全 文 ：不同种类氮肥对土壤释放 N2O 的影响 3
侯爱新　陈冠雄　(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110015)
O. Van Cleemput 　(比利时根特大学农业与应用生物科学院 , Ghent B29000)
【摘要】　用培养试验模拟研究了在正常水分 (22 %) 、干旱 (12 %) 和高含水量 (32 %) 条件
下 ,普通碳酸氢铵 (普碳) 、尿素及新型肥料长效碳酸氢铵 (长碳) 对土壤释放 N2O 的影响 ;
同时考察了土壤 NO -3 的形成时间和形成量. 结果表明 ,农田中施加的无机氮肥是大气中
N2O 的重要来源 ,而长碳与普碳和尿素相比 ,不但可以明显延后 N2O 释放高峰期出现时
间 ,而且大多数情况下可以显著减少其释放量 ( P < 0. 01) . 在 5 个月的监测期内 ,与普碳和
尿素相比其减少 N2O 释放的比例分别为 80. 23 和 88. 41 % (12 %含水量) , 40. 00 和
27. 59 %(22 %含水量) ,无减少作用和 45. 88 %(32 %含水量) . 本研究结果提示长碳具有作
为农田生态系统 N2O 减排措施的巨大潜力 ,同时暗示在农业中用长碳代替目前普遍应用
的普碳 ,可以减少地下水中 NO -3 引起的污染.
关键词 　普通碳酸氢铵 　尿素 　长效碳酸氢铵 　N2O 释放速率
Effect of different nitrogen fertilizers on N2O emission from soil. Hou Aixin , Chen Guanx2
iong( L aboratory of Ecological Process of Trace S ubstance in Terrest rial Ecosystem , Institute
of A pplied Ecology , Academia S inica , S henyang 110015) and O. Van Cleemput ( Faculty of
Biological A gricultural and A pplied Sciences , U niversity of Ghent , B29000 Ghent , Bel2
gium) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,1998 ,9 (2) :176～180.
Incubation experiments were made to study the effects of ammonium bicarbonate (AB) , urea
and modified ammonium bicarbonate (MAB) on N2O emission from soil and NO -3 formation in
soil (under low (12 %) , normal (22 %) and high (32 %) soil moisture conditions) . The results
showed that the inorganic nitrogen fertilizers applied in fields were the important source of at2
mospheric N2O. In most situations , MAB not only greatly delayed the occurrence of N2O emis2
sion peak , but also reduced the amount of N2O emission significantly ( P < 0. 01) , compared
with AB and urea. In comparison with AB and urea , the amounts of N2O emission were re2
duced by 80. 23 and 88. 41 % (low moisture , 12 %) ,40. 00 and 27. 59 % (normal moisture ,
22 %) and little reduction and 45. 88 % (high moisture , 32 %) , respectively , during a period
of 52month incubation when MAB was applied. It is indicated that MAB was a promising N
fertilizer from the aspect of reducing N2O emission from agroecosystem. The results also im2
plied that applying MAB instead of AB which is used widely in China at present , might reduce
the NO -3 pollution of the underground water.
Key words 　Ammonium bicarbonate (AB) , Urea , Modified ammonium bicarbonate ( MAB) ,
N2O emission rate.
　　3 比利时外交贸易发展合作部、美国农业部资助项
目.
　　1997 - 09 - 10 收稿 ,1997 - 12 - 25 接受.
1 　引 　　言
　　N2O 是大气的一种重要成分 ,虽然在
大气中以痕量存在 ,但与其它温室气体 (如
CO2 、CH4)相比 ,具有较强的增温潜势及在
大气中较长的滞留时间[6 ] . 此外 , N2O 还
参与大气中许多光化学反应 ,破坏大气 O3
层[3 ] . 1992 年 IPCC[5 ]工作报告指出 ,由于
人类活动的加强 ,大气中 N2O 浓度正在急
应 用 生 态 学 报 　1998 年 4 月 　第 9 卷 　第 2 期 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Apr. 1998 ,9 (2)∶176～180
剧上升. 其中农业活动的贡献占人为总排
放量的 70 %左右[6 ] ,由农田系统中无机和
有机氮肥的施用及生物固氮作用产生的
N2O 量约占人为年排放总量的 60 %[8 ] . 此
外 ,一些最新的研究结果表明 ,目前文献中
对化学氮肥的 N2O2N 损失比率的估计可
能偏低[4 ] ,可见农耕土壤中氮肥的应用在
大气 N2O 排放源中可能会占有更重要的
位置. 农业中氮肥的应用也能增加 NO -3
向地下水的渗漏[7 ] ,饮用水中 NO -3 引起
的污染正成为全球许多地区面临的严重问
题[9 ] .
