土壤中氧化亚氮的产生及减少排放量的措施

土壤与环境 2001 10 2 143 148 Soil and Environmental Sciences E mail ses 基金项目 国家自然科学基金重大项目 国家自然科学基金项目 国家教委博士点基金项目 作者简介 王彩绒 1970 女 硕士研究生 助理研究员 收稿日期 2001 01 05 文章编号 1008 181X 2001 02 0143 06 土壤中氧化亚氮的产生及减少排放量的措施 王彩绒 田霄鸿 李生秀 西北农林科技大学资源环境学院 陕西 杨凌 摘要 氧化亚氮 N2O 是大气中的一种痕量气体 也是一种重要的温室效应气体 还可使臭氧层遭到破坏 大气中 N2O 浓度呈不断上升趋势 其上升与人类活动关系极大 对环境的潜在破坏性也愈加严重 土壤是 N2O 的重要产生源 土壤中的硝化作用和反硝化作用是 N2O 的主要生成过程 过量施用氮肥 含氮有机物燃烧 毁林开荒等人类活动对 N2O 释放增加的影响不容忽视 人类应采取各项可行的措施来减少 N2O 的释放量 如提高氮肥利用效率 减少生物体燃烧 退耕还林和保护森林资源等 关键词 N2O 释放 环境效应 土壤 减少对策 中图分类号 X144 文献标识码 A Nitrous oxide emissions from soils and strategy for reducing N2O emission WANG Cai rong TIAN Xiao hong LI Sheng xiu College of Resources and Environmental Sciences Northwest Sci tech University of Agriculture and Forestry Shaanxi Yangling China Abstract Nitrous oxide N2O is a trace gas in the atmosphere which contributes both to the greenhouse effect and to the destruction of stratospheric ozone Its concentration in the atmosphere shows increasing tendency apparently and the increase is closely related to human beings activities and this has great potential destruction to the environment Soils are the very important source for N2O emissions A series of factors influence rates of the two microbial processes nitrification and denitrification that produce N2O in the soil Effects of over fertilization of N burning of nitrogen containing organic matter and deforesting on N2O emissions should not be neglected For this reason it is necessary to take measures reducing N2O emissions including improving the N fertilizer utilization efficiency reducing biomass burning and protecting forests and so on Key words N2O emission environmental effect soil strategy for reducing N2O emission 氧化亚氮 N2O 是大气温室效应气体之一 对环境有着多方面的影响 N2O 在对流层中可以 吸收来自陆地的热辐射 减少地表向外层空间的 热幅射 从而产生温室效应 N2O 还可以破坏同 