全 文 ：第 9卷 第 4期
2 0 01年 l 2月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco Agriculture
vo1．g
Dec ．
N0．4
2 0 0l
玉米地土壤反硝化速率与N O排放通量的动态变化
张玉铭 董文旭 曹江海
中国科学院石家庄农业现代化研究所 石家庄 050~21)
陈德立
(澳大利亚墨尔本大学土地和食品资源研究所 维多利亚 3052)
摘 要 应用乙烧抑制厚状土柱培育法测定了1种施肥处理的玉米地N素厦硝化损先速率和氧化亚氨(N o)捧教
通量，井分析了它们与土壤湿度、土壤温度肚及硝忠氨(NO3-N)含量之间的关系，计算了国厦硝化和 N O捧教造成
的N肥损生率。结果表明，玉米生育期内土壤 N素的反硝化损生量为 0．67～3．85kg／hm ，N肥的反硝化损生率为
0．5 ～1．5 ；土壤N。O捧教总量为 0．55～l_42kg／hm ，N肥的NzO排故系数为0．2 ～0．5 。
关t词 土壤N素 反硝化速率 NzO排散通量
Dynamic of deniteiflcatlon rate and N20 flux in maize field．ZHANG Yu—Ming，DONG W en—Xu，ZENG Jiang—Hai
(Shi~azhuang institute of Agricultural Modernization，Chinese Academy of Sciences,Shijiazhuang 050021)，CHEN
De—L1(Institute ofLand and Food Resourees，MelbourneUnivers[ty，Parkville 3052)，CJEA．2001．9(4){7O～ 72
Al~traet De nitriflcation rates and N2O fluxes are measured by using the acetylene inhibition method On intact soil
cores in different N—fertiIized maize plots．The relationships among denitrifleation rate and N，O flux with soil mois—
ture，soil temperature and NOa—N concentration in soiI al-e analyzed，and losses of N-rertilizer caused by denitrifea—
tion and N2O emission are ea[culated．The results show that denitrificat[on loss frElm soil is 0．67～3．85kg／hm0 dur—
ingthe growing period ofmaize，percentage ofdenitrifcationlossfrom N—fertilizeris 0．5 ～ 1．5 ，thetotalN?O e
mission is 0．55～1．42kg／hm ，and N2O emission c0emcient of N—fertilizer is 0．2 ～0．5 ．
Key words Soft nitrogen，Denitrifieation rate，N：0 flux
随着全球农业生产的发展．N肥麓用量越来越大．但施入农田后损失严重，直接影响其增产效果和人类
生存的环境质量。硝化、反硝化作用是自然界中N紊循环的重要环节，是土壤脱N的重要途径，不仅影响 N
肥的利用效率，还是大气中温室效应气体 N 0的重要来源 。农田土壤中施 N肥引起的N 排放是太
气N。0浓度不断增加的重要因素，因此很有必要开展农田土壤N。0减排措施的研究。国内关于此方面的研
究工作多在室内进行，或利用N紊平衡法间接推算。本试验应用乙炔抑制原状土柱培育法，田间原位动态监
测玉米生育期间不同施肥处理农田土壤反硝化速率和N O自然排放通量的变化规律。并对土壤N紊反硝化
损失和 Nz0排放总量进行估算，研究了土壤反硝化作用的强弱及其与土壤环境因子的关系，为制定合理的
水肥管理措施，减轻氮氧化合物对环境的危害提供基本参数。
1 试验材料与方法
试验在中国科学院栾城农业生态系统试验站(N37。53 ，E114。41 )的养分平衡试验场内进行，种植制度
为小麦一玉米轮作，每季作物秸秆直接还田。耕层土壤有机质含量为 12～13g／kg，全NO．8～0．9g／kg，碱解氮
