全 文 ：应用生态学报 1 990 年 3 月 第 1 卷
JO U R N A L A P P L犯D E C O LO G Y ,
第 1 期
M a r比 1 99 0 , 1 ( 1 ) : 94一9 6
植 物 释 放 氧 化 亚 氮 的 研 究 ‘
陈冠雄 商曙辉 于克伟 禹阿东 吴 杰 王玉杰
( 中国科学院沈阳应用生态研究所 , 沈阳 1 1。。1 5 )
备‘户
In v e s t ig a t i o n o n t h e e m is s i o n o f n it r o u s o x id e b y p l a n t . C h e n G u a n x io n g , S h a n g
S h uh u i , Y u K e w e i , Y u A don g
,
W u J i e a n d Wa n g Y u j i e ( I n s t i t u t e o f A P l i e d E e o lo g y
,
A e a d e m ia S i n i e a , S h e n 外n g 1 1 0 0 1 5 ) 。 一 J 。 A p l 。 E e o l . , 19 9 0 , 1 ( 1 ) : 9 4一9 6 。
S t u d i e s o f t h e d i f f e r e n t Pa t h w a y s o f N Jo s s f rom P l a n t
一 5 0 11 s y s t e m a r e h i g h i y i m PO r t a n t
f o r i n e r e a s i n g t h e e f f i e i e n e y o f 50 11 N a n d d e e r ea s i n g t h e e n v i ro n m e n t a l e on t a m i n a t io n
.
T h i s Pa P e r 15 t h e f i r s t r e P o r t on t h e N 2 0 e m i s s ion f rom s o m e P l a n t s ( e
.
9 . s o yb e a n
,
m a i z e , r i e e a n d a l d e r ) , a n d PO i n t s o u t t h e e m i s s ion r a t e s o f N 2 0 b e i n g r e la t e d t o t h e
P la n t s P e e i e s o r t h e i r o r g a n s . P o s s i b l e i m p l i e a t ion s o f t h e N 2 0 em i s s i o n f r om P ] a n t s a r e
d i s e u s s e d 。
K e y w o r d : N i t r o u s o x i d e
, p l a n t 一 5 0 1, s y s t e m .
王了卜
氧化亚氮 (N : 0 ) 是大气的微量成分之一。 多年的
测定表明 , 它在大气中的浓度正以 0 . 2 % 左右的年增
长率在增加 [ 且: 〕。 N Z O 具有 “温室效应” 并能催化大
气同温层中臭氧保护层的破坏 , 从而可能带来全球性
生态环境的重大变化而受到世人的极大关注 。 各国 科
学家正在广泛研究不同生态系统N ZO 的释放量 、 N ZO
形成和消亡机制以及生态环境效应 [” 9] .
目前对N Z O 的各种源和汇未能进行精确的定量测
定 , 但现有的资料表明 , N : O 是由反硝化作用 、 硝化
作用、 燃烧和闪电等过程产生的 , 其中由微生物进行
的反硝化作用是最主要的来源 . ‘ “] . 迄今 , 对植 物一土
壤系统通过植物释放N 2 0 尚未见报道 。 在陆地生态系
统氮循环研究中 , 我们观察到不少常见的植物 (如大
豆、 玉米、 水稻、 赤杨等) 能释放 N : 0 。 木文报道我
们的部分结果 , 并就它的意义进行讨论 .
1 材料和方法
1 . 1 供试植物及样品处理
供试植物为大豆、 玉米、 水稻和日本赤杨 (一种
非豆科固氮树木) 。 除大豆外 , 其余植物只测定根系
释放N Z O 的能力。 植株从田间取回后 , 用自来水充分
洗净 , 剪下根系 , 用滤纸吸干 , 剪成约 1 . s c m 长的根
段 , 混匀 , 称取 2 9 ( 3 份重复) 放入体积约80 m 〕的小
瓶中 ,瓶内放入装有饱和N a 0 H 的玻璃管 (吸收CO : ) ,
塞上反口塞 , 抽出小瓶气相体积 3 %的空气后 , 注入
等体积的乙炔 (C Z H : ) , 28 ℃ 恒温水浴中振荡培 养 .
