作为酸雨成分硝酸（HNO₃）、细粒子气溶胶成分硝酸铵（NH₄NO₃）等以及对流层臭氧（O₃）的前体物（Bradley and Jones，2002），NO是一种可以直接或间接影响大气质量和破坏地球生态环境的活性气体，其排放变化备受关注。研究表明，土壤是全球NO排放重要来源，而农业土壤则是最重要的土壤NO排放源。据估计，农业土壤NO排放量约为3.7×10⁶ t NO-N·a^-1，占全球人为排放源的10％，占土壤排放的41％(韦云东, 姚志生 et al. 2015, 于亚军, 王小国 et al. 2015)。
1土壤中NO的产生机制
土壤是大气NO的重要排放源，微生物自养和异养硝化细菌的硝化作用和硝化细菌和反硝化细菌的反硝化作用以及化学反硝化作用都会产生N0。NO是硝化过程和反硝化过程的中间产物，硝化和反硝化过程在土壤NO产生与排放过程中的相对重要性取决于土壤的环境条件。
1.1微生物的硝化作用
土壤中的微生物硝化过程是一个好氧的反应过程，包括自养硝化作用和异养硝化作用。在通气良好的土壤中，自养硝化作用产生的NO占主导地位；在酸性环境中，异养硝化作用或亚硝酸根的自养分解过程可能在NO产生中起着重要作用。通气性较差的土壤中，反硝化作用可能会产生少量的NO(李平 , 郎漫 2013)。
自养硝化作用是化能自养硝化细菌利用CO₂作为碳源将NH₄⁺氧化成NO₃^-的好氧微生物过程，包括如下两个阶段：
a．NH₄⁺ + 3/2O_{2 ——>} NO₂^- + 2H + H₂O + E      b.  NO₂^- + 1/2O₂ ——> NO₃^- + E
NH₄⁺被氧化成NO₂^-，随后NO₂^-被进一步氧化成NO₃^-。NH₂OH是它的中间产物(E代表能量)，硝化细菌可以把羟胺NH₂OH氧化为NO。
异氧消化作用是是微生物在有机碳存在的通气环境中将NH₄⁺、NH₃或含氮有机物(R-NH₂)氧化成NO₂^-或NO₃^-的过程。在这过程中也能形成N₂O、NO等含氮气体。许多细菌和真菌都能进行异养硝化作用，但目前还未对异养硝化作用开展广泛的研究(王改玲, 陈德立 et al. 2010)。异养硝化作用速率与自养硝化作用相比是较低的，目前普遍认为在自然界中化能自养硝化细菌是硝化作用的主要推动者，异养菌的硝化强度远不如自养硝化细菌，而且仅发生在自养硝化细菌难以生长的pH过低或温度过高的土壤中。异养硝化作用中NO的产生主要是发生在有机质丰富的酸性土壤中，但就全球尺度而言，这一过程对大气氮氧化物的贡献可能很小。
1.2微生物反硝化作用
生物反硝化作用指在反硝化细菌的作用下将NO₃^-或NO₂^-还原为氮氧化物的过程。
而化学反硝化作用，这是一种在完全好氧条件下的非酶促亚硝酸盐分解反应，NO来源于亚硝酸盐与有机物的反应或者自身的分解(贾文林 2013)。
1.3土壤NO产生的研究进展
一般认为，土壤NO排放主要来源于硝化作用。有研究结果发现，好氧土壤可能是NO的主要来源。Russow等(Russow, Spott et al. 2007)也发现，铵态氮的硝化作用是土壤NO排放的主要来源，反硝化作用产生的NO仅占土壤NO排放量的12％～17％。但是，也有研究结果发现，反硝化作用也可能是NO的主要来源，Zheng等(Zheng-Qin, Guang-Xi et al. 2007)的研究甚至发现，在所研究的一部分土壤中，反硝化反应是NO唯一的来源。此外，有研究指出(曹彦圣, 田玉华 et al. 2013)，在pH<5的土壤中或在有利于亚硝酸盐累积的条件下，化学反硝化作用是一个重要的NO排放源。
2 农田土壤NO排放的影响因素
硝化和反硝化是土壤NO的主要产生过程，众多对农田土壤NO排放的研究也主要涉及这两个过程。环境因素和农田管理措施(如土壤温度、湿度、pH、施肥等) 强烈影响着这两个过程及N₂O和NO的排放。通过对农田土壤NO排放影响因素的探讨，有利于更深入了解农田土壤氮素转化过程，为合理施用氮肥和减少农田N₂O和NO排放提供依据。
2.1施肥
施肥是影响土壤NO排放的主要因素之一。土壤NO排放量一般随着氮肥用量增加而增。于亚军等人(于亚军, 王小国 et al. 2015) 对我国成都平原水稻-小麦轮作系统NO排放的研究表明，不施氮处理在整个观测期表现为土壤NO负排放，而常规施氮处理NO平均排放通量为(5.5±3.3)µg·m^-2·h^-1，施氮显著增加了NO排放(P<0．01)。在我国的蔬菜地中，施氮小区NO排放通量平均为未施氮小区的21倍，NO排放高峰通常发生在氮肥施用后不久(宋贺, 潘广元 et al. 2014)。原因在于，施用氮肥可以提高土壤有效氮的含量，刺激生物硝化反硝化反应的发生，从而增加土壤NO的排放。而且，随着氮素施用量的增加，土壤NO排放量也显著增多。
