全 文 ：生态科学2006年6月第25卷第3期 ECOLOGICSC ENCEJun．，2006，25(3)：202～206
温带草甸草原土壤N20产生过程研究
杜 睿 (中国科学院大气物理研究所，北京100029)
【摘要】 以大量的室内模拟培养实验，以内蒙古温带草甸草原土壤为研究对象，利用A1M乙炔抑制法，模拟野外条
件对原样土壤样品进行N：O产生过程进行研究。实验结果表明：内蒙古温带荤甸草原土壤N20产生过程以硝化作用为
主。其中异养硝化作用起主导作用，自养硝化潜势和反硝化潜势在草原植物不同生长季节变化不同，总体上异养硝化
潜势>自养硝化潜势>反硝化潜势。由于自养硝化作用在不同季节的发生，使得草甸草原土壤N20的产生潜势也高、低起
伏变化。从而揭示了内蒙古温带草原土壤以异养硝化作用过程为主产生N20和N20排放通量较低的微生物学机理。
关键词：AIM乙炔抑制法，草甸草原土壤，N20产生过程，异养硝化作用
中图分类号：s153．6 文献标识码：A 文章编号：1008—8873(2006)03-202．05
TheprocessesofN4)productionillteml地rnteIn adowgrjlssl姗dso洳
DURui(InstimteofAnllosphericys s，CAS，BeijinglO0029China)
AbstractInⅡlispaplerAlotsoflaboratoryexperimentsusingtleacetyleneinhibitionmemod(AIM)werecamedto
investigatetlleN，Oproduction埘rocessesinchemozemoilofn坨adow霉，asslandinInTlerMongolia．Theresearchresults
showedmathehetero昀phicnitrificationismeim讲)rtantmicrobi0109icalprqcessofN20pmductioninmis1【indsoil．The
potentialof utotm口hicIlitri靠caIionndeIlitrificationafedi丘brentwi tlmechangingof霉．rasslaIldvegetadon’sgrowing
periods．However，tIIes quenceofm ircontributionis： he啪缸oI)tlicfI trification>auto廿ophicni廿ification>dellitrification．
Theincreasing锄ddecreasingofN20productionpotc而alresult仃ommea讲)ear明ceofa_uto仃ophicnitrificationind fferent
growingperiod．T1lereby’meN20eIIlissionnuxf幻mtempt珊ltegrasslandsoilswaslowerbecausematllehetero廿ophic
nitrificati帆iskeyN20producdonprocessintllesesoils．
Keywo砸s：Acetylene．illlljbi60nme吐lod；Meadowgrasslandsoil；N20pr甜uc￡ionprocess；He￡erom)phicm撕fica￡ion
N20作为土壤所排放主要的温室气体之一，在大
气中的寿命长达166+16yr【lj。由于等摩尔浓度的N20
的增温潜势是C02的150倍，N20的温室效应对于全
球气候变化有着重要的影响。N20的研究随着全球碳
循环研究的升温，再度成为温室效应与全球气候变化
的研究焦点之一。草原生态系统作为主要的陆地生态
系统，在全球碳、氮循环研究中具有重要的研究意义。
内蒙古草原作为极具代表性的温带草原，是目前保存
较为完好的天然草原之一，也是国际地圈．生物圈计划