用气相色谱仪测定 N 2 0 12 .
大豆植株除根系外 , 还测定了茎 、 叶和整株植物
释放N Z o 的能力。 在测定整株植物时 , 把充分洗净的
植株放入一由有机玻璃制成的密闭容器内 , 容器内装
有能没过根系的无氮营养浓。 容器上盖具有通气口和
取样口 . 容器气相内乙炔浓度为 3 % (V / V ) . 自然光
照 。
1
.
2 根表灭菌和根表细菌总数测定
将充分洗净的根用滤纸吸千后 , 放于 30 w 紫外灯
下 3 0 c m 处照射3。分钟 ( 中间将根翻转一次 ) 进行根表
灭菌。 按平板稀释法测定根表细菌总数 13 ] 。
1
.
3 植物释放的气体的鉴定和测定
用红外光谱和气相色谱两种方法鉴定供试材料 释
放的气体的性质 . 所用红外光谱仪为日本岛津I R 一27 G
型红外分光光度计。 该仪器具 1 . sm 长光程的气体吸收
池 . 用干燥的高纯氮气 (N , )将吸收池冲洗干净 , 注入
纯N Z O气体 , 进行全波段扫描 , 得到N ZO 的红外吸收
光谱图。 再用高纯N Z 冲洗吸收池 , 经重新扫描确证无
N : O残留后注入待鉴定的气体 , 扫描 , 得到其红外吸
争
. 张丽珊先生帮助红外光谱分析 , 并进行有益的讨论 , 谨致谢意。
本文于 10 8 9年12月 25 日收到 。
J . A P I
. E co l . , 1 : 1 ( 1 9 9 0 )
1 期 陈冠雄等 : 植物释放氧化亚氮的研究
收光谱图。 所用气相色谱仪为美国产 N uc l ea r 一c hi ca -
9 0 5 。。。型气相色谱仪。 该仪器带有 6 3 N i 电子捕获检
测器 。 色谱柱为Zm 长的P or a Pa k Q ( 50 一70 目) 玻璃
柱。 用本实验室的方法 [ 2 ] , 以纯净 N Z O 的出峰时间
判定待鉴定气体的性质。
2 结 果
2 . 1 植物释放N 2 0 的确证
同纯净N ZO 气体的红外光谱和气相色谱的图谱比
较都确证 , 供试材料释放的气体是N : O 。 纯净N : O 气
体和供试材料释放的气体在 2 2 o o c m 一 二和 1 2 8 5 c m 一 皿 均
有特征红外吸收蜂 , 它们的气相色谱的出峰时间完全
相同 , 在本实验室使用的色谱条件下 , 出峰时间为 50
秒左右 。
2 . 2 不同处理的大豆根释放 N : O 的速率
植物根表面含有大量的微生物。 为了说明N : O 的
释放是植物组织本身而非微生物所为 , 我们对未根表
除菌的 (根只用自来水洗净) 、 根表除菌的 (根用无菌
水充分漂洗) 和紫外线灭菌的大豆根释放N : 0 的速率
进行比较测定 , 同时测定根表细菌总数 , 结果见表 1 。
表 1 不同处理的大豆根释放 N ZO 的速率
介b . 1 E m i s s i o n r a t e s o f N : 0 f r o m d i f f e r e n t l y
t r e a t e d s o y b e a n r o o t s
的速率都相当高。 表 2 是 7 月 20 日采样测定的结果。
表 2 植物释放N , O的速串
T a b
.
