慈溪1000年時間序列農田土壤氮礦化和硝化的變化*

汪 峰 姚紅燕 陳若霞 陳 貴 戴瑤璐

（1 寧波市農業科學研究院， 浙江寧波 315040）

（2 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008）

（3 嘉興市農業科學研究院， 浙江嘉興 314016）

農田生態系統中土壤氮（N）循環影響土壤肥力和作物生長，而土壤微生物是驅動氮循環過程的關鍵因子［1］。氮循環過程中，土壤氮礦化過程反映了土壤氮供應能力，而硝化過程則是氮循環中的關鍵限速步驟。作為世界上最大的化學氮肥消耗國，我國每年氮肥用量3 000萬t（折純），占全球總量的33%［2］。礦化和硝化過程不僅決定了土壤中氮素形態的分配，還決定了硝酸鹽淋失，影響氮肥利用率和水體環境安全。

自然狀態下的海洋和陸地過渡帶為灘涂濕地，為了滿足不斷增長的糧食需求，人類將大量自然灘涂濕地圍墾成為農業用地。據估算，我國自1950年后約有51% (2.2×104km2)的濱海自然濕地被圍墾利用［3］。盡管濱海圍墾農田土壤受歷史因素的影響，均表現出高鹽、高堿和低肥的特點［4］，但圍墾利用過程中土壤鹽度、養分含量等條件的變化導致不同利用年限土壤氮轉化功能呈現不同特點［5-6］。研究表明，巴西瀉湖沉積物硝化強度與鹽分濃度呈顯著負相關，在0～3‰范圍內，硝化強度隨鹽度呈指數衰減［7］。針對我國主要濱海河口沉積物的研究也發現，硝化速率分布有明顯的自近岸向外海逐漸降低的趨勢，高鹽度條件下的硝化作用受到抑制［8-10］。然而，以上研究對象均為沉積物，而針對海陸界面農田土壤礦化及硝化作用規律及主要控制因子的研究鮮見報道，尤其是在圍墾后隨著農業利用年限增加，土壤性質的變化在多大程度上影響關鍵氮轉化功能尚不清楚。

浙江省慈溪市位于杭州灣南岸，其經濟社會發展在很大程度上是杭州灣南岸海涂濕地圍墾的歷史。杭州灣南岸海岸變遷與灘涂圍墾的研究表明［11］，慈溪灘涂屬于淤漲型灘涂，自宋代以來已修建11道海塘，且每個海塘修建均有明確的時間記載，新中國成立前海岸線平均每年向外推移25 m，之后達到50～100 m，改革開放以來已圍墾土地1.33萬hm2，該地區目前已成為不同利用年限土壤性質和微生物分布規律研究的典型區［12-13］。本研究以杭州灣南岸垂直海岸帶方向不同利用年限的圍墾農田土壤為研究對象，基于室內培養法分析土壤N礦化速率、硝化強度及硝化微生物數量，利用多元統計方法揭示海陸界面農田土壤主要氮轉化過程和硝化微生物的分布規律及主控因素，為濱海圍墾農田氮素管理和濱海區域環境保護提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于浙江省慈溪市（30°15′ N，121°10 ′E），地處浙江省杭州灣南岸，其海岸線北凸成弧形，是杭州灣灘涂淤漲最快的區段。該區域人口稠密，土地資源稀缺，在不同歷史時期，大量淤積海涂被圍墾改造為農業用地。杭州灣圍墾歷史可追溯至公元5世紀［11］，民間隨海涂的地形開始壘土筑塘，隨著海涂的泥沙淤積北移，不斷增筑海塘，至今已筑至十一塘。新圍墾土壤中含鹽量較高，土壤類型歸為近代海相或河海相沉積物發育而成的濱海鹽土［14］，經過長時間的脫鹽和熟化過程（濱海鹽土—強鹽漬化土—中度鹽漬化土—輕度鹽漬化土—脫鹽潮土）最終演變為脫鹽潮土，農田地力也得到了較大的提升。

該地區屬亞熱帶季風性濕潤氣候，因瀕臨東海又帶有海洋性季風氣候特征。氣候溫暖多雨，年均溫16.0 ℃，無霜期244 d，最熱月均溫28.2 ℃，最冷月均溫3.8 ℃，年平均日照時數2 038 h。年均降水量為1 273 mm，年蒸發量894 mm，同時降水量季節波動性大，雨季特征明顯，約60%的降水量分布于5—9月，每年夏秋間多熱帶風暴或臺風。

