土壤反硝化作用研究進展

呂海霞 楊丹丹 牛犇

土壤反硝化作用是氮素生物地球化學循環的重要環節，是實現完整氮素循環不可缺少的組成部分。

一、國內外研究進展

（一）影響因素

19世紀五六十年代以來，國際上對土壤反硝化作用進行了大量的研究，特別是在其發生條件、研究方法及產物組成上有很大的進展。一般認為pH值和有機碳含量是影響土壤反硝化作用的重要因素。

（二）發生要求

反硝化過程通常用于描述氮氧化物（NO3-或NO2-）還原轉化成氮氣體（N2O和N2）的過程。反硝化作用發生的總要求是：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;適當的溫度。只有在上述條件同時滿足的情況下，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，根據是在室內或是室外測定的不同，一般可分為田間原位測定方法和實驗室培養測定方法兩類。根據測定的是產物還是反硝化底物的不同，可分為直接氣體產物測定法、間接平衡差減法和底物消失速率測定法。另外，根據測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）產生的效應

反硝化的氣態產物為NO， N2O和N2 。反硝化作用對環境所產生的效應取決于其所產生的終產物及不同產物之間的比例。眾所周知，N2O是重要的溫室氣體之一，參與大氣的光化學反應，而且很容易破壞臭氧層。在百年時間尺度上N2O的全球增溫潛勢是CO2的296倍，其在大氣中的壽命為120年 。自1988年以來，N2O以每年0.8 ug/L的速率增長，2004年濃度達318.6 ug/L ，比工業革命前（270 ug/L）增長了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% ，施肥農業土壤上排放的N2O-N約為2.8 Tg。產物NO雖然不是溫室氣體，但其是大氣中的活性物質，在對流層中很容易被氧化成NO2。另外，NO也是形成酸雨和光化學煙霧的前提物質。全球土壤排放的NO估計為4～21 TgNyr-1 ，其中施肥農業土壤上排放的NO—N為1.6Tg，由土壤硝化和反硝化產生的NO占總排放量的35%。

反硝化作用的主要終產物是N2O和N2，其中，N2O所占的比例變化很大，變幅在0%～100%。NO通常認為并不是反硝化作用的主要終產物。N2O的凈排放量取決于N2O的產生速率和還原速率的相對大小，當N2O產生速率大于還原速率，則有N2O的凈排放，否則有N2O的凈消耗。影響土壤反硝化產物比例的因素有很多，如土壤理化性質、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、結構和酶活性的影響。

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，最終回到大氣的過程。反硝化作用是生物固氮的主要途徑，也是實現氮素完整循環的重要環節。從保護環境的角度出發，反硝化作用可以移除水體中的NO3—N或其他的氮氧化物，從而達到調節水體質量的作用。從生態學的意義來講，反硝化過程是一種自平衡機制，可以防止系統失穩失衡。

反硝化作用也是氮素損失最重要的途徑之一。通過反硝化作用進入再循環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的主要來源。研究表明，大氣中N2O總量的90%來自土壤硝化和反硝化過程，土壤反硝化已成為全球N2O的主要來源之一，估計每年全球土壤排放的N2O為9.5±4.5Tg N。全球自然陸地生態系統N2O的排放量為9.7～12.0 TgN yr-1，農業生態系統N2O的排放量為2.3～3.7 TgN yrr-1 。

總體來說，反硝化過程對氮素循環、土壤肥料流失和生態環境都有重大的影響。研究反硝化已成為許多科學家的熱點，對其深入研究有助于我們進一步量化氮素周轉、預測農田生態系統中氮肥的去向、制定污水處理措施、應對由于溫室效應導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，在對流層中很容易被氧化成NO2。另外，NO也是形成酸雨和光化學煙霧的重要前提物質。目前，關于NO方面的研究文獻中多為自然田間狀態下或室內培養條件下由硝化和反硝化過程共同產生的NO總和，反硝化過程中NO產生的條件和機制尚不完全清楚，因此，關于單獨由反硝化過程產生NO的報道很少，有待進一步研究。