（环境工程专业论文）东北农田土壤和植物n2o排放过程初探.pdf

东北农田土壤和植物n 2 0 排放过程初探 摘要 n 2 0 作为一种重要的温室气体，它对大气臭氧层有破坏作用，使地表的紫外辐射增 加。但是，目前对大气n 2 0 源汇的估算仍有很大的不确定性，可能是对已知源的强度估 算不足或某些重要的源尚未被发现。土壤是最主要的氧化亚氮州2 0 ) 排放源。硝化和反硝 化作用是土壤中生成n 2 0 的两个最主要微生物过程，硝化作用与反硝化作用对n 2 0 产生 量的贡献有极大的差别；影响农f f l 土壤n 2 0 排放的因素主要有土壤水分状况、土壤温度、 n m + - n 和n 0 3 o n 含量、土壤有机质、土壤p h 等，区分n 2 0 的硝化和反硝化作用来源， 和理解环境因子改变如何影响n 2 0 排放，对准确估算和预测土壤n 2 0 排放通量非常重要。 陈冠雄等首次报道了植物在正常的生理状态下，本身也能释放n 2 0 ，这一重要发现为生 物源n 2 0 的估算提供了新的研究方向，为提高n 2 0 源汇估算的精确度提供了可能。 本文主要以旱田土壤为研究对象，采用乙炔和氧气抑制技术( 低浓度乙炔抑制自养硝 化作用，纯氧抑制反硝化作用) ，研究了旱田土壤中的硝化和反硝化作用n 2 0 产生过程， 以及各种不同环境因素对n 2 0 产生过程的影响。对f f l 间栽培大豆、土壤n 2 0 排放通量进 行了研究，还应用气相色谱法、稳定性同位素比率质谱法，对植物排放的n 2 0 在土壤一 植物系统中的贡献进行了初步研究。 本试验主要由两部分组成：第一部分主要是将采自沈阳站点的土壤样品进行室内不同 因素条件下( 包括温度、含水量、速效氮、外源磷氮比和外源有机质) 的土壤培养实验， 得出各种因素条件下的硝化和反硝化n 2 0 排放速率、硝化和反硝化贡献率、n 2 0 转化率 以及各种影响因子对硝化作用和反硝化作用n 2 0 转化率的影响函数。第二部分主要是对 田间栽培大豆、土壤n 2 0 排放通量进行了研究，应用气相色谱法、稳定性同位素比率质 谱法，对植物排放的n 2 0 在土壤一植物系统中的贡献进行了初步研究。 试验所得结果和结论如下： 温度显著影响硝化和反硝化微生物的活性，在4 3 3 范围内，随着温度上升，硝化n 2 0 排放速率和硝化n 2 0 转化率一直在增加。而反硝化n 2 0 转化率和反硝化n 2 0 排放速率在 4 3 3 范围内也一直增加。统计显示，反硝化n 2 0 转化率与温度t ( ) 之间呈极显著的 正相关关系；在4 3 3 范围内，硝化n 2 0 转化率与温度t ( ) 之间呈 不显著的相关关系。 在1 0 1 4 0 土壤充水空隙度( w f p s ) 的含水量范围内，反硝化n 2 0 转化率与土壤含 水量呈极显著的复合函数型正相关关系。当含水量超过8 0 w f p s 时，反硝化n 2 0 排放 的贡献要大于硝化n 2 0 排放的贡献。在1 0 0 1 4 0 w f p s 含水量条件下，土壤空隙完全 充水，土壤处于完全厌氧环境下，硝化作用可以忽略。 添加铵态氮能促进硝化和反硝化作用的n 2 0 排放。当添加量为2 5 m g k g 时，硝化n 2 0 转化速率和排放速率都达到最大；在添加量为0 - 2 5 m g k g 时，添加铵态氮能提高硝化、反 硝化作用n 2 0 转化率，统计显示，铵态氮添加量与硝化n 2 0 转化率之间不呈显著相关关 系，与反硝化n 2 0 转化率之间呈极显著相关关系。土壤硝化n 2 0 转化率与硝态氮添加量 呈极显著正相关，反硝化n 2 0 转化率与硝念氮添加量不呈显著相关。 增加磷素可以促进硝化类微生物的活性，统计显示，土壤硝化n 2 0 转化率与土壤外 源磷氮比呈显著正相关，反硝化n 2 0 转化率与土壤外源磷氮比不相关，硝化n 2 0 转化率 在添加磷素时比不添加要高。提高外源磷氮比，能促进农田土壤n 2 0 的排放。 统计显示，硝化n 2 0 转化率与外加秸秆的添加量不相关，而反硝化n 2 0 转化率与外 加秸秆的添加量呈极显著相关。总的排放速率随外加秸秆的添加量增大，说明提高外加秸 秆的添加量能促进农田土壤n 2 0 的排放。 对大豆、土壤排放n 2 0 的变化规律进行了研究。实验结果表明，在大豆的开花结荚 期和成熟期，大豆n 2 0 排放通量呈现两个排放高峰，而后大豆、土壤n 2 0 的排放通量开 始下降。 应用气相色谱、气相色谱一同位素比率质谱联用仪测定了在生长期问，大豆在土壤植 物系统n 2 0 排放中的贡献率。结果表明，g c 法测定的大豆在土壤一植物系统n 2 0 排放 中的贡献为2 0 4 9 ，而用i r m s 法测定的贡献率为3 - 7 0 。两种方法的计算结果虽然有 差异，但大豆在土壤植物系统中的贡献率基本趋势一致，进一步证明植物在土壤植物系 统n 2 0 排放中不可忽视的作用。 