1.2 樣品采集

圖1 土壤樣品采集位置Fig.1 Location of the soil sampling sites

2015年12月，沿垂直于海岸線方向選擇11個采樣面（圖1），包括10個不同利用年限（5～1 000 a）海塘內農田土壤采樣面（WT1～WT10）和1個海塘外灘涂鹽沼采樣面（WT0）。研究區域農田主要是毛豆（春夏）-西蘭花（秋冬）輪作模式，考慮到地上作物類型會影響土壤氮轉化過程，采樣盡量選擇同一輪作模式農田土壤（WT10區域內無該輪作模式，因此選擇水稻田）。每個采樣面在平行于海岸線方向上選擇6個采樣點作為重復，相鄰兩個采樣點間隔不少于50 m。在西蘭花結球期用不銹鋼土鉆（2 cm）按5點采樣法采集20 cm表層土壤，混勻后用四分法留取1 kg左右，裝入密封塑料袋中帶回實驗室。除去石塊和根系，一部分土樣風干研磨后進行理化性質分析，另一部分置于4℃冰箱，測定硝態氮、銨態氮等指標，鮮土項目的測定在2周內完成。

1.3 測定項目與方法

土壤理化性質測定：土壤pH采用玻璃電極測定，水土比2.5∶1；電導率采用電導法，水土比5∶1；有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；全氮采用半微量凱氏法測定；土壤堿解氮采用擴散法測定；有效磷采用Olsen-P法提取，鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用醋酸銨浸提，火焰光度法測定；和用2 mol?L-1KCl溶液浸提，流動分析儀（SKALAR San++，荷蘭）測定。以上方法參考文獻［15］。

土壤N礦化速率：采用直接測定土壤礦質氮含量的方法［16］，稱取相當于10 g干重的新鮮土壤加入100 mL塑料瓶中，向瓶中加入用酸處理過的石英砂10 g，震蕩使土壤和石英砂混合均勻，加純水至土壤田間持水量的65%，塑料瓶口套上封口膜，并在其上方留有數個小孔來保障空氣流通，每2～3天補充損失水分。在0 d和14 d收集培養的土壤，測定其中的和含量。土壤N礦化速率=（培養后的無機氮量—培養前的無機氮量）/培養天數。

土壤硝化細菌數量采用最大或然值法（Most possible number，MPN），土壤硝化強度采用懸液培養法測定［17］。

1.4 數據處理

聚類推進樹（Aggregated boosted tree, ABT）分析能夠預測環境變量對某個響應指標的相對貢獻大小［18-19］，本研究利用ABT分析土地利用年限和土壤理化性質等因子對土壤硝化強度、N礦化速率和硝化細菌數量的相對重要性。ABT分析利用“gbmplus”軟件包在R-2.7.1（http://www.R-project.org）中完成。

皮爾森相關分析和單因素方差分析（One-way ANOVA）在SPSS 20.0軟件中完成，差異顯著性采用鄧肯（Duncan）新復極差法進行檢驗；回歸擬合及其制圖在SigmaPlot 12.0中完成，文中數據計算和其余圖表制作在Excel 2012中完成。

2 結 果

2.1 不同利用年限土壤理化性質

研究區域不同利用年限土壤理化性質見表1。海塘外灘涂鹽沼（WT0）土壤pH呈堿性，電導率高達4 654 μS?cm-1，土壤含鹽量高，利用5 a（WT1），電導率下降81.7%（P＜0.05），而土壤pH無顯著性差異；利用20 a（WT2），電導率和pH與WT0相比均有顯著性變化（P＜0.05），其中土壤電導率下降94.1%，達輕度鹽漬化水平，土壤pH下降0.27個單位，呈弱堿性。土壤電導率和pH在利用50～1 000 a之間總體上呈波動下降趨勢，在利用1 000 a（WT10）下降至最低，分別達到131 μS?cm-1和7.16，土壤鹽堿性障礙基本消除。

研究區域土壤有機質和全氮含量總體偏低（表1）。WT0土壤有機質和全氮含量分別為10.2 g?kg-1和0.45 g?kg-1，隨著利用年限增加，土壤有機質和全氮含量逐漸上升，在利用1 000 a后分別達到37.3 g?kg-1和1.60 g?kg-1，較WT0分別提高了2.65倍和2.52倍。土壤速效養分中，除速效鉀含量較豐富外，堿解氮和有效磷均缺乏；其中，土壤速效鉀隨著利用年限的增加而逐漸降低，而WT2、WT3、WT4處理土壤有效磷顯著高于其他處理；土壤堿解氮平均含量僅為45.8 mg?kg-1（除WT10外）；占總礦質氮的90.4%，其中，WT4、WT5、WT6處理土壤顯著高于其他處理。

2.2 不同利用年限土壤硝化強度

通過培養法計算土壤的硝化強度如圖2所示。不同利用年限土壤硝化強度介于14.3%～60.5%之間，隨著利用年限的延長，土壤硝化強度趨于升高。土壤硝化強度大致可劃分為3個梯度：1）高硝化強度，200～1 000 a（WT6、WT7、WT8、WT9、WT10），平均為56.8%；2）中等硝化強度，20～120 a（WT2、WT3、WT4、WT5），平均為37.5%；3）低硝化強度，0～5 a（WT0、WT1），平均僅為17.4%。方差分析表明，3個不同梯度層次樣品間土壤硝化強度均存在顯著性差異（P ＜0.05）。

表1 不同樣點土壤部分理化性質Table 1 Soil physicochemical properties relative to location of the sampling site

