以前的研究大部分注重土壤理化性质及反硝化底物对反硝化作用的影响，现在大多数研 究在于关注土壤微生物的作用，探讨微生物机构组成及酶活性对反硝化的影响。田间条件下， 由于气候、土壤母质、温度、土壤质地等都影响反硝化作用的进行，再加上不同土壤理化性 质下的不同微生物种群的作用，导致反硝化作用的产物组成不尽相同，产物比例相差甚大。 3 2 材料和方法 3 2 1 供试土壤 基于热量驱动的中国东部南北样带的3 0 个采样点的森林土壤，同第二章。 3 2 2 试验方法 同第二章 3 2 3 土壤理化性质测定方法 同第二章。 3 2 4 数据处理和统计方法 反硝化过程中，n o 、n 2 0 和n 2 产生速率( m gnk 9 1h 1 ) 计算公式同第二章， 气体累积产生量( m gnk 9 1 ) 用下式计算： m = v x t 产物比例用下式计算g w = m m t 1 0 0( 2 ) 式中：m 为气体累