土壤反硝化作用研究進展

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)，是實現(xiàn)完整氮素循環(huán)不可缺少的組成部分。

一、國內(nèi)外研究進展

（一）影響因素

19 世紀(jì)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(fā)生條件、研究方法及產(chǎn)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(fā)生要求

反硝化過程通常用于描述氮氧化物（NO3-或NO2-）還原轉(zhuǎn)化成氮氣體（N2O 和N2）的過程。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)或是室外測定的不同，一般可分為田間原位測定方法和實驗室培養(yǎng)測定方法兩類。根據(jù)測定的是產(chǎn)物還是反硝化底物的不同，可分為直接氣體產(chǎn)物測定法、間接平衡差減法和底物消失速率測定法。另外，根據(jù)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(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(yè)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(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，最終回到大氣的過程。反硝化作用是生物固氮的主要途徑，也是實現(xiàn)氮素完整循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。從保護環(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，從而達到調(diào)節(jié)水體質(zhì)量的作用。從生態(tài)學(xué)的意義來講，反硝化過程是一種自平衡機制，可以防止系統(tǒng)失穩(wěn)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(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(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。

總體來說，反硝化過程對氮素循環(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，對其深入研究有助于我們進一步量化氮素周轉(zhuǎn)、預(yù)測農(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程共同產(chǎn)生的NO 總和，反硝化過程中NO 產(chǎn)生的條件和機制尚不完全清楚，因此，關(guān)于單獨由反硝化過程產(chǎn)生NO 的報道很少，有待進一步研究。