全 文 ：© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
园 艺 学 报 2004 , 31 (6) : 762～766
Acta Horticulturae Sinica
收稿日期 : 2004 - 03 - 11 ; 修回日期 : 2004 - 11 - 26
基金项目 : 福建省自然科学基金重点项目 (F0100001) ; 中科院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室开放
课题 (LAPC2KF22003202) 资助项目
菜田氮素反硝化损失与 N2O 排放的定量评价
丁 洪1 ,2 王跃思2 项虹艳1 李卫华1
(1 福建省农业科学院土壤肥料研究所 , 福州 350013 ; 2 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重
点实验室 , 北京 100029 )
摘 要 : 在田间条件下 , 应用原状土柱培养 - 乙炔抑制法测定蔬菜地氮肥反硝化损失和 N2O 排放量。
结果表明 , 在茄子 - 灰泥土系统中 , 不施氮肥处理下 , 土壤氮素反硝化损失量和 N2O 排放量分别为 N 2218
kg·hm - 2和 N 812 kg·hm - 2 ; 施氮肥处理下 , 反硝化损失量和 N2O 排放量都极显著提高 , 分别达 N 3719 和 N
3318 kg·hm - 2 ; 氮肥反硝化损失量占施肥量的 511 % , 产生的 N2O 排放量占施肥量的 816 %。土壤氮素反硝化
损失量和 N2O 排放量与土壤水分含量极显著相关 , 而与土壤中铵态氮和硝态氮含量的相关性不显著。
关键词 : 菜田 ; 氮肥 ; 反硝化 ; 氧化亚氮
中图分类号 : S 606 ; S 15411 文献标识码 : A 文章编号 : 05132353X (2004) 0620762205
Denitrif ication Loss and N2O Emission from Nitrogen Fertilizer Applied to Veg2
etable Field
Ding Hong1 , 2 , Wang Yuesi2 , Xiang Hongyan1 , and Li Weihua1
(1 Institute of Soil and Fertilizer , Fujian Academy of Agricultural Science , Fuzhou 350013 , China ; 2 State Key Laboratory of Atmospheric
Boundary Physics and Atmospheric Chemistry , Institute of Atmospheric Physics , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100029 , China)
Abstract : A field experiment was conducted to measure denitrification loss and N2O emission from nitrogen
fertilizer applied to a field grown with eggplants by soil core incubation2acetylene inhibition method. The results
showed that the amount of N2O emitted from soil (without N fertilizer applied) was N 812 kg·hm - 2 , while the
amount of N2O derived from applied N fertilizer was N 2516 kg·hm - 2 (816 % of applied N) . The corresponding
figures for denitrification losse were N 2218 and N 1511 kg·hm - 2 (511 % of applied N) respectively. The denitri2
fication loss and N2O emission amounts of the treatment with N fertilizer applied were significantly higher than that of
the treatment without N fertilizer applied ( P < 0101) . These results also indicated that nitrification2denitrification
was one of main approaches of nitrogen fertilizer losses in vegetable field. And there were significant relationships
between denitrification loss and N2O emission and soil water content ( P < 0101) .
