摘 要

反硝化作用是有机氮以氮气形式返回到大气中的主要生物过程。反硝化作用会产生大量氧化亚氮，一氧化氮和二氧化碳，对生态系统氮循环和生态环境产生重要影响。本研究采用厌氧培养试验方法，对小兴安岭不同林型土壤的反硝化速率和产物比例进行了研究，研究了产物中氧化亚氮、一氧化氮的比例，反硝化酶的活性，NH₄ -N增量，CO₂累积排放量以及土壤反硝化速率。结果发现：在兴安落叶松、白桦林、阔叶红松、云冷杉和人工红松这五种林型土壤中，云冷杉土壤的反硝化速率最高，人工红松土壤反硝化速率最低。兴安落叶松土壤反硝化产物氧化亚氮比例和NH₄ -N增量最低，白桦林土壤反硝化酶活性最低，NH₄ -N增量和CO₂累积排放量最高，云冷杉土壤的反硝化酶活性最高，人工红松土壤CO₂累积排放量最低，反硝化产物的一氧化氮比例最高。通过探究小兴安岭不同林型土壤反硝化的过程，得知其主要影响因素为反硝化酶活性，从而进行有效的生物脱氮，减少氮沉降量剧增引发的温室效应，水体酸化等各种环境问题。

关键字：小兴安岭；反硝化作用；厌氧培养；森林土壤；生物脱氮

Denitrification Rate and Product Proportion of Different Forest Types in Xiaoxing'an Mountains

Abstract

Denitrification is the main biological process in which organic nitrogen returns to the atmosphere in the form of nitrogen. Denitrification produces a large amount of nitrous oxide, nitric oxide and carbon dioxide, which have an important impact on the nitrogen cycle of ecosystem and ecological environment. In this study, the denitrification rate and product ratio of different forest types in Xiaoxing'an Mountains were studied by anaerobic incubation method. The proportion of nitrous oxide and nitric oxide in the product, the activity of denitrification enzymes, the increment of NH₄ -N, the cumulative emission of CO₂ and the rate of soil denitrification were studied. The results showed that among the five forest soils of Larix gmelinii, Betula platyphylla, Korean pine, Spruce fir and Korean pine, the denitrification rate of spruce fir soil was the highest, and that of artificial Korean pine soil was the lowest. Nitrous oxide ratio and NH₄ -N increment of denitrification products were the lowest in Larix gmelinii soil, the lowest in Betula platyphylla forest soil, the highest in NH₄ -N increment and CO₂ cumulative emissions, the highest in Picea fir soil, the lowest in CO₂ cumulative emissions from artificial Korean pine soil, and the highest in NO content of denitrification products. By investigating the denitrification process of different forest types in Xiao Xing'an Mountains, we know that the main influencing factors are denitrification enzyme activity, so as to effectively biological denitrification, reduce greenhouse effect caused by the rapid increase of nitrogen deposition, water acidification and other environmental problems.

Key words: Xiaoxing'an Mountains; Denitrification; Anaerobic Culture; Forest Soil; Biological Denitrification

目录

绪论 1

1材料与方法 3

1.1土壤 3

1.1.1土壤样品的采集工具和方法 3

1.1.2采样地点及土壤样品采集 3

1.2 厌氧培养试验方法 3

1.3样品分析方法 5

1.4土壤累积碳排放量测定 5

1.5反硝化速率计算方法 5

1.6数据分析 5

2结果 5

2.1氧化亚氮比例 5

2.2一氧化氮比例 6

2.3反硝化酶活性 7

2.4NH₄ -N增量 8

2.5CO₂累积排放量 8

2.6土壤反硝化速率 9

3讨论 10

4结论 10

5致谢 11

6参考文献 12

绪论

在大多数温带森林生态系统中，限制森林生产力的主要因素是氮的有效性^[1-3]。然而，由于人类活动的增加，包括通过哈勃波什工艺生产化学氮肥和燃烧化石燃料^[4]，全世界的反应性氮含量迅速增加。全世界工业区的大气氮沉积量都在上升，在过去几十年中，许多发展中国家的大气氮沉积速度一直在加快^[5]。预计氨氮（NH_x）和活性氮氧化物（NO_x）的沉积量将进一步增加，这可能影响欧洲和北美温带和北部地区森林生态系统内的土壤氮循环和固存以及随后的生物量积累^[6，7]。例如，在温带山毛榉和云杉森林土壤经历了大量氮损失之后，高氮的输入降低了总氮矿化，但同时增加了总硝化速率^[8]。研究结果表明，当氮沉积水平超过约25kg/ha每年时，温带和北部森林中的NO₃^-浸出量增加^[9，10]，森林底部的C/N比约小于25。自20世纪80年代以来，中国许多城市的降水中NH₄ –N和NO₃^-–N浓度都有所上升^[11]。温带森林生态系统随着硝酸盐和氮氧化物排放量的增加，正在逐渐变得氮饱和，并且从封闭的氮循环系统转向开放的氮循环系统^[12]。因此，过量的天然气在当地、区域和全球各级累积，可能会导致负面的环境影响，如微粒物质导致的空气质量恶化，对流层臭氧增多，对健康造成不利影响^[13]，破坏了森林生态系统进程^[14]，以及湖泊和溪流的富营养化和酸化^[15]。大气活性氮排放的增加会使得氮沉降量增加，从而导致生态系统土壤富营养化，水体酸化以及生物多样性的降低等危害^[16]。

据报道，氮沉降升高会改变温室气体流量的大小甚至方向，最终影响全球变暖的可能性^[17]。到目前为止，已经报道了许多氮沉降生长季节的不同影响，增加N₂O流量^[18-20]，甚至减少了二氧化碳排放量^[21]，但没有显著影响^[22-24]。二氧化碳和N₂O交换对大气氮沉积的反应机制仍存在不确定性，这对构建温室气体区域预算模型至关重要。此外，与生长季节相比，由于恶劣天气下的物理测量困难，所以在非生长季节进行的测量较少。由于温带森林寒冷天气中微生物和酶的活性较低，温室气体在冬季的通量很弱，不易受氮富集的影响^[25，24]。而在春季冻融循环期间，当气象和土壤条件发生显著变化时，通量可能会非常高，波动剧烈^[26]。因此，在春季冻融循环期间和生长季节，在加氮条件下，有必要对二氧化碳和N₂O的通量进行更系统和更深入的测量，以提供详细可靠的信息^[25]。通常认为，硝化作用是好氧条件下N₂O的主要产生途径，而反硝化作用则是土壤水分条件接近饱和或厌氧条件下对N₂O排放做主要贡献^[27]。然而，有人发现在pH值小于3.45的土壤中，硝化作用会受到严重抑制^[28]，因此在酸性森林土壤中反硝化作用可能是产生N₂O的主要机制。但目前对酸性森林土壤上反硝化作用对N₂O排放的贡献的关注较少，因此研究酸性森林土壤的反硝化速率具有重要意义。