農(nóng)田土壤氧化亞氮產(chǎn)生機制及減排措施

農(nóng)田土壤氧化亞氮產(chǎn)生機制及減排措施

作為重要的溫室氣體，氧化亞硝酸（erno）不僅具有重要的溫室效應(yīng)，還影響到流域的臭氧層。因此，它的濃度變化及其對世界氣候變化的影響被認為是關(guān)注的。根據(jù)估計，世界上70%的氮o來自土壤，尤其是耕地，這是世界上氮排放的主要來源1中國是世界上氮有效最多的國家之一。2011年，氮用量達到2.38.107噸/2。增加化肥用量是增加耕地氮交換能力的重要原因3.5由于植物生長短而產(chǎn)量高，施肥和灌溉頻繁，因此耕地生態(tài)系統(tǒng)氮交換不容忽視。農(nóng)田土壤是大氣中N2O的最重要排放源,反硝化作用(denitrification)、硝化作用(nitrification)、硝化微生物的反硝化作用(nitrifierdenitrification)以及硝酸鹽異化還原成銨作用(dissimilatorynitratreductiontoammonium,DNRA)等微生物過程均能生成N2O,其中反硝化作用和硝化作用被認為是農(nóng)田土壤釋放N2O的最重要途徑［6，7］.但是,長期以來,對農(nóng)田土壤N2O排放的其他途徑的研究相對較少.本文綜述了目前已知的N2O產(chǎn)生的關(guān)鍵微生物過程及其機制,總結(jié)了土壤理化性質(zhì)和土壤生物對N2O排放的影響,在此基礎(chǔ)上提出了農(nóng)田土壤N2O的減排措施,并就今后農(nóng)田土壤N2O排放的研究重點和方向進行展望,旨在為調(diào)控農(nóng)田土壤溫室氣體排放、氮轉(zhuǎn)化過程和提高氮素利用效率提供科學依據(jù).1農(nóng)業(yè)土壤氮氮排放的微生物機制1.1促進農(nóng)田土壤no活性的主要微生物反硝化作用是指微生物將NO3－或NO2－還原成NO、N2O和N2的過程,通常普遍存在和發(fā)生于兼氣或低氧土壤系統(tǒng)中［8］.在多種微生物的參與下,硝酸鹽通過四步還原反應(yīng),在硝酸鹽還原酶(nitratereductase,Nar)、亞硝酸鹽還原酶(nitritereductase,Nir)、一氧化氮還原酶(nitricoxidereductase,Nor)和氧化亞氮還原酶(nitrousoxidereductase,Nos)作用下,最終被還原為N2,并在中間過程釋放強效應(yīng)的溫室氣體N2O［8］(圖1).通常認為反硝化只發(fā)生于嚴格厭氧的環(huán)境中,但現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)許多微生物具有周質(zhì)型硝酸鹽還原酶(Nap),Nap位于細胞周質(zhì)內(nèi),對氧分子不敏感,使得反硝化作用也能在好氧條件下發(fā)生［9］.因此,影響反硝化作用的主要因子不是氧,而是有機質(zhì)和硝酸鹽含量.通過為反硝化作用提供底物,硝化-反硝化作用通常耦合發(fā)生,二者作用構(gòu)成土壤N2O釋放的最主要途徑.同時,參與反硝化作用的微生物種類繁多,已發(fā)現(xiàn)有80多個屬的細菌和部分古菌、真菌和放線菌都可能參與反硝化作用［10～12］.但是,對于反硝化真菌和古菌的研究多限于純培養(yǎng)體系和森林等自然生態(tài)系統(tǒng),對農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)中真菌和古菌反硝化的研究相對較少［13］.