全 文 ：土壤中反硝化酶活性变化与 N2O 排放的关系 3
史　奕 3 3 　黄国宏　(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110015)
【摘要】　研究施肥条件下 ,土壤反硝化酶活性2硝酸还原酶 (NR) 活性、亚硝酸还原酶 (NiR) 活性及羟胺还原酶
( HyR)活性在玉米生长季节中的变化及其与土壤含水量、硝态氮含量、N2O 排放之间的关系. 结果表明 ,3 种还
原酶都有明显的季节变化规律并受土壤水分含量及施肥的影响. 通过研究 3 种反硝化酶活性与土壤含水量及
N2O 排放量之间的关系后指出 ,反硝化酶活性变化可作为一个区分旱田 N2O 产生途径的指标.
关键词 　反硝化酶 　NO -3 2N 　含水量 　N2O
Relationship between soil denitrifying enzyme activities and N2O emission. Shi Yi , Huang Guohong ( Institute of
A pplied Ecology , Academia S inica , S henyang 110015) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,1999 ,10 (3) :329～331.
Studies of the activities of soil nitrate reductase , nitrite reductase and hydroxylamine reductase in maize growing season
and their relationship with soil water content , NO -3 content and N2O emission under fertilization showed that these
three denitrifying enzymes had a significant seasonal variation and were influenced by soil water content and fertiliza2
tion. The relationship between soil denitrifying enzymes , soil water content and N2O emission were further investigat2
ed , which indicated that the activities of soil denitrifying emzymes could be an index to distinguish the ways of N2O
productions in upland field.
Key words 　Denitrifying enzymes , NO -3 2N , Soil water content , N2O.
　　3 中国科学院生物科学与技术特别支持项目.
　　3 3 通讯联系人.
　　1998 - 07 - 14 收稿 ,1998 - 12 - 26 接受.
1 　引 　　言
　　土壤中存在着参与土壤氮循环各主要阶段的所有
酶类. 含氮化合物至硝态氮的转化以及相反的过程 ,不
仅能在微生物的细胞内进行 ,也能在土壤酶的作用下
产生. 在有氧条件下 ,一些氧化酶能使氨态氮经由中间
阶段氧化成硝态氮 (硝化作用) . 在硝态氮的进一步转
化过程中 ,特别是在嫌气条件下 ,反硝化作用有着重要
的意义 ,硝态氮或是还原成氨态氮 (同化反硝化作用)
或是生成分子氮及其氧化物 (异化反硝化作用) ,而在
其转化的每一阶段均有专性的酶参与. 在硝态氮进一
步还原过程中 ,相继参与作用的酶是与 NAD 结合的
NR、NiR 和 HyR[4 ] . 但是 ,由于酶在土壤中的活性变
化极其复杂 ,规律性有时不明显 ,因此这方面的研究报
道极少 ,而土壤中参与反硝化作用的还原酶与温室气
体 N2O 排放之间关系的研究则更是未见报导. 本研究
旨在通过定期测定土壤 NR、NiR 和 HyR 活性变化 ,了
解施肥及其环境因素对土壤酶活性的影响及其与
N2O 排放之间的关系 ,从而解释土壤 N2O 产生的途径
及其变化规律 ,为减少 N2O 排放措施研究提供理论依
据.
2 　材料与方法
　　试验在中国科学院沈阳农业生态实验站 (41°31’N ,123°23’
E)进行. 试验土壤为草甸棕壤 ,其基本理化性质如下 :全氮0. 76
g·kg - 1 ,有机碳 16. 17g·kg - 1 ,p H 6. 4 ,最大田间持水量为
34 % ,玉米品种沈丹 7 ,长效碳酸氢铵 (SR2AB)和碳酸氢铵 (AB)
作为基肥一次施入玉米田 ,两种肥料的施 N 量是一致的 (180kg
·hm - 2) . 1996 年 5 月 15 日播种 ,9 月 24 日收获. 在玉米生长期
间共采集土样 (0～20cm) 7 次 ,混匀后进行分析测定. 每一处理
重复 3 次.
　　土壤硝态 N 的测定方法按文献 [ 9 ]进行 ,土壤含水量按文
献[1 ]方法进行 ,土壤亚硝酸还原酶活性测定、羟胺还原酶活性
测定及硝酸还原酶活性测定按文献 [ 7 ]方法进行 ; N2O 用岛津
GC214A 气相色谱仪测定 ,检测器为 ECD.