关键词：氧化亚氮，硝化作用，反硝化作用，排放速率 i i p r e l i m i n a r ys t u d yo fp r o c e s s e so f n i t r o u so x i d ee m i s s i o nf r o ms o i l & p l a n ti n t h en o r t h e a s tf a r m l a n d a b s t r a c t n 2 0i sak i n do fv e r yi m p o r t a n tg r e e n h o u s eg a s i th a sd a m a g i n ge f f e c t so nt h eo z o n el a y e ra n di n c r e a s e s u v - br a d i a t i o no fg l o b a ls u r f a c e h o w e v e r ，t h ee s t i m a t i n go fs o u r c e sa n ds i n k so fa t m o s p h e r i cn 2 0i ss t i l la 1 0 to fu n c e r t a i n t y b e c a u s et h ee s t i m a t i n go ft h es t r e n g t ho fc e r t a i ns o u r c ei si n s u f f i c i e n to rc e r t a i ni m p o r t a n t s o u r c ew a sn o tf o u n d s o i li st h em o s ti m p o r t a n ts o u r c eo ft h en 2 0 n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o na r et h e t w ou p p e r m o s tm i c r o l o g i c a lp r o c e s s e sf o rt h ee m i s s i o no fn i t r o u so x i d ei ns o i l ，b u tt h e yh a v et r e m e n d o u s d i f f e r e n c ei nt h ec o n t r i b u t i o n st ot h ee m i s s i o no fn i t r o u so x i d e t h em a j o rf a c t o r si n f l u e n c i n gt h ee m i s s i o n p r o c e s so fn i t r o u so x i d ei ns o i li n c l u d es o i lw a t e rc o n t e n t ，s o i lt e m p e r a t u r e ，s o i ln h 4 + - na n dn 0 3 。- nc o n t e n t ， s o i lo r g a n i cm a t t e rc o n t e n ta n ds o i lp h ，e t c i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et oe s t i m a t ea n dp r e d i c tt h en i t r o u so x i d e f l u xt h a td i s t i n g u i s h i n gt h es o u r c eo ft h en 2 0v i an i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o na n du n d e r s t a n d i n gh o wt h e c h a n g eo f e n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa f f e c t st h ee m i s s i o no fn i t r o u so x i d e c h e ng u a n - x i o n gf i r s t l yr e p o r t e dt h a t t h ep l a n t si ni t sn o r m a lp h y s i o l o g i c a lc o n d i t i o n sc a r lr e l e a s en 2 0 t h i si m p o r t a n td i s c o v e r yp r o v i d e dan e w r e s e a r c ho r i e n t a t i o nt oe s t i m a t et h eb i o l o g i c a ln 2 0s o u r c e t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ee m i s s i o np r o c e s e so fn i t r o u so x i d ev i an i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o ni n t h es o i lo ff a r m l a n di nn o r t h e a s tc h i n a , a n