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1、 .有关土壤氧化亚氮排放的综述环境科学 庞炳坤 2015103032摘要：由温室气体排放所引起的全球变暖已经成为关注的热点，其中CO2和N2O作为最主要的温室气体在目前的全球气候变化进程中扮演着至关重要的角色。据估计，大气中90%的N2O来自地表生物源，土壤是全球最主要的N2O排放源。大气中N2O浓度虽然比CO2低，却有很大的增温潜势。因此, 分析不同生态系统土壤理化性质及微生物特征差异，找出影响N2O排放的主要驱动因子不仅是准确评估全球碳收支的关键, 亦是制定应对全球变化策略的关键。关键词：土壤；温室气体；N2OAbstract: global warming caused by emiss
2、ions of greenhouse gases has become a focus of hot spots, in which CO2 and N2O as the main greenhouse gas in the process of the current global climate change plays a vital role. It is estimated that 90% of N2O from surface of biological source in the atmosphere, soil is one of the main global N2O em
3、ission source. Although N2O concentration is lower than the CO2 in the atmosphere, has a great potential of warming. Therefore, the analysis of different ecological system of soil physical and chemical properties and microbial characteristics differences, find out the main driving factors affecting
4、N2O emissions not only is the key to accurately assess the global carbon balance, also is the key of strategy to deal with the global change.Key words: soil; Greenhouse gases; N2O1.前言全球气候变化和温室气体是当今极其重要的环境问题，已经引起国内外学术界的广泛关注。温室气体是指地球大气中导致温室效应的气体，主要包括CO2、CH4、N2O和水蒸气等。红外线在向太空散射过程中易被大气层中的温室气体吸收，使很大一部分辐射能
5、又返回到地球表面，从而导致全球温度上升，这种增温效应称为温室效应。由温室气体排放所引起的全球变暖已经成为关注的热点，其中CO2和N2O作为最主要的温室气体在目前的全球气候变化进程中扮演着至关重要的角色1。IPCC（在2007年发布的第4次评估报告气候变化2007：综合报告中的数据表明，2004年全球排放温室气体为490亿t CO2当量，是1970年的170.7%。温室气体中CO2和N2O分别占77%和7.9%，并且分别以0.5%和0.25%的年增长速率在逐年增加。大气中CO2的浓度已从工业化前的约0.28 mLL- 1增加到2005年的0.379mLL- 1，预计到2100年其浓度将达到0.5
6、4 0.958 mLL- 1。大气中N2O的浓度已从工业化前约2.710-4 mLL- 1增加到2005年的3.1910-4 mLL- 1，预计到2050年其浓度将达到3.510-4 4.010-4 mLL- 12。据估计，大气中90%的N2O来自地表生物源，土壤是全球最主要的N2O排放源。N2O是当前最受关注的温室气体之一, 其在大气中非常稳定, 具有较长的滞留时间（平均寿命为120年）。大气中N2O浓度虽然比CO2低，却有很大的增温潜势，在20 a、100 a、500 a 的时间尺度上，单位质量N2O的全球增温潜势分别为CO2的275、296、156倍2, 目前N2O约占全球总增温潜能的6
7、% 3。同时，N2O还参与大气中许多光化学反应，破坏大气臭氧层。N2O在大气中浓度增加1 倍将导致臭氧层减少10%，辐射到地球上的紫外线将增加20%3，使人类的生存环境受到威胁。目前国内外关于土壤性质对土壤呼吸和N2O排放影响的研究多见于单一生态系统，而且以研究土壤理化性质与N2O排放关系为主。因此, 分析不同生态系统土壤理化性质及微生物特征差异，找出影响N2O排放的主要驱动因子不仅是准确评估全球碳收支的关键, 亦是制定应对全球变化策略的关键。2.氧化亚氮的介绍氧化亚氮(N2O)是除甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)之外的一种重要温室气体，单位质量N2O 的增温潜能约是CO2的l59296倍，
8、并且，N2O 在大气中的留存可达120年左右。N2O 还参与大气中的光化学反应，破坏臭氧层。N2O 与平流层的O 原子反应生成NO，NO 导致了臭氧层的破坏，从而增加了到达地球表面的紫外辐射，大大增加了人类患皮肤癌和其他疾病的概率。深入了解N2O 的产生机理及不同因素对N2O 释放的影响规律，为N2O的减量化提供理论和技术支持，同时对全球环境保护具有重要意义。3.N2O的排放机理土壤是大气中N2O的重要排放源，土壤N2O的产生要经历一个复杂的物理、化学和生物学过程，主要是在微生物的参与下，通过硝化和反硝化作用完成的，大约占生物圈释放到大气中N2O总量的70% 90%4。硝化和反硝化过程对土壤中