　　由于氮肥引起 N 循环中 N2O 排放和
NO -3 泄漏的大量增加 ,因此 ,如何通过改
进氮肥管理 ,减少环境污染 ,提高氮肥利用
率 ,成为当前环境领域研究的重要课题. 农
田释放的 N2O 是中国地区 N2O 重要的排
放源 ,所以研究适合我国普遍应用的农田
N2O 减排措施尤其具有实际意义.
　　碳酸氢铵和尿素一直是我国农业生产
中广泛应用的主要化学氮肥 ,而长效碳酸
氢铵是最近发明并开始商业化生产的新型
肥料. 研究表明 ,长碳能显著减少氨挥发 ,
延长肥效 ,具有明显的增产效应[2 ] . 本研
究模拟干旱、正常水分和高含水量状况 ,选
取上述 3 种肥料为供试对象 ,研究它们在
不同水分条件下对土壤释放 N2O 的影响 ;
同时考察土壤 NO -3 的形成时间和形成
量 ,旨在为减少 N2O 和 NO -3 的环境污染
并提高化学氮肥的利用率提供科学依据.
2 　材料与方法
2. 1 　土壤样品、无机氮肥和有机碳源
　　供试土壤采自中国科学院沈阳生态实验站
(41°32’N , 122°23’ E) ,为草甸棕壤 ,有机质含量
16. 2g·kg - 1 ,全 N 0. 8g·kg - 1 ,速效 P 3. 92μg·
g - 1 ,速效 K 88. 9μg·g - 1 ,p H (水浸) 6. 7. 风干 2
周后磨碎 ,过 1mm 筛备用.
　　供试普碳、尿素为工业级 ,长碳 (在普碳中添
加一定剂量的 DCD 共结晶而成)由奉城化肥厂提
供.实验中所用麦秸的 C、N 含量分别为 46. 7 %
和 0. 48 %.
2. 2 　培养实验
　　称 40g 风干土 ,置入 300ml 培养瓶中 ,加
0. 5 %麦秸作 C 源 (以干土重计) . 将二者充分混
匀后 ,用蒸馏水调节水分含量分别至 12 %、22 %
和 32 %(分别模拟干旱、正常水分和高含水量状
况) ,于 28 ±2°C 下预培养 1 周 ,均衡土壤. 然后 ,
均匀混入 500mg·kg - 1量的等 N 量氮肥 ,氮肥处
理设置如下 : (1)对照 (不加氮肥) , (2)普碳 , (3)尿
素 , (4)长碳. 继续在 28 ±2°C 下培养 ,整个培养期
内保持水分含量不变. 每种处理设有 8 个重复 ,
其中 3 瓶用于 N2O 释放速率的测定 ,其余用作
NO -3 2N、NH+4 2N 含量分析.
2. 3 　N2O 释放速率的测定
　　分别在加入氮肥培养后的第 1、4、7、10、13、
16、19、22、25、28、35、44、53、62、71、80、89、98、
107、126 和 150d 取样 ,测定土壤中微生物释放
N2O 的速率. 每次取样前 24h ,用空气充分排除培
养瓶内残留的 N2O ,并用胶塞封口. 培养 24h 后 ,
用注射器从培养瓶上部空间取 1ml 气体样品. 之
后 ,移掉胶塞 ,重新置于空气下培养 ,直至下一次
测定.
　　样品中的 N2O 用配有电子捕获检测器
(ECD)的岛津 GC214A 气相色谱仪测定. 两根长
为 2m 和 1m 的不锈钢填充柱串联 ,柱内填充料为
Porapak Q ,计算机程序控制十通阀将样品中的水
分在进入检测器前反吹掉. 载气为高纯 N2 ,流速
60ml·min - 1 . 检测器温度、柱温和进样口温度分
别为 300、60 和 100°C. 标准 N2O 气体由国家标准
物质研究中心提供 ,并用澳大利亚 CSIRO 大气研
究所赠送的标准气校核.