Key words : Vegetable field ; Nitrogen fertilizer ; Denitrification ; Nitrous oxide
目前 , 我国氮肥利用率还很低 , 大约在 30 %～35 % , 损失率平均达 45 %〔1〕。氮肥施入农田后通
过氨挥发、硝化 - 反硝化气态损失和硝酸盐淋失等途径损失掉 , 但以哪一条途径为主目前尚无一致的
看法 , 有些方面还存在争议。
对于氮肥的硝化 - 反硝化气态损失量究竟有多大 , 在许多报道中是众说不一。Aulakh 等〔2〕认为 ,
反硝化损失量为微量至 N 100 kg·hm - 2 ; Hauck〔3〕估计 , 氮肥损失中有 30 %是缘于反硝化作用 ; Ryden
等〔4〕报道 , 施肥量高的蔬菜水浇地反硝化损失可达 N 200 kg·hm - 2·a - 1 ; 而 Groffman〔5〕在评述中认为 ,
在温暖地区和大多数热带农业系统中 , 反硝化作用不可能是氮肥损失的重要途径。国内在 20 世纪 80
年代末开始这方面的研究 , 但在田间直接测定的工作仍不多 , 近年来有少量有关华北平原潮土和褐土
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上测定结果的报道〔6 ,7〕, 测得的反硝化损失量均较低。
硝化 - 反硝化作用还产生温室气体 N2O 排放 , 对全球气温升高有很大影响 , 同时 N2O 破坏大气
臭氧层 , 使更多的紫外线辐射到地面 , 对生物产生伤害〔8〕。土壤硝化 - 反硝化过程释放的 N2O 是全
球N2O的主要源 , 约占生物圈释放到大气中 N2O 总量的 90 %〔9〕; 化学氮肥的使用每年产生 N2O - N 约
115 ×106 t , 占人类活动向大气输入 N2O - N 量的 44 %和每年向大气输入 N2O 总量的 13 %〔10〕。我国在
20 世纪 90 年代以来开展了一些测定工作 , 但对有些重要的农业生态系统还缺乏研究 , 特别是有关蔬
菜地土壤氮素的硝化 - 反硝化损失和 N2O 排放量的研究还鲜有报道。我国蔬菜种植面积很大 , 且施
肥量高 , 因此开展这一研究很有意义。
1 材料与方法
111 试验地点和作物
试验地点选择在福州市新店镇杨廷村 , 试验蔬菜为茄子。试验土壤为灰泥土 , 有机质含量 1510
g·kg - 1 , 全氮 118 g·kg - 1 , 全磷 110 g·kg - 1 , 全钾 1418 g·kg - 1 , 碱解氮 19516 mg·kg - 1 , 速效磷 5815
mg·kg - 1 , 速效钾 6616 mg·kg - 1 , CEC 1018 cmol·kg - 1 , 土壤容重 113 g·cm - 3 , pH 612。
112 试验设计
试验于 2003 年 5 月 4 日进行 , 土壤翻耕后整地 , 划好小区 , 小区面积 1018 m2。8 日施肥和移栽
茄子苗 , 设施氮肥和不施氮肥两个处理 , 两处理均施用磷肥 ( P2O5) 90 kg·hm - 2 (钙镁磷) 、钾肥
( K2O) 180 kg·hm - 2 (氯化钾) ; 施氮肥处理施纯 N 300 kg·hm - 2 (尿素) , 3 次重复 , 随机排列。磷肥
作基肥一次施入 , 钾肥 66 %作基肥 , 34 %在 7 月 10 日作追肥 , 氮肥是 40 %作基肥 , 30 %在 5 月 31 日
第 1 次追肥 , 30 %在 7 月 10 日第 2 次追肥。施肥后均在土面浇水。每小区种 4 行茄子苗 , 每行 12 株。
其它管理措施与当地习惯一致。
113 田间气样采集和分析测试方法
试验采用原状土柱培养 - 乙炔抑制法〔2〕。具体做法为 , 采用 PVC 材料制作成 1215 cm ×15 cm 的
圆形培养桶 , 底部密封 , 桶侧面和桶盖各有一抽气或充气孔 , 用橡皮塞塞住 , 桶与盖之间垫上一密封
圈 , 用螺丝固定使桶与盖密封。每个桶中放入 8 个用内径 312 cm 的不锈钢土钻取出 15 cm 长的原状土
柱 , 每个小区取 2 桶土样 , 一桶不充乙炔气体为N2O 排放量 , 另一桶充乙炔气体为反硝化损失量 (乙
炔浓度 10 %) 。密封后埋在地里 24 h , 然后用注射器抽取 20 mL 气体注入 18 mL 的真空玻璃瓶中 , 带
回室内进行分析。
气体样品分析应用美国惠普公司产的 HP6890 气相色谱 , 色谱柱为填充 80/ 100 目 porapak Q 的填
充柱 , 柱温 45 ℃, 检测器温度 380 ℃, ECD 检测 , 定量六通阀进样 , 进样量 1 mL , 载气为 5 %
