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1、文章编号：1008-181X（2001）02-0143-06土壤中氧化亚氮的产生及减少排放量的措施王彩绒，田霄鸿，李生秀（西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100）摘要：氧化亚氮（N2O）是大气中的一种痕量气体，也是一种重要的温室效应气体，还可使臭氧层遭到破坏。大气中N2O浓度呈不断上升趋势，其上升与人类活动关系极大，对环境的潜在破坏性也愈加严重。土壤是N2O的重要产生源，土壤中的硝化作用和反硝化作用是N2O的主要生成过程。过量施用氮肥、含氮有机物燃烧、毁林开荒等人类活动对N2O释放增加的影响不容忽视。人类应采取各项可行的措施来减少N2O的释放量：如提高氮肥利用效率，减少生物体燃
2、烧，退耕还林和保护森林资源等。关键词：N2O释放；环境效应；土壤；减少对策中图分类号：X144 文献标识码：ANitrous oxide emissions from soils and strategy for reducing N2O emissionWANG Cai-rong, TIAN Xiao-hong, LI Sheng-xiu（College of Resources and Environmental Sciences, Northwest Sci-tech University of Agriculture and Forestry, Shaanxi Yangling, 71
3、2100, China）Abstract: Nitrous oxide（N2O） is a trace gas in the atmosphere ,which contributes both to the greenhouse effect and to the destruction of stratospheric ozone. Its concentration in the atmosphere shows increasing tendency apparently, and the increase is closely related to human beings acti
4、vities, and this has great potential destruction to the environment. Soils are the very important source for N2O emissions. A series of factors influence rates of the two microbial processes (nitrification and denitrification ) that produce N2O in the soil. Effects of over-fertilization of N, burnin
5、g of nitrogen-containing organic matter and deforesting on N2O emissions should not be neglected. For this reason, it is necessary to take measures reducing N2O emissions, including improving the N fertilizer utilization efficiency, reducing biomass burning and protecting forests and so on. Key word
6、s: N2O emission; environmental effect; soil; strategy for reducing N2O emission氧化亚氮（N2O）是大气温室效应气体之一，对环境有着多方面的影响。N2O在对流层中可以吸收来自陆地的热辐射，减少地表向外层空间的热幅射，从而产生温室效应；N2O还可以破坏同温层中的臭氧，大气中N2O浓度增加一倍，臭氧层中的臭氧将减少10，而到达地面的紫外线辐射强度会增加20，导致人类皮肤癌和其他疾病的发病率迅速上升，并带来其它的健康问题1, 2。因此人们越来越关注N2O浓度升高对全球气候变暖和臭氧层的影响。 近年研究表明，土壤特别是农田土
7、壤和热带地区的土壤，是全球最主要的N2O排放源，贡献率高达703，N2O释放通量主要受气候，农业活动和土壤性状等宏观环境条件的影响4，而土壤中硝化和反硝化作用是其产生的主要过程5。本文对近年来国内外关于N2O排放源的研究进展及减少的对策进行综述。1 N2O的环境效应及来源N2O的排放源、理化性质及环境效应近年来日益受到人们关注。这一气体在对流层的惰性较大，存留时间可达110150 a2。大气中N2O-N的含量（1.4109 t N1.5109 t N）约为来自陆地和海洋年排放量（1.4107 t N0.7107 t N）的200倍6，7。自工业革命以来大气中N2O浓度一直呈增长趋势，每年以0.
