氮的气态损失培训课件.doc

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1、氮的气态损失培训课件除淋失和作物吸收外，还有其他氮损失。氧化(硝化作用)和还原(反硝化作用)过程中，氮主要以氮气(N2)和氧化亚氮(N2O)形态逸出：一、氧化作用氧化作用的反应式如下：(图：图b 氧化作用的反应式)除此之外，导致土壤氮气态损失的其他机理还有：(a) 好气条件下，亚硝酸盐化学分解产生N2、NO、NO2及少量N2O。(b) 游离氨的非生物性挥发。英国草原研究所的J.C.Ryder最近指出，NH4+不发生反硝化作用；气态氮从硝酸铵和硝酸钙中逸出得很多，而从硫酸铵中却很少。 二、反硝化作用土壤淹水后，氧气排出，出现嫌气分解。一些嫌气微生物具有从硝酸盐和亚硝酸盐中取得氧气的能力，同时放出

2、氮和氧化亚氮气体，最可能造成这些损失的生物化学反应如下：(图：图c 生物化学反应式)图5-15是美国西部四种土壤在嫌气条件反硝化作用下，氮产物形成和利用的顺序和数量。(图：图5-15 30时在嫌气反硝化作用下氮产物形成和利用的顺序和数量)业已知道，只有几种特殊的兼性需氧细菌能发生反硝化作用，这包括假单胞菌属（Pseudomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）和副球菌属（Paracoccus）中的一些活性细菌。反硝化作用也涉及色杆菌属（Chromobacterium），棒杆菌属（Corynebacterium）、生丝微菌（Hyphomicrobium）和沙雷氏菌属（Serratia）中几个

3、种。脱氮硫杆菌（Thiobacillus denitrificans）和排硫硫杆菌（Thiobacillus thioparus）等一些自养微生物也能引起反硝化作用。耕作土壤中反硝化微生物数量很多，而且大部分生长在植物根附近。植物活性功能根的碳分泌物可促进根际反硝化细菌的生长。大多数土壤反硝化潜力很大，但其条件是，必须使这些微生物在从有氧呼吸型转变成无氧条件时，能以NO3-为电子受体的反硝化代谢型。反硝化作用的规模和速率受很多环境因素的影响，其中最重要的有：有机质的数量和性质、水分含量、通气状况、土壤pH值、土温和现存无机氮的形态和数量。 (一)易分解型有机质土壤中易分解有机质数量是反硝化速率

4、的关键性决定因素。反硝化能力与水溶性碳和可矿化碳之间都存在极显著的相关性（图5-16）。USDA的Stanford及其同事进行嫌气培养试验发现，可浸提葡萄糖碳是与硝态氮损失相关碳源的有用数量指标。(图：图5-16 反硝化能力与(a)水溶性有机碳和(b)可矿化碳之间的相关性)美国衣阿华州立大学的Burford和Bremner用下式计算出微生物将NO3-还原为NO2-或N2时所需的有效碳数量。4(CH2O) + 4NO3- + 4H+ = 4CO2 + 2N2O + 6H2O5(CH2O) + 4NO3- + 4H+ = 5CO2 + 2N2 + 7H2O从反应式可知，1ppm有效碳可产生1.17

5、ppm N2O-N或0.99ppmN2-N。关于土壤中反硝化作用的大多数资料来自实验室研究，风干土样在应用前储存时间长短不同。衣阿华州立大学的Patten及其同事发现，土壤干燥通气储存后，硝态氮的反硝化能力明显增强，这些前处理也明显增加了反硝化微生物可利用的土壤有机质数量。(二)土壤含水量土壤淹水后阻碍了O2向微生物活动区域的扩散，使反硝化作用加快。淹水程度对反硝化作用的影响如图5-17所示。推测春季积雪融化使土壤水分饱和是导致北美山脉间各州（省）如美国犹他州和加拿大艾伯塔省和萨斯喀彻温省北部某些土壤因反硝化而损失氮的主要原因。大田积雪时间长短和融雪时间早晚似乎是春融期影响反硝化作用的两个因素

6、。(图：图5-17 水分(以田间持水量表示)对施用葡萄糖的土壤中反硝化作用的影响)(三)通气状况通气性即氧的有效性以两种明显相反的方式影响反硝化作用。可反硝化的氮形态NO3-和NO2-的生成取决于充足的供O2，只有O2不能满足微生物需要时才发生反硝化作用。在通气良好的土壤中，假如某微区内微生物的需O2大于供O2而呈嫌气状态时，似乎也能发生反硝化作用。 O2分压下降，反硝化损失便增加，但只有氧含量降到很低时才会出现明显的氮损失。例如美国北卡罗来纳州的室内研究表明，大气中氧含量为7.0%8.5%时，其反硝化损失的氮分别为氧含量在4%5.7%和1.0%1.6%时的20%和4%。在瑞典的研究表明，土壤

7、湿度降到田间持水量的60%70%以下后，氧分压的影响变得重要起来。 USDA的科学家所做的试验表明，培养土壤样品时，降低空气中的氧含量会增加因反硝化作用而损失的氮（表5-7）。资料表明，氧含量低，则明显增加气态氮损失。此外，加入大量葡萄糖等易氧化碳物质时，氮损失便增大。(表：表5-7 用氮含量为0.46%和2.27%的氮气通气时土壤氮的损失(以100克土计) )培养期 无葡萄糖 加0.5%葡萄糖 硝态氮 全氮 硝态氮 全氮 测定值(mg) 减少 (%) 测定值 (mg) 损失 (%) 测定值(mg) 减少 (%) 测定值 (mg) 损失 (%) 0.46%氧 0 78.3 154.7 78.3

