全 文 ：第 11卷 第 2期
2 0 0 3年 4月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
Vo1．11 NO．2
April， 2003
氮肥对土壤氧化甲烷的影响研究
丁维新 蔡祖聪
(中国科学 院南 京土壤研究 所 南京 210008)
摘 要 阐述 了N 肥用量 、品种对 土壤氧化 甲烷(CH4)的影响 以及高 浓度 CH4对这 一影 响 的反 作用 ，土壤 可 通过
固定一定量 的外源 N确保 土壤 具有相 对稳定 的氧化 大气 CH4能力 ，N含 量低 的土壤 适量 施用 N肥 可刺 激 甲烷氧
化菌繁殖和功能的发挥，促进大气cH4氧化。但当外源N用量超出一定范围时甲烷氧化茵 Type I对环境变化十
分敏感 ，会产生抑制作用并表现为长期和短期 2种效应，铵态氮具有短期更具长期效应，其直接结果是引起土壤中
甲烷氧 化菌尤其是 Type I数量 的减少 和作用 的减 弱，该 抑制作 用是 单 向、不可 逆 的。 由于 甲烷氧 化菌 Type I和
Ⅱ可被高浓度 cI-I,激活 ，不 易受 N 肥的长 期影响 ，有些水田土壤施用 N 肥 甚至促进 甲烷 氧化茵 繁殖 ，即 N 的影 响
是双 向且 可逆 的。
关键 词 N肥 甲烷氧化 抑制机制 甲烷氧化菌
Effect of nitrogen fertilizers on methane oxidation in soils by methanotrophs．DING Wei—Xin，CAI Zu—Cong(Institute of
Soil Science，Chinese Academy of Sciences，Naniing 210008)，CJEA，2003，11(2)：50～53
Abstract The paper reviews the effects of the applied amount and the type of nitrogen fertilizers on methane oxidation in
soils by methanotrophs and the counteraction of high methane concentration on nitrogen suppression．So ils have a natural
ability tO fix the alowed extent of exogenous nitrogen through absorption and chelating and SO on with soil coloids，etc．
and ensure a constant rate of methane consumption from atmosphere．The activity and growth of methanotrophs can be
stimulated by appropriate nitrogen addition into soils，but also suppressed by nitrogen more than the critical value fixed by
soils．In genera1．methanotroph Type I is more sensitive tO environmental disturhation than methanotroph Type I／．At—
mospheric methane oxidation mainly affected by methanotroph Type I and methanotroph Type I／in natural soils can be
reduced by addition of nitrogen fertilizers into soils，which is a long-term suppression efect and is unreversible，and can not