2 E m i s s l o n ra t e s o f N : 0 f r o m t h e P la n t s
” ‘ ⋯耀黔黯。
}八 , U / 9 l r e s 几 下e l g l t
S arn P l e
大豆根 S o r b e a n ro t大豆茎 S ol b e a n s t e m
大豆叶 S o r b e a n l e a f
大豆根瘤 So y b e a n n o du l e
整株大豆 I n t a e t so y b e a n p l a n t
玉米根 M a i ze ro ot
水稻根 R i e e ro o t
日本赤杨 根 R o o t o f A 艺件u s了aP o 玲玄c a
日本赤杨根瘤 N o dul e o f A .
i a p o 件玄e a
2 4 9 。 9 2
3 88 。 6 6
1 0 3 。 48
3 6 。 6 7
6 0 。 0 0
19 9 。 5 8
2 。 0 8
17 。 5 2
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样 品 释放 N : O 速率
( 卜gN , O / g干根 .
根表 细 菌 总 数
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Q r y w e l g 口 t . 。吕y )
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紫外灭菌大豆根
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1 2 4 3 . 0 4 0 1 X 10 ,
根表除菌大豆根。o1 O e an r o t s 下 as h e d可 i t h s t e r i l iz e d
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未 根表除菌大豆根
5 0 了b e a n ro t s 下
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6 5 2 . 5 7 3 4 x 1o ,
1 08 1 。 14 9
。 3 8 X 10 1 1
, it h 下a t时
从表 1 结果可以看出 , 虽然紫外线照射未能使根
表完全灭菌 , 但细菌总数已大为减少 , 而其释放 N : 0
的速率都比根表细菌总数大出几十倍到几万倍的根 还
要大 , 说明释放的N Z O是来自植物组织。
2 . 3 不同植物释放N : O 速率的比较
从1 9 8 9年 6 月下旬至 10 月上旬 , 对大豆 、 玉米、
水稻和日本赤杨等植物的根系 (或其 他 组 织) 释放
N 2 0 , 的速率进行了多次采样测定 . 结果表明 ,在采样
测定的 3 个多月的时间里 , 大豆根和玉米根释放 N : 0
. 在含绍样品的小瓶内加了 5m 1 2 %的葡萄搪溶掖
3 讨 论
研究植物一土壤系统氮素损失的途径 , 对 提高土
壤氮素利用率、 减少环境污染具有重要意义。 在过去
相当长的一段时间里 , 对通过植物这条途径引起的氮
素损失曾被忽略或认为是很 少 的 。 但 W et s el a r 和
F ar q uh ar 最近指出 , 通过某些作物地上部损失的氮素 ,
10 周内可达 7 5k gN /h a , 同时他 们还 指 出 , 这一损
失过程 主要 发 生在开 花 期 至 成熟 期之间 , 而且
与植物的含氮量有关 , 含氮量越高 , 损失 的 氮素越
多 [5] . 通过植物损失的气态氮素 , 已经证实的有N H 3
和N O等 , 但植物在正常生理条件下是否释放N Z O , 迄
今未见报道 , 本文首 次 报 道 , 包括常见的农作物大
豆、 玉米和水稻在内的许多植物能释放 N ZO , 不同种
植物或同种植物的不同部位具有不同的释放N Z O 的能
力 ( 表1 、 表 2) 。
自发现低浓度乙炔能抑制反硝化作用中的N : 0 还
原成N Z这一反应 〔‘’ 6 ’ 且: ] 以来 , 乙炔抑制技术在实验
室和田间反硝化作用的测定中得到广泛的应用 , 在测
定原位土壤释放N Z O 的通量时 , 目前通常的做法是用
一密闭体系把一定面积的土壤封闭起来 , 测定一定 . 时
间内密闭面积内的土壤释放的N Z O 量 , 然后计算出每
公顷或单位面积释放N ZO 的通量 1 7 ’ . 】, 即使某些 把
植物也密闭起来的原位测定 t 主】 , 由于密闭容 器 的 高
度和体积有限 , 只能在植株较小时应用 。 本研究的结
果表明 , 许多植物即使在生育阶段后期 , 植株很大时 ,
J . A P I
. E e o l . , 1 : 1 ( 1 99 0 )
96 应 用 生 态 学 报 1 卷