因此,在未來的研究中需要對反硝化真菌和古菌的生態(tài)學特征及其反硝化對農(nóng)田土壤N2O排放的貢獻做更深入的研究.1.2生化活性化合物硝化作用是指微生物將氨(NH3)氧化成亞硝酸鹽(NO2－)或者硝酸鹽(NO3－)的過程.硝化過程分為兩個階段［14］:第一階段是氨氧化細菌(ammonia-oxidizingbacteria,AOB)或氨氧化古菌(ammonia-oxidizingarchaea,AOA)在氨單加氧酶(ammoniamonooxygenase,AMO)和羥胺氧化還原酶(hydroxylamineoxidoreductase,HAO)的催化下,將NH3氧化成NO2－,羥氨(NH2OH)是其中間產(chǎn)物;第二階段是亞硝酸鹽氧化菌(nitrite-oxidizingbacteria,NOB)在亞硝酸鹽氧化還原酶(nitriteoxidoreductase,NOR)催化下,將NO2－進一步氧化成NO3－(圖1).在氨氧化過程中,其中間產(chǎn)物會發(fā)生化學分解而釋放出N2O［15，16］.硝化作用包括自養(yǎng)硝化作用和異養(yǎng)硝化作用.自養(yǎng)硝化作用是指化能自養(yǎng)微生物利用CO2作為碳源,將NH3氧化成NO2－和NO3－的微生物過程;而異養(yǎng)硝化作用是指異養(yǎng)微生物以有機碳作為碳源和能源,將還原態(tài)氮(無機氮或有機氮)轉(zhuǎn)化為氧化態(tài)氮的微生物過程［17］.與自養(yǎng)硝化微生物不同的是,某些異養(yǎng)硝化微生物還可以提供NO3－進行好氧反硝化作用產(chǎn)生N2O［18，19］.在好氧環(huán)境中,單體異養(yǎng)硝化微生物產(chǎn)生N2O的能力遠高于自養(yǎng)硝化微生物.盡管在通常情況下,異養(yǎng)硝化過程產(chǎn)生的N2O僅占土壤N2O總排放量的很小部分,但是在特定的環(huán)境下(如低pH、高O2和較高含量有機碳等),異養(yǎng)硝化微生物卻可以產(chǎn)生大量的N2O［7，18］.Anderson等［18］的研究發(fā)現(xiàn),在氧分壓為2~4kPa的環(huán)境下,異養(yǎng)硝化微生物(Alcaligenesfaecalis)生成N2O的能力為自養(yǎng)硝化微生物(Nitrosomonaseuropaea)的10倍.Cai等［20］對長期施用氮肥的耕作黑土(其pH由7.22降至6.11,土壤有機碳含量為1.55%)中N2O排放的研究發(fā)現(xiàn),異養(yǎng)硝化作用對土壤N2O排放的貢獻量為自養(yǎng)硝化作用的2倍.然而,關(guān)于異養(yǎng)硝化作用耦合好氧反硝化作用的反應(yīng)機制及其在氮循環(huán)中的作用和生態(tài)位仍不甚明確.1.3硝化微生物的反硝化作用硝化微生物的反硝化作用是指僅在硝化微生物驅(qū)動下NO2－被還原為N2O或N2的過程,通常在低氧環(huán)境中發(fā)生.該過程分為兩個階段:第一階段是將NH3氧化成NO2－,第二階段是將NO2－還原成N2O或N2(圖1).硝化微生物的反硝化作用產(chǎn)生N2O可能是N2O產(chǎn)生的最主要機制之一,已在氨氧化細菌中得到證實［21］.Santoro等［22］利用18O-15N同位素雙標記技術(shù)解析15N異構(gòu)體在N2O分子內(nèi)的分配情況,發(fā)現(xiàn)AOA是海洋環(huán)境N2O排放的主要貢獻者,但對于農(nóng)田土壤中硝化微生物的反硝化作用對N2O排放的貢獻以及特征如何還不清楚.