be restored by high methane ratio as such in paddy soils．
Key words Nitrogen fertilizer，Methane oxidization，Suppression mechanism，Methanotrophs
20多年来大气甲烷(cH )浓度年增幅达0．8％，近年增幅降为 0．3％左右⋯，导致其浓度升高的原因包
括源强的增加和汇强的减弱。土壤是大气 CH 的重要汇，N对大气 CH 氧化产生强烈影响，本文探讨了 N
肥对土壤 CH 氧化 的最新研究进展。
1 N对土壤氧化 CH 的影响
N对土壤 CH,氧化的抑制作用。甲烷氧化菌以CH,作为惟一 c源和能源维持其生存和繁衍，一般认为 N
对甲烷氧化菌的影响作用完全取决于土壤 N含量，CH 浓度 21t,mol／L时提高 NH 浓度至 20mmol／L可完
全抑制德国Constance湖沉积物氧化 CH ，空隙水中 NH 浓度<4mmol／L则无抑制作用，介于4～10mmo1／L
可使 CH 氧化力丧失 31％E2]。Bender M．和 Conrad R．E 3]认为 l2．1～61mmo|／L的低浓度 NH 具有刺激作
用，>61mmol／L则产生抑制作用。Steudler P．A．等 发现 cI-I,吸收率随 N肥用量增加和时间延续而降
低，在 37kg／hrn N用量下阔叶林和松林土壤 cH4氧化率 120d后分别下降 15％和 24％，120kg／hm 用量下
则降低 33％。Prieme A．等 研究发现 5～10cm亚表层土壤氧化 CH 能力最强，这是因其 NH 和亚硝酸含
量低所致。Hansen S．等⋯发现施用肥料可使土壤cH4氧化率下降50％，拖拉机压实可使氧化率降低 52％，
二者综合效应为 78％。连续多年施用 N肥土壤再施加 N肥当季未发现对土壤 CH,氧化的抑制作用。对连
续 150年施用 N 144kg／hm 和不施 N 的对 比研究发现，前者 比后者土壤 CH 氧化率降低 50％[8]。
* 中国科学院知识创新工程重要方向项 目(KZCX2-302)与国家重点基础研究(973)发展规划项 目(G1999011805)共同资助
收稿 日期 ：2002-04—10 改回日期 ：2002-07—26
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第 2期 丁维 新等 ：氮肥对土壤氧化 甲烷的影 响研 究 51
不 同土壤 氧化 CH 能力 对 N肥反应不 同，变性 土影响较小 ，老成土促进 CH 吸收，氧化土则降低 CH 氧
化 ，表明 N对土壤 CH 氧化的影响因土壤而异。
N对 C 氧化的促进作用。用同位素和分子生物学技术研究水稻 内源 CH4氧化发现 ，尿素或磷酸二氨均
强化土壤甲烷氧化菌 Type In Type I1的活性 ，促进 Type I的生长 和繁殖 ，加速 内源 CH4氧化 。水稻土 中
Type I可分为要求高浓度 CH4和要求低浓度 CH 2类 ，二者氧化 CH 的最低浓度均应高于大气 CH4 。
Steinkamp R．等 试验发现极贫 N土壤上高N用量72d后可使林地氧化大气 cI-I．能力降低 30％，且该抑制作
用很快恢复，表层有机质层阻碍了cI-I．和02扩散，若去除表土则 cI-I．氧化量可增加 1．5倍。Hutsch B．W． 副
研究发现 ，与不施肥相比施 N肥和 P肥土壤 CH 氧化率 由 1．5p．g／kg·d增至 6．7t~g／kg·d，且土壤无机氮含量
与对照处理相近，而施 N、P和 K肥与施农家肥处理则较高，把 NH C1加入各处理土壤时与不施肥相比，对
照 、施 P和 K肥 、施 N、P和 K肥与施农家肥处理土壤 CH 氧化率分别降低 3倍 、10倍 、10倍和 5倍 ，硝化率
分别增加 14倍 、28倍 、12倍和 17倍 ，表明 N对土壤氧化 CH4能力的影响明显受土壤原 N素水平高低 的影
响，土壤 N含量较低时土壤甲烷氧化菌的繁衍因受土壤 N供给限制而处于低水平状态，若加入适量 N即可