(IGBP)陆地样带(NECT)的重要组成部分。自上
世纪90年代开始，我国科学家开始对温带草原温室气
体的排放规律进行较系统的观测研究f2。oJ，这些研究
大都集中在温带典型草原区，而草甸草原作为地带性
植被类型，在整个欧亚大陆草原地区，具有着重要的
代表性，同时它也是锡林河流域的重要草原类型，但
是针对其温室气体的研究开展的较少【7’9J，尤其是有
关草甸草原土壤温室气体产生的机制以及主要环境因
子对其温室气体排放的调控研究，对定量分析温带草
原在全球温室气体排放的贡献和变化趋势都有着重要
意义，但却未见报道。已有的研究表明：土壤N20的
产生主要由不同的微生物过程其中包括硝化和反硝化
作用过程【1¨，由于不同的土壤质地、土壤有机质、温
度、以及各种非有机氮(如NH4+，N03一)，土壤02
浓度等都会影响产生N20的微生物作用活性fl玉141从
而使N20产生过程的各不相同，最终导致排放通量、
及其排放规律的差异。
本研究主要针对温带草甸草原±壤N20产生的
微生物过程这一科学问题，采用目前国际上在有关
N：O的产生过程的实验研究中，通用的区分硝化和反
硝化作用过程的乙炔抑制技术【l孓191进行室内模拟分析
研究。该项研究作为国家“九五”重大项目IMGRASS
和青年基金的后续工作之一，旨在揭示极具温带草原
代表性的草甸草原土壤N20排放规律的产生机制。
1 实验地点和实验方法
1．1采样地点概况
室内模拟实验的供试土壤采自中科院草原生
态系统定位研究站的噶嵩山天然贝加尔针茅草甸
草原43055仪，116082但)。该区位于锡林河上游的丘
陵区，海拔1300～1500m，地形以丘陵与高台地为主，
收稿日期：2006．03棚，2006．05-20接受
基金项目：国家自然科学基金项目：(枷05009)：中国科学院野外台站研
究项目(7—053706)共同资助。
作者简介：杜睿(1970一)，女，博士，副研究员，主要从事气候、环境
变化及陆地生态系统温室气体排放过程及机理研究。
万方数据
3期 杜睿：温带草甸草原土壤N20产生过程研究 203
(地带性土壤是黑钙土，其质地为壤质土，年降雨量
在450mm上下，属半湿润大陆性季风气候。植物具有
丰富的中生杂类草，以贝夹尔针茅为建群种的草原群
落类型为主。草甸草原以贝夹尔针茅、麻花头(Serratula
centauroides)、线叶菊(Filifoliumsibiricum)、射干鸢尾
(Irisdichotoma)等中生、旱中生和中早生植物为主，植
物群落总盖度63％，地上、地下生物量较大，两者比
值范围通常在9～16。土壤中腐殖质层厚度达50cm左
右，有机质含量约为4％，没有明显的钙积层，其表层
0～20ClTI土壤中有机质，有机碳含量分别是4．10％和
2．38％，全N含量是0．218％，C／N比值是10．92，土壤
水溶性pH值是6．37f101。该天然草场被作为牲畜冬饲料
干草的打草场而轻度利用，仅在每年的8月进行打草。
1．2采样方法
自2001年的4月至10月，以1次／月的采样频率，
在每月的下旬，选择天气晴朗的采样日采样时间固定上
午9点至10点之间采集实验区土壤，土壤深度为15cm，
以土钻采样法在1．5×1．5m的样方内随机采样20—30次，
采样时表层土壤水分含量和温度测试如表2。随即将土
壤充分混匀过2mm土筛，用密封塑料袋将过筛土壤样
品密封保存于．20℃的冷冻冰柜内，冷冻2个月后取出活
化，用AIM乙炔抑制法【l6’19】对鲜土进行模拟培养。培
养温度的设定同样依据表1。土壤样品含水量用土壤田
间持水量(Water-holdingcapacity,WHC)的百分比表示，
草甸草原土壤田间最大持水量为52．1％。
表l供at_-I：壤样品土壤含水量，土壤异养硝化菌含量以及培养温度
Table2Thesoilwatercontent，amountdegreeofheterotrophic
日拉l
土壤含水 异养硝化菌含量 培养温度