此前研究多把硝化微生物的反硝化作用對N2O排放的貢獻看作是硝化作用或反硝化作用,使得硝化作用或反硝化作用對N2O排放的貢獻被高估或低估,也使得人們對農(nóng)田土壤N2O排放機制的理解不夠全面.迄今為止關(guān)于陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤硝化微生物的反硝化作用的研究還相對較少,因而在未來的研究中需要對硝化微生物的反硝化作用加以重視,深入研究其發(fā)生機制及其對農(nóng)田土壤N2O排放的貢獻.1.4dnra在氮循環(huán)中的作用硝酸鹽異化還原成銨作用是指NO3－在厭氧條件下被微生物異化還原成NH4+的過程［6，23］.DNRA過程主要分為兩個階段:第一階段在硝酸鹽還原酶(Nar)的催化下,將NO3－還原成NO2－;第二階段在亞硝酸還原酶(Nir)的作用下將NO2－轉(zhuǎn)化為NH4+(圖1).參與DNRA過程的Nir可以進行6e－1傳遞作用,這與反硝化過程的Nir不同.DNRA過程除生成NH4+外,還常伴有NO2－的短暫積累和N2O的排放.許多微生物包括專性厭氧細菌、兼性厭氧細菌、好氧細菌和真菌等都能進行DNRA［24］.通常情況下,反硝化作用是土壤中NO3－異化還原的主要過程.然而在特定環(huán)境(高C/NO3－比)中,DNRA也可能在土壤氮素轉(zhuǎn)化過程中起著重要的作用［25，26］DNRA多在有機碳含量豐富的草地、森林等自然土壤中發(fā)現(xiàn)［25～27］,而其在農(nóng)田土壤中的研究比較少［25］.與硝化作用和反硝化作用導致土壤氮損失不同,DNRA將土壤中的NO3－還原為可供植物利用的NH4+,有利于土壤中氮元素的蓄持.由于DNRA和反硝化作用對底物NO3－的利用存在著競爭,因而DNRA作用增強,不僅有利于降低土壤氮素損失,還可以減少土壤反硝化過程產(chǎn)生的N2O.因此,DNRA在氮循環(huán)中的作用不可忽視.2影響2012年通信化排放的主要因素2.1化學化肥不同施用量對農(nóng)田土壤no排放的影響氮肥有效性是影響農(nóng)田土壤N2O排放的最重要因素之一.施用化學氮肥能夠顯著增加土壤中NH4+-N與NO3－-N的含量,繼而增強硝化作用和反硝化作用的強度,從而促進土壤N2O的產(chǎn)生與排放［28～31］.He等［29］的研究證明施用氮肥顯著提高了設(shè)施栽培土壤N2O的排放通量和排放總量.賈俊香等［32］通過集約化大棚蔬菜地N2O排放的研究也表明氮肥的大量施用顯著促進了蔬菜地N2O的排放.Gregorich等［31］在總結(jié)同行研究的基礎(chǔ)上,指出農(nóng)田土壤N2O的排放通量隨著化學氮肥施用量的增加呈線性增加.此外,土壤NO3－-N含量過高會抑制Nos酶的還原活性,改變反硝化過程氣體產(chǎn)物的組成,提高N2O/N2,尤其是在較高pH的土壤環(huán)境中.但也有研究［33］表明,土壤NO3－-N含量只影響反硝化作用強度,并不改變反硝化過程氣體產(chǎn)物的N2O/N2.氮肥類型也會影響農(nóng)田土壤N2O的排放速率［34］.銨態(tài)氮肥或者尿素通過水解可以為微生物硝化過程提供底物NH4+,而硝化作用的產(chǎn)物NO3－反過來又可以直接參與反硝化過程,硝化反硝化作用相互促進,增加土壤N2O的排放［35］.有機肥除了提供礦質(zhì)氮外,還提供有機碳.有機碳的大量攝入增強土壤異養(yǎng)微生物的呼吸作用和活性,加快了土壤中O2的消耗,加速土壤厭氧環(huán)境的形成,間接增強了土壤微生物的反硝化作用活性［36］.