激活甚至大量繁殖 甲烷氧化菌进而提高其活性。N含量较高土壤中当外源 N加入刺激氨氧化菌繁殖，抑制
了甲烷氧化菌繁殖和功能发挥 ，故不 同土壤类型应有不 同 N含量临界指标和最佳含量范围。
2 N肥品种对土壤氧化 CH。的影响
不同 N肥品种对土壤氧化 CI-I．的影响各 异，Goalding K．W ．T．等 发现 ，施用(NH4) SO4土壤无氧化
cI-I．能力 ，施用 NQ-一N不影响土壤 cI-I．氧化 ，而施用 N 对土壤 CH．氧化产生影响。有试验发现 N 一N同
样抑制土壤 CI-I．氧化，森林土加入硫酸铵、氯化铵和硝酸钠三者均抑制土壤 CI-I．氧化 。Cril P．M．等 研
究发现 ，尿素加入土壤后对 CH4氧化的抑制作用小于施用氯化铵 和硝酸钾处理 ，N对 CH 氧化的抑制作用
可能与整个 N循环有关，NO；一N首先被微生物同化，以有机形态释放进入土壤，再经过矿化释放出NH；一N，
尿素需经微生物分解才能缓慢释放 N，其抑制作用最弱。草场只割草不放牧对 CH 氧化仅稍有影响，放牧
因牲畜排放尿液抑制 CH 氧化 ，施用农家肥处理未对 CH 氧化产生影响 ，而 Hutsch B．W． 发现施用农
家肥土壤提高 了 cu4氧化 能力。Cril P．M．等 在排水 后泥 炭土 中施入 KC1、NaC1、KHCO 、K：SO 和
KN03均降低土壤 cH4氧化，可能是 K 替代胶体的NH；使其释放进入溶液，但泥炭土中仅有少量 NH 释
放进入溶液 ，故 Schnel S．等 提 出盐效应 即外源盐加入土壤降低 了土壤水势 ，氧化菌可 能出现生理性缺
水 ，降低 CH 活性。Hutsch B．W ． 研究发现 ，施农家肥与施 P、K肥处理提高 了大气 CH4氧化 ，而施 N、P
和 K肥处理则降低 CH 氧化 ，若上述土壤再施用 NH4Cl和 NaC1则降低 CH4氧化率 ，该正效应是否与土壤
原始 N含量有关尚待进一步研究。
3 N对土壤 甲烷氧化菌种群的影响
Amaral J．A．等u刮研究发现 Type I要求高氧低 CH 而 Type I1要求低氧高 CH 。Bodelier P．L．E．
等 发现未种水稻未施 N肥土壤 CH 氧化 主要 由 Type I1完成 ，而施用 N肥有利 于 Type I生长且 Type
I主要存在于根际土壤并以 甲基细菌 (Methylobacter)为主 ，Type I1则存在 于所 有土壤 中并 以甲基孢囊 菌
(Methylocystis)和甲基弯 曲菌 (Methylosinus)为主。Henckel T．等 “发现当环境条件改变更适 于 Type I生
长时其可快速繁殖 ，Type I1较 Type I生存能力更强但对环境改变的响应较弱并对高浓度 O2敏感 ，且水稻
土中 cH4浓度改变时Type I菌种也发生更替，表明水田存在2类Type I，即高浓度 cH4和低浓度 cH4下
存 活的 Type I，其 CH 最低浓度均高于大气 ，且该水稻土对大气 CH 无氧化能力 ，水 田甲烷氧化菌Type I
可能与 自然土壤 中甲烷氧化菌 Type I不 同。Dunfield P．F．等n 分离 出 1种属 Type I1的 LR1甲烷氧化
菌 ，并认为旱地土壤可能存在其他类似 甲烷氧化菌 Type I1。Roslev P．等n。 证实 自然土壤 中同时存 在氧化
大气 CH4的Type I和 Type I1，一般认为 Type I较 Type I1对土壤环境要求苛刻 ，土壤 中 N素波动对 TyPe
I影响较大，故 自然土壤氧化大气 CH 能力的波动较大，水田土壤 N素对甲烷氧化菌的抑制作用可用高浓
度 CH 激活 ，其氧化大气 CH 能力几乎不受影响。
4 CH 浓度对 N抑制土壤氧化 ClI4的影响
Bender M．等 发现旱 地 甲烷 氧化菌 最佳生 存环境 为水 分含 量 20％～30％、温度 25～35*(2、pH 值
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52 中 国 生 态 农 业 学 报 第 11卷