此外，肥料用量、类型、施肥方式以及施肥时间都会影响土壤NO排放大。肥料氮转化为NO的平均排放系数0.7％(Hayakawa, Akiyama et al. 2008)。缓释肥料施用可降低土壤NO的排放。与普通碳酸氢铵和尿素相比，施用长效碳酸氢铵可以明显延后NO排放高峰期的出现时间，而且大多数情况下可以显著减少NO的释放量。韦云东等(韦云东, 姚志生 et al. 2015) 的研究表明，施用尿素处理的茶园土壤的最高排放通量为1591µg N·m^-2·h^-1，而施用有机肥处理的茶园土壤最高值为893µg N·m^-2·h^-1，前者明显大于后者。不过，由于有机肥的施加提升了土壤的反硝化能力，NO被进一步还原为N₂O的潜力增大，因而有机肥处理土壤的NO排放量一般比化肥处理的低。
2.2 土壤温度
土壤温度与NO排放关系很密切，不仅可以直接影响土壤产生NO微生物的活性，还对一些调解气体通过土壤的传输及与大气的交换的物理和化学参数意义重大。一般来说，硝化微生物的活性适宜的温度范围是35℃左右，最佳温度范围是在30～35℃。高温极端的NO低排放可能是由土壤失水和随之发生的有效养分活动性的降低造成的，也可能是由于40℃以上自养硝化菌不能生长。反硝化微生物的适宜温度范围是15～75℃，低温极端值一般是2．7～10℃(蔡延江, 丁维新 et al. 2012)。在低于这个温度时，温度的变化对所有生化过程的影响比在高于这个阂值温度时大。但是，由于负责硝化和反硝化作用的微生物具有适应极端气候条件的能力低温下NO土壤排放的潜力仍不能忽视。Liu等(Liu, Yao et al. 2015)发现，农田土壤NO排放具有明显的日变化模式，而且随着温度的变化而变化。最大和最小NO排放分别发生在12:00一15:00和0:00—3:00，前者平均比后者高1.2倍。NO排放具有明显的季节变化规律。Zheng等(Zheng-Qin, Guang-Xi et al. 2007)对土壤NO排放的测定结果表明，3月至6月施氮小区及未施氮小区土壤NO平均排放通量分别为11月至12月对应小区的3.9～6.3倍；而1月至2月，由于土壤温度极低抑制了生物硝化反硝化反应的发生，因此未检测到土壤NO排放。
2.3 土壤水分
土壤水分可从多个途径影响NO的排放，例如，可以通过调节硝化细菌和反硝化细菌的活性，从而决定是硝化反应还是反硝化反应占主导地位；显著影响基质的产生以及基质和产物在土壤中的迁移；显著影响NO在土壤中的产生和消耗过程(王改玲, 陈德立 et al. 2010)。一般而言，土壤水分的增加会导致土壤通气性变差，O₂含量越来越少，从而促进反硝化作用并减弱硝化作用。由于WFPS能较直接地反映土壤通气状况，而且不随土壤质地和结构的变化而变化，因此，WFPS通常被认为是最适宜于评价土壤NO排放水分效应的指标之一。然而，关于WFPS对土壤NO排放的影响，文献报道的结果并不完全一致(Maljanen, Martikkala et al. 2006)。当WFPS较大时，由于NO排放主要来源于硝化过程，因此将随土壤含水率的增加而减少；而当WFPS较小时，提高土壤含水率有助于缓解微生物受到的水分胁迫，从而增加土壤NO的排放。然而，当WFPS极大或极小时，土壤NO排放均减少。原因可能在于：土壤含水率较低时，尽管土壤通气状况较好，氧气供应充足，但是反应底物铵态氮的传输速率较低，因而降低了硝化反应速率；相反，土壤含水率较高时，反应底物的传输速率虽然较快，但是土壤通气状况较差，导致氧气供应不足，而且气体扩散也受到限制，从而也导致了硝化反应速率的降低。
降雨影响土壤温度和水分含量，因而影响土壤中NO的产生过程及其在土壤中的迁移。Pang等(Pang, Mu et al. 2009)把大雨过后高土壤含水率条件下土壤NO排放减少的原因归结为：土壤孔隙充水抑制NO的迁移，降雨降低表层土壤温度；降雨把氮肥冲刷至深层土壤和降雨改变土壤微生物群落结构等。Liu等(Liu, Yao et al. 2015)发现，不足10mm的小雨可以增加土壤NO排放，但是大雨或者持续降雨及灌溉都可能减少NO的排放。