有研究表明與施用無機氮肥的草原土壤相比,施用有機肥能夠增加N2O的排放［37］.然而,也有研究揭示在暴雨之后,撒施有機肥卻可以降低土壤N2O的排放.主要原因是有機質(zhì)的礦化消耗了土壤中的O2,進而抑制了土壤微生物的硝化作用,同時土壤反硝化過程進行完全,將N2O還原成為N2,從而減少土壤N2O的排放［38］.因此,需要探索合適的氮肥使用途徑來降低農(nóng)田土壤N2O的排放.2.2生物因素影響農(nóng)田土壤N2O排放的生物因素主要為土壤微生物、土壤動物和作物.2.2.1化學化肥nh3-硫銨nh4-硫銨nh4農(nóng)田土壤中N2O的產(chǎn)生主要是在微生物驅(qū)動下通過硝化和反硝化作用來完成的.因此,土壤中相關(guān)微生物的種群豐度、結(jié)構(gòu)與活性對N2O的排放具有重要影響.氮肥和土壤理化性質(zhì)通過改變硝化微生物和反硝化微生物的菌群豐度和結(jié)構(gòu)來影響土壤硝化作用和反硝化作用的活性［39，40］,從而影響土壤N2O的產(chǎn)生與排放.比如在高氮投入的中性和堿性土壤中,AOB是硝化過程N2O產(chǎn)生的主要驅(qū)動者［41］,而在低氮投入的酸性土壤中,AOA是硝化過程N2O產(chǎn)生的主要驅(qū)動者［42］.Nishio等［43］的研究表明在一定范圍內(nèi)硝化作用強度隨硫銨使用量增加而增高,但施肥過量反而使硝化速率迅速降低,這是由于高濃度的氨所產(chǎn)生的毒害作用以及過量的硫銨使土壤pH值下降所致.土壤中的NO3－-N和NH4+-N是反硝化微生物進行硝酸鹽呼吸的電子受體和產(chǎn)物,可直接影響土壤的反硝化作用.施用化學氮肥能夠顯著增加土壤中NH4+-N與NO3－-N的含量,繼而增強反硝化作用強度,從而促進土壤N2O的產(chǎn)生與排放［29，30］.另外,土壤NO3－-N含量過高也會抑制Nos酶的還原活性,改變反硝化過程氣體產(chǎn)物的組成,提高N2O/N2.2.2.2微生物及其產(chǎn)物對二氧化碳排放的影響土壤動物也會對N2O的排放產(chǎn)生重要影響.Borken等［44］在酸性森林土壤中發(fā)現(xiàn)蚯蚓能夠顯著促進反硝化微生物的活性,從而增加土壤N2O的排放總量.Giannopoulos等［45］的研究也發(fā)現(xiàn)蚯蚓的活動可以顯著增強土壤微生物的硝化和反硝化作用,繼而促進土壤N2O的排放.但是,也有研究發(fā)現(xiàn)蚯蚓的活動會降低土壤中反硝化細菌的數(shù)量和改變其種群結(jié)構(gòu),從而降低土壤N2O的排放［46］.Zhang等［47］利用穩(wěn)定同位素和微生物磷脂脂肪酸技術(shù)研究蚯蚓入侵機制,進一步發(fā)現(xiàn)蚯蚓通過取食土壤微生物來降低土壤硝化和反硝化微生物的數(shù)量,從而降低土壤N2O的產(chǎn)生與排放.因此,需要深入研究土壤動物對N2O排放的影響作用.2.2.3措施二:五物三帶可以增加土壤no的排放作物主要是通過影響土壤無機氮源、有機質(zhì)和O2的含量與分布來影響土壤氮相關(guān)功能微生物的反應(yīng)過程與活性［48］,從而影響土壤N2O的產(chǎn)生和排放.此外,作物種類也會影響土壤微生物硝化與反硝化過程與活性,繼而影響土壤N2O的產(chǎn)生和排放［48～50］.