dt h e e f f e c to fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r so nt h ee m i s s i o np r o c e s so f n i t r o u so x i d e h e r et h ed r yf a r m l a n ds o i li st a k e na st h er e s e a r c ho b j e c ta n dt h ea c e t ) l e n ei n h i b i t i o nt e c h n i q u e a n dt h eo x y g e ni n h i b i t i o nt e c h n i q u ea se x p e r i m e n t a lm e t h o d s ，t h ea c e t y 7 l e n et oi n h i b i tt h e a u t o t r o p h i c n i t r i f i c a t i o n ，t h ep u r eo x y g e nt oi n h i b i tt h ed e n i t r i f i c a t i o n t h i se x p e r i m e n ta l s om e a s u r e st h en 2 0e m i s s i o n f r o ms o y b e a na n ds o i lu n d e rf i e l dc o n d i t i o n i ts t u d i e dp r e l i m i n a r i l yt h ec o n t r i b u t i o no fs o y b e a nt on 2 0 e m i s s i o nf r o mt h es o i l - p l a n ts y s t e mi nf i e l db ya p p l y i n gt h eg a sc h r o m a t o g r a p h ya n di s o t o p er a t i om a s s s p e c t r o m e t r y t h ee x p e r i m e n t si n c l u d et w op a r t s ：o n ei st h ee m i s s i o n p r o c e s e so fn i t r o u so x i d ee m i s s i o n v i a n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o nw i t ht h ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r sc o n t r o ll e d t h ef a c t o r si n c l u d et h es o l l t e m p e r a t u r e ，t h es o i lw a t e rc o n t e n t ，t h ea v a i b l en i t r o g e nf n 0 3 ，n h 4 + ) c o n t e n t , t h ep h o s p h o r u s t o n i t r o g e n r a t i o ( p n ) i nt h ea d d i t i o n a lm a t t e r , t h ea d d i t i o n a lo r g a n i cm a t t e rc o n t e n t i nt h ef i r s tp a r t ，t h ei n c u b a t i o n e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dw i t hs o i lc o l l e c t e df r o mt h es h e n y a n gs t a t i o n t h e nt h en 2 0e m i s s i o nr a t e ，t h e c o n t r i b u t i o nr a t i oo fn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o nt on i t r o u so x i d ee m i s s i o n ，t h en 2 0c o n v e r s i o nr a t i o sa n d t h ef u n c t i o n so ft h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h en 2 0c o n v e r s i o nr a t i o sa r ee l i c i t e d t h eo t h e ro n ei sm e a s u r i n g t h en 2 0e m i s s i o n sf r o ms o y b e a na n ds o i lu n d