旱地土壤硝化_反硝化过程和呼吸作用测定方法研究进展

第19卷　第3期2007年9月
塔　里　木　大　学　学　报
Journal of Tari m University
Vol.19No.3
Sep.2007
文章编号:1009-0568(2007)03-0071-04
旱地土壤硝化-反硝化过程和呼吸作用
测定方法研究进展
卜东升1　张翠丽2　郑德明13
(1　塔里木大学植物科技学院,新疆阿拉尔　843300)
(2　西北农林科技大学资环学院,陕西杨凌　712100)
摘要　硝化作用和反硝化作用是土壤中氮素转化的两个重要途径,它们的研究为当前农学与环境研究的热点之一。

同样土壤呼吸是当前全球碳循环研究的热点之一。

本文综述了国内外学者近年来对土壤硝化-反硝化作用及呼吸作用的研究方法,并对土壤碳氮转化的研究提出了一些建议。

关键词　硝化作用;反硝化作用;呼吸作用;研究方法
中图分类号:S152 文献标识码:A
Research Advancem en t on the M ethod for N itr i f i ca ti on D en itr i f i ca ti on
and Resp i ra ti on of D ry Land So il
Bu Dongsheng1　Zhang Cuili2　Zheng De m ing13
(1　College of Plant Science and Technol ogy,Tari m University,A lar,Xinjiang843300) (2　College of Res ources and Envir on ment,Northwest A&F University,Yangling,Shanxi712100)
Abstract　N itrificati on and Denitrificati on are i m portant app r oaches t o the transfor mati on f or carbon and nitr ogen of s oil,the research of which is one of the hot t op ic in the research of agriculture and envir on ment nowadays,as well as s oil res p irati on is another hot re2 search t op ic of carbon circulati on.The research of methods studying s oil nitrificati on,denitrificati on and s oil res p irati on are reviewed in this paper,and s ome advice is suggested.
Key words　nitrificati on;denitrificati on;res p irati on;research method
硝化作用和反硝化作用是土壤中氮素转化的两
个重要过程。

硝化作用为硝酸细菌和亚硝酸细菌将
氨转化成亚硝酸和硝酸的两个连续过程,与氮素的
有效利用有关,并且该过程还可能引起环境的污染,
硝化作用的研究为当前农学与环境研究的热点之
一[1]。

反硝化作用为NO
3-和NO
2
-还原释放出
NO、N2O、N2的过程,这不仅造成了生物氮素循环中氮的损失,而且其产物为大气污染的重要物质,其研究也倍受瞩目[2]。

土壤碳是陆地碳库的重要组成部分,在全球碳收支中占重要地位。

土壤碳库动态平衡也是土壤肥力保持和提高的重要内容,它与作物营养、土壤管理关系密切,直接影响作物产量和土壤肥力的高低[3]。

土壤呼吸是指土壤释放CO
2的过程,是陆地生态系统土壤碳循环的一个重要组成部分,也是土壤与大气之间碳交换的主要输出途径。

据估计,全球土壤每年排放碳量高达68PgC・a-1[4],土壤有机质分解产生的CO2在全球CO2年释放量中占有相当比重,因而,研究土壤呼吸对于土壤碳循环研究、探讨全球变化及其影响,具有十分重要的意义[5]。

现仅就旱地土壤硝化一反硝化作用及呼吸作用的研究方法作一概述。

土壤中的氮素不仅与生物体的发育和生长息息
①收稿日期:2006-12-23
作者简介:卜东升(1980-),男,在读硕士,研究方向为植物营养与土壤养分。

　3为通讯作者 E-mail:zdm_552@s
塔　里　木　大　学　学　报第19卷
相关,而且与整个生物圈的发展和演替有着千丝万
缕的联系。

氮循环这个概念最早由Lohnis(1913)提
出,他指出氮有以下几种存在形式:蛋白质、氨基酸、
NH3,NO2和NO3。

简单的氮循环模式是由以下几
个部分组成的:氮的固定(N
2→NH
4
+)、硝化(NH
4
→
NO2→NO3-)和反硝化(NO3→N2)。

1　氨化作用
氨化作用是指将有机氮化合物转化为氨态氮的过程,也称为矿化作用。

因为氮矿化速率决定了土壤中用于植物生长的氮量,所以目前对有机氮矿化速率的生态模型定量研究较为盛行,且均以Stand2 ford等(1972)提出的土壤氮素矿化速率公式为基础。