某些作物(如豆科作物)生長可以增加土壤N2O的排放［48］,其途徑有多種:作物吸收溶解在土壤水中的N2O,通過濃度差可將N2O排放到體外;作物根系的呼吸作用和根系分泌的可利用有機質(zhì)分解造成根區(qū)厭氧環(huán)境,同時其凋落物礦化能夠提供無機氮源,增強土壤反硝化微生物活性［49，50］;根際泌氧促進硝化微生物的活性而增加土壤NO3－-N［51］,從而增加N2O的產(chǎn)生和排放.然而,研究發(fā)現(xiàn)一些植物(如糖蜜草)對N2O排放有抑制作用,這些作物植株通過吸收土壤中的NH4+-N和根系分泌硝化抑制物質(zhì),降低土壤硝化微生物菌群活動所需的底物和活性［49］,從而降低土壤N2O的排放.此外,Subbarao等［52］的研究也發(fā)現(xiàn)濕生臂形草(Brachiariahumidicola)可以通過根系分泌生物硝化抑制物質(zhì)———亞油酸和亞麻酸來抑制土壤硝化微生物的活性,從而降低土壤N2O的排放.2.3土壤類型2.3.1土壤ph對no活性的影響土壤pH值可通過影響氮相關(guān)功能微生物的活性及改變相應(yīng)的氮素轉(zhuǎn)化過程而影響N2O的排放.首先,氮相關(guān)功能微生物比較適宜生存在中性或弱堿性環(huán)境中,但異養(yǎng)微生物可在較大pH范圍內(nèi)活動［53］;其次,強酸性土壤可以直接抑制硝化和反硝化微生物的代謝過程與活性［39，40，54，55］,從而降低土壤N2O的排放;第三,土壤pH影響反硝化酶Nos的活性:當pH>7時其活性增強,然而當pH<7時其活性逐漸減小,而其他反硝化酶的活性增強,從而導致反硝化過程產(chǎn)生更多的N2O［56］;第四,土壤有機質(zhì)的降解速率隨著pH的降低而降低［57］,減少了N2O生成所需的無機氮源,從而降低土壤N2O的生成與排放;第五,鐵氨氧化作用(feammox)的速率隨著土壤pH的升高而增強［58］,減少了N2O產(chǎn)生的無機氮源(NH4+),從而降低土壤N2O的生成與排放;最后,pH是調(diào)控土壤化學反硝化過程的一個重要因素.NO2－可以在堿性土壤中進行短暫積累,而NO2－在嚴重酸化土壤中可以直接通過化學反硝化作用生成N2O［59］,可見反硝化過程也是酸性土壤氮損失的重要途徑.2.3.2長期施肥對土壤有機質(zhì)的影響絕大多數(shù)異養(yǎng)微生物以土壤有機質(zhì)作為碳源和電子供體,因此土壤有機質(zhì)是調(diào)控N2O排放的重要因子［25］.土壤碳源對微生物活性具有重要的影響,硝化或反硝化微生物在同化NH3或NO3－的過程中需要有機質(zhì)提供碳源.土壤中高含量的有機質(zhì)能夠促進微生物的異養(yǎng)硝化和反硝化過程,產(chǎn)生大量的N2O［7］.Enwall等［60］通過長期施肥對土壤反硝化微生物作用強度及群落結(jié)構(gòu)(narG、nosZ)影響的研究,發(fā)現(xiàn)長期施用有機肥的土壤,其有機質(zhì)含量明顯增加,隨之反硝化活性顯著增強.同時,施用酸性肥料(NH4)2SO4后,顯著改變土壤中narG和nosZ基因型反硝化微生物的群落結(jié)構(gòu),從而促進土壤N2O的排放.另外,土壤有機質(zhì)C/N比也會影響氮素的轉(zhuǎn)化過程,從而影響N2O的排放.一般土壤微生物適宜的C/N為25~30,當C/N>30時有機質(zhì)分解慢,微生物活性弱,抑制土壤N2O的排放;當C/N<25時有機質(zhì)分解迅速,微生物活性強,促進土壤N2O的排放［51］.2.3.3土壤no排放的影響因素影響N2O釋放的物理因素主要包括土壤水分狀況和溫度等,并且這些因素之間相互關(guān)聯(lián).