58~60mg／kg，PzO s20mg／kg，K 100~120mg／kg，pH为8．5．土壤容重l、402g／era 。反硝化速率和N20排
放通量的测定在 4个不同N肥处理小区进行，分别为不施肥(对照，CK)、玉米季施入尿素折合纯 N100
kg／hm (N r)、200kg／hm (N-)、300kg／hm。(N-)92理，各处理年纯 P施用量均为 65kg／hm。。
采用乙炔抑制原状土柱培育法0]，田问原位测定土壤和肥料的反硝化损失，不通入乙炔培育测 N 0排
放量。盛放原状土柱的培育桶由直径为 150mm、高 150mm的PVC塑料管制成，下封底，盖与桶口之间封 1
个密封圈，盖的中心和桶侧面靠近底板处各有 1个带橡皮塞的小圆孔。每个培育桶置放 12根随机采自试验
小区的直径15ram、长15ram的原状土柱，采好土柱后立即封盖固定紧密，通入1：9的乙炔 空气混合气体
· 澳大和亚 ACIAR资助项 目(LWR／96／164)、国家重大基础研究(973)规划项 目(G1999011803)、 九五 中国科学院特别支持项目
(KZ95T一04一们 )和 中国科学院重大项 目(K951-Ai-301)共 同资助
收稿日期：2000一蚰一10 改回日期，Z001—02-~6
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第 4期 张玉铭等：玉米地土壤反硝化速率与 N O排放通量的动态变化 儿
2mi ，乙炔气体通人培育桶之前先通过浓硫酸以除去丙酮和其他杂质。测定NzO排放通量的则不通乙炔。之
后将培育桶埋入实验地 150ram深的土坑中并在桶上覆盖 1层薄土培育 24h+从桶中采集 12mL气样贮存在
10m[ 气密性真空瓶中 气样用气相色谱一电子捕获检测器测定N。O浓度，色谱分离柱4m×4mm，填充Pora
DackQ(80~100目)，柱温 70C，检测器温度 300℃，高纯 N(99．999 )为载气，流速 20ml／min，气体进样量
2mL。研究土壤NO 一一N用酚二磺酸比色法测定+土壤含水量 105~C烘干测定，土壤温度采用距试验地 1OOm
的气象观测场观测的Ocm、5cm、10cm、15era土层地温平均值。
2 结果与分析
2．1 不同施肥处理土壤N：0 j荠放通量变化规律
农田土壤排放的N 0源于土壤N素的硝化(NH。 一NH 0H Nz0一N02-一N0s一)和反硝化(NO3-一
NO2-一NO—N 0一N )过程【“ ]，农田土壤N 0排放量等于硝化和反硝化过程排放的Nz0之和。本试验中
衰1 不同施肥处理N O排放通量及反硝化逮率 未充乙炔处理所测得的 N。0量代表 N：0自然排放量。图 1a给
T出l H o “ ntmn 啦t k岫 【眦 出了玉米生育期内土壤 N o排放通量的变化趋势+玉米生育期
N
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}j}l-三： — L— — — 坐 — —．麓入土壤中 肥 I ==．
的研究结果相似 。由表1可知，玉米整个生育期内不同麓肥处 器 l 、
理 N
g／hm (】．慧d N 8 2平均4 g／h值m N 15 51g／h仆m d、N 0 。l上 、 1 ． d和 _ ． 。 2 排放 0 ——— —
蓁萎 N掌0雩 莩 嚣 冀詈嚣 l i：0已 照处理由于土壤含水量的迅速增加，也极大地促进了其反硝化。曩^’ 一 ^L 损失和2的排放
。
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化过程中N 0还原成N。 +因此土壤中充入乙炔所测得的 等l∞} ＼，
蓑 1 5 52。 0g ／hm ：d N 3 2 13反6 0 化速率范围对照为．～ ． ·、为．～ ． 0I■a 罩摹罩_L··
g／hm d、N．为 1，5～50 5g／hm ·d和 N 为 3 2～287。8 35
g／hm d，由于施肥、灌水和降雨导致了 2次反硝化损失高峰 《
期，第1次出现在施肥灌水后的第3～4d，与土壤N O排放高峰 g蓉
期同步，峰值范围52．0~287 8g／hm ·d，且峰值随施肥量的增 -fla
加而增加+反硝化速率最高峰值出现在施肥量最高的N．处理，
其值为287．8g／hm d。第 2次高峰期出现在降雨频繁的 8月
中旬，从第 2个反硝化高峰期看出+降雨对无肥区反硝化过程影
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响不大+对麓肥处理尤其是施肥量最高的N-处理影响最大+这 围l土囊反碚化速率、H，0捧垃i量与环麓因素的关蕞(1’，9)