8、250.3的速率递增。由于这一原因，已由工业革命前的2.8810-4 ml/L上升至现在的3.110-4 ml/L6，8。对南极大陆冰芯研究表明，目前大气中N2O的浓度已比工业革命前增加了15209。在过去的100 a间，N2O对温室效应的贡献约为510。大气中N2O浓度的增长虽不及CO2，但一分子N2O的潜在增温效应约为一分子CO2的200余倍10，因而不容忽视。据估计，目前全球N2O的年均排放量为16.2106 t N（6.4106 t34.4106 t N），其中农业生态系统的排放量达3.3106 t N，占总排放量的2011。N2O主要来自陆地土壤（N 81064106 t/a），来自
9、含氮有机物燃烧和海洋的次之（分别为N 41062106 t/a和21061106 t/a）8；矿物燃料虽能产生N2O，但来源较小12。Byrnes7认为90的N2O可能来自陆地反硝化和硝化过程。每年大气中增加的N2O量少于地表的释放量，净累积量约为2.8106 t N，约为陆地土壤释放量的3513。这是因为有多达N 91062106 t/a的N2O（约为净累积量的3.2倍）在同温层经光化学反应而破坏，生成O2、N2和NO6。大气中的N2O在同温层中主要以两种途径被破坏:光解,与活泼的游离氧原子反应。这两个过程都能产生一定量的含氮氧化物NOx（NO+NO2），N2O能与臭氧层反应并破坏臭氧层，而
10、转变为NO的N2O约为510（N 4.5105 t/a9105 t/a）14，15。随着化肥用量增加，对臭氧（O3）的破坏作用随之增加。Matthew通过对不同氮肥的消费量及逸失系数估计，从肥料中逸失的N2O为N 3.4105 t/a，占Jenkinson所估计的陆地和海洋年释放总量的（1.41070.7107 t N）1.655.316。Lashof & Tirpak 估计，以N2O形式损失的肥料氮为N 1.41052.5106 t/a 17。由于现在和将来都会大量和持续使用氮肥，一些科学家相信，21世纪前25 a间臭氧层还会减少20。土壤有机氮的矿化作用、施入的化学氮肥、有机肥以及生物固氮
11、过程都是陆地生态系统释放N2O的重要源泉。土壤微生物主导的硝化和反硝化过程所产生的N2O占全球大气中N2O总量的9018。人类活动对N2O排放也有重大影响。有人估计目前全球排放总量中，人类活动引起的约占32；自然因素产生的占6819，20。人为因素中，大量燃烧含氮有机物质、毁林开垦农田、农田中大量使用化学氮肥或动物粪尿等有机肥都会造成N2O排放量的增加21。 我国情况也不例外。据估计，1991年我国农田N2O-N排放量为9.1104 t ，施用氮肥产生2.25104t，生物体燃烧产生1.36104 t，三者合计为12.7104 t。我国N2O-N排放量大约占世界总排放量的11.522。2 N2
12、O的产生机制及影响因素2.1 土壤中N2O的产生过程及影响因素世界范围内，铵态氮肥是占主导地位的氮肥品种，土壤有机氮矿化的初始矿质N也是NH4+-N。以NH4+-N为反应底物的硝化作用和以NO3-N为底物的反硝化作用是土壤中无机N的两种最基本的转化途径。在土壤中，N2O主要是由生物反硝化和硝化过程产生，还可能有其它过程参与23。前者是一个复杂的物理、化学和生物学过程，需要认真对待。人们对生物反硝化产生N2O和N2的机制及土壤条件早就有所了解，但对硝化过程产生N2O是近20 a才认识到的。硝化作用中N2O的形成已成为近些年的研究热点24，25。硝化作用是土壤中的NH4+-N（或NH3）在好气微生