8、 154.7 5 72.5 7.3 147.9 6.8 23.2 70.4 150.8 3.9 10 63.5 18.8 143.4 11.3 1.4 98.2 114.8 39.9 2.27%氧 0 78.3 154.7 78.3 154.7 5 79.0 1.0 149.0 5.7 55.5 29.1 150.5 4.2 10 76.5 2.2 152.4 2.3 58.5 25.2 143.6 11.1 注释：资料来源：Allison等, SSSA Proc., 24: 283 (1960).(四)土壤反应(pH值)由于很多参与氧化还原的细菌对低pH值较敏感，所以土壤酸度对反硝化作用有显

9、著影响。因而许多酸性土壤中反硝化细菌的数量较少。反硝化速率明显受土壤pH值的影响，酸性土壤（pH3.64.8）的反硝化速率很低，高pH值土壤（pH8.08.6）的反硝化速率很快（图5-18）。pH值低于5.0时很少因反硝化而损失氮。瑞典的Nommik也观察到，中性土壤比pH值小于6.0的土壤的反硝化作用明显增加。(图：图5-18 土壤pH值对反硝化作用的影响)酸度也可调节反硝化中不同气态氮的形成次序和相对数量。pH值小于6.06.5时，以氧化亚氮为主，它通常占酸性条件下释出气态氮的一半以上，氧化氮通常只在pH值低于5.5时才有发现。在中性或微酸性反应中，微生物还原形成的氧化亚氮是首先被检测到的

10、气态氮，因此pH值大于6.0时，产物以单质N2为主。酸性条件下出现氧化亚氮是因其能抵抗进一步还原成氮气。(五)温度反硝化作用对土壤温度很敏感，从2到25，反硝化速率增加很快；从25到60，反硝化速率更高一些；温度超过60，反硝化作用受到抑制。在较高土壤温度下反硝化作用增加，表明这主要是嗜热微生物在反硝化作用中起主导作用。春季积雪融化，反硝化损失的氮剧增（参看土壤含水量一节），这是因为土温从2升到5、12或更高，使反硝化作用明显加快。(六)硝酸盐含量由上述讨论可知，土壤中硝态氮和/或亚硝态氮是反硝化作用的先决条件。硝态氮含量高，反硝化速率也高，还明显影响土壤反硝化作用释出气体中的N2O/N2比。

11、表5-8的例子表明了硝态氮含量会影响氧化亚氮的产生。(七)农业和环境的重要性大田条件下，因反硝化造成氮损失的速率和程度还不确定。由于肥料氮只占土壤全氮量的一小部分，所以田间因反硝化而损失的氮只是估计值。研究土壤反硝化及其他氮转化中广泛应用的15N示踪技术也不能确切估出土壤的肥料氮对大气氧化亚氮含量的贡献有多大。土壤硝态14N和15N在反硝化中的差异使示踪技术的可靠性大打折扣。肥料氮进入土壤活性氮“库”后很易遭受不断的反硝化，造成氮挥发损失。因地球表面大气中的N2含量很高，而海洋实际上不含硝态氮，所以反硝化作用是氮返回大气的可能途径，抵消了生物固定所得的氮。自1856年以来，英国洛桑试验站的帕克

12、草原试验点每年春季施氮6.4公斤/亩。从计算出的平衡表可看出，肥料中约30%的氮因反硝化和淋洗而损失，但以反硝化损失为主。在美国犹他州，冬小麦秋季施氮，如遇冬雪不化持续到春季时，氮肥肥效明显下降。尽管秋季施过氮肥，但在这种不正常的积雪条件下仍出现严重缺氮现象，缺氮面积可高达75%，产量只有2142公斤/亩，而附近正常田块的产量可达147210公斤/亩。这种土壤缺氮不是淋失造成的，主要因反硝化作用所致。加拿大艾伯塔省北部的大田研究也得出类似结果，反硝化作用约损失了25%50%的肥料氮效果。从管理较好的美国科罗拉多州北部玉米地中生育期逸出的N2O约为2.6公斤/公顷，占施入肥料氮的1.3%。大田首

13、次灌溉后7天内逸出的N2O占总逸出量的60%。氧扩散受阻更有利于反硝化作用。其他研究者报道，反硝化作用的发生是在缓慢而连续过程的背景下周期性爆发式的，与氧含量的变化有关。 随着氮肥用量增加，土壤中逸出的氧化亚氮（N2O）也明显增加，这会部分地破坏保护生物圈免受太阳紫外线辐射危害的大气同温臭氧层。尽管事实证明，肥料中硝态氮的反硝化作用导致了N2O的逸出，但土壤有机质和新鲜作物残体通过自然转化而产生的硝态氮对NO2逸出的贡献却很少被人注意和研究。反硝化作用在排除灌溉水和废水中过多的NO3-中很有实用价值。直接处理水时应接种反硝化微生物，并提供足够的甲醇等易矿化碳源。处理系统中包括在土壤上处理污水，

14、应采取措施确保所处理土壤面积里含有足量的易矿化碳源。(表：表5-8 硝态氮含量影响土壤中反硝化作用释放气体中气态氮N20的比例 )加入的硝态氮* (g/g土) 释放的(N2+N2O) (g/g土) N2O/(N2+N2O) (%) 2天 14天 2天 14天 100 55 97 42 0 200 56 124 48 24 300 61 121 77 42 500 61 119 92 63 1000 57 127 95 86 注释：*10克Webster土壤中加6毫升含有1-10毫克硝态氮(硝酸钾)的水溶液，置于245毫升瓶中，在氦气下30温育。资料来源：Bremner. 在D.R.Nielson编辑的Nitrogen in the Environment, Vol. 1, p. 477, New York: Academic Press, 1978.