3 　结果与讨论
3 . 1 　土壤中 NiR 和 NR 活性变化与土壤含水量关系
　　与生物体内的酶不同 ,存在于土壤中的酶并不总
是处于最适的水分环境里 ,因为土壤水分状况经常发
生变化 ———从完全饱和至接近凋萎含水量 ,这使得土
壤酶活性在很大程度上取决于土壤水分状况[4 ] . 特别
是反硝化酶的激活以及它们的重新合成几乎直接跟随
降雨或灌溉后使土壤变湿开始[10 ] .
　　从图 1 可见 ,施肥玉米田土壤中 NR 活性随土壤
水分的变化而变化. 而 NiR 活性也受到降雨量的影
响 ,随着土壤水分变化而发生变化 (图 2) . 从 5 月 15
日玉米播种到7月22日 (播种后69d) ,土壤亚硝酸还
应 用 生 态 学 报 　1999 年 6 月 　第 10 卷 　第 3 期 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J un. 1999 ,10 (3)∶329～331
图 1 　硝酸还原酶活性与土壤含水量
Fig. 1 Nitrate reductase activity and water content .
Ⅰ. NR2SR2AB , Ⅱ. NR2AB , Ⅲ. W. C %.
图 2 　亚硝酸还原酶活性与降雨量
Fig. 2 Nitrate reductase activity and precipitation.
原酶活性一直很低 , NR 活性也比较低. 到 7 月下旬
后 ,酶活性开始上升 ,尤以 NiR 为明显. 从土壤水分状
况分析 ,播种到 7 月 22 日近 70d 时间里共累积降雨
172mm ,土壤含水量较低 ,平均仅达到 16. 74 % (为田
间持水量的 49 %) . 而到了 7 月下旬 ,随温度不断上升
及雨季到来 ,到 8 月底的 40d 时间里 ,累计降雨达
342mm ,土壤含水量也增加到了 28 % (田间持水量的
86 %) . 有资料指出 ,含水量为田间持水量的 70 %时 ,
即可发生反硝化过程[3 ] . 我们的实验结果也与这一结
论一致 ,即在较高含水量情况下 ,土壤中反硝化酶活性
升高 (图 1、2) ,说明玉米田土壤 NO -3 将主要通过反硝
化过程被还原.
3 . 2 　土壤中 NR 活性与 NO -3 含量的关系
　　图 3 显示玉米生长期间 ,NR 活性和底物 NO -3 呈
负相关. 当土壤中 NO23 含量高时 ,NR 的活性反而不
高. 原因是此时土壤含水量低限制了土壤中还原酶数
量及已有酶发挥其最大活性. 因此 ,使 NO -3 在土壤中
产生积累. 而当条件适宜 ,即土壤含水量较高时 ,NR
活性升高 ,使土壤中的 NO23 被大量还原 (图 3) . 这就清
楚地说明了 NR 数量及活性不仅依赖于底物数量 ,而
且还取决于土壤嫌气条件. 另外 ,从图 3 还可看出 ,7
月 22 日前 (播种后 69d 里) ,施碳铵的土壤 NO23 含量
显著高于施长效碳铵的 ,原因是由于长碳中 DCD 抑制
了亚硝化细菌对 N H +4 的氧化 ,从而减少了土壤中
NO23 的形成. 而到了玉米生长后期 ,随着 DCD 抑制作
用的丧失 ,施长碳的土壤中 NO23 含量又高于施碳铵的
土壤. 结合土壤含水量及上述酶活性变化可以进一步
说明 ,在 7 月 22 日前 ,土壤含水量低 ,通气状况较好的
情况下 ,大田 N 转化过程在玉米生长前期一直以硝化
作用为主. 7 月下旬 ,由于雨季的到来 ,改变了玉米田
土壤原来的水分状况 ,即增加了土壤含水量 ,此时在
NR 的作用下 ,酶促反应结果是 NO23 含量下降 ,形成的
NO -2 给 NiR 提供了底物 ,使该酶活性增强 (图 2) . 但
NiR 作用后产物是继续还原成 N H +4 (通过同化反硝
化) ,还是异化还原成 N2O 或 N2 ,从羟胺还原酶活性
变化 (图 4) 可以区分出 ,玉米田的反硝化作用不是继
续还原成N H +4 ,而是进入异化反硝化过程 ,因为这时
图 3 　硝酸还原酶活性与硝态氮含量的关系
Fig. 3 Relationship between nitrate reductase activitv and NO -3 2N.
