東北集約化農區不同農作物類型的土壤硝化作用及其影響因素

來雪慧++任曉莉++賈麗霞+周坤淵++王美琪

摘要：以東北集約化農區作為研究對象，根據1979年、1992年、1999年、2012年共4年的土地利用和植被利用遙感信息，選擇小葉章草甸/小葉章草甸/水稻/水稻（C/C/R/R）、落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）、小葉章草甸/小葉章草甸/玉米/玉米（C/C/M/M）、玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）、玉米/玉米/水稻/水稻（M/M/R/R）這5種典型區域不同農作物類型的土壤硝化速率進行測定，分析其主要的影響因素。結果表明，不同農作物類型的土壤硝化速率存在顯著差異（P<0.05）；玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的土壤硝化速率相對最高，為 404.8 μg/（kg·h），落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）的土壤硝化速率相對最小，為232.4 μg/（kg·h）；不同農作物類型的土壤硝化速率與土壤溫度、全碳含量、總氮含量、硝態氮含量、銨態氮含量呈極顯著正相關（P<001），而土壤含水量對給地區的硝化作用影響較小；土壤硝化速率與土壤pH值呈極顯著負相關（P<0.01）。

關鍵詞：硝化作用；影響因素；農業活動；農作物類型

中圖分類號：S153.6 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0473-04

收稿日期：2015-10-23

基金項目：山西省高等學校科技創新項目（編號：2014151）；山西省重點學科建設項目。

作者簡介：來雪慧（1984—），女，山西大同人，博士，講師，主要從事環境規劃、農業面源等研究。Tel：（0351）3566125；E-mail：laixuehui@mail.bnu.edu.cn。氮元素作為生物體生存和發展必需的元素，對陸地生態系統的生產過程具有最強烈的影響[1]，同時對生態系統的結構和功能起著關鍵的調節作用[2]。氮循環為生物的生長提供必需的氮源[3]，并促使物質能量循環的形成[4]。在土壤硝化過程中，硝化作用是氮素損失的主要途徑[5]，而氮素損失會導致溫室氣體N2O排放量增多。目前，氮循環已成為全球變化研究的一個重要內容[6]。針對土壤硝化作用的影響因素開展了大量研究[7]。有研究發現，土壤類型不同，土壤硝化作用變異較大，土壤水分和土壤理化性質作是影響硝化作用的重要因素[8-9]。本試驗以集約化農區不同農作物類型為研究對象，探討植被結構改變及土壤因子變化對該地區農田土壤硝化作用的影響程度，為預測溫室氣體排放和區域生態安全提供基礎信息。

1材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于東北三江平原八五九農場，屬寒溫帶季風性大陸氣候。根據該農場1964年7月至2010年6月的氣象監測數據（圖1）可知，研究區年平均氣溫和降水量分別為 2.5 ℃、559.6 mm；土壤以白漿土和沼澤土等為主，其中白漿土占研究區總面積的60.7%；0～20 cm農田土壤表層的氮、磷平均含量分別為2.39、0.90 g/kg，而速效氮、速效磷、速效鉀平均含量分別為236.5、21.3、144.9 mg/kg，有機質含量為38.3 g/kg。整體而言，農場內耕地有機質含量豐富，土壤養分氮、磷含量較高。

1.2樣品采集

東北三江平原自20世紀50年代經歷了多次農業開發，農業土地面積由解放前的7 870 km2增加到2000年的 47 330 km2，且每次農業開發均以增加糧食產量為目的，三江平原已成為我國重要的糧食生產基地，是我國集約化農業區。在開發過程中，為滿足糧食生產需要，大量的自然植被由農作物代替。本研究根據八五九農場1979年、1992年、1999年、2012年這4年的遙感影像圖，采集小葉章草甸/小葉章草甸/水稻/水稻（C/C/R/R）、落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）、小葉章草甸/小葉章草甸/玉米/玉米（C/C/M/M）、玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）、玉米/玉米/水稻/水稻（M/M/R/R）5種不同農作物類型（表1）0～15、15～30、30～60 cm等3種深度的土壤樣品進行分析。分別于2012年4月29日、5月24日、6月2日、6月19日、7月2日采樣，每個采樣點按“S”形設5個取土點，每個取土點選擇1 m×1 m樣方，用土鉆采集土樣；混合土樣，采用“四分法”，用無菌塑料袋保存，帶回實驗室立即置于4 ℃冰箱保存，重復3次。