Ar2CH4 , 流速 20 mL·min - 1。气体重量计算公式 : N2O (N kg·hm - 2) = M ×1125 ×10 - 9 ×(V1 - V2) / S ×
10 , M 为测定的 N2O 浓度 (g·mL - 1) , V1 桶的体积 (mL) , V2 土壤体积 (mL) , S 土柱表面积 (m2) 。
2 结果与分析
211 菜田反硝化活性与 N2O 排放量的时间变化
图 1 显示 , 土壤反硝化活性有明显的时间变化。未施氮处理 , 反硝化损失量的变幅为 01003～
1115 kg·hm - 2·d - 1 ; 施氮处理的变幅为 01011～2136 kg·hm - 2·d - 1。但两个处理均一致出现了 3 次较强
的反硝化活性 , 施氮肥处理比未施氮肥处理更强烈。反硝化活性的增强并不是在施肥后就出现 , 而是随
土壤水分变化而变化 , 第 3 次施肥后因土壤含水量较低而未出现较强的反硝化活性。2003 年 7 月份以后
南方一直大面积干旱 , 土壤水分含量较低 , 对土壤反硝化作用和 N2O 排放有很大影响。
在茄子的整个生长期间 , N2O 排放量也有明显的时间变化 (图 2) 。未施氮肥条件下 , N2O 排放量
变幅为 01006～0145 kg·hm - 2·d - 1 ; 施氮肥条件下变幅为 01004～2116 kg·hm - 2·d - 1 , 施氮肥处理的排
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放峰明显高于未施氮肥处理。图 1 和图 2 中还可以看出 , N2O 排放与反硝化活性的变化是同步的 , 施
肥处理与未施肥处理的变化趋势也一致。可见 , 它们都是受土壤水分调节的。
图 1 蔬菜地反硝化作用动态变化
Fig. 1 Temporary changes of denitrification activity in vegetable field
图 2 蔬菜地 N2O 排放量动态变化
Fig. 2 Temporary changes of N2O flux in vegetable field
图 3 土壤中硝态氮与氨态氮含量的变化
Fig. 3 Temporary changes of NH+4 - N and NO -3 - N content in soil
212 菜田土壤中氮素含量的时间变化
从图 3 中可以看出 , 土壤中氮素含量有明显变化。尿素氮肥作基肥施用后 , 在土壤脲酶作用下水
解成铵态氮 , 使土壤中的铵态氮含量逐渐升高 , 1 周左右达到高峰 , 然后降低 ; 而这时期土壤中硝态
氮的含量较低。尿素第 1 次、第 2 次追肥后 , 土壤中铵态氮含量都有升高 , 硝态氮含量也相应增加 ,
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而且硝态氮含量一直比铵态氮含量较高 , 这是由于土壤硝化作用逐渐使铵态氮转化成硝态氮。这一结
果也表明 , 蔬菜地具有较高的硝化活性。
213 菜田反硝化活性和 N2O 排放与土壤水分、含氮量的关系
土壤硝化 - 反硝化活性和 N2O 排放受诸多因
子的影响 , 如土壤水分、质地、pH、有机质含
量、含氮量、温度和微生物群体量与活性等。表
1 数据显示 , 氮肥产生的 N2O 排放量和反硝化损
失量与土壤水分含量极显著正相关 , 而与 NH+4 、
NO -3 含量无显著相关性。可以认为 , 在诸多影响
因子中哪一种为主要限制因子 , 在不同生态地区、
同一地区不同季节作物甚至同一季节不同作物上
是不同的 , 在大多数情况下是受多个因子的综合
影响。试验表明 , 在本试验区加强水分管理是更
为重要的 , 对调节土壤硝化 - 反硝化活性和 N2O
排放具有关键性作用。
表 1 反硝化活性和 N2O 排放与土壤水分、含氮量的关系
Table 1 Relationship of denitrification activity and
N2O flux with soil moisture and nitrogen content
因子
Factors
N2O 排放通量
N2O flux
CK(n = 19) U(n = 18)
反硝化活性
Denitrification activity
CK(n = 19) U(n = 18)
水分含量
Water content
01746 3 3
01684 3 3
01757 3 3
01735 3 3
NH +4 含量
NH +4 - N content
- 01104
- 01058
- 01033
- 01074
NO -3 含量
NO -3 - N content
- 01180
- 01077
- 01279
- 01167
3 3 表示极显著相关。 3 3 Means 1 % significant .