Ⅰ. NR2SR2AB , Ⅱ. NR2AB , Ⅲ. NO -3 2R2AB , Ⅳ. NO -3 2AB.
图 4 　施肥土壤中羟胺还原酶活性变化
Fig. 4 Hydroxylamine reductase activity from fertilized soil.
羟胺还原酶活性已降至零.
3 . 3 　土壤中反硝化酶活性与 N2O 排放
　　土壤通气状况、土壤水分含量及土壤氮素状况等
033 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　10 卷
都可以影响 N2O 的形成与排放 ,并已证实了硝化和反
硝化过程都能产生 N2O [5 ] . 在好气或半好气情况下 ,
土壤中绝大部分 N2O 是硝化菌产生的 ,而嫌气条件
下 ,土壤中 N2O 是产生于反硝化菌[8 ] . 从玉米田 N2O
排放 (图 5) 中可以看出 ,施碳铵的处理和施长碳处理
的 N2O 排放在 7 月 22 日前有很大差别 ,施碳铵处理
的 N2O 排放一直很高 ,而这一阶段土壤中的反硝化酶
———NR 和 NiR 活性又较低 (图 1、2) ,可以推断这部
分 N2O 不可能是来自于反硝化过程产生的. 据阳捷行
报道[2 ] ,大气中来自氮肥的 N2O 大部分是在旱地土壤
的硝化过程中生成的 ,并发现硝化抑制剂可有效控制
N2O 的发生. 我们的结果也证实了这一点 (图 5) . 从施
碳铵玉米田的 N2O 排放看 ,大部分 N2O 都产生自 7 月
22 日前 ,而施长碳的玉米田 ,在这一段时间里 ,由于硝
化抑制剂 DCD 影响了 NO23 的形成 ,从而有效控制了
硝化过程 N2O 的产生[6 ] . 因此 ,通过 DCD 对硝化过程
抑制作用和 NR 及 NiR 酶活性变化都确切证实 ,施肥
玉米田在 7 月 22 日前土壤与肥料的 N 转化特别是肥
料 N 的转化以硝化作用为主. 7 月 22 日后 ,由于大量
降水使土壤含水量增加 , NR 活性及 NiR 活性上升 ,
HyR 活性下降 ,使大田的 N 转化进入异化反硝化过程
(图 1、2、4) ,这时施肥玉米田 N2O 排放再一次出现峰
值 (图 5) ,同时施长碳处理的 N2O 排放也出现高峰 ,高
于施碳铵处理的 N2O 排放. 可以认为 ,土壤中还原酶
活性变化与土壤中反硝化强度密切相关 ,并暗示旱田
图 5 　施肥玉米田 N2O 排放
Fig. 5 N2O emission from maize field with fertilization.
N2O 产生途径可以通过土壤反硝化还原酶的活性变
化加以区分.
4 　结 　　论
4 . 1 　土壤 NR 和 NiR 活性随土壤水分状况变化而变
化.在高含水量情况下 , NR 和 NiR 活性均升高 ,而
HyR 活性降低 ,说明土壤处于反硝化过程并以异化反
硝化为主 ,使土壤和肥料 N 经 NO23 还原成 N2O 而损
失.
4 . 2 　长碳中的 DCD 能改变土壤和肥料的氮素供应状
况 ,在玉米生长的前期使 NO23 缓慢形成并释放到土壤
中. 它的这一作用明显减少了旱田土壤硝化过程的
N2O 排放.
4 . 3 　通过土壤反硝化酶的活性变化可以区分硝化过
程和反硝化过程产生的 N2O.
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作者简介 　史奕 ,女 ,38 岁 ,副研究员 ,从事土壤2植物营养方面
研究 ,在中外刊物发表论文 10 余篇. E - mail : syz @iae. syb. ac.
cn
1333 期 　　　　　　　　　　　　　　史 　奕等 :土壤中反硝化酶活性变化与 N2O 排放的关系