e rf i e l dc o n d i t i o n i tp r e l i m i n a r i l ys t u d i e dt h ec o n t r i b u t i o no f s o y b e a nt on 2 0e m i s s i o nf r o mt h es o i l - p l a n ts y s t e mi nf i e l db ya p p l y i n gt h eg a sc h r o m a t o g r a p h ya n di s o t o p e r a t i om a s ss p e c t r o m e t r y i i l t h er e s u l t sa n dt h ec o n c l u s i o n so f t h ee x p e r i m e n ta r es h o w na sf o l l o w ： t h et e m p e r a t u r ei n f l u e n c e st h ea c t i v i t i e so ft h en i t r i f i e r sa n dd e n i t r i f i e r s t h en 2 0e m i s s i o nr a t ea n dt h e n 2 0c o n v e r s i o nr a t i ov i an i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o ni n c r e a s ew h e nt e m p e r a t u r er i s e df r o m4 ct o3 3 t h en 2 0e m i s s i o nr a t ea n dt h en 2 0c o n v e r s i o nr a t i ov i ad e n i t r i f i c a t i o na l s oi n c r e a s ew i t h i nt h e t e m p e r a t u r er a n g ef r o m4 ct o3 3 c a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c s ，i ts h o w st h a tt h en 2 0e m i s s i o nr a t ev i a d e n i t r i f i c a t i o nc o r r e l a t e sp o s i t i v e l yw i t ht h et e m p e r a t u r e ；f r o m4 ct o3 3 t h en 2 0c o n t r i b u t i o nr a t i oo f n i t r i f i c a t i o nd o e sn o tc o r r e l a t es i g n i f i c a n t l yw i t ht h et e m p e r a t u r e i nt h es c o p eo f1 0 - 1 4 0 w f p s ，t h en 2 0c o n v e m i o nr a t i ov i a d e n i t r i f i c a t i o nc o r r e l a t e sp o s i t i v e l y w i t ht h es o i lw a t e rc o n t e n t w h e nt h es o i lw a t e rc o n t e n te x c e e d s8 0 w f p s t h ec o n t r i b u t i o nr a t i oo f d e n i t r i f i c a t i o nt ot h en 2 0e m i s s i o ni sh i g h e rt h a nn i t r i f i c a t i o n i nt h es c o p eo f10 0 - 14 0 w f p s ，t h es o i l p o r ei s f u l lo fw a t e ra n dt h es o i li si nt h ec o m p l e t ea n a e r o b i ce n v i r o n m e n t ，s ot h en 2 0e m i s s i o nv i a n i t r i f i c a t i o nc a nb en e g l e c t e d w h e nn h 4 + - ni sa d d e d , i tp r o m o t e st h en 2 0e m i s s i o nv i an i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n w h e nt h e a d d i t i o nr a t ei s2 5 m g k g ，t h en 2 0e m i s s i o nr a t ea n dt h en 2 0c o n v e r