反硝化作用

反硝化作用，是指在缺氧條件下，微生物將硝酸鹽及亞硝酸鹽還原為氣態氮化物和氮氣的過程。是活性氮以氮氣形式返回大氣的主要生物過程。反硝化作用不僅在土壤中進行，還可在江河湖泊和海洋中進行。發生反硝化作用的條件是：①反硝化微生物；②合適的電子供體，如有機碳化物、還原態硫化物；③厭氧條件；④氮的氧化物。土壤中已知能進行反硝化作用的微生物種類有24個屬性。絕大多數反硝化細菌是異養型細菌，亦有少數自養型細菌如反硝化硫桿菌。影響反硝化作用的因素包括：①氧的供應，當氧的供應受到限制時發生反硝化作用；②碳的供應，如土壤有機質、根分泌物等；③硝酸鹽的供應；④pH，在酸性土壤中，反硝化作用受到抑制。

基本介紹

• 中文名：反硝化作用
• 外文名：Denitrification
• 也稱：脫氮作用
• 作用原理：微生物和植物吸收利用硝酸鹽

原理

微生物和植物吸收利用硝酸鹽有兩種完全不同的用途，一是利用其中的氮作為氮源，稱為同化性硝酸還原作用：NO₃^-→NH₄⁺→有機態氮。許多細菌、放線菌和黴菌能利用硝酸鹽做為氮素營養。另一用途是利用NO₂^-和NO₃^-為呼吸作用的最終電子受體，把硝酸還原成氮（N₂），稱為反硝化作用或脫氮作用：NO₃^-→NO₂^-→N₂↑。一些化能自養型和化能異養型微生物可進行硝化作用，反硝化細菌在分類學上沒有專門的類群，有較強的生物多樣性N₂O。大部分反硝化細菌是異養菌，例如脫氮小球菌、反硝化假單胞菌等，它們以有機物為碳源和能源，進行無氧呼吸，其生化過程可用下式表示：

C₆H₁₂O₆+12NO₃^-→6H₂O+6CO₂+12NO₂^-+能量

5CH₃COOH+8NO₃^-→6H₂O+10CO₂+4N₂+8OH^-+能量

少數反硝化細菌為自養菌，如脫氮硫桿菌，它們氧化硫或氫獲得能量，同化二氧化碳，以硝酸鹽為呼吸作用的最終電子受體。可進行以下反應：

5S+6KNO₃+2H₂O→3N₂+K₂SO₄+4KHSO₄

反硝化作用使硝酸鹽還原成氮氣，從而降低了土壤中氮素營養的含量，對農業生產不利。農業上常進行中耕鬆土，以防止反硝化作用。反硝化作用是氮素循環中不可缺少的環節，可使土壤中因淋溶而流入河流、海洋中的NO₃^-減少，消除因硝酸積累對生物的毒害作用。

影響因素

1.通氣和水分狀況反硝化作用是在缺氧或厭氧的環境中進行的，因而受到土壤水分和通氣狀況的制約。在旱地土壤中存在的局部或暫時性的微域環境是引起反硝化作用的條件。施用有機肥增加好氧微生物的呼吸作用從而消耗了土壤中的氧，可造成土壤局部或暫時的缺氧環境最終可促進反硝化作用。此外，灌水、降雨及土壤本身的組成成分都會影響土壤的水分狀況和通氣狀況，從而影響反硝化作用。

2.溫度

反硝化作用可以在較寬的溫度範圍內進行。-4～65℃反硝化作用都可以進行，要發生明顯的反硝化作用溫度需在5℃以上，最佳溫度為30～60℃（Nommik 1956；and Malhi et al．）。作物生長期間溫度在10～30℃時，溫度對反硝化影響很小（Aulakh and Rennie，1984）。

3.碳源

反硝化細菌大多屬於異養細菌，碳源種類對硝酸還原酶活性沒有明顯影響，對氧化亞氮還原酶活性有影響。當C/N比值過高時，碳源相對“過剩”，就要消耗部分NO₃^-作為氮源，作為（反硝化作用）電子受體的NO₃^-相對減少，因此還原產生的N₂O量降低；反之，隨著C/N比值的降低，碳源相對“不足”，NO₃^-濃度相對升高，可促進異養反硝化作用的進行，產生反硝化作用的中間產物積累。

因此，土壤中碳源含量（特別是可溶性有機碳含量）會制約著異養反硝化作用過程。所以，施用一些含碳源的肥料能一定程度上影響反硝化作用，減少（氮）肥效的浪費。當然反硝化作用還受其他因素如：氮源、土壤pH值、土壤質地、耕作條件、根系等條件的影響。