　　N2O 释放速率 ( f ) 用每天每克干土释放 N2O
量表示 (ngN2O·g - 1干土·d - 1) ,计算公式如下 :
f = △mM ×△t =
ρ×V ×△c
M ×△t
式中 ,ρ是气体密度 , △m 和 △c 分别是 △t 时间
内培养瓶内气体质量和混合比浓度变化 , V 是培
养瓶内上部有效空间的体积 , M 是土壤干重.
2. 4 　NO -3 2N、NH+4 2N 含量测定
7712 期 　　　　　　　　　侯爱新等 :不同种类氮肥对土壤释放 N2O 的影响 　　　　
　　在施入氮肥培养过程中定期取样 ,用 MgO2
Devarda 氏合金法测定土壤中 NO -3 2N、NH+4 2N 含
量.
3 　结果与讨论
3 . 1 　正常水分条件下不同种类 N 肥对土
壤释放 N2O 的影响
　　在正常水分 (22 %) 状况下 (图 1) ,整
个培养期间 ,对照组只能检测到极微量的
N2O 生成 ,最大释放速率不超过 6ngN2O·
g - 1干土·d - 1 ;普碳和尿素处理较之对照
在培养初期即开始大量释放 N2O ,随着培
养时间的推移 ,释放量逐渐减少 ;但很快出
现第二个较小的高峰 ,之后 ,又逐渐减少 ;
至两个月后 ,几乎接近对照组. 长碳处理则
直至培养 1 个月左右才出现少量 N2O 释
放 ;在 3 个月处 ,较之对照有明显的 N2O
释放高峰 ,但其释放量明显低于普碳和尿
素处理高峰期 ; 4 个月后 ,接近其它处理.
在 5 个月培养期内 ,普碳、长碳和尿素处理
以 N2O 形式损失掉的 N 分别占所施氮肥
的 1. 05、0. 63 和 0. 87 % ,长碳处理与普碳
和尿素处理相比 , N2O 释放量分别减少
40. 00 和 27. 59 %.
　　微生物硝化和反硝化作用是土壤产生
图 1 　正常水分条件下氮肥对土壤释放 N2O 的影响
Fig. 1 Effect of applying N fertilizers on soil N2O emission
(normal moisture) .
Ⅰ.对照 (CK) , Ⅱ. 普碳 (AB) , Ⅲ. 长碳 ( MAB) , Ⅳ. 尿素
Urea. 下同 The same below.
N2O 的两种主要生物过程. 在有氧条件
下 ,土壤 N2O 的生成主要来源于硝化作用
的第一阶段. 普碳施入土壤 ,在 p H 大于 5
的情况下 ,N H +4 极易被土壤微生物硝化作
用氧化 ;尿素在土壤中则于培养初期迅速
水解[1 ] ,释出的氨多被土壤吸附 ,夺取土
壤溶液中的质子 ( H + ) 而形成 N H +4 ,后者
又进一步产生硝化作用. 因此 ,在培养初
期 ,普碳和尿素处理随着硝化作用的进行 ,
快速出现 N2O 释放高峰 ; 随着土壤中
N H +4 量的减少 ,其释放速率降低 ,但由于
硝化作用产生的 NO -3 在土壤中积累 ,加
速了土壤中某些微团体内厌氧环境下反硝
化反应的进行 ,导致反硝化作用过程中
N2O 的生成 ,很快出现第二个较小的释放
高峰.
　　长碳是一种新型长效氮肥 ,其中添加
了一定剂量的 DCD. DCD 是有效的硝化抑
制剂 ,对硝化杆菌属 ( N it robacter) 、亚硝化
毛杆菌属 ( N it rosomonas) 、亚硝化螺菌属
( N it rospi ra ) 和亚硝化叶菌属 ( N it rosolo
bus)都有较强的抑制作用. 从图 2 和 3 可
以看出 ,普碳和尿素处理在培养约 2 周后
其 N H +4 2N 含量迅速降至较低水平 ,同时 1
周后即可检测到大量 NO -3 2N ,而长碳处理
则直至 1 个月左右 ,其 N H +4 2N 含量仍维
持在较高水平 . 相应地 ,其NO -3 2N形成高
图 2 　正常水分情况下土壤 NH +4 2N 含量变化
Fig. 2 Dynamics of NH +4 2N in soil (normal moisture) .
871 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　9 卷
图 3 　正常水分情况下土壤 NO -3 2N 含量变化
Fig. 3 Dynamics of NO -3 2N in soil (normal moisture) .