1.3分析方法

采用格里斯顯色法[10-11]測定土壤硝化速率；采用長桿針式土壤溫度計分別測定采樣點樣方周圍0～15、15～30、30～60 cm深度的土壤溫度；采用常規分析法[12]測定土壤基本理化性質：采用24 h烘干法測定土壤含水量；采用pH計測定土壤水土比1 ∶ 1浸提液的pH值；分別采用濃硫酸重鉻酸鉀法、元素分析儀測定土壤有機質含量、全碳含量和總氮含量；采用 1 mol/L KCl土液比1 ∶ 10浸提，分別用納氏試劑比色法和紫外分光光度法測定土壤銨態氮、硝態氮含量。

2結果與分析

2.1不同農作物類型的土壤硝化速率

由圖2可見，集約化農區各農作物類型不同土壤深度的硝化速率大小變化規律基本相似；同一土壤深度，玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的土壤硝化速率相對最大，0～15、15～30、30～60 cm深度的土壤硝化速率分別為442.1、3970、375.3 μg/（kg·h），明顯高于其他農作物類型土壤；落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）的土壤硝化速率相對最小，0～15、15～30、30～60 cm深度的土壤硝化速率分別為275.4、240.0、195.4 μg/（kg·h）；整體而言，研究區各作物類型的土壤硝化速率從大到小依次為玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）、小葉章草甸/小葉章草甸/玉米/玉米（C/C/M/M）、玉米/玉米/水稻/水稻（M/M/R/R）、小葉章草甸/小葉章草甸/水稻/水稻（C/C/R/R）、落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）。分析結果表明，不同農作物類型的土壤硝化速率之間存在顯著差異（P<0.05）；玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的土壤硝化速率顯著高于其他農作物類型（P<0.05）。

2.2土壤溫度和含水量對土壤硝化速率的影響

2.2.1土壤溫度由圖3可見，不同農作物類型土壤溫度與

硝化速率的變化規律基本一致，相互之間呈極顯著正相關（P<0.01）；土壤溫度較低時，兩者之間的擬合效果較好；溫度較高時，擬合效果明顯下降，硝化速率的散點以擬合曲線為中心逐漸分散開來，尤其是農作物類型玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的分散度更為明顯。這說明溫度低時，土壤硝化作用受溫度變化的影響較大，當溫度超過18 ℃，土壤溫度對土壤的硝化作用逐漸減弱。

由表2可見，不同深度土壤溫度與硝化速率呈正相關；隨著土壤深度的增加，農作物類型落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）、小葉章草甸/小葉章草甸/玉米/玉米（C/C/M/M）回歸系數逐漸增大，土壤溫度對土壤硝化速率的解釋能力增強，而玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）、玉米/玉米/水稻/水稻（M/M/R/R）這2種農作物類型與之相反，土壤溫度對硝化速率的解釋能力隨土壤深度增加逐漸減弱。

2.2.2土壤含水量由表3可見，落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）、小葉章草甸/小葉章草甸/玉米/玉米（C/C/M/M）、玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的土壤含水量與硝化速率呈正相關，小葉章草甸/小葉章草甸/水稻/水稻（C/C/R/R）、玉米/玉米/水稻/水稻（M/M/R/R）的土壤含

水量與硝化速率呈負相關，但研究區不同作物類型的土壤含水量與硝化速率之間均沒有顯著相關關系（P>0.05）。

2.3土壤理化性質對土壤硝化速率的影響

硝化作用是一個復雜的微生物化學過程，不僅受土壤溫度、含水量的影響，而且受土壤總氮含量、硝態氮含量、pH值等理化性質的影響。由圖4、表4可見，土壤硝化速率與土壤氮素含量、總碳含量呈極顯著的正相關關系（P<0.01），與pH值呈極顯著的負相關關系（P<0.01），土壤pH值對硝化作用具有重要的影響。

3結論與討論

試驗結果表明，不同農作物類型的土壤硝化速率存在顯著性差異（P<0.05）；玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的土壤硝化速率相對最高，為404.8 μg/（kg·h），落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）的土壤硝化速率相對最小，為232.4 μg/（kg·h）；土壤硝化速率與土壤溫度呈極顯著的正相關關系（P<0.01），土壤溫度對玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的土壤硝化速率的影響更為明顯；溫度低時，土壤硝化作用受溫度變化的影響較大，但溫度超過18 ℃，溫度對土壤的硝化作用逐漸減弱；土壤含水量對硝化作用的影響較小；土壤硝化速率與土壤pH值、碳氮含量呈極顯著的相關關系（P<0.01），其中土壤pH值與土壤硝化速率之間呈極顯著負相關關系。