13、物作用下氧化为硝酸盐的过程。其反应过程为：NH4+NH2OHNOHNONO2NO3，这一过程的主要产物是NO3，也常有微量的N2O产生；硝化作用中N2O的产生，既有生物化学过程，也有化学过程。根据有关材料，硝化过程中（NH4+NH2OHNO2NO3），可发生下列反硝化过程： （1）生物化学过程NO2NO2+NO（Galbally，1989）26;NO2NO2（Nicholas，1978）27. （2）化学过程NOHNO2（Bremner & Blackmer, 1978；Nicholas, 1978）27，28;NO2N2ON2 （Stevenson，1986）23; NO2（NON2OH2O
14、）（Nelson & Bremner，1970年）29.反硝化作用是硝酸盐或亚硝酸盐还原为气态氮（N2和氮氧化物）的过程：NO3NO2NON2ON2。这是一个人们较为熟悉的过程，这一过程中产生的N2O量远多于硝化过程7。在反硝化作用产物中，N2与N2O的比例决定于土壤环境条件。其中土壤水分和pH显著影响N2O/N2 。在渍水土壤中，反硝化产物几乎全为氮气；在旱地土壤N2O比例要高一些。Keeney研究表明，在pH 4.65.4的土壤中，约83的反硝化产物为N2O；而在pH值为6.9时反硝化产物主要是N230。灌溉后反硝化产物中N2O/N2的比例降低到0.050.131；而排水好的土壤N2O/
15、N2 为0.03，排水差的是0.0232。土壤中通入少量氧，会使N2O/N2比例增加33。Klemedtsson研究表明，近根处土壤根呼吸消耗了根际周围土壤中的氧，增加了土壤厌氧环境，反硝化产物以氮气为主；N2O/N2的比例随植物生长时间的延长而降低34。影响土壤硝化和反硝化作用的诸多因素也是影响土壤N2O排放的因素，例如，土壤水分状况、土壤空气的氧分压，施入肥料的种类和数量，耕作制度，作物的种植情况，植物根系状况，土壤pH、温度，以及硝酸盐、铵浓度，可被利用的有机碳，等等3539。徐华等报道，土壤质地是影响土壤中N2O排放的重要因素：质地影响土壤通透性和水分含量，从而影响土壤中硝化和反硝化作
16、用的相对强弱及N2O在土壤中的扩散速率；它还影响土壤有机质的分解速率，进而影响产生N2O微生物的基质供应。他们在小麦和棉田研究表明，N2O释放量依次是壤质土砂土粘土40。而黄益宗等人认为，来自秸秆腐解过程中产生的化感物质（苯甲酸和对叔丁基苯甲酸），对N2O释放有明显的抑制作用41。宋文质等人在华北地区旱田土壤上研究表明，N2O通量出现时空变化规律，这与温度、施肥、灌水情况有关42。据估计，气温升高和农业耕作措施变化对全国N2O的排放量也产生一定的影响。如果气温升高2或4，N2O的排放量将分别增加10.1或20.5，如果采用免耕法，N2O的排放量将减少5.243。硝化过程中发生的反硝化机理远比生
17、物反硝化复杂，有许多问题尚需深入探讨。同时，由于硝化作用受诸多环境因子的影响，所以N2O的逸出量变异极大7，23。通常情况下，硝化过程中释放出的N2O与NO3含量成正比44。硝化过程在好气条件下进行，土壤孔隙中含水量低，产生的N2O更易逸出土壤；嫌气条件下反硝化过程常因N2O向大气中扩散受阻，会进一步还原为N2，或者随渗水淋溶至底层，因为N2O很容易溶解于水45。土壤中N2O的逸出量随土壤有机质和温度升高而增加45，46。施用磷肥或在酸性土壤中施用碳酸钙，创造了有利于硝化细菌活动的土壤条件，会增加好气条件下N2O的逸出量44。偏酸土壤在好气条件下有利于NO2的化学反硝化，而发生生物反硝化的土壤
18、酸度接近中性，发生硝化作用的土壤pH在中性到微碱性47。生物反硝化产物中N2O的比例随pH下降而提高48。pH小于6时N2的产生会受到抑制，只能产生N2O49。生物反硝化可在嫌气条件或局部还原条件下进行50。尽管反硝化过程是一个还原过程，但并非仅在完全嫌气的条件下才发生。结构良好的好气土壤中，生物反硝化作用依然可以发生。例如在旱地土壤中有许多“微环境”（如团聚体内孔隙），即使在土壤较为干旱时，这些微环境仍被水填充，处于厌氧环境，当NO3扩散进入这些区域时，仍可被还原而脱氮；同时，在灌水或降水后，这些土壤的厌氧环境增加，生物反硝化会进一步加强51。氮肥用量较低时，N2O排放量一般占施入氮肥总量的