214 菜田氮肥的反硝化损失量与产生 N2O 排放量
不施氮肥条件下 , 菜地土壤氮素的反硝化损失量和 N2O 排放量分别为 N 2218 kg·hm - 2和 N 812 kg
·hm - 2 ; 施氮肥条件下分别达 N 3719 kg·hm - 2和 N 3318 kg·hm - 2 , 极显著高于对照。氮肥反硝化损失
量和产生的 N2O 排放量分别为N 1511 kg·hm - 2和N 2516 kg·hm - 2 , 占施肥量的 511 %和 816 %。这是由
于菜地长期大量施肥 , 土壤肥力较高 , 加上水分条件好 , 增强反硝化作用活性 , 造成一定量的氮素损
失 ; 值得注意的是 , 氮肥的继续使用大大增加了 N2O 的排放量 , 其排放量明显高于反硝化损失量 ,
比对照增加 3 倍多 , 这是一个不容忽视的环境问题。
3 讨论
蔬菜地有别于常规农作物地 , 常年精耕细作 , 复种指数高 , 氮肥用量大 , 肥水条件优越。大量的
氮肥施入土壤后的去向如何 , 损失量有多大 , 产生多少温室气体排放等问题国内还研究不多 , 特别是
在田间条件直接测定还未见报道。土壤硝化 - 反硝化作用在氮素循环中起着重要作用 , 开展这方面研
究对于氮素调控具有重要作用。土壤硝化 - 反硝化作用受诸多因子影响 , 一种或几种条件适宜 , 都有
可能造成较高的氮素损失率和大量的 N2O 排放。本试验中 , 造成氮肥反硝化损失和 N2O 大量排放主
要是受土壤水分影响的 , 氮肥反硝化损失量占施肥量的 511 % , N2O 排放量占施肥量的 816 % ; 总的
来看 , 硝化 - 反硝化总损失量保守估计也在施肥量的 10 %以上 , 这与国外的一些报道相似〔2～4〕。因
此认为 , 在本试验条件下硝化 - 反硝化作用是蔬菜地氮肥的主要损失途径之一。不过这一结果与笔者
和国内其它一些研究者在华北地区旱作系统研究的结果有一定差异〔6 ,7〕。在华北地区的旱作系统中 ,
测定反硝化损失量和 N2O 排放量的结果均较低 , 并认为硝化 - 反硝化作用可能不是氮肥的主要损失
途径 , 这可能与南北方试验地的土壤性质、肥力状况、水分条件以及气候方面的差异有关。北方试验
地土壤质地较轻、气候较为干燥以及田间土壤水分大部分时间呈不饱和状态 , 土壤好气性较强 , 不利
于反硝化作用发生 ; 而南方试验地土壤质地粘重 , 气温较高 , 雨水丰富且蔬菜地频繁浇灌 , 易造成厌
氧状态 , 有利于反硝化作用进行 , 加之蔬菜地氮素供应丰富 , 因此氮肥硝化 - 反硝化损失量较高。应
引起注意的是 , 本试验蔬菜地施用氮肥产生大量的 N2O 排放 , 比在北方旱作系统中测得的结果高出
十几至几十倍 , 对大气环境带来严重的影响。产生大量的 N2O 的原因可能是 , 一方面因菜地土壤有
较强的硝化活性产生 N2O , 另一方面由于该土壤条件虽会促进反硝化作用 , 但并非处于淹水状态 , 整
个土壤层的嫌气性还不是很强 , 致使反硝化产物相当一部分以 N2O 形式排放 , 而未进一步还原成 N2。
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由此看来 , 如何对氮肥在土壤中的转化进行调控值得进一步深入研究。
目前 , 对土壤氮素硝化 - 反硝化作用进行调控的措施主要有 : 1) 改进施肥方法 , 氮肥深施可以
使肥料集中土壤中 , 减少土壤表层或田间表层水中氮肥浓度 , 能有效地减缓氮肥的硝化速率。2) 改
进肥料剂型 , 开发应用缓/ 控释肥料能大大降低硝化作用以及氮肥损失与 N2O 排放。3) 应用脲酶抑
制剂和硝化抑制剂 , 脲酶抑制剂可以减缓尿素水解 , 使肥料易于向土层中移动或扩散 , 降低表层中铵
离子浓度 , 从而降低硝化作用。硝化抑制剂则是直接抑制硝化微生物活性而降低硝化作用的。4) 改
善农业管理措施 , 如确定适宜氮肥用量、增施有机肥、增加覆盖、调节微生物活性和合理灌溉等 , 其
中土壤水分管理更重要。土壤干湿交替频繁会促进硝化 - 反硝化作用的发生 , 因此管理上尽可能减少
浇灌水次数 , 特别是避免大水漫灌。
参考文献 :
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