其计算公式为:d N/dt=f(N,E,t)。

式中d N/dt为氮素矿化速率,N为土壤有机氮含量;E为环境因素的函数(如湿度、水分、pH、C/N比等);t为时间。

土壤矿化函数显示多种因素对氮素矿化有着决定性的影响作用。

影响因素主要包括土壤的温度、水分、pH、质地、有机质、植物种类、土壤微生物等川。

土壤温度、
境因子,对矿化速率有强烈的控制作用。

Nadelbof-fer等(1991)通过室内培养发现:氮矿化率对3～9℃内的温度敏感,在9～15℃间则受多个因子的影响。

I nes on等(1998)模拟全球气候变暖对土壤氮动态的影响,结论是升温不仅增加了氮矿化,并且增加了矿质氮的植物吸收;Powers(1990)对比不同海拔间的变化来研究温度的影响,结论是在有氧环境中发现氮矿化率在中海拔最高,随海拔升高、温度降低而降低,随海拔降低土壤变干而降低。

Stanf ord等(1974)在研究氮矿化与水分的关系时,发现当水分在-1.5～-0.03Mpa之间变化时,氮矿化率会随其增加而升高,一旦超过这个值,氮矿化率会迅速下降。

植物种类通过不同的凋落物质量和养分利用效率对氮素矿化造成影响,而木质素与氮素的比率能很好的预测氮素矿化作用[6～7]。

据Fyles等(1990)对不同有机质类型土壤的氮矿化研究表明:当木质素与氮素比率高时,氮矿化将受限在较低的水平,只有木质素与氮素比率降低至一个较低值时,氮矿化才会迅速增加。

微生物对氮素矿化的贡献是各种影响因素中研究最为全面的,从微生物的种类、结构、功能到生物量通量都与氮的矿化密切相关,且关系复杂。

因此上述的分析决定了要定量研究氮素的矿化不仅要考虑生物与非生物等多种复杂的影响因素,同时不能忽略各因子的影响可能发生的交互作用,以及随不同条件的变化各因子的影响强度的差异,这都需要做进一步系统性的研究工作。

土壤氨化作用测定常采用土壤培养法,用半微量开氏定氮蒸馏法测定NH
4
+—N的含量。

2　硝化作用的研究方法
2.1　埋袋原位培养技术
Eno在1960年提出了埋袋原位培养技术,Mat2 s on和V it ousek在1981年对这种方法也有过较详细的描述。

这种方法主要是把原状土芯用聚乙烯袋装上后埋藏于原来的位置一个月左右,然后取出分析每个袋中土壤样品的硝态氮和铵态氮含量的净变化。

它能够使土样的温度与环境基本保持一致,但在培养期内湿度保持着不变。

1994年Hart和Na2 s on等进一步研究发现,因微生物对产生的NO3-有固持作用,所以一个月的野外原位培养时间可能太
短,不能使NO
3
-的量有明显的增加。

他们观测到在埋藏三个月以后一个“没有”硝化作用的针叶林NO3-的含量也会有一个明显的增加。

2.2　加盖原位培养技术
每两个一组15c m长、4.3c m内径的P VC管插入土壤中,每组中的其中一个P VC管中的土样被立即取回测铵态氮和硝态氮含量,另一个被加上盖子埋藏于原处28天后取回,同样分析样品中的铵态氮和硝态氮含量,通过埋藏后与埋藏时的硝态氮含量的差值就可以得到土壤的净硝化速率。

