论文部分内容阅读
采用密闭、淹水、充N2的严格厌氧培养试验方法研究了发育于不同成土母质和不同土地利用方式下的45个亚热带土壤样本的反硝化作用。试验围绕底物NO3-消减、产物N2O排放和还原,以及反硝化与亚铁、CH4排放的关系展开,探讨了亚热带土壤反硝化特性、影响因素和机理等。此外,本文还采用15N稳定性同位素示踪法对反硝化作用产物进行了初步研究。
研究结果表明,供试亚热带土壤表现出反硝化势普遍较弱但变异较大的特性,从几乎不发生反硝化到加入的NO3--N(200mg kg-1)在11d内被全部反硝化消耗完。土壤NO3--N含量随培养时间的推移而逐渐下降的趋势可用一级反应方程NO3-=In-NO3-×exp(-kt)和对数方程NO3-=a-bxln(t)拟合。参数k,b,v7(厌氧培养0~7d内平均NO3--N降低速率)作为反硝化势的表征指标,变化范围分别为0~0.271 day-1,0~62.3和0~28.5 mg kg-1 day-1。成土母质和利用方式对反硝化势有显著影响。除稻田外的其他4种利用方式均为花岗岩发育的土壤反硝化势显著高于另外两种成土母质。土壤有机碳和氮的有效性是决定三种母质间反硝化势差异的关键因素。种植水稻显著促进了土壤的反硝化势,并且掩盖了母质对反硝化作用的影响。造成稻田土壤反硝化势高的原因可能是:淹水促进了土壤有机碳和全氮的累积,进而促进了厌氧微生物的生长和活性。研究结果表明,土壤有机质矿化是反硝化的主要驱动因子。因此,有助于促进土壤有机碳氮积累以及厌氧微生物活性的土地利用方式和管理措施均能促进亚热带地区土壤反硝化势的提高。
新鲜土样和风干土样的对比培养试验结果表明,由于风干效应促进了有机质的矿化,进而促进了反硝化的进行,因此,利用风干土测定得到的土壤反硝化势可能过高估计田间原位的实际反硝化势。
试验表明厌氧培养中Fe2+有可能作为电子供体参与反硝化过程中NO3-的还原反应。在富含铁氧化物的亚热带土壤中这种现象可能普遍存在。
在28天的密闭厌氧培养过程中,培养瓶上部空间的N2O浓度(N)随培养时间,的变化可用方程N=A×(1= exp(-k1×t))-B×exp(k2×f)拟合。式中,A为N2O排放总量,B为常数,k1为N2O排放速率常数,k2为N2O被进一步还原的速率常数:45个土样拟合值和实测值的平均决定系数R2=0.84±0.11。土壤有机碳含量(SOC)和0-7d矿化量是影响k1,k2,Z和N2O排放率(A值与28d内被反硝化的NO3--N总量的百分比)的主要因素。7d内NO3--N反硝化量和N2O排放率可解释N2O总排放量变异的82.9%,而7d内NO3--N反硝化量主要受土壤有机碳、氮含量和矿化量的控制,N2O排放率与k2呈指数负相关(P<0.01)。本实验条件下测定得到的N2O还原速率常数k2可用于说明反硝化过程中N2O的还原强度和N2O排放率。但影响k2的主要因素还有待于进一步研究。
根据稳定性同位素15N示踪试验结果初步估计,厌氧培养7天内反硝化作用产生的气态产物中N2O占总气态氮损失的17.1%,N2占8.7%,未能测定的NO可能是主要的反硝化产物之一,约占总气态氮损失的67.5~78.6%,平均为74.1%。由此说明,亚热带土壤氮素反硝化的主要气态产物可能是NO和N2O,而非N2。
严格厌氧培养条件下,加入KNO3显著抑制CH4的产生和排放,NO3-对CH4产生的抑制效应可能较N2O对CH4产生的抑制效应更大。不加KNO3的对照土壤中,Fe2+的产生和CH4的排放之间呈指数关系增长。厌氧培养条件下无论加入KNO3与否,甲烷的产生和排放量取决于土壤有机碳总量水平及其有效性。花岗岩发育的土壤和稻田利用方式下的土壤CH4排放量最高。