温层中的臭氧 大气中 N2O 浓度增加一倍 臭氧 层中的臭氧将减少 10 而到达地面的紫外线辐 射强度会增加 20 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 1 2 因此人们越来越关注 N2O 浓度升高对全球气候变 暖和臭氧层的影响 近年研究表明 土壤特别是农田土壤和热带 地区的土壤 是全球最主要的 N2O 排放源 贡献 率高达 70 3 N2O 释放通量主要受气候 农业 活动和土壤性状等宏观环境条件的影响 4 而土 壤中硝化和反硝化作用是其产生的主要过程 5 本文对近年来国内外关于 N2O 排放源的研究进展 及减少的对策进行综述 1 N2O 的环境效应及来源 N2O 的排放源 理化性质及环境效应近年来 日益受到人们关注 这一气体在对流层的惰性较 大 存留时间可达 110 150 a 2 大气中 N2O N 的含量 1 4 109 t N 1 5 109 t N 约为来自陆 地和海洋年排放量 1 4 107 t N 0 7 107 t N 的 200 倍 6 7 自工业革命以来大气中 N2O 浓度一 直呈增长趋势 每年以 0 25 0 3 的速率递增 由于这一原因 已由工业革命前的 2 88 10 4 ml L 上升至现在的 3 1 10 4 ml L 6 8 对南极大陆冰 芯研究表明 目前大气中 N2O 的浓度已比工业革 命前增加了 15 20 9 在过去的 100 a 间 N2O 对温室效应的贡献约为 5 10 大气中 N2O 浓度的增长虽不及 CO2 但一分子 N2O 的潜 在增温效应约为一分子 CO2的 200 余倍 10 因而 144 土壤与环境 Vol 10 No 2 不容忽视 据估计 目前全球 N2O 的年均排放量为 16 2 106 t N 6 4 106 t 34 4 106 t N 其中农 业生态系统的排放量达 3 3 106 t N 占总排放量 的 20 11 N2O 主要来自陆地土壤 N 8 106 4 106 t a 来自含氮有机物燃烧和海洋 的次之 分别为 N 4 106 2 106 t a 和 2 106 1 106 t a 8 矿物燃料虽能产生 N2O 但来源较小 12 Byrnes 7 认为 90 的 N2O 可能来 自陆地反硝化和硝化过程 每年大气中增加的 N2O 量少于地表的释放量 净累积量约为 2 8 106 t N 约为陆地土壤释放量的 35 13 这 是因为有多达 N 9 106 2 106 t a 的 N2O 约为 净累积量的 3 2 倍 在同温层经光化学反应而破 坏 生成 O2 N2和 NO 6 大气中的 N2O 在同温 层中主要以两种途径被破坏 光解 与活泼的游离氧 原子反应 这两个过程都能产生一定量的含氮氧 化物 NOx NO NO2 N2O 能与臭氧层反应并破 坏臭氧层 而转变为 NO 的 N2O 约为 5 10 N 4 5 105 t a 9 105 t a 14 15 随 着化肥用量增加 对臭氧 O3 的破坏作用随之 增加 Matthew 通过对不同氮肥的消费量及逸失 系数估计 从肥料中逸失的 N2O 为 N 3 4 105 t a 占 Jenkinson 所估计的陆地和海洋年释放总量 的 1 4 107 0 7 107 t N 1 65 5 3 16 Lashof NO2 NO2 还原酶反硝化过程中的亚硝酸 Nicholas 1978 27 2 化学过程 NOH NO2 化学岐化反应 Bremner NO2 N2O N2 H与腐殖酸反应 Stevenson 1986 23 NO2 NO N2O H2O 自行分解 2 1 Nelson Bremner 1970 年 29 反硝化作用是硝酸盐或亚硝酸盐还原为气态 氮 N2和氮氧化物 的过程 NO3 NO2 NON2ON2 这是一个人 们较为熟悉的过程 这一过程中产生的 N2O 量远 多于硝化过程 7 在反硝化作用产物中 N2与 N2O 的比例决定 于土壤环境条件 其中土壤水分和 pH 显著影响 N2O N2 在渍水土壤中 反硝化产物几乎全为氮 气 在旱地土壤 N2O 比例要高一些 Keeney 研 Vol 10 No 2 王彩绒等 土壤中氧化亚氮的产生及减少排放量的措施 145 究表明 