19、0.10.8；较高时则为0.523。我国太湖地区，水稻生长期间释放的N2O量占施氮量的0.190.48（鲁如坤）43。施氮对N2O释放量的排放影响很大，增加了48.399.4的排放量41（表1）。表1 太湖地区水稻土的N2O释放通量氮素来源平均释放通量N2O-N/(mgm-2h-1)占当季施氮量百分数/未施氮肥的土壤34.6尿素（450 kg/hm2）51.30.22尿素（675 kg/hm2）56.80.19尿素(450 kg/hm2)+猪粪(15 t/hm2)69.0硫铵（1050 kg/hm2）65.60.48土壤中N2O的释放是多种途径和多种因素综合作用的结果，随着生物固氮和施氮量的增
20、加，N2O排放量将进一步增多。2.2 来自其它途径的N2O的排放2.2.1 含氮有机体燃烧 Bouwman估计，全球通过生物体燃烧释放的N2O为N 0.11060.3106 t/a （以燃烧物含氮0.70.3来估算，并未考虑作物残茬进入土壤后所产生的N2O）14，52。燃烧过程中会产生热量，使得氮及其它营养元素更易于被微生物吸收利用，在土体中产生更多的N2O53，据估计，最少有10的N2O-N与焚烧农作物秸秆和其它有机物质有关54。2.2.2 毁林 森林被砍伐后作为草场或农田，都可导致N2O的大量释放14，55。在开垦后的58 a内，N2O释放量会逐年增加，1020年后才逐渐减少。 Bouwm
21、an估计，每年约有0.4 106 t N2O-N释放，而森林破坏后释放占2052。我国在这方面资料甚少，目前尚无一个估计数字，但破坏森林的问题同样存在。2.2.3 其它 随着经济的发展和人民生活水平提高，摩托车、汽车等交通工具日益普及，所排放尾气中的N2O也不容忽视。污水灌溉、燃煤、燃油、燃烧天然气都会产生N2O。3 对N2O排放的研究3.1 N2O释放通量N2O从土壤中释放通量的研究，绝大多数集中在其从土壤表面的释放方面。但是，也有报道表明农田地下排水及森林砍伐地的泉水中N2O的浓度比周围环境中高出数倍56。当地下水以泉水涌出或暴露在外界空气中时，溶于其中的N2O可以迅速逸出，因此人们在多数
22、情况下测定的N2O释放通量往往可能低估了土壤溶液中的N2O的含量。Davidson & Firestone收集了土壤溶液样品并测定了其中的N2O浓度。结果表明，在美国加州中部草原地带土壤溶液中的N2O浓度的变幅从低于周围环境浓度直至高出周围环境的13倍。无论是自然因素还是人类自身原因引起，各国公认陆地生态系统释放的N2O数量最大。N2O释放量增加的原因之一是来自陆地释放量的增加。但是不同地点、同一地点不同测定时间、不同捕获方法（例如乙炔还原法与土壤平衡室捕获法）57，田间原位测定的N2O释放通量都存在巨大的时空变异性58。总的看来人们对不同的生态系统或土壤对N2O释放量的相对贡献率还是知之甚少
23、14，15。更加深入系统的研究还有待进行。3.2 预测农田土壤N2O排放的数学模型迄今已在各种不同的生态条件下对N2O释放进行了原位捕获、观测，对其释放通量亦做了各种预测及估算，使人们对在某一种生态类型下或一国范围甚至全球范围内N2O的排放情况能有了一个大致了解。但由于受诸多环境因素的影响，土壤中N2O排放量随时间和地点的不同而变化，要准确估算全球N2O排放量十分困难。现在用来估算农田土壤中N2O排放的数学模型非常有限，现有的如DNDC，Expert N，NASA Ames，CASA model，CenturyNGAS，其中唯有DNDC是为了估算农业土壤中痕量气体的排放而建立的。目前这类模型中