研究區在農業開發過程中，大面積的濕地和林地被開墾為耕地，整體硝化速率呈增加趨勢，且玉米的土壤硝化速率顯著高于水稻，這與蔡祖聰等研究結論[13]一致。小葉章草甸和落葉闊葉林由于人工干擾和農業活動相對較少，環境中的碳氮可以隨季節的變化通過植被生長和枯枝落葉逐漸積累下來，并在土壤中建立起有效的碳氮儲備庫，從而為生態環境的穩定和生態系統功能的發揮提供良好的基礎。但是，當森林、草地和濕地生態系統被開墾為農田，受到人類頻繁的耕作、灌溉、施肥等農業行為擾動，土壤碳氮庫及氮素循環將會發生明顯的破壞[14]。有研究表明，土壤含水量較小，可以促進土壤的硝化作用[9]。與玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）相比，農作物類型小葉章草甸/小葉章草甸/水稻/水稻（C/C/R/R）、玉米/玉米/水稻/水稻（M/M/R/R）的土壤含水量較高，并隨水分增加，土壤逐漸形成厭氧條件而使硝化作用減弱。因此，集約化農區不同農作物類型的土壤含水量對硝化作用的影響較小。

硝化細菌適應酸性環境，酸性條件有利于其硝化作用[15]。硝態氮、銨態氮是2種主要的土壤速效氮，在衡量土壤氮素含量時，經常選用硝態氮和銨態氮進行表征[16-18]。研究發現，大氣中溫室氣體的排放和水環境富營養化等都是由土壤硝態氮、銨態氮含量過高引起的[19]。研究區土壤pH值在3.73～5.76范圍內呈酸性，有利于土壤發生硝化作用。同時，在集約化農區往往大量施用以氮肥為主的化肥，這會導致有效氮含量特別是銨態氮含量的升高，并引起硝化速率的增加。

參考文獻：

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[19]賈月慧，王天濤，杜睿. 3種林地土壤碳和氮含量的變化[J]. 北京農學院學報，2005，2（3）：63-66.

來雪慧 任曉莉 賈麗霞 周坤淵 王美琪

摘要：以東北集約化農區作為研究對象，根據1979年、1992年、1999年、2012年共4年的土地利用和植被利用遙感信息，選擇小葉章草甸/小葉章草甸/水稻/水稻（C/C/R/R）、落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）、小葉章草甸/小葉章草甸/玉米/玉米（C/C/M/M）、玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）、玉米/玉米/水稻/水稻（M/M/R/R）這5種典型區域不同農作物類型的土壤硝化速率進行測定，分析其主要的影響因素。結果表明，不同農作物類型的土壤硝化速率存在顯著差異（P<0.05）；玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的土壤硝化速率相對最高，為 404.8 μg/（kg·h），落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）的土壤硝化速率相對最小，為232.4 μg/（kg·h）；不同農作物類型的土壤硝化速率與土壤溫度、全碳含量、總氮含量、硝態氮含量、銨態氮含量呈極顯著正相關（P<001），而土壤含水量對給地區的硝化作用影響較小；土壤硝化速率與土壤pH值呈極顯著負相關（P<0.01）。

關鍵詞：硝化作用；影響因素；農業活動；農作物類型

中圖分類號：S153.6 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0473-04

收稿日期：2015-10-23

基金項目：山西省高等學校科技創新項目（編號：2014151）；山西省重點學科建設項目。

作者簡介：來雪慧（1984—），女，山西大同人，博士，講師，主要從事環境規劃、農業面源等研究。Tel：（0351）3566125；E-mail：laixuehui@mail.bnu.edu.cn。氮元素作為生物體生存和發展必需的元素，對陸地生態系統的生產過程具有最強烈的影響[1]，同時對生態系統的結構和功能起著關鍵的調節作用[2]。氮循環為生物的生長提供必需的氮源[3]，并促使物質能量循環的形成[4]。在土壤硝化過程中，硝化作用是氮素損失的主要途徑[5]，而氮素損失會導致溫室氣體N2O排放量增多。目前，氮循環已成為全球變化研究的一個重要內容[6]。針對土壤硝化作用的影響因素開展了大量研究[7]。有研究發現，土壤類型不同，土壤硝化作用變異較大，土壤水分和土壤理化性質作是影響硝化作用的重要因素[8-9]。本試驗以集約化農區不同農作物類型為研究對象，探討植被結構改變及土壤因子變化對該地區農田土壤硝化作用的影響程度，為預測溫室氣體排放和區域生態安全提供基礎信息。