说明土壤湿度和NO 一含量均为影响反硝化过程的重要因子。 №．1 l~elatios among deoitrifcauo=㈣．
在本试验中无N区NO。一一N含量范围内只有当土壤含水量相 Nz0 emision and environmentalfacts
当高(97 饱和含水量)时才会促进反硝化进程；而各施肥处理的NO 一一N含量范围rq~壤含水量仅达2o％
(相当于饱和含水量的65 )以上时即可对反硝化速率产生影响。
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72 中 国 生 态 农 业 学 报 第 9卷
2．3 环境因子对反硝化速率与N O排放通■的影响
对土壤含水量的影响研究结果表明，玉米生育期内灌水和降雨极大地促进了土壤反硝化过程和 N O向
大气的排放(见图la-d)．灌水或降雨后第 3～8d土壤反硝化速率达到最高峰，即每个反硝化高峰的出现与
灌水或降雨之间存在一个滞后期 ，这是由于建立一个适于反硝化微生物活性的最佳土壤微环境需要一
定时间所致。研究结果表明，随施肥量的增加，灌水或降雨对土壤反硝化过程的影响加强。本试验土壤
NO 一一N含量范围内土壤含水量越高，越有利于土壤N素反硝化作用的进行，但土壤含水量与反硝化速率
N。o排放通量之问不存在线性相关关系。图la～c表明，本试验土壤NO。一一N含量范围内NOa一一N含量的动
态变化趋势与反硝化速率、N O排放通量的变化趋势并不一致，土壤 NO。一N含量越高越有利于土壤反硝
化过程的进行和 N O向大气的排放，而施肥处理中NO。一N含量不是反硝化过程及 Nzo排放的主要限制
因子。许多报遭认为反硝化速率在一定范围内与土壤中NO 一N含量无关；但也有报遭认为随土壤中氮化
合物浓度的增加，N索的反硝化损失量也增加；有的认为 NO 一一N浓度只取决于土壤的反硝化潜力，而土壤
反硝化的实际活性只在有利的生态环境中，即在有充足有效碳和低氧分压下才取决于NO 一N的浓度 。对
土壤温度的影响研究结果(见图 ld)表明，观测期问正值高温多雨季节，土壤温度较高且变化缓慢，处于微生
物生存的适宜范围，与土壤湿度比较，温度尚不是主要影响因素，这与衣纯真等 试验结果较一致。
2．4 土壤 N素反硝化损失■、N o排放量与施肥关系
农田土壤施N肥后可极大地促进 N素的反硝化损失和农田N O排放，用数值积分法估算玉米生育期
内土壤反硝化作用N素损失量及 N o排放量，未施肥处理N素反硝化损失量为 0．78kg／hm ，施 N肥处理
为 2．0～4 7kg／hm ；未施肥处理 N O排放量为0．75kg／hm ．施 N肥处理为 0．88～1．66kg／hm ，N肥的反
硝化损失和 N o排放量随施肥量不同而有所差异。某一时期内因施肥造成的土壤 N素反硝化损失量或
N。o排放量与未施肥处理比较增加的部分占施肥量的百分比为N肥反硝化损失率或 N肥 N o排放系数．
本试验 N肥反硝化损失率为0．6 ～2．4 ，N O排放系数为 0．06 ～0．34 。硝化、反硝化过程造成的N
素损失在 N素肥料损失中所占比倒较低， 表2玉米生育弼反硝他损失与N o播放总量
不是 N肥损失的主要途径，但它对环境造 Tab．2 De ifrifc i I and N O emissio during哪wing iod 0f mai醒
成的危害不容忽视。由表2可知，N肥施用 矿可再丽 面 面 两 莉j 『-
量对反硝化损失率和N。o排放系数影响 “
较大，试验结果表明，玉米生长期内施尿素
折合纯 N量为 200kg／hm 的处理通过硝
化、反硝化造成的N素损失最低。
3 小 结
本试验施肥处理土壤NO。一N含量范围内影响农田N素反硝化损失和N o排放的环境因素中土壤湿
度是主要因素，农事活动中主要影响因素是 N肥施用量、施用方式和灌溉等。不同施肥处理 N素硝化、反硝
化损失以及 N o排放量以N。处理最高，这与土壤中有足够的 N源有关，玉米生育期内反硝化损失和N o
排放通量的测定结果表明，反硝化损失速率变化范围为 9．93～65．1 9g／hm d，且随施肥量的变化而变化，
土壤 N素反硝化损失总量为0．67～3．85kg／hm ，N肥反硝化损失率为0．5％～1-5 ；N O排放通量变化范
围为 9．32～27．86g／hm d，N zO排放总量为 0．55～1．42kg／hm ，N肥N o排放系数为0．2 ～0．5 。
参 考 文 献
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