P VC管的方法克服了埋袋技术中的样品的含水量不能随环境发生变化的缺点。

据Ada m s和Knoepp研究发现,即使使用无孔的P VC管,土样的含水量也会在埋藏期间与环境保持着一致。

2.3　平衡室技术
平衡室一般用制造船舶的胶合板(0.75inch [ca.1.90c m])制成,被锚定在河流中,由三个相等的室组成。

在每个室的两端钻0.75inch的孔并用铝格网封住以让水流通过。

取河底3到4inches (ca.7.62到10.16c m)的泥放入其中的两个室中以模仿河流的环境,另一个不放泥的室起到调控作用。

实验前让水流通过至少24小时,然后用橡皮塞封住
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小孔截留住河底水流。

实验时使系统平衡2小时,
取出水样作为初始样品,在第4小时和第6小时时
分别再取样测出铵态氮、硝态氮的含量得到净硝化
速率。

由于在流动的水域中很多的反应过程的底物
和产物的浓度在不断的发生着变化,因此平衡室技
术表现出了明显的优势[8]。

2.4　同位素稀释技术
同位素稀释技术能够测量原状土样的总硝化作
用[9]。

土壤从样地取出后被注入15N标记的NH
4
+
或NO
3
-再放回原处,野外培养至少24小时后总的
硝化速率由在土样中硝态氮库额外N的原子百分
比(A t om percentage of15N excesses,APE)的变化决
定。

具体可以由Kirkha m和Barthol o me w(1954)或
N ishi o等(1985)在研究中所提出的方程计算得到。

利用同位素稀释技术Stark和Hart(1997)发现净硝
化明显低估了森林土壤中氮的转化速率。

2.5　BaPS技术
气压过程分离法(Bar ometric Pr ocess Separati on,
简称BaPS)适用于测定旱地土壤反硝化、总硝化和
呼吸速率,仪器由德国UMS GrnbH公司生产,Fraun2
hofer I nstitute f or A t m os pherically Envir on ment Re2
search研发。

已经成功的用于土壤总硝化速率、反
硝化速率的测定。

它是一种新型的研究旱地土壤碳
氮转化规律的仪器,BaPS技术理论建立在一个等温
的密闭的土壤系统中,通气良好的土壤中的CO
2、O
2
和总的气体平衡、土壤的呼吸系数为1的理论前提下。

在这样的一个系统中,假定只有以下几个过程跟压力相关:硝化作用,净消耗O
2
的过程,使气压降
低;反硝化作用,净CO
2和净的Nx Oy(NO、N
2
O、N2)
产生过程,使气压上升;土壤呼吸使气压不发生变化;CO
2
溶解于土壤水,使气压降低,根据气压的平衡反过来最终可以精确得到土壤样品的总硝化和反硝化速率。

该方法具有方便、快速的特点。

与前两种方法相比,采集的是田间原状土柱,对土壤原有结构破坏较小,不额外添加抑制剂或氮源,测定的土壤碳氮转化速率与实际情况最为接近。

在不同条件下,I ng wersen等((1999)把BaPS方法与15N方法和乙炔抑制法的测定结果进行比较,发现BaPS方法与上述两种方法的结果有很好的一致性。

孙庚等(2005)利用BaPS方法研究不同管理措施对草地土壤碳氮转化规律的影响,发现BaPS测定的总硝化速率是净硝化速率的2093倍,认为净硝化速率不能反映高海拔地区土壤硝化的准确状况,而总硝化速率是深入揭示土壤N素转化规律的主要指标。

BaPS方法研究的是土壤总硝化速率和反硝化速率,能够准确地反映土壤中N素转化的这两个关键过程,同时也避免了使用繁琐且昂贵的15N加同位素技术及避免了由同位素示踪法带来的土壤污染和由乙炔抑制法等带来的土壤原有气体组成改变等问题的出现,操作简便,且在通气良好的土壤中准确性和同位素示踪法相当[10～12]。

3　反硝化作用的研究方法
3.1　15N平衡差值法
将施入土壤的标记15N肥料的总量减去植物吸收的15N量、土壤残留的15N量和氨挥发的15N量之差,作为硝化—反硝化损失量,也称为表现硝化—反硝化损失量,已被广泛采用[13～14]。