在 pH 4 6 5 4 的土壤中 约 83 的反 硝化产物为 N2O 而在 pH 值为 6 9 时反硝化产物 主要是 N2 30 灌溉后反硝化产物中 N2O N2的比 例降低到 0 05 0 1 31 而排水好的土壤 N2O N2 为 0 03 排水差的是 0 02 32 土壤中通入少量氧 会使 N2O N2比例增加 33 Klemedtsson 研究表明 近根处土壤根呼吸消耗了根际周围土壤中的氧 增加了土壤厌氧环境 反硝化产物以氮气为主 N2O N2的比例随植物生长时间的延长而降低 34 影响土壤硝化和反硝化作用的诸多因素也是 影响土壤 N2O 排放的因素 例如 土壤水分状况 土壤空气的氧分压 施入肥料的种类和数量 耕 作制度 作物的种植情况 植物根系状况 土壤 pH 温度 以及硝酸盐 铵浓度 可被利用的有 机碳 等等 35 39 徐华等报道 土壤质地是影响土壤中 N2O 排 放的重要因素 质地影响土壤通透性和水分含量 从而影响土壤中硝化和反硝化作用的相对强弱及 N2O 在土壤中的扩散速率 它还影响土壤有机质 的分解速率 进而影响产生 N2O 微生物的基质供 应 他们在小麦和棉田研究表明 N2O 释放量依 次是壤质土 砂土 粘土 40 而黄益宗等人认为 来自秸秆腐解过程中产生的化感物质 苯甲酸和 对叔丁基苯甲酸 对 N2O 释放有明显的抑制作 用 41 宋文质等人在华北地区旱田土壤上研究表 明 N2O 通量出现时空变化规律 这与温度 施 肥 灌水情况有关 42 据估计 气温升高和农业 耕作措施变化对全国 N2O 的排放量也产生一定的 影响 如果气温升高 2 或 4 N2O 的排放量将 分别增加 10 1 或 20 5 如果采用免耕法 N2O 的排放量将减少 5 2 43 硝化过程中发生的反硝化机理远比生物反硝 化复杂 有许多问题尚需深入探讨 同时 由于 硝化作用受诸多环境因子的影响 所以 N2O 的逸 出量变异极大 7 23 通常情况下 硝化过程中释 放出的 N2O 与 NO3 含量成正比 44 硝化过程在 好气条件下进行 土壤孔隙中含水量低 产生的 N2O 更易逸出土壤 嫌气条件下反硝化过程常因 N2O 向大气中扩散受阻 会进一步还原为 N2 或 者随渗水淋溶至底层 因为 N2O 很容易溶解于水 45 土壤中 N2O 的逸出量随土壤有机质和温度升 高而增加 45 46 施用磷肥或在酸性土壤中施用碳 酸钙 创造了有利于硝化细菌活动的土壤条件 会增加好气条件下 N2O 的逸出量 44 偏酸土壤在 好气条件下有利于 NO2 的化学反硝化 而发生 生物反硝化的土壤酸度接近中性 发生硝化作用 的土壤 pH 在中性到微碱性 47 生物反硝化产物 中 N2O 的比例随 pH 下降而提高 48 pH 小于 6 时 N2的产生会受到抑制 只能产生 N2O 49 生物反硝化可在嫌气条件或局部还原条件下 进行 50 尽管反硝化过程是一个还原过程 但并 非仅在完全嫌气的条件下才发生 结构良好的好 气土壤中 生物反硝化作用依然可以发生 例如 在旱地土壤中有许多 微环境 如团聚体内孔隙 即使在土壤较为干旱时 这些微环境仍被水填 充 处于厌氧环境 当 NO3 扩散进入这些区域 时 仍可被还原而脱氮 同时 在灌水或降水后 这些土壤的厌氧环境增加 生物反硝化会进一步 加强 51 氮肥用量较低时 N2O 排放量一般占施入氮 肥总量的 0 1 0 8 较高时则为 0 5 2 3 我国太湖地区 水稻生长期间释放的 N2O 量占施 氮量的 0 19 0 48 鲁如坤 43 施氮对 N2O 释放量的排放影响很大 增加了 48 3 99 4 的排放量 41 表 1 土壤中 N2O 的释放是多种途径和多种因素综 合作用的结果 随着生物固氮和施氮量的增加 N2O 排放量将进一步增多 2 2 来自其它途径的 N2O 的排放 2 2 1 含氮有机体燃烧 Bouwman 估计 全球通过生物体燃烧释放的 N2O 为 N 0 1 106 0 3 106 t a 以燃烧物含氮 0 7 0 3 来估算 并未考虑作物残茬进入土壤 后所产生的 N2O 14 52 燃烧过程中会产生热量 使得氮及其它营养元素更易于被微生物吸收利用 在土体中产生更多的 N2O 53 据估计 最少有 10 的 N2O N 与焚烧农作物秸秆和其它有机物质 