月份 Soil Amountdegreeof淼淼
Month ⋯mo。istu。re、heterotrophic妥赫蔷西(WHC％) nitrifier r⋯⋯’、。7
4月Apt．
5月May
6月Jun．
7月Jul．
8月Aug．
9月Sep．
10月Oct．
24
56
15
4
64
ll
23
●-●●
106
107
105
107
106
106
8
13
18
23
23
13
3
每次称609土壤样品置于300mL培养瓶，加盖密
封。设空白对照(C．K)、加入乙炔使瓶内气相中C2H2
浓度分别达到0．06％(VⅣ)(可抑制硝化作用过程
I-N)和3％(v／v)(可抑制反硝化作用过程I-D)3
种处理，每种处理重复3次，避光放置温控箱内进行
培养，每次培养温度根据采样时所测得表层土壤温度
设定(表1)。培养24h后定期用气相色谱HP5890对
培养瓶内N20气体浓度进行测定。每次培养时问是7
天，分别在培养1、3、7d后进行N20气体浓度测定
并计算产生速率。
1．3气体通量的计算
气体释放速率(f)用g／h鲜土释放气体量表示。
计算公式如下：
， Am p×V×Ac
，一一。 M×AtM×At式中，p是气体密度，Am和Ac分别是At时间内培
养瓶内气体质量和混合比浓度变化；v是培养瓶内有
效空间体积，M是土壤鲜重。实验数据是3次重复
实验的平均。实验数据相关的统计分析采用SPSS10．0
版统计软件进行处理。
1．4土壤微生物相关菌群数量的测定
供试土壤在00C以下冷冻保藏，实验前12h在40C
解冻，取109土样(湿重)，制备菌悬液，好气性自生
固N菌测定用平板涂抹记数法。其余用最大或然率法。
氨化细菌测定4个重复，其余3个重复；稀释倍数均为
10。亚硝化细菌和反硝化细菌培养14d，其余菌类培养
8d，测定方法详见《土壤微生物分析方法手艇》【20]。
2结果与分析
2．1草甸草原土壤N20产生速率的季节变化
图1是利用原样主不添加任何试剂密闭培养，不
同培养时间(1d、3d、7d)所测得草甸草原黑钙土N20
的产生速率。每次培养的温度和土壤水分状态见表2。
其中7、8、10月份土壤样品N20的产生速率在培养
1d后的N20产生速率均非最高值，7月份土样在培养
7d后N20的产生速率最高，8、10月份土样N20的产
生速率则在培养3d后最高。由于硝化作用是好氧过程，
而反硝化作用是厌氧过程，密闭7d连续培养出现上述
现象，表明7月份的土壤样品具有一定的反硝化潜势，
而8和lO月份的土壤样品有可能是因培养瓶内氧含量
在3d后尚未处于完全厌氧状态，硝化作用仍可继续反
应；另外也可能是其具有一定的反硝化潜势，但该解
释则被7d后N20的产生速率再次降为最低而否定。
不同月份的土壤样品的模拟培养结果可以看出：
草甸草原土壤N20产生速率的季节变化趋势大体表
现为4、5月份最高、6月份开始降低、7月份更低、8
月份又升高、9月份再降低、10月份再升高的规律，
可以预测再往后的冬季里由于气候环境的恶化(土壤
水分和土壤温度均逐渐降低)，相关微生物活性也将降
低，所以冬季土壤N20产生速率将会再次降低。这种
N2 产生速率高、低交替的表现形式与王艳芬例等
万方数据
万方数据
3期 杜睿：温带草甸草原土壤N20产生过程研究
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画．晏
冀童
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日月^p “日Ma， ^月Jun IM4ul n月^”E ^"5。D ，月o【
—◆一圃氮细菌autotrophic—■一氨化细菌ammonJ fJ
—矗一自养亚硝化细菌autotrophicnitroso—*一自养硝化细菌autr
—e一反硝化细菌Denitrifier
图2草甸草原±illln20产生相关微生物菌群数量的季节变化(2001)