其优点是15N丰度和氨挥发可准确测定,在不存在淋洗和径流损失时结果可靠。

缺点是施入的15N肥料与原有的氮素之间的生物交换作用,使测得的总损失量偏低。

3.2　乙炔抑制技术
利用乙炔抑制N
2
O还原为N2,通过测定N2O 的释放量来计算反硝化损失而建立的方法。

该法简单、直接、检测灵敏度高,可用于土壤氮等非标记的反硝化损失量的测定,尤其适宜于旱地土壤。

其不
足之处是乙炔又能抑制NH
4
+的硝化作用[15],当NO3-—N是反硝化速率的限制因子时将低估其损失量。

另外由于乙炔难以扩散到稻田的全土体中,抑制效果欠佳,加之微生物可利用乙炔作为碳源,而
且反硝化作用所形成的N
2
O易溶于水,因此不适用于稻田中化肥的硝化—反硝化损失的研究。

3.3　15N示踪—气体直接法
该法是施用高丰度15N标记的肥料,定时采集
土壤释放出的含有(N
2
O+15N)-15N气体样品,经前处理以后直接在高精度的质谱仪上测定。

该方法在50年代末开始建立,80年代广泛应用于旱地。

该方法灵敏度高,采气样时不破坏土壤与植物。

李新慧等建立了进样系统,采用减压采气技术有效促进反硝化气体的逸出[16]。

这是国内目前较为理想的方法,但所得的硝化—反硝化气体—15N量仍低于表现硝化—反硝化损失量。

这有两种可能:一是由于土壤反硝化作用产生的气体绝大部分滞留在土
壤空隙和土壤溶液(N
2
O在水中的溶解度较大)中,
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塔　里　木　大　学　学　报第19卷
只有少量气体进入大气,尤其是在稻田生态系统中所采集的气样无法代表土壤的整个反硝化作用,但具有实际意义;二是平衡帐差减法包括了几个部分的测定结果,即使各部分是精确测定得到,但计算结果包含了多次误差,而土壤和植株的采样过程是造成误差的主要因素。

近年来国内外众多学者正在探讨和研究造成这两种方法差异的原因。

3.4　BaPS技术
BaPS技术是一种崭新的研究旱地土壤硝化—反硝化作用和呼吸作用的方法,目前应用还很不广泛,其巨大的潜力还远远没有发挥出来。

应用BaPS 方法研究文献主要有7篇。

其中有两篇是介绍基本原理(I ng wersen,et al.,1999)和参数设定(Muller,er al.,2004);有四篇主要是用于对土壤总硝化速率的监测,且集中在森林(Kiese,etal,.2002;B reuer, etal.,2002;刘义,等.2006)和草地(孙庚,等. 2005);一篇是对旱地土壤硝化、反硝化和呼吸作用的研究(刘巧辉,2005)。

根据气压的变化,利用BaPS技术也可以对土壤的反硝化速率进行测定,原理与测定硝化速率的相似。

由于对硝化作用的研究还大多停留在净硝化作用的基础上,对总硝化作用的研究较少。

使用BaPS技术可以对土壤的总硝化和反硝化作用进行测定。

4　土壤呼吸作用研究方法
土壤呼吸各分量的定量研究己经成为陆地生态系统乃至全球碳循环研究的热点和难点之一(Chap2 in and Ruess.2001),国际上许多学者正致力于尝试采用新的技术、工具和测定手段来加强对土壤呼吸的研究,原位的区分方法是研究的重点。

目前确定根系呼吸速率的方法有组分法、根去除法、根生物量外推法、同位素法(Hans on,et al.,2000)。

前三种方法由于对土壤表层或根系结构的破坏,所得到的结果带有很大的误差。

目前应用最为广泛的同位素方法虽然可以原位测定,但也存在着健康和安全方面的局限性。

虽然BaPS系统目前主要应用于土壤N周转的研究(I ng wersen,et al.,1999;B reuer,et al.,2002),但是对土壤有机质呼吸的确定是BaPS 系统的基础和核心技术,是土壤总硝化和反硝化速率区分研究的前提和基础。