s i o nr a t i ov i an i t r i f i c a t i o na r et h el a r g e s t , r e s p e c t i v e l y i nt h er a n g eo f0 - 2 5 m g k gn i - i 4 + _ n ，i tp r o m o t e st h en 2 0e m i s s i o nr a t ea n dt h en 2 0c o n v e r s i o n r a t i ov i an i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h e s t a t i s t i c s ，t h en 2 0c o n v e r s i o nr a t i ov i a d e n i t r i f i c a t i o nc o r r e l a t e sp o s i t i v e l yw i t ht h ea d d i t i o nn h 4 + - n ：t h en 2 0c o n v e r s i o nr a t i ov i an i t r i f i c a t i o nd o e s n o tc o r r e l a t ew i t ht h ea d d i t i o no fn h 4 + - n ，t h en 2 0c o n v e r s i o nr a t i ov i an i t r i f i c a t i o nc o r r e l a t e sa p p a r e n t l y w i t ht h ea d d i t i o no fn 0 3 - n ；t h en 2 0c o n v e r s i o nr a t i ov i ad e n i t r i f i c a t i o nd o e sn o tc o r r e l a t ew i t ht h ea d d i t i o n o f n o s - n w h e nt h ep h o s p h o r u s - t o - n i t r o g e nr a t i oo ft h ea d d e dm a t t e ri se n l a r g e d ，i tw i l lp r o m o t et h en i t r i f i c a t i o n a c t i v i t y a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c s ，t h en 2 0c o n v e r s i o nr a t i ov i an i t r i f i c a t i o na n dc o r r e l a t e ss i g n i f i c a n t l yw i t h t h ea d d i t i o no ft h ep h o s p h o r u s t o n i t r o g e nr a t i o ，b u tt h en 2 0c o n v e r s i o nr a t i ov i ad e n i t r i f i c a t i o nd o e sn o t c o r r e l a t ew i t ht h ea d d i t i o no ft h ep h o s p h o r u s t o n i t r o g e nr a t i o w h e nt h ep h o s p h o r u s t o n i t r o g e nr a t i oo ft h e a d d e dm a t t e ri se n l a r g e d ，i tw i l lp r o m o t et h en 2 0e m i s s i o no ft h ef a r m l a n ds o i l a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c s ，i ts h o w st h a tt h en 2 0c o n v e r s i o nr a t i ov i an i t r i f i c a t i o nc o r r e l a t e sn e g a t i v e l y w i t ht h ea d d i t i o no ft h es t a l k , t h en 2 0c o n v e r s i o nr a t i ov i ad e n i t r i f i c a t i o nd o s en o tc o r r e l a t ew i t ht h ea d d i t i o n o ft h es t a l k w h e nt h es t a l ki sa d d e d ，i tp r o m o t e st h et o t a ln 2 0e m i s s i o nr a t e i ts h o w st h a ti tc a np r o m o t et