1材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于東北三江平原八五九農場，屬寒溫帶季風性大陸氣候。根據該農場1964年7月至2010年6月的氣象監測數據（圖1）可知，研究區年平均氣溫和降水量分別為 2.5 ℃、559.6 mm；土壤以白漿土和沼澤土等為主，其中白漿土占研究區總面積的60.7%；0～20 cm農田土壤表層的氮、磷平均含量分別為2.39、0.90 g/kg，而速效氮、速效磷、速效鉀平均含量分別為236.5、21.3、144.9 mg/kg，有機質含量為38.3 g/kg。整體而言，農場內耕地有機質含量豐富，土壤養分氮、磷含量較高。

1.2樣品采集

東北三江平原自20世紀50年代經歷了多次農業開發，農業土地面積由解放前的7 870 km2增加到2000年的 47 330 km2，且每次農業開發均以增加糧食產量為目的，三江平原已成為我國重要的糧食生產基地，是我國集約化農業區。在開發過程中，為滿足糧食生產需要，大量的自然植被由農作物代替。本研究根據八五九農場1979年、1992年、1999年、2012年這4年的遙感影像圖，采集小葉章草甸/小葉章草甸/水稻/水稻（C/C/R/R）、落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）、小葉章草甸/小葉章草甸/玉米/玉米（C/C/M/M）、玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）、玉米/玉米/水稻/水稻（M/M/R/R）5種不同農作物類型（表1）0～15、15～30、30～60 cm等3種深度的土壤樣品進行分析。分別于2012年4月29日、5月24日、6月2日、6月19日、7月2日采樣，每個采樣點按“S”形設5個取土點，每個取土點選擇1 m×1 m樣方，用土鉆采集土樣；混合土樣，采用“四分法”，用無菌塑料袋保存，帶回實驗室立即置于4 ℃冰箱保存，重復3次。

1.3分析方法

采用格里斯顯色法[10-11]測定土壤硝化速率；采用長桿針式土壤溫度計分別測定采樣點樣方周圍0～15、15～30、30～60 cm深度的土壤溫度；采用常規分析法[12]測定土壤基本理化性質：采用24 h烘干法測定土壤含水量；采用pH計測定土壤水土比1 ∶ 1浸提液的pH值；分別采用濃硫酸重鉻酸鉀法、元素分析儀測定土壤有機質含量、全碳含量和總氮含量；采用 1 mol/L KCl土液比1 ∶ 10浸提，分別用納氏試劑比色法和紫外分光光度法測定土壤銨態氮、硝態氮含量。

2結果與分析

2.1不同農作物類型的土壤硝化速率

由圖2可見，集約化農區各農作物類型不同土壤深度的硝化速率大小變化規律基本相似；同一土壤深度，玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的土壤硝化速率相對最大，0～15、15～30、30～60 cm深度的土壤硝化速率分別為442.1、3970、375.3 μg/（kg·h），明顯高于其他農作物類型土壤；落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）的土壤硝化速率相對最小，0～15、15～30、30～60 cm深度的土壤硝化速率分別為275.4、240.0、195.4 μg/（kg·h）；整體而言，研究區各作物類型的土壤硝化速率從大到小依次為玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）、小葉章草甸/小葉章草甸/玉米/玉米（C/C/M/M）、玉米/玉米/水稻/水稻（M/M/R/R）、小葉章草甸/小葉章草甸/水稻/水稻（C/C/R/R）、落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）。分析結果表明，不同農作物類型的土壤硝化速率之間存在顯著差異（P<0.05）；玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的土壤硝化速率顯著高于其他農作物類型（P<0.05）。

2.2土壤溫度和含水量對土壤硝化速率的影響

2.2.1土壤溫度由圖3可見，不同農作物類型土壤溫度與

硝化速率的變化規律基本一致，相互之間呈極顯著正相關（P<0.01）；土壤溫度較低時，兩者之間的擬合效果較好；溫度較高時，擬合效果明顯下降，硝化速率的散點以擬合曲線為中心逐漸分散開來，尤其是農作物類型玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的分散度更為明顯。這說明溫度低時，土壤硝化作用受溫度變化的影響較大，當溫度超過18 ℃，土壤溫度對土壤的硝化作用逐漸減弱。