Fig2 Seasonalv riationofsoilbacterialrelatedN20
productioninmeadowsteppesoils(2001)
4、5月份的土壤自养硝化潜势相对6月份的高，其明
显低于对照(见图3)，此3个月份的草甸草原土壤
N20的产生过程主要是异养硝化作用。7月份的草甸
草原土壤具有较强的反硝化潜势，但不具有自养硝化
潜势(低浓度乙炔的抑制作用没有体现)。8月份的草
甸草原土壤具有较强的异养硝化潜势和自养硝化潜
势，但不具有反硝化潜势。9月份的草甸草原土壤以
异养硝化作用为主，具有较弱的反硝化潜势，不具自
养硝化潜势；而10月份的土壤则具较强的自养硝化潜
势(远大于异养硝化潜势)，不具有反硝化潜势。2001
年的整个生长期，除7和9月份草甸草原土壤具有反
硝化潜势，其他月份不具有反硝化潜势，均以硝化作
用为主产生N20，其中4、5、8、10月份具有相对明
显的自养硝化潜势，其对土壤产生N20的贡献强度依
次为：10月份>8月份>5月份>4月份>6月份，但总体
上草甸草原土壤N20产生过程以异养硝化作用为主，
自养硝化作用次之，反硝化作用的贡献最弱。由于自
然界中化能自养硝化细菌是硝化作用的主要推动者，
化能异养菌的硝化强度远不如自养硝化细菌瞄51，因
此，4、5、8、10月份与6、7、9月份的草甸草原土
壤N20的产生速率出现了明显的高、低起伏现象也是
由于反应相对较强的自养硝化作用的参与，提高了土
壤N20的产生潜势的一种相映的表现形式。
与其他温带草原土壤(暗栗钙土和淡栗钙土)N20
的产生过程【8】相比，草甸草原黑钙土自养硝化作用的
贡献相对于前两种土壤的大，但仍次于异养硝化作用；
其反硝化作用的贡献强于典型栗钙土壤但弱于暗栗钙
土。室内原样土壤的模拟实验结果显示：内蒙古温带
草原3种主要类型的地带性土壤N20的产生潜势的大
小顺序：暗栗钙土>黑钙土>淡栗钙土。在目前已有的
文献中有关田间原位的N20的排放通量【7】的大小顺
序：暗栗钙土≈黑钙土>淡栗钙土，两者结果基本上相
C
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囫C．K． 图0．06％ 口3％
图3草甸草原土壤N20产生潜势的季节变化(2001)
Fig3SeasonalvariationofN20productionpote tialityfrom
meadowsteppesoils(2001)
一致。这与野外观测时不确定因素太多，另外土壤排
放通量受多种环境因子的调控有关，其中土壤质地、
结构等都影响着气体的排放。．IMGRASSl998年观测
资料则显示3种草原土壤类型N20的年排放量的大小
顺序是：暗栗钙土>淡栗钙土2黑钙土。
3结论
3．1在草原植物生长季节，以新鲜土壤样品培养测试草
甸草原土壤N20的产生潜势有着明显的季节变化，总体
上表现为4、5月份最高、6、7月份较低、8月份较高，
9月份降低，10月份回升的高、低起伏的变化趋势。
3．2内蒙古草甸草原土壤N20的微生物产生过程中，
与其他2种地带性土壤N20的产生过程相似：均以异
养硝化作用过程为主，在不同的生长阶段，自养硝化
作用和反硝化作用有不同的贡献。其贡献的大小顺序
表现为：异养硝化作用>自养硝化作用>反硝化作用。
3．3内蒙古温带草原土壤N20的微生物产生过程是以
异养硝化作用为主，自养硝化作用和反硝化作用在不
同的草原土壤类型和不同的生长阶段有不同的贡献。
这样从土壤微生物学角度解释了我国温带草原土壤
N20的排放通量普遍较低的原因。
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温带草甸草原土壤N2O产生过程研究
作者： 杜睿， DU Rui
作者单位： 中国科学院大气物理研究所,北京,100029
刊名： 生态科学
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