h e n 2 0e m i s s i o no f t h ef a r m l a n ds o i lb yi n c r e a s i n gt h ea d d i t i o no f t h es t a l k t h en 2 0e m i s s i o nf r o ms o y b e a nw a ss t u d i e di nt h ep a p e r t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h e r ea r et w oe m i s s i o n p e a k sw h i c ho c c u r r e da tf l o w e r i n ga n da u t u m ns t a g e so fp l a n t s a n dt h e nt h en 2 0f l u xf r o ms o y b e a na n ds o i l a r ed e c l i n i n g d u r i n gt h es o y b e a n sg r o w i n gp e r i o d ，t h ec o n t r i b u t i o no fs o y b e a nt on 2 0e m i s s i o nf r o mt h es o i l - p l a n t s y s t e mi sa n a l y s e du s i n gg ca n di r m s t h er e s u l t ss h o w st h a t ：t h ec o n t r i b u t i o no fs o y b e a nt on 2 0e m i s s i o n i v f r o mt h es o i l p l a n ts y s t e ma c c o u n t sf o r2 0 4 9 u s i n gg c ，b u tt h ec o n t r i b u t i o no fs o y b e a nt on 2 0e m i s s i o n f r o mt h es o i l p l a n ts y s t e ma c c o u n t sf o r3 - 7 0 u s i n gi r m s t h er e s u l t so f t w om e t h o d sa l ed i f f e r e n t ，b u tt h e t r e n d st h a tt h ec o n t r i b u t i o no fs o y b e a nt on 2 0e m i s s i o nf r o mt h es o i l - p l a n ts y s t e ma r es i m i l a r i tp r o v e st h a t p l a n ti sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ec o n t r i b u t i o no f n 2 0e m i s s i o nf r o mt h es o i l p l a n ts y s t e m k e y w o r d s ：n i t r o u so x i d e ，n i t r i f i c a t i o n ，d e n i t r i f i c a t i o n ，e m i s s i o nr a t e v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师和中国科学院沈阳应用生态研究所徐慧 研究员指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特, 另t l d i ：i 以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得吉林农 业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 了当 签字日期o , m 年- f 月卿 关于论文使用授权的说明 本人完全了解吉林农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意吉林农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 学位论文作者签名： 了霭 签字日期：夕了年月，扩日 导师签名：怠叫1 1 乞签字日期：2 旧彩年月厢日 第一章前言，帚一早月| j 画 1 1 全球环境变化 地球赋予人类丰富的资源，包括阳光、空气、水、矿物、土壤和生物，构成了人类赖 以生存和发展的物质基础。对地球来讲，阳光是外来的，而其余的资源都是地球本身的组 成部分。在自然地理学中，将地球系统划分为4 个圈，即大气圈、水圈、岩石圈、和生物 圈。 地球从诞生到现在已有4 6 亿年的历史，而人类的历史迄今只有几千年，然而人类的 出现却对地球环境产生了深远的影响。人类在生物进化的自然竞争中，己开始影响到局部 环境。