土壤水分狀況主要通過影響土壤通氣狀況、土壤的氧化還原狀況以及土壤中微生物的活性來影響土壤N2O的排放.已有研究表明［61］,在35%~60%孔隙含水率(waterfilledporespace,WFPS)時硝化作用是土壤N2O排放的主要來源,而在土壤WFPS為70%時所有的N2O排放量均來自于反硝化作用,但是當土壤完全淹水時,由于反硝化作用進行完全降低了土壤N2O的排放量.此外,干濕交替過程可引起土壤硝化作用和反硝化作用交替產(chǎn)生N2O,并且抑制N2O繼續(xù)還原為N2,從而促進N2O的產(chǎn)生與排放.土壤溫度也是影響N2O釋放的重要因素,主要通過控制土壤有機質(zhì)的分解和微生物代謝過程中相關(guān)酶的活性來調(diào)節(jié)土壤N2O的釋放.研究表明［62］N2O的排放通量與溫度呈正相關(guān)性,通常高于5℃時就適于硝化和反硝化微生物發(fā)揮生物活性而開始產(chǎn)生N2O,且在25~35℃范圍內(nèi)達到N2O的最大排放通量.3no減排措施農(nóng)田土壤是N2O的重要排放源,因此,深入研究農(nóng)田土壤N2O的排放機制及影響因素并提出切實可行的減排措施,對控制全球氣候變暖具有重要意義.目前,采用的減排措施主要包括改善施肥措施、施用生物抑制劑以及施用生物炭等.3.1施肥量的施肥我國是世界上氮肥施用量最多的國家,2011年已達到2.38×107t［2］.要削減土壤N2O的排放,首先要提高氮肥利用率,減少氮肥的施用量［63］.依據(jù)作物不同生長階段需肥特征,分次撒施,提高作物吸收,減少氮素在土壤中的累積;其次,調(diào)整N、P、K的施肥比例,選用長效氮肥和緩釋化肥.研究表明,與碳酸氫銨相比,施用長效碳酸氫銨后土壤N2O的排放量降低了59.2%,而施用緩釋尿素可以減排73.3%的N2O［64］.最后,優(yōu)化施肥時間與方式［63］.采用混施、深施或葉面噴施,可以提高氮肥的利用率,減少N2O的排放［41］.3.2硝化抑制劑對農(nóng)田土壤no的影響硝化抑制劑又稱為氮肥增效劑,可以抑制土壤中NH4+-N向NO3－-N的轉(zhuǎn)化,從而抑制土壤微生物硝化和反硝化過程產(chǎn)生的N2O［65］.目前常用的硝化抑制劑包括雙氰銨(dicyandiamide,DCD)、3,4-二甲基吡唑(3,4-dimethylpyrazolphosphate,DMPP)和乙炔等.研究發(fā)現(xiàn)使用硝化抑制劑可以顯著降低農(nóng)田土壤N2O的產(chǎn)生和排放［66，67］.雖然硝化抑制劑對降低農(nóng)田土壤N2O的排放具有巨大的潛能,但是硝化抑制劑在特定田間條件下的作用效果及其有效量仍然缺乏足夠的認識,需要進一步深入研究.3.3生物炭對農(nóng)田土壤no的影響生物炭(Biochar)一般指生物質(zhì)(作物秸稈、枯枝落葉、養(yǎng)殖業(yè)廢棄物和污泥等)在缺氧和相對“較低”(<700℃)溫度條件下熱解而形成的固體產(chǎn)物［68］.生物炭一般顯堿性,具有高度羧酸酯化和芳香化結(jié)構(gòu),難降解,擁有較大的孔隙度和比表面積,這些基本性質(zhì)使其具有減緩土壤酸化、減少土壤中無機態(tài)氮的淋溶和抑制溫室氣體排放的潛能［69～71］.生物炭通過影響土壤pH、O2分壓和關(guān)鍵的電子受體(NO3－)及電子供體(NH4+,可溶有機物)的生物有效性和分布來影響土壤N2O的產(chǎn)生和還原［71］.生物炭中含有多種堿性灰分(比如CaCO3、KCl等),施用生物炭能顯著提高土壤pH［72，73］,繼而增強反硝化還原酶Nos的活性,促