7．0～7．65、NH 12～61retool／L和 Cu<4．3mmol／L，水 田甲烷氧化菌大量 繁殖 的 C 临界浓 度为 7000tA／L，
当其浓度增至 200ml／L时甲烷氧化菌数量增加 10～100倍，甲烷氧化率提高 100倍。当水相中 C 浓度为
0．14t~mol／L或 100· l／L时可使土壤甲烷氧化菌数量增至1万个／g，而此值低于土壤实际测出土著甲烷氧化菌
量 2个数量级，当 C卜L浓度<100IA／L时很难提高甲烷氧化菌活性。Sehnel S．等 。 研究发现培养 70～
84d间土壤氧化率不变，暴露在0．03td／L CH 浓度下则丧失氧化能力，一般认为其最低临界浓度为0．5tA／L，
高浓度 CH4可激活水稻土中甲烷氧化菌活性，但无法激活自然土壤中氧化大气 CH4的甲烷氧化菌活性。蔡
祖聪和 Mosier A．R． 研¨究发现，土壤氧化 CH4能力随NH~CL施入量增加而降低，提高 C}L浓度(>500trilL)
可缓解甚至促进土壤氧化 CH 。King G．M．等 认为大田下 NH 对 CH4氧化产生抑制作用的最低 CH4浓
度为 0．9 1／L，实验室 CH4浓度在 0．6～10td／L间变化，NH 对 CH4氧化的抑制率由 44．5％增至72．0％，
当 cI-I,浓度>100va／L时抑制作用 明显降低。CalhounA．等 ¨发现 当 CH,浓度为 100tanol／L加入 NIL lmmol／L
无抑制 CH4氧化作用，但春天因气候变化土壤 CH4浓度降低而 NH；浓度升高时 NH 则表现出抑制作用。
水稻土中Type I1对 02十分敏感，高浓度 02(20％)抑制 C 氧化，适量提高 CH4浓度显著促进 Type I的
繁殖，加速水田 CH4的氧化u 。Jensen S．等u 研究发现高浓度 C 仅促进农业土壤对 C 的氧化，未促
进 自然土壤对 CH4的氧化 ，故 2类土壤中甲烷氧化菌可能完全不同。
5 N对 CH 氧化影响的时效
N对 C 氧化的影响包括短期效应和长期效应，前者当N消失后对 CH 氧化的抑制作用即消失，后者
对土壤 CH4氧化所产生的抑制作用一直维持。Steinkamp R．等u 发现贫 N林地 1次施用 N150kg／hm (硫
酸铵)即可降低 30％土壤氧化大气 CH4能力且与亚硝酸无关，但该抑制作用维持时间短且很快可恢复。
Jensen S．等n 研究发现林地 CH4氧化能力为 1．154ng／g·h，140年农耕地几乎无氧化 CH4能力 ，以前为林地
现农耕 2年的土壤 C 氧化能力降为 0．129ng／g·h，30年前曾为农耕地而后一直作林地的土壤 C卜L氧化能
力为 0．134ng／g·h，表明农耕对 CH4氧化影响大且持续时间长，土壤氧化大气能力极难恢复。
自然土壤甲烷氧化菌(以 Type I为主)在稳定生态系统中处于功能相对稳定发挥状态，但与常受环境
扰动的水田甲烷氧化菌(以Type I1为主)相比对环境变动的适应能力更加脆弱，极易引起较大波动导致氧
化大气 CH 能力发生变化。水 田土壤 中甲烷氧化菌 Type I和 Type I1的菌种明显不同于 自然土壤 ，其根据
土壤原有 N素水平和内源 C 浓度不同可被 N抑制或激活，N的抑制作用可用高浓度 C 逆转 ，C 浓度
变化对 Type I数量影响尤其 明显并发生菌种更替。 自然土壤氧化大气 CH4主要 由 Type I完成 ，其对环境
相对稳定性要求较高且对特定环境有长期适应性，当环境发生变化时会产生强烈波动。贫 N土壤 N素对
CH4氧化的抑制作用弱且可恢复甚至促进 CH 氧化，但长期施用 N肥则明显抑制大气 CH4氧化且是长期
的不可逆转的，其有关作用机制目前尚不清楚。关于土壤 N肥施人次数不同对 C 氧化能力的递减规律、
02在 C 氧化过程中作用 、甲烷氧化菌 Type I1在氧化大气 C 中作用等 尚需进一步研究 ，以阐明 自然土
壤氧化大气 C 的功能菌和 N对 CH4氧化的影响机制。
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