再者，不同灌溉方式对土壤NO的排放也产生着不同的影响。Sánchez-Martín等(Sánchez-Martín, Arce et al. 2008)研究发现，与沟灌相比，滴灌显降低了土壤NO的排放，降幅为33％。因而在研究降水或灌水对土壤NO排放影响时，应综合考虑降水(灌水)量的多寡、降水(灌水)前的土壤水分状况以及灌溉方式等因素。
2.4土壤pH
不同的土壤微生物种群只有在一定pH条件下才能具有较高的生物活性，高于或低于这个范围，微生物的活性被就会被抑制甚至有可能导致微生物的大量死亡。研究表明(李明, 梁旺国 et al. 2009)，当pH<5时，NO排放最高，而pH介于5～8之间时，N0排放极低，当pH>8时，N0排放稍有增加。酸性土壤环境中的NO排放量较高的原因有可能是在酸性土壤条件下虽然反硝化作用产生的含氮微量气体总量较少，但是NO所占的比例较高，而且在酸性环境下NO被还原为N₂的这一过程会受到抑制。此外酸性环境促进亚硝酸根离子分解生成NO。在极碱性环境中，NO产生主要可能是化学反应，因为碱性强，微生物的代谢可能会停止。Remde和Conrad(Remde and Conrad 1991)的研究发现，碱性土壤(pH=7.8)中NO的排放主要来自硝化作用，而生物反硝化作用则是酸性土壤(pH=4.7)中NO主要产生过程。
2.5土壤质地
土壤质地影响土壤的通透性、水分含量以及氧化还原电位，因而影响土壤硝化作用和反硝化作用。与粗质地土壤相比，细质地土壤因为较低的充气孔隙率以及较大的O₂扩散阻力而具有较低的氧化还原电位(Deng, Zhou et al. 2013)。一般认为，排水不畅的细质地土壤倾向于排放大量的N₂O，而排放良好的粗质地土壤则有利于NO大量排放人为压实可通过影响土壤体积质量、通气性以及水分含量等来改变土壤的碳氮转化过程(周再兴, 郑循华 et al. 2007)。压实提升了土壤的反硝化潜势。当今，农业机械化越来越普及，机械压实对农田土壤NO排放的影响也需要在研究中加以考虑。
3 土壤NO减排措施
3.1 施肥方面减排
在美国进行的一个研究(Fujinuma, Ryosuke et al. 2011)中，研究人员比较了玉米田施用无水氨和尿素后NO的排放。研究结果显示，与尿素相比，无水氨可以显著减少NO的排放。Zheng等(Zheng-Qin, Guang-Xi et al. 2007)研究发现，与纯化肥相比，利用有机氮肥替代16％的合成氮肥可以使土壤NO排放减少25％。在施肥的同时加入硝化抑制剂以及利用聚合物包膜肥料均可以显著减少NO的排放, 与传统的化肥相比，硝化抑制剂可以显著减少土壤NO的排放。这表明，可以利用硝化抑制剂作为减少土壤NO排放的有效措施(Abalos, Sanz-Cobena et al.2012)。
3.2 优化管理措施
施肥方式和时期影响氨挥发和植物的氮素吸收效率，因而影响硝化反硝化反应基质的有效性。与表施相比，深位点施用氮肥会导致较低的NO排放。土壤含水量较高时施肥可以显著降低NO排放量，Liu等(Liu, Yao et al. 2015)的研究显示，施肥后都会出现脉冲峰，但是在施肥紧接着大量灌溉后NO并没有出现脉冲峰。因此可以结合降雨施肥并注意施肥与灌溉的配合。在华北地区进行的一个研究表明，与常规措施相比，通过减少氮素施用量结合喷灌可以在维持粮食产量的同时显著减少NO排放。
 
4. 结语
农田土壤生态系统是大气NO的重要排放源，了解各影响因素对NO产生和排放的影响程度和作用机制对寻求切实可行的减排措施至关重要。管理措施和氮肥施用是最为频繁应用于田间的人为调控因子，因而，甄选肥料种类和优化施肥时间、施肥量、施肥位置等措施仍旧是需要重点考虑的问题。只有深入了解不同影响因素之间的相互关系及其对NO产生和排放的影响机制，才能合理地调控NO的产生和排放，从而实现最大限度的减排。
 
 
参考文献
Abalos, D., A. Sanz-Cobena, T. Misselbrook and A. Vallejo (2012). "Effectiveness of urease inhibition on the abatement of ammonia, nitrous oxide and nitric oxide emissions in a non-irrigated Mediterranean barley field." Chemosphere: Environmental toxicology and risk assessment 89(3): 310-318.