有关 54 2 2 2 毁林 表 1 太湖地区水稻土的 N2O 释放通量 氮素来源 平均释放通量 N2O N g m 2 h 1 占当季施氮量百分数 未施氮肥的土壤 34 6 尿素 450 kg hm2 51 30 22 尿素 675 kg hm2 56 80 19 尿素 450 kg hm2 猪粪 15 t hm2 69 0 硫铵 1050 kg hm2 65 60 48 146 土壤与环境 Vol 10 No 2 森林被砍伐后作为草场或农田 都可导致 N2O 的大量释放 14 55 在开垦后的 5 8 a 内 N2O 释放量会逐年增加 10 20 年后才逐渐减少 Bouwman 估计 每年约有 0 4 106 t N2O N 释 放 而森林破坏后释放占 20 52 我国在这方面 资料甚少 目前尚无一个估计数字 但破坏森林 的问题同样存在 2 2 3 其它 随着经济的发展和人民生活水平提高 摩托 车 汽车等交通工具日益普及 所排放尾气中的 N2O 也不容忽视 污水灌溉 燃煤 燃油 燃烧 天然气都会产生 N2O 3 对 N2O 排放的研究 3 1 N2O 释放通量 N2O 从土壤中释放通量的研究 绝大多数集 中在其从土壤表面的释放方面 但是 也有报道 表明农田地下排水及森林砍伐地的泉水中 N2O 的 浓度比周围环境中高出数倍 56 当地下水以泉水 涌出或暴露在外界空气中时 溶于其中的 N2O 可 以迅速逸出 因此人们在多数情况下测定的 N2O 释放通量往往可能低估了土壤溶液中的 N2O 的含 量 Davidson Firestone 收集了土壤溶液样品并 测定了其中的 N2O 浓度 结果表明 在美国加州 中部草原地带土壤溶液中的 N2O 浓度的变幅从低 于周围环境浓度直至高出周围环境的 13 倍 无论是自然因素还是人类自身原因引起 各 国公认陆地生态系统释放的 N2O 数量最大 N2O 释放量增加的原因之一是来自陆地释放量的增加 但是不同地点 同一地点不同测定时间 不同捕 获方法 例如乙炔还原法与土壤平衡室捕获法 57 田间原位测定的 N2O 释放通量都存在巨大的 时空变异性 58 总的看来人们对不同的生态系统 或土壤对 N2O 释放量的相对贡献率还是知之甚少 14 15 更加深入系统的研究还有待进行 3 2 预测农田土壤 N2O 排放的数学模型 迄今已在各种不同的生态条件下对 N2O 释放 进行了原位捕获 观测 对其释放通量亦做了各 种预测及估算 使人们对在某一种生态类型下或 一国范围甚至全球范围内 N2O 的排放情况能有了 一个大致了解 但由于受诸多环境因素的影响 土壤中 N2O 排放量随时间和地点的不同而变化 要准确估算全球 N2O 排放量十分困难 现在用来 估算农田土壤中 N2O 排放的数学模型非常有限 现有的如 DNDC Expert N NASA Ames CASA model Century NGAS 其中唯 有 DNDC 是为了估算农业土壤中痕量气体的排放 而建立的 目前这类模型中涉及到的环境因子一 般较少 近来用土壤因素如湿度 温度 铵盐浓 度及硝酸盐浓度建立的统计模式有不少问世 其 中宋文质建立的模式为 42 log N2O 通量 1 65 0 0091 土壤含水量 0 25 log 速效氮浓度 0 019 土壤温度 r 0 40 4 减少对策 N2O 排放量增加 既会造成臭氧层减少 又 会导致全球气候变暖 平均气温增加 雨量和蒸 发量改变 海平面上升等不良后果 尽管大气中 N2O 浓度的不断增加是一个全球性环境问题 但 不同国家 N2O 的释放源有所不同 目前减少这种 释放的宏观措施在很大程度上仍然是以国家为基 础 但有一些减少 N2O 释放的措施是具有共性的 4 1 减少农田 N2O 的释放 提高氮肥利用率 避免过量施肥是减少农业 生态系统中 N2O 排放量的重要措施 氮肥损失严 重 利用率低是世界各国面临的一个共同问题 在我国 水稻 小麦的氮肥利用率仅为 28 41 假如施入的氮肥能被作物完全吸收 那么满足作物生长发育所需的氮肥量会大为减少 N2O 的释放量也会相应降低 首先 氮肥供应尽可能与作物生长需求相吻 合 为此需要采取这些措施 1 遵循按需施氮 的原则 通过土壤或植物诊断 确定合适的氮肥 用量 2 缩短土地休闲时间 