9、N2O产生和排放的贡献主要受土壤含水量和氧气状况的影响, 在高O2水平条件下，主导过程为硝化过程；而在低O2水平条件下，反硝化过程为主要过程。3.1 硝化作用土壤硝化过程是指在硝化细菌的作用下使土壤中的氨（或铵）转化成硝酸盐的过程5。硝化作用是由好气性微生物进行的，因此必须要有良好的通气条件。硝化作用包括自养硝化作用和异养硝化作用。在一般条件下，自养微生物的硝化作用是主要的，但在一定的土壤条件下，异养微生物的硝化作用也会超过自养硝化作用6。自养硝化作用是指由化能自养硝化细菌利用CO2作为C源，将NH4+氧化成NO2-和NO3-的微生物过程，此过程分两个阶段：第一阶段是在亚硝化细菌的作用下，将N
10、H4+氧化成NO2-；第二阶段是在硝化细菌的作用下，将NO2-氧化成NO3-，其具体过程可表示如下：（1）NH4+ + 3/2O2 NO2-+ 2H+ + H2O+E（2）NO2- + 1/2O2 NO3-+ E即：NH4+ NH2OH NOH NO2- NO3-NO N2O异养硝化作用指由化能异养硝化细菌在好氧条件下，以有机碳作为C源和能源，将NH4+或有机化合物氧化成NO2-或NO3-的过程。而N2O在硝化过程中是以中间产物存在的。具体过程可表示如下：NH4+ NH2OH NOH NONO2-NO3-N2O一般认为，自养硝化作用在土壤N2O产生中最为重要。然而，由于异养硝化菌在酸化土壤中活
11、性不会受太大影响，在pH过低或温度过高的不适于自养硝化细菌生长的土壤中仍能进行异养硝化作用，因此，异养硝化作用同样不可忽视。3.2 反硝化作用土壤反硝化过程是指通过微生物把硝酸盐还原为气态氮的过程。这一过程通常导致土壤有效氮的损失，被认为是大气N2O的主要来源7。反硝化作用所要求的通气条件与硝化作用相反，一般在嫌气条件下进行。在反硝化作用产物中，N2O和N2的比例取决于土壤的环境条件，其中土壤水分、pH 值显著影响N2O /N28。反硝化过程的机制相对清楚，是微生物在一系列还原酶的作用下，将NO3-、NO2-还原成NO、N2O、N2 的过程。其具体过程如下：NO3- NO2- NO N2O N
12、23.3 硝化反硝化作用NO2-作为硝化作用和反硝化作用的中间产物，在某些微生物的作用下可以被继续分解，生成N2O和N2，这个过程称为硝化-反硝化作用。其反应过程可表示如下：NH4+ NH2OHNO2-NON2ON2N2O在硝化作用的发生过程中，从土壤表层过渡到亚表层，由于土壤的通风条件发生变化，导致土壤的氧化还原电位发生变化，从而使得硝化作用产生的NO2-不能继续被氧化成NO3-，而是发生硝化反硝化作用生成N2O和N2。4 影响N2O排放的主要因素土壤中的硝化和反硝化作用是同时发生并相互关联的复杂过程，在复杂的土壤环境条件下，二者的反应速率和强度会受诸多因子的影响，反硝化作用产物中的N2O/
13、N2也存在很大的变动，土壤中产生的N2O能否及时排放会显著影响N2O的排放通量.4.1 土壤微生物土壤微生物主要类群有细菌、真菌、放线菌、藻类和原生动物等，它们是土壤有机物质的“转化者”，温室气体的排放与土壤微生物与土壤有机物质的转化密切相关9。土壤微生物量是指土壤中除植物根茬等残体且体积大于5103 m3的土壤动物以外的具有生命活动的有机物质的量，是表征不同生态系统土壤肥力的重要生物学指标9，对土壤呼吸有相当大的影响。研究表明，土壤中微生物呼吸约占土壤总呼吸的50%左右10。潘红丽等11,研究指出，在地球大气CO2浓度升高的大背景下，CO2浓度的升高能改变根系分泌或残体的组成和总量，并影响到
14、土壤细菌、真菌、放线菌等的数量。4.2 土壤质地土壤质地主要通过影响土壤的通透性和水分含量来影响土壤N2O排放通量。在其他条件相同的情况下，不同质地的土壤氧化还原条件一般不同，因而土壤硝化作用和反硝化作用的相对强弱会有所差异，最终会影响N2O的产生。不同的通透性还会影响N2O向大气中的扩散速率。丁洪等12研究表明，质地粘重土壤的阳离子交换量大，NH4+被易吸附固定而不易被硝化；杨云等13也证实，N2O季节性排放总量与土壤粘粒含量呈显著负相关，与土壤砂粒含量呈显著正相关，氮肥的施用还能加大不同质地土壤间N2O排放的差异。徐华等14研究表明，土壤N2O排放量是壤土高于粘土和砂土，壤土粘粒含量介于粘
15、土和砂土之间, 既有较大量的N2O产生, 又有较通畅的N2O排放途径。4.3 土壤温度土壤是微生物栖息的场所，土壤温度高低直接影响着微生物的活性。土壤温度升高，土壤微生物硝化和反硝化作用加强，N2O/N2 会升高。对油菜地的研究发现，N2O 排放通量随地下5 cm土壤温度升高而增加，N2O排放速率随土壤温度升高呈指数函数上升。一般而言，15 35 为硝化作用的适宜温度，而反硝化作用对温度的适应范围较广，为5 75 。对三江平原稻田N2O排放特征的研究表明，N2O排放通量大小和温度具有显著的相关性，温度是稻田全年N2O排放通量大小的主要影响因子15。孙丽等16对沼泽湿地N2O排放通量特征的研究也得出相同结果。4.4 土壤水分土壤水分含量不仅能够影响微生物的活性，同时也影响着N2O在土壤中的运输及其向大气中的扩散。土壤含水量较低时，N2O主要来自硝化过程；反之，N2O主要来自反硝化过程17。当土壤中含水量较小时，土壤处于充氧条件，硝化作用占主导地位，但NO2 作为中间产物产生量较少；随着土壤含水量的增加，厌氧环境逐渐增强，反硝化速率加快，并与硝化作用同时存在，此时产生较多的N2O，并且能顺利排入大气环境中；当含水量增大到较高水平时，虽然反硝化作用进一步加强，但