因此,BaPS系统在土壤呼吸研究中有很好的应用前景。

4.1　组分法
组分法就是将土壤呼吸的不同组成成分分开来测定呼吸速率,如根系、无根土壤以及凋落物各部分释放的CO
2
量,各成分之和就是土壤呼吸所释放的CO2总量。

一般需要就地测定不同组分的释放量,
以便于比较。

如果各个成分的释放量之和接近于就地测定的土壤总释放量,说明实验的准确率很高。

Nakatsubo等(1998)研究用组分法研究土壤呼吸,认为根系呼吸对土壤呼吸的贡献率在植株生物量较低时占10%,在植株生物量较高时可以达到50%。

组分法最开始应用于20世纪70年代,其缺点在于对土壤各个部分的分别测定破坏了土壤的原有结构,改变了土壤土、水、气相,各个部分的测定值不一定就是原位测定中各部分的呼吸速率。

4.2　根去除法
根去除法是一种间接测定根系呼吸速率的方法,通过测定有根和无根情况下的土壤呼吸速率得到根系呼吸。

按照排除根系的方法又可以具体细分为很多种,例如根移除法(r oot re moval)是将根移走再把土壤返回原处作为无根土壤;壕沟法(trenching )是挖沟隔离旧根并防止新根渗入,等根系分解完全之后的呼吸速率作为土壤异养呼吸速率;林隙法(gap f or mati on)是选择一定区域砍掉地上部分,过
一段时间之后测定土壤CO
2
排放通量作为裸土呼吸速率。

壕沟法和林隙法由于需要较长的时间等待切除的死根系慢慢分解完全,以取得土壤异养呼吸速率的数值,所以一般多用于森林生态系统,未见应用于农田生态系统的报道。

根移除法没有上述缺陷,同时还可以得到根系生物量的数据,这是研究根系呼吸速率的重要参数。

根去除法与组分法一样,
破坏了土壤结构,有可能导致土壤CO
2
排放的增加。

有研究者(Edwards,1991)指出,应用根去除法必须等待一段时间直到土壤重新恢复平衡之后再测定呼吸速率。

4.3　同位素标记法
同位素标记法是利用C的同位素在植物体内和土壤有机物中的差别,对根系呼吸和土壤有机物分解进行区分的方法。

根据同位素的标记时间,同位素法大致可以分为脉冲标记法和连续标记法。

脉冲标记法是一次性加入示踪物(通常为14C或13C标
一记的CO
2
),一定时间内测定示踪物的分布,以及
呼吸产生的CO
2
中示踪物的量,根据CO
2
的产生量
47
第3期卜东升等:旱地土壤硝化-反硝化过程和呼吸作用测定方法研究进展
以及其中标记C的分布比例计算十壤呼吸速率和
根系呼吸速率。

该方法适合于实验室个体较小植物
的操作,野外测定还有一定的难度。

在脉冲标记法
的基础上经过改进,可得到另外一种方法—重复脉
冲标记法,即在植物不同的生长季节加入同位素标
记的CO
2
,该方法己经成功地用于估算C的积累量。

连续标记法是指在植物生长期限的某阶段内,在实
验室(密封室)或野外条件下,对植物进行不间断标
记的一种方法。

实验室可进行个体较小植物14C的
连续示踪标记,但不适于较大的木本植物。

脉动标
记法与连续标记法相比更容易操作,能够提供更多
特定生育阶段光合产物的分配情况,还能区分不同
阶段的根际呼吸。

同位素标记法的优点在于可以原
位测定,避免了对土壤和根系的干扰以及土壤C库
的重新平衡。

14C具有放射性,对人体健康和安全不
利,13C较稳定,从安全方面考虑13C比14C好。

不管
是13C还是14C,缺点都在于实验设备复杂,操作困
难,同位素分析测定的费用昂贵。

4.4　气压过程分离—BaPS方法
BaPS方法是一种基于气压过程分离的研究旱
,自从1999年原理发表以
后,此方法主要在研究土壤硝化一反硝化速率方面
得到了应用。