减少氮素在土壤 中的积累量 因为累积的氮素是发生硝化作用和 反硝化作用的主要底物 3 根据作物不同生育 时期的需肥特点 分次施肥 其次 应采用合适的氮肥品种和正确的施肥 方法 1 选用合适的氮肥品种 不同的氮肥品 种对 N2O 的排放量影响不同 据报道 液氮 N2O 转化率为 1 63 铵态氮为 0 12 尿素 0 11 硝态氮肥 0 03 22 2 缓释肥料的可 溶性氮可逐步释放出来 有利于作物吸收 同时 能减少氮素损失和生物固定 3 尽可能把肥料 深施或混施 以减少径流 氨挥发和反硝化损失 氨气通过干湿沉降返回地表 可以作为 N2O 和 NO 的二次源 而且在对流层中通过光化学反应 会产生相当数量的 N2O 4 使用硝化抑制剂 抑制硝化速率 减缓铵态氮向硝态氮的转化 从 而减少氮素的反硝化损失和 N2O 产生 我国目前 Vol 10 No 2 王彩绒等 土壤中氧化亚氮的产生及减少排放量的措施 147 应用较多的为 CP 和 DCD 5 通过水肥综合管 理 提高氮肥利用率 减少肥料用量和采用科学耕种方法是减少 N2O 是释放量的重要途径 如果牲畜粪肥使用率 从现在的 20 减少为 0 N2O 的排放量将减少 7 9 不使用化肥 N2O 将减少到 N 0 12 106 t a 减少了 61 化肥的使用量比现在减少 50 N2O 的排放量将减少 22 0 采用免耕法 N2O 的排放量将减少 5 2 59 4 2 大力植树种草 减少滥砍乱伐现象 保持和扩大现有森林面积 增加全球绿化面 积和提高绿化质量 增加绿色植物对各种温室气 体的吸收固定功能 在我国 应大力提倡造林 爱林 护林的意识 实行退耕还林还草 创建绿 色家园 保护生态环境 4 3 减少生物体燃烧 推广秸秆直接还田和秸秆覆盖技术 可以充 分利用农作物秸秆 也能达到很好的保水保肥效 果 秸秆还田产生的化感物质 也能抑制 N2O 的 释放 4 4 其它措施 改善能源结构 提高能源利用率和减少废气 排放量 改善工农业生产技术 减少生产过程中 各种温室气体的排放量 5 小结 N2O 主要来源于土壤 它是氮素硝化和反硝 化作用的一种产物 既是温室气体 又破坏臭氧 层 由于人为活动的影响 大气圈中 N2O 浓度不 断增加 目前 N2O 在全球温室效应的贡献已从 5 上升到 10 通过使用硝化抑制剂 施用控 释肥料及采取一系列合理的施肥方法 可以来减 少农田土壤 N2O 的释放 提倡秸秆还田 避免焚 烧生物体 植树造林 退耕还林 提高森林覆盖 率 对于减少 N2O 的释放都是有益的 参考文献 1 PRINN R CUNNOLD D RASUSSEN R et al Atmospheric emissions and trends of nitrous oxide deduced from 10 years of ALE GAGE data J Geophys Res 1990 95 18 369 18 385 2 PRATHER M DERVENT R ENHALT D et al Other trace gases and atmospheric chemistey M In HOUGHTON J T et al eds Climaate change 1994 Cambridge Cambridge university Press 1995 77 126 3 BOUWMAN A F The role of soils and land use in the greenhouse effect Background paper of the international conference Soil and the Greenhouse Effect Wageningen The Netherlands Int Soil Ref And Into Cnt 1989 14 18 4 WILLIAMS E J HUTCHINSON G L TEHSENFELD F C NOx and N2O emission from soil J Global Biogeochemical Cycles 1992 6 351 388 5 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