尤其是自从工业革命以来，现代科学技术和以工业为主导的生产发展，更扩大了人 类的生产活动领域。特别是近几十年来，由于人口激增，使得人类无限制地向地球索取资 源，而不顾地球的承受能力，破坏了人与自然地平衡与和谐，己逐渐构成了对整个地球环 境的影响，人类及其活动正在成为全球环境变化的主要扰动因素。 而另一方面，在当今人类面临地人口问题、三废( 废水、废气、废物) 污染等局部 和区域尺度的环境问题之外，更重要的还有温室效应与全球增暖、臭氧层破坏、森林锐减 和生物物种灭绝、土地荒漠化以及淡水资源短缺等一系列全球性环境问题。 有关的科学研究和事实表明：全球变暖对人类将是一场大规模的灾难。它会引起气候 带北移、全球降水量重新分布、冰川和冻土融化、引起海平面上升，从而直接影响水资源， 还将在较长的时间尺度上波及全球植被分布、生态系统的结构和土壤发育等，并将最终影 响到生物物种的多样性。 温室气体增加将会使全球气候变暖这观点已被世界舆论所公认。因此，众多国家 的政府部门、科学团体都先后制定了相应的国内和国际合作计划，专门研究主要温室气体 的浓度排放量及变化趋势，研究温室气体增加对全球和区域性气候变化的影响，研究由此 引起的气候变化对社会经济发展的可能影响以及应采取的相应对策等。这些方面的研究， 正在成为人类生存发展的重要战略性任务。 1 2 温室效应气体n 2 0 氧化亚氮( n 2 0 ) 被联合国气候变化框架公约的京都议定书列为仅次于c 0 2 、 和c h 4 的管制温室气体。由于人类活动对n 2 0 排放的影响，大气的n 2 0 浓度已由工业化 以前的2 7 0 n l l 左右增至当今的3 1 6 n l l 左右，如今还正以每年0 2 5 的速率直线增长， 预计到2 0 5 0 年其浓度将增加到3 5 0 4 0 0 n l l 2 | 。据研究，n 2 0 在大气中可以滞留1 5 0 a 3 1 ， 它的辐射吸收能力很强，大约为c 0 2 的1 5 0 倍到2 0 0 倍，在整个地球大气温室效应中， 其贡献率占4 6 。除具温室效应外，n 2 0 还参与破坏平流层臭氧 4 1 。大气中n 2 0 浓度 增加一倍平流层臭氧将减少1 0 ，而达到地面的紫外线辐射强度会增加2 0 ，导致人类 皮肤癌和其他疾病的发病率迅速上升，并带来其它的健康问题【5 】o 表1 全球大气n 2 0 的源和汇估算( t g a ) ( t g = 1 0 1 2 9 ) t a b l e1e s t i m a t e ds o u r c e sa n ds i n k so f t h eg l o b a ln i t r o u so x i d e ( t g a ) ( 1 t g = 10 1 2 9 ) 注：? 代表源( 汇) 排放量( 或吸收量) 未知 n 2 0 在对流层中经光化学反应产生的二次污染物0 3 能引起大豆、小麦、棉花等农作物 的叶子早衰，产量下降；另外，由于n 2 0 破坏平流层0 3 所导致的紫外辐射增加，将对植物 及动物体内的d n a 产生影响，从而引起细胞死亡，植物生长发育受到抑制，最终造成减 产【7 j 。由于研究方法的限制，以及全球生态系统的复杂多变性、土壤的空间变异性等自然 条件的限制，目前只能粗略估算全球n 2 0 排放量，各种排放源的贡献难以准确定量，而且 不同研究者的估算结果相距甚远。另外，还有一些未确定的源和汇有待进一步地研究。 目前已知的n 2 0 排放源主要包括：海洋、热带及温带土壤、森林、草地、地下水、 化石燃料燃烧、生物质燃烧以及某些化工生产过程等【引，它们的年排放量分别列于表1 【9 】o 据估算，大气中n 2 0 增加量的7 0 9 0 来自于地表生物源【l0 1 。n 2 0 的主要消除机制包 括参与平流层的光化学反应【l ，以及土壤吸收【1 2 】。有研究表明，土壤特别是农田土壤和 热带地区的土壤，是全球最主要的n 2 0 排放源，贡献率高达7 0 【l 3 1 。 过去人们一直认为生物源n 2 0 仅由土壤中的微生物过程所产生。后来发现微生物之 外的其它生物，如植物，也参与n 2 0 的排放或吸收过程。陈冠雄等【1 4 】首次报道了植物在 某些协迫条件下能释放n 2 0 。黄国宏等【l5 】的研究则证明无菌栽培大豆植株在乙炔存在条 件下能排放n 2 0 。徐慧等i l6 j 研究观测了长白山阔叶红松林空气n 2 0 浓度的垂直分布，发 现长白山阔叶红松林的林冠内或其上方不远处出现显著或极显著的高n 2 0 浓度。经过多 2 次观测验证这不是偶然现象，而是一种可重复验证的现象，这种空气n 2 0 浓度垂直分布 特征表明在森林生态系统中植被本身也是一个重要的n 2 0 排放源。l e n s i & c h a l a m e t 1 7 】 则报道植物能吸收空气中的n 2 0 ，他们还报道玉米叶吸收n 2 0 并将其用作代谢过程的氮 源。 硝化和反硝化是土壤中氧化亚氮生成的两个最主要的微生物过程【l 引。由于土壤的不均 衡性，硝化作用和反硝化作用可以同时发生，土壤n 2 0 排放量取决于土壤硝化作用和反 硝化作用的反应速率、n 2 0 在反应产物中的比例及n 2 0 逸散进入大气前在土壤中的扩散 和被还原程度。 所有影响硝化作用及反硝化过程的土壤物理、化学和生物因数都将影响土壤n 2 0 的 排放，这些因素单独或者相互作用，共同决定土壤n 2 0 的排放量。