由原理可知,对于土壤排放CO
2
的定
量观测是本方法的基础和核心部分,土壤呼吸速率
是BaPS同步观测的二个速率之一。

因此将BaPS
方法用于研究旱地土壤呼吸作用,并在未来的研究
中与静态暗箱一气相色谱法相结合,对于土壤呼吸
及其分量的确定有着积极的意义。

5　土壤硝化-反硝化过程和呼吸作
用研究的建议与展望
5.1　制约土壤呼吸速率和根系呼吸速率研究的一
个重要方面就是缺乏有效的研究方法,而正是由于
不同研究者方法的不同导致研究结果之间无法进行
比较。

BaPS方法在土壤呼吸的研究方面做出了有
益的探索。

5.2　由于对地下碳循环过程还不很清楚,对土壤呼
吸各部分贡献的估计还存在很大的不确定性,对土
壤CO
2
的产生和排放机理的探索将是今后的研究
方向。

如何确定土壤总呼吸中土壤异养呼吸,或者
说将土壤总呼吸中根自养呼吸分离出来(邹建文
等.2004),这是陆地生态系统一大气CO
2净交换测
定研究中的主要难题。

虽然BaPS系统不能直接测
定根的自养呼吸,但是利用BaPS系统可以准确确
定根起源呼吸,这样就减少了根系自养呼吸估计的
不确定性。

同时利用该系统测定土壤呼吸快速方便
的优点,我们可以增加测定频度,在根系生物量和根
系活力变化较小的时间间隔内,那么根起源呼吸的
变化量就可以看作根系分泌物异养呼吸所引起,从
而间接确定根自养呼吸。

5.3　国内外研究者对影响农田温室气体N2O排放
的气候因素、土壤质地、理化性质等等己经进行了大
量的探索,但是由于对这些影响因子的考察不能与
土壤中同步进行的微生物活动一起研究,致使不同
研究者得出的结论差异很大却没有得到合理的解
释。

未来应进一步加强对土壤N
2
O产生机理的研
究,明确不同土壤中硝化、反硝化微生物活性与N
2
O 产生与排放的相关关系。

5.4　已经有很多研究证明土壤N2O,CO2排放通
量具有正相关的关系,土壤中微生物对碳氮元素的
转化是一个互相关联的整体,将土壤中硝化、反硝化
作用与呼吸作用一起研究,不仅有利于揭示土壤
N2O的产生机理,也会促进我们对土壤呼吸的理解。

参考文献
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(下转第84页)
57
塔　里　木　大　学　学　报第19卷
3.2　原因分析
水灰比大于或等于0.7、坍落度大于7c m时,混凝土在浇筑振捣和初凝过程中,拌和物中的骨料和水泥浆以不同的振动加速度下沉,较重的碎石迅速下沉,多余水分上升,表面析出水分,一些上升的水还会积聚在粗骨料下面和钢筋周围,拌和物硬化后成为空隙。

这类现象与水灰比、坍落度值成正比。

3.3　防治措施
3.3.1　加强混凝土的试配工作,严格按配合比搅拌。

混凝土的搅拌时间应该控制在3分钟左右,以减少混凝土离析现象。

3.3.2　水灰比在0.5以内,并掺加水泥用量0.5%的MF减水剂,使拌和物的坍落度调整为6～7c m,并采用坍落度筒严格监控。

3.3.3　混凝土每点振捣时间为15秒,最大限度地降低骨料下沉速度,克服泌水现象,提高混凝土强度和与钢筋的握裹强度及各混凝土浇筑层的抗剪强度。

3.3.4　混凝土不得用吊斗集中下料,每层下料厚度应控制在规范规定范围内,加强振捣,保证混凝土密实。

4　结束语
通过分析混凝土构造柱断面尺寸不足和轴线位移超差,混凝土构造柱产生蜂窝、孔洞和露筋,混凝土泌水、强度偏低及断条,施工不符合规范等质量通病产生的原因,在施工中采取相应的措施进行防治,以此提高构造柱的施工质量,增强结构的抗震能力。

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