Deng, J., Z. Zhou, X. Zheng and C. Li (2013). "Modeling impacts of fertilization alternatives on nitrous oxide and nitric oxide emissions from conventional vegetable fields in southeastern China." Atmospheric environment 81(Dec.): 642-650.
Fujinuma, Ryosuke, Venterea, R. T, Rosen and Carl (2011). "Broadcast Urea Reduces N₂O but Increases NO Emissions Compared with Conventional and Shallow-Applied Anhydrous Ammonia in a Coarse-Textured Soil." Journal of Environmental Quality 40(6).
Hayakawa, A., H. Akiyama, S. Sudo and K. Yagi (2008). "N₂O and NO emissions from an Andisol field as influenced by pelleted poultry manure." Soil Biology and Biochemistry 41(3).
Liu, C., Z. Yao, K. Wang and X. Zheng (2015). "Effects of increasing fertilization rates on nitric oxide emission and nitrogen use efficiency in low carbon calcareous soil." Agriculture, Ecosystems and Environment 203.
Maljanen, M., M. Martikkala, H. T. Koponen, P. Virkajärvi and P. J. Martikainen (2006). "Fluxes of nitrous oxide and nitric oxide from experimental excreta patches in boreal agricultural soil." Soil Biology and Biochemistry 39(4).
Pang, X., Y. Mu, X. Lee, S. Fang, J. Yuan and D. Huang (2009). "Nitric oxides and nitrous oxide fluxes from typical vegetables cropland in China: Effects of canopy, soil properties and field management." Atmospheric Environment 43(16).
Remde, A. and R. Conrad (1991). "Role of nitrification and denitrification for NO metabolism in soil." Biogeochemistry 12(3).
Russow, R., O. Spott and C. F. Stange (2007). "Evaluation of nitrate and ammonium as sources of NO and N 2 O emissions from black earth soils (Haplic Chernozem) based on 15 N field experiments." Soil Biology and Biochemistry 40(2).
Sánchez-Martín, L., A. Arce, A. Benito, L. Garcia-Torres and A. Vallejo (2008). "Influence of drip and furrow irrigation systems on nitrogen oxide emissions from a horticultural crop." Soil Biology and Biochemistry 40(7).
Zheng-Qin, X., X. Guang-Xi and Z. Zhao-Liang (2007). "Nitrous Oxide and Methane Emissions as Affected by Water, Soil and Nitrogen." 土壤圈（意译名） 17(2): 146-155.
蔡延江, 丁维新 , 项剑 (2012). "农田土壤N₂O和NO排放的影响因素及其作用机制." 土壤 44(6): 881-887.
曹彦圣, 田玉华, 尹斌 , 朱兆良 (2013). "农业土壤NO排放研究进展." 土壤 45(5): 791-799.
贾文林 (2013). "同步硝化反硝化过程中N₂O释放特征及其机理研究." 博士, 山东大学.
李明, 梁旺国, 郑循华, 杨治平, 郑普山, 陈玉成 , 陈德立 (2009). "晋南地区典型盐碱地棉田的NO排放特征." 气候与环境研究 14(3): 318-328.
李平 , 郎漫 (2013). "硝化和反硝化过程对林地和草地土壤N₂O排放的贡献." 中国农业科学(22): 4726-4732.
宋贺, 潘广元, 陈清, 曹文超 , 王敬国 (2014). "中国北方设施菜田垄-畦土壤N₂O和NO年排放特征比较." 农业环境科学学报(12): 2472-2477.
王改玲, 陈德立 , 李勇 (2010). "土壤温度、水分和NH₄⁺-N浓度对土壤硝化反应速度及N₂O排放的影响." 中国生态农业学报(01): 1-6.
韦云东, 姚志生, 罗献宝, 张丽 , 郑循华 (2015). "茶园生态系统的一氧化氮年排放特征." 农业环境科学学报 34(8): 1610-1617.
于亚军, 王小国 , 朱波 (2015). "成都平原水稻-小麦轮作系统NO排放及其主要影响因素." 生态学报 35(9): 2910-2916.
周再兴, 郑循华, 王明星 , K. Butterbach-Bahl (2007). "华东稻麦轮作农田CH₄、N₂O和NO排放特征." 气候与环境研究 12(6): 751-760.