峰期也大大延后. 因此 ,长碳处理通过其中
的 DCD 减缓了土壤中 N H +4 2N 转化为
NO -3 2N 的进程 ,从硝化作用和反硝化作用
两方面阻碍 N2O 的生成 ,从而不仅延后
N2O 释放高峰时间 ,而且减少其释放量.
3 . 2 　高含水量条件下不同种类氮肥对土
壤释放 N2O 的影响
　　如图 4 所示 ,在高含水量 (32 %) 状况
下 ,土壤释放 N2O 的趋势与正常水分情况
下的相似 ,但各种处理的释放量远远大于
正常水分情况下的释放量. 普碳、长碳和尿
素处理在整个培养期以 N2O 形式损失掉
的 N 量可分别达到所施氮肥的 5. 35、7. 94
和 14. 67 %. 这可能由两个原因造成 ,一方
面高含水量降低了土壤中 O2 的传递 ,利
于反硝化作用的进行 ;另一方面水分含量
增加能够促进土壤中有机碳分解代谢 ,为
图 4 　高含水量条件下氮肥对土壤释放 N2O 的影响
Fig. 4 Effect of applying N fertilizers on soil N2O emission
(high moisture) .
反硝化细菌提供更多易于利用的底物和能
量.
　　土壤含水量约为 32 %时 ,长碳处理可
比尿素处理减少 45. 88 %的 N2O 释放量 ,
但略高于普碳处理. 然而 , 长碳处理的
N2O 高峰期出现时间远远迟于其它处理 ,
因此 ,考虑到田间条件下植物吸收作用等
因素 ,仍可肯定其减少 N2O 排放的实际效
果.
3 . 3 　干旱情况下不同种类氮肥对土壤释
放 N2O 的影响
　　干旱 (12 %)情况下 (图 5) 与正常水分
情况相比 ,普碳和尿素处理在整个培养期
内 N2O 释放量明显增高 ( P < 0. 05) . 这可
能是因为土壤经过 1mm 筛预处理后 ,在
12 %水分条件下土质结构较密实 ,不如
22 %水分条件下土壤易形成较松散的颗粒
结构 ,因而土壤中氧分压较低 ,硝化作用过
程中更易发生第一阶段的反应形成 N2O.
长碳处理释放的 N2O2N 量占所施 N 量的
0. 35 % ,分别比普碳和尿素减少 80. 23 和
88. 41 %. 这提示长碳减少 N2O 释放的效
果随土壤含水量的增加而降低.
图 5 　干旱情况下氮肥对土壤释放 N2O 的影响
Fig. 5 Effect of applying N fertilizers on soil N2O emission
(low moisture) .
3 . 4 　对土壤中 NO -3 积累的影响
　　图 3、6 和 7 表明 ,在正常水分、高含水
量和干旱情况下 ,长碳处理较之普碳和尿
素处理对土壤中 NO -3 的生成均有明显的
抑制作用 ,不仅延缓其形成高峰期时间 ,而
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且能够减少其生成量. 其中在干旱情况下
具有最佳抑制效果. 这与前述长碳减少
N2O 释放的效果随土壤含水量增加而减
少的结论相吻合.
图 6 　高含水量情况下土壤 NO -3 2N 含量变化
Fig. 6 Dynamics of NO -3 2N in soil (high moisture) .
图 7 　干旱情况下土壤 NO -3 2N 含量变化
Fig. 7 Dynamics of NO -3 2N in soil (low moisture) .
4 　结 　　论
4 . 1 　在各种水分条件下 ,普碳和尿素都能
在整个培养期间较之对照 (不施肥)显著促
进土壤释放 N2O 的速率 ;长碳则直至 1 个
月左右才对 N2O 释放具有较明显的促进
作用. 因此 ,农田中施加的无机氮肥是大气
中 N2O 的重要来源 ,而长碳是一种有前途
的新型氮肥 ,与其它无机氮肥相比 ,可以有
效抑制 N2O 的生成. 这一结果为通过改进
肥料配方减少 N2O 排放 ,提高氮肥利用率
提供了依据和基础.
4 . 2 　水分状况对土壤释放 N2O 的速率具
有重要影响 ,高含水量土壤具有高 N2O 释
放量. 长碳减少 N2O 释放的效果随土壤含
水量增加而减少. 此结果对合理施肥和农
田生态系统 N2O 排放量估算具有参考价
值.
4 . 3 　在农业中用长碳代替目前普遍应用
的普碳 ,可以减少地下水中 NO -3 引起的
污染.
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