‘ . . . . . . . . . ‘ . . . . . . .一目 一一一 ~ . _其根系仍具有很强的释放N : O 的能力 . 因此 ,在估测植物 一土壤系统的 N : 0 释放通量时 , 植物这个释放源是不容忽视的。 由植物释放的N Z O 对大气化学可能具有重要意义 。
此外 , 我们还在乙炔不存在情况下 , 在培育的早
期阶段检测到了植物根系释放 N : O , 说明乙炔不是诱
导物 , 只是阻断N : o 的转化 . 同时还观测到在乙炔不
存在时 , 加入外源的 N ZO逐渐消失 , 说明植物还具有
转化N : O的能力。
在现行的估计根瘤菌 一豆科植物 (如大‘豆 ) 共 生
固氮体系的固氮量的方法中 , 有一种叫 “参比法”
这种方法假定 , 用作 “参比 ” 的植物 ( 通常是不固氮
的禾本科植物 ) 与固氮的豆科植物 , 从土壤中吸收氮
素的能力相同。 因此 , 在生长季节结束时从固氮植物
的总含氮量中减去不固氮植物的总含氮量 , 即为该固
氮植物的共生固氮量 . 从本文的结果可以看出 , 这一
方法的缺陷是未考虑到不同作物通过根系等组织释 放
N 2 0 的能力可能有很大差别 , 因而从生长季节结束后
两种植物总含氮量的差值得出固氮量的估算可能偏低
( 当固氮植物释放N 2 0 的能力大于参比植物时 ) 或偏
高 ( 当固氮植物释放N 2 0 的能力小于参比植物时) 。
植物释放N 2 0 速率不仅与植物的种类 、 部位 、 植
物所处的生理阶段有关( 表 1 、 表 2 ) , 而且与其自身
的N 0 3 一含量及所处环境中的氧浓度等因素有关 (陈冠
雄等 , 未发表资料 ) . 关于植物形成N Z o 的机制及影
响其释放速率的因素有待进一步研究 .
参 考 文 做
李良淇等 。 19 8 9 . 原位土壤中 N ZO 释放 量的测定方法 .
土城学报 , 2 0 ( 3 ) : 30 5一3 0 8 ·
陈冠雄等 . 19 90 . 土壤释放的N : 0 的原位测定 . 生 态学
杂志 (待 出版 ) .
3 ( 日)土攘微生物研究会编 ( 叶维青等译 ) . 19 8 3 . 土竣
徽生物实验法 . 科学出版社 , 北京 , 5 6 8 .
4 Ba l d e rs t o n , W
.
L 一 et a l . z o 7 6 . B lo c k叱e b 了 a e e -
t y l e n e o f n it r ou s o x i d e re d u ct i o n i n Ps e u d om on a s
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5 0 4 se 5 0 8
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D i n it r og e n F i x a t i o n a n d D e n it r i f i以 i o n ( E d s .
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H a u 吸 a n d R . W . We a v e r ) , 5 0 11 S c i e n e e
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9 K n睬 e ls , R . 19 8 2 . D e n i t r if i e a t i on . M i e r o b io 1o g i -
e a l R ev i e w s , 4 6 : 4 3一7 0 .
1 0 R o s钾 a l l , T . 1 9 5 0 . M i c r o b i o l o g i“1 n i t r o u s 一o x i d e
P r o血 e t i o n : Im P l i e at i o n s f o r t五e g lo b a l n i t r og e n
e y e l e
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P r o e e e d i n g s o f t 五e F’Ou r t h I n t e r n at i o n ‘1 S y -
m卯s i u m o 且 E n v i ro n m e n t a l B i o g e o e比m i s t r y a n d
肠 n f e re n e e o n B i o g eo e h e m i st r y i n Re l at io n t o t h e
M i n i n g I n d u s t r y a n d E n v iro n m e n t a l PO l lu t io n
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. , 9 : 17 7一 2 8 3 .
J . A P I
。 E e o ] . , 1 : ] ( 1 9 9 0 )