影响农田土壤n 2 0 排 放的因素有：土壤透气性、土壤水分含量、土壤氮素有效性和氮肥施用、土壤p h 、土壤 有机质、土壤质地、植物、光照及温度等。 研究这些因素影响下硝化和反硝化过程对农田土壤n 2 0 排放的贡献就是本文的主要 内容。 1 3n ，0 的源与汇 1 3 1 土壤 土壤按表面覆盖状况可分为耕地、森林、草地和荒地等类型。土壤中的硝化和反硝化 作用均可产生n 2 0 ，因此，土壤是n 2 0 的一个重要排放源。 土壤中生物源n 2 0 主要是由硝化和反硝化过程产生的。简单说，硝化是好氧的微生物 将氨氧化为硝酸盐，而反硝化是厌氧微生物将硝酸盐还原为n 2 的过程。n 2 0 是由微生物细 胞通过这两个过程产生之后释放到土壤中的气态中间产物。硝化和反硝化过程主要受土壤 中碳和氮基质、温度、p h 和土壤湿度等因素的调节。 农田土壤是n 2 0 的重要排放源。一些研究表明，人为源n 2 0 大体上是生物产生的，其 中农业是重要的贡献者。但由于农业生态系统中土壤成分、作物种类和气候类型等的复杂 性，使农业生态系统的n 2 0 排放源的估测，具有较大的不确定性。在全球n 2 0 的源与汇的 估算方面，人们已经做了大量的研究工作。有人提出：农业施肥是n 2 0 排放的主要来源。 研究证明，施肥与未施肥的田f f i j n 2 0 排放量有很大的差别。每年输入农业生态系统的氮肥 将1 5 t g n 2 0 n 直接进入大气。这表明，农业生态系统中，由施氮肥引起的n 2 0 排放量占人 为排放源的年排放量4 4 ，占n 2 0 总排放量的1 3 。 氮肥的品种对n 2 0 的排放也有影响，施用铵肥比施用硝酸盐的n 2 0 排放速率高。 田 间和实验室的研究结果显示，长效碳酸氢铵与普通碳铵和尿素相比，不仅能推迟n 2 0 排放 高峰，而且能减少8 0 2 和8 8 4 的土壤n 2 0 排放【1 9 珈】，表明改变氮肥的配方有可能有效 地降低农田土壤n 2 0 的排放。 直签壅些盔兰亟芏焦迨塞丕i b 壅里圭蕉塑主量塑丛q 塑 垫过堡塑拯 全球耕地面积占陆地总面积的1 3 ，化学氮肥的施用量为每年8 0 t g ，并且随着世界人 口的增加，人类对粮食需求的不断增大，n 肥的施用量也将继续增加。因此，化肥的应用 将成为土壤n 2 0 排放量增加的主要原因。 生物固氮对n 2 0 排放也具有促进作用，因为豆科植物固定的氮具有氮肥的作用。根瘤 菌能通过反硝化作用产生n 2 0 。稻田养萍能增加土壤n 2 0 的排放，并且在淹水期，养萍稻 田同样具有较高的n 2 0 释放，其原因是由于土壤铵态氮浓度的提高导致了n 2 0 产生量的增 加，以及养萍的蒸腾作用促进了溶解在水中的n 2 0 向大气的排放。对非淹水期n 2 0 排放的 促进作用，主要来自土壤结构的改善使土壤中产生的n 2 0 易于向大气扩散 2 4 】。 杜睿等【2 2 1 估算我国温带草原系统n 2 0 的年排放量为l1 2 1 3 g g n 。田间和实验室研究结 果显示，温度、n 0 3 - n 和土壤含水量是影响草地n 2 0 排放的主要因素。杜睿等【2 3 】利用乙炔 抑制法，揭示了异养硝化作用是我国内蒙古典型草原土壤n 2 0 产生的主要微生物过程。森 林生态系统是n 2 0 的重要的排放源。热带森林和树木覆盖了地球表面的1 7 ，这些地区是 n 2 0 的重要的天然源。目前，对热带森林的n 2 0 通量测定较多。陈冠雄等【2 4 】报道了植物能 释放n 2 0 ，如果森林植物能参与n 2 0 释放的话，那么森林生态系统对大气n 2 0 排放的贡献 可能会更大。 1 3 2 海洋和淡水系统 海洋是n 2 0 的天然排放源。h o u g h t o n 2 5 1 认为海洋释放的n 2 0 主要是由亚好氧环境中的 细菌通过反硝化作用产生的。气候变暖导致亚好氧环境的扩大，从而促进了细菌反硝化作 用的进行，因此增加了海洋系统的n 2 0 的释放。淡水系统也可以排放n 2 0 ，并且主要来自 于反硝化作用。r o y 等【2 6 】报道了高度污染的淡水沉积物中，高浓度的n h 4 + ，污染导致t c h 4 氧化受到抑制，致使c h 4 浓度增加，促进了硝化作用n 2 0 的产生。 1 3 3 生物质燃烧和化石燃料燃烧 生物质燃烧包括作物秸杆、草地燃烧等。估计全球生物质燃料产生的n 2 0 每年为 0 5 t g n 。最主要的人为生物物质燃烧是热带草场和热带森林的燃烧，据统计，每年燃烧 面积分别达到7 5 亿耐和7 5 0 万2 。化石燃料主要包括天然气、石油和煤等。i p c c 最新 估计，全球燃料源n 2 0 排放可能是0 1 0 3 t g n a ，但此数据仍有很大的不确定性，因为化 石燃料燃烧排放的n 2 0 的量随燃料的种类和燃烧设施的不同而不同。 1 3 4 工业源 些工业生产过程如硝酸、尼龙生产、合成氨和尿素生产均可排放n 2 0 。估计生产 4 2 x 1 0 4 吨尼龙可能产生2 0 g g n 2 0 n ，合成氨、硝酸和尿素的生产n 2 0 的排放量分别为2 1 、 3 2 和4 8 g g n 2 0 - n 。废水处理过程也会释放n 2 0 。一级处理中通过反硝化作用产