由表2可見，不同深度土壤溫度與硝化速率呈正相關；隨著土壤深度的增加，農作物類型落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）、小葉章草甸/小葉章草甸/玉米/玉米（C/C/M/M）回歸系數逐漸增大，土壤溫度對土壤硝化速率的解釋能力增強，而玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）、玉米/玉米/水稻/水稻（M/M/R/R）這2種農作物類型與之相反，土壤溫度對硝化速率的解釋能力隨土壤深度增加逐漸減弱。

2.2.2土壤含水量由表3可見，落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）、小葉章草甸/小葉章草甸/玉米/玉米（C/C/M/M）、玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的土壤含水量與硝化速率呈正相關，小葉章草甸/小葉章草甸/水稻/水稻（C/C/R/R）、玉米/玉米/水稻/水稻（M/M/R/R）的土壤含

水量與硝化速率呈負相關，但研究區不同作物類型的土壤含水量與硝化速率之間均沒有顯著相關關系（P>0.05）。

2.3土壤理化性質對土壤硝化速率的影響

硝化作用是一個復雜的微生物化學過程，不僅受土壤溫度、含水量的影響，而且受土壤總氮含量、硝態氮含量、pH值等理化性質的影響。由圖4、表4可見，土壤硝化速率與土壤氮素含量、總碳含量呈極顯著的正相關關系（P<0.01），與pH值呈極顯著的負相關關系（P<0.01），土壤pH值對硝化作用具有重要的影響。

3結論與討論

試驗結果表明，不同農作物類型的土壤硝化速率存在顯著性差異（P<0.05）；玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的土壤硝化速率相對最高，為404.8 μg/（kg·h），落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）的土壤硝化速率相對最小，為232.4 μg/（kg·h）；土壤硝化速率與土壤溫度呈極顯著的正相關關系（P<0.01），土壤溫度對玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的土壤硝化速率的影響更為明顯；溫度低時，土壤硝化作用受溫度變化的影響較大，但溫度超過18 ℃，溫度對土壤的硝化作用逐漸減弱；土壤含水量對硝化作用的影響較小；土壤硝化速率與土壤pH值、碳氮含量呈極顯著的相關關系（P<0.01），其中土壤pH值與土壤硝化速率之間呈極顯著負相關關系。

研究區在農業開發過程中，大面積的濕地和林地被開墾為耕地，整體硝化速率呈增加趨勢，且玉米的土壤硝化速率顯著高于水稻，這與蔡祖聰等研究結論[13]一致。小葉章草甸和落葉闊葉林由于人工干擾和農業活動相對較少，環境中的碳氮可以隨季節的變化通過植被生長和枯枝落葉逐漸積累下來，并在土壤中建立起有效的碳氮儲備庫，從而為生態環境的穩定和生態系統功能的發揮提供良好的基礎。但是，當森林、草地和濕地生態系統被開墾為農田，受到人類頻繁的耕作、灌溉、施肥等農業行為擾動，土壤碳氮庫及氮素循環將會發生明顯的破壞[14]。有研究表明，土壤含水量較小，可以促進土壤的硝化作用[9]。與玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）相比，農作物類型小葉章草甸/小葉章草甸/水稻/水稻（C/C/R/R）、玉米/玉米/水稻/水稻（M/M/R/R）的土壤含水量較高，并隨水分增加，土壤逐漸形成厭氧條件而使硝化作用減弱。因此，集約化農區不同農作物類型的土壤含水量對硝化作用的影響較小。

硝化細菌適應酸性環境，酸性條件有利于其硝化作用[15]。硝態氮、銨態氮是2種主要的土壤速效氮，在衡量土壤氮素含量時，經常選用硝態氮和銨態氮進行表征[16-18]。研究發現，大氣中溫室氣體的排放和水環境富營養化等都是由土壤硝態氮、銨態氮含量過高引起的[19]。研究區土壤pH值在3.73～5.76范圍內呈酸性，有利于土壤發生硝化作用。同時，在集約化農區往往大量施用以氮肥為主的化肥，這會導致有效氮含量特別是銨態氮含量的升高，并引起硝化速率的增加。

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