24、涉及到的环境因子一般较少，近来用土壤因素如湿度、温度、铵盐浓度及硝酸盐浓度建立的统计模式有不少问世，其中宋文质建立的模式为42：log（N2O通量）1.65-0.0091（土壤含水量）+0.25 log（速效氮浓度）+0.019（土壤温度）（r =0.40）4 减少对策 N2O排放量增加，既会造成臭氧层减少，又会导致全球气候变暖、平均气温增加、雨量和蒸发量改变，海平面上升等不良后果。尽管大气中N2O浓度的不断增加是一个全球性环境问题，但不同国家N2O的释放源有所不同，目前减少这种释放的宏观措施在很大程度上仍然是以国家为基础。但有一些减少N2O释放的措施是具有共性的。4.1 减少农田N2O的释放
25、 提高氮肥利用率、避免过量施肥是减少农业生态系统中N2O排放量的重要措施。氮肥损失严重、利用率低是世界各国面临的一个共同问题。在我国，水稻、小麦的氮肥利用率仅为2841。假如施入的氮肥能被作物完全吸收，那么满足作物生长发育所需的氮肥量会大为减少，N2O的释放量也会相应降低。 首先，氮肥供应尽可能与作物生长需求相吻合。为此需要采取这些措施：（1）遵循按需施氮的原则，通过土壤或植物诊断，确定合适的氮肥用量；（2）缩短土地休闲时间，减少氮素在土壤中的积累量，因为累积的氮素是发生硝化作用和反硝化作用的主要底物；（3）根据作物不同生育时期的需肥特点，分次施肥。其次，应采用合适的氮肥品种和正确的施肥方法。
26、（1）选用合适的氮肥品种，不同的氮肥品种对N2O的排放量影响不同。据报道，液氮N2O转化率为1.63、铵态氮为0.12、尿素0.11、硝态氮肥0.0322。（2）缓释肥料的可溶性氮可逐步释放出来，有利于作物吸收，同时能减少氮素损失和生物固定。（3）尽可能把肥料深施或混施，以减少径流、氨挥发和反硝化损失（氨气通过干湿沉降返回地表，可以作为N2O和NO的二次源，而且在对流层中通过光化学反应会产生相当数量的N2O）。（4）使用硝化抑制剂，抑制硝化速率，减缓铵态氮向硝态氮的转化，从而减少氮素的反硝化损失和N2O产生。我国目前应用较多的为CP和DCD。（5）通过水肥综合管理，提高氮肥利用率。减少肥料用量
27、和采用科学耕种方法是减少N2O是释放量的重要途径。如果牲畜粪肥使用率从现在的20减少为0，N2O的排放量将减少7.9，不使用化肥，N2O将减少到N 0.12 106 t/a，减少了61，化肥的使用量比现在减少50，N2O的排放量将减少22.0；采用免耕法，N2O的排放量将减少5.259。4.2 大力植树种草，减少滥砍乱伐现象 保持和扩大现有森林面积，增加全球绿化面积和提高绿化质量，增加绿色植物对各种温室气体的吸收固定功能。在我国，应大力提倡造林、爱林、护林的意识，实行退耕还林还草，创建绿色家园，保护生态环境。4.3 减少生物体燃烧 推广秸秆直接还田和秸秆覆盖技术，可以充分利用农作物秸秆，也能达
28、到很好的保水保肥效果；秸秆还田产生的化感物质，也能抑制N2O的释放。4.4 其它措施 改善能源结构，提高能源利用率和减少废气排放量；改善工农业生产技术，减少生产过程中各种温室气体的排放量。5 小结N2O主要来源于土壤，它是氮素硝化和反硝化作用的一种产物，既是温室气体，又破坏臭氧层。由于人为活动的影响，大气圈中N2O浓度不断增加。目前N2O在全球温室效应的贡献已从5上升到10。通过使用硝化抑制剂，施用控释肥料及采取一系列合理的施肥方法，可以来减少农田土壤N2O的释放；提倡秸秆还田，避免焚烧生物体，植树造林，退耕还林，提高森林覆盖率，对于减少N2O的释放都是有益的。参考文献：1 PRINN R,
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