2.3 不同利用年限土壤氮礦化速率

圖2 不同處理下土壤硝化強度Fig.2 Nitrification intensity of soils relative to treatment

不同利用年限土壤氮礦化速率如圖3所示。220～1 000 a樣品（WT7、WT8、WT9、WT10）土壤礦化速率最高，平均達3.5 mg?kg-1?d-1，顯著高于其他年限樣品（P＜0.05）；0～50 a樣品（WT0、WT1、WT2、WT3）礦化速率中等，平均為2.5 mg?kg-1?d-1；60～200 a樣品（WT4、WT5、WT6）礦化速率最低，平均僅為0.5 mg?kg-1?d-1，顯著低于其他樣品（P＜0.05）。

2.4 不同利用年限土壤硝化細菌數量

圖3 不同處理下土壤氮礦化速率Fig.3 N mineralization rate of soils relative to treatment

圖 4 不同處理下土壤硝化細菌數Fig.4 Number of soil nitrobacteria relative to treatment

不同利用年限硝化細菌數量如圖4所示。土地利用初期（0～5 a），土壤中硝化細菌數量處于較低水平，每克土壤平均僅有0.2×103個，隨著利用時間增加，硝化細菌數快速增加，WT2相比WT1增加了7.7倍。土壤硝化細菌數量在WT3和WT4處理達到最高，每克土壤平均3.0×103個。在60～1 000 a，隨著利用時間的延長，土壤硝化細菌數量逐漸降低（除WT7），最終在WT10處理中僅為0.1×103g-1。

2.5 不同利用年限土壤硝化強度、氮礦化速率和硝化細菌數量的影響因子

將土壤硝化強度、氮礦化速率和硝化細菌數量與土壤相關性質進行相關分析（表2），結果表明，土壤硝化強度與利用年限、有機質、全氮和堿解氮呈顯著正相關（P＜0.01），而與土壤含水率、pH、電導率和速效鉀呈顯著負相關（P＜0.01）。氮礦化速率與利用年限、有機質、全氮、堿解氮呈顯著正相關（P＜0.01），而與土壤pH、和有效磷呈顯著負相關（P＜0.05）。硝化細菌數與土壤有效磷呈顯著正相關（P＜0.01），而與利用年限、土壤含水率、電導率、有機質、全氮、堿解氮呈顯著負相關（P＜0.05）。

將表2中篩選到的具有顯著性相關的因子分別加入ABT模型進行分析（圖5），結果表明，土壤利用年限對硝化強度的影響最大（45%），其次是電導率（12%）和有機質（11%），其余因子貢獻率均不足10%；含量是影響N礦化速率的主要因素（86%）；影響硝化細菌豐度變化的相對貢獻率由大到小依次為：有效磷、利用年限、堿解氮、全氮、含水量、電導率、有機質，其中有效磷貢獻率達42%。

2.6 土壤硝化強度、氮礦化速率和硝化細菌數量與影響因子的回歸模擬

為了表征土壤硝化強度、氮礦化速率和硝化細菌數量隨利用年限的變化規律，通過回歸模擬的方法構建線性回歸方程（圖6）。硝化強度隨利用時間的變化方程為y=56.4x /(x+15.9)，氮礦化速率隨利用時間的變化方程為y=2.717+0.001 1x，硝化細菌數量隨利用時間的變化方程為Ln(y)=7.061+0.002 3x。此外，根據表2中的相關分析，選取對硝化強度、氮礦化速率和硝化細菌數量貢獻率最大的土壤理化因子做回歸分析（圖6），硝化強度隨電導率變化的方程為y=74.1-68.0x /(x+448.7)，氮礦化速率隨變化的方程為y=3.471-0.073x，硝化細菌數量隨有效磷變化方程為Ln(y)=8.8x /(x+3.1)。

表2 土壤硝化強度、氮礦化速率、硝化細菌數量與土壤性質的相關系數Table 2 Correlation analysis of nitrification intensity, N mineralization rate and number of nitrobacteria with soil properties

圖5 基于ABT模型預測土壤性質對硝化強度 a)、氮礦化速率 b)和硝化細菌數量 c)的相對重要性Fig.5 Relative importance of soil properties to nitrification intensity a), N mineralization rate b) and number of nitrobacteria c) as predicted with the aggregated boosted tree (ABT) model

圖6 基于回歸法分析土壤硝化強度、氮礦化速率、硝化細菌數量與部分土壤性質的關系Fig.6 Relationships of some soil property indices with nitrification intensity, N mineralization rate and number of nitrobacteria based on regression analysis (n=66)

3 討 論

本研究以位于浙江慈溪市不同利用年限濱海圍墾農田土壤為研究對象，探索土壤氮轉化關鍵過程（礦化和硝化）及硝化微生物分布規律。近10年來，年代序列土壤發生演變已成為世界土壤學研究熱點［20］，研究地點主要選擇在杭州灣南岸圍墾灘涂地，還有部分選擇珠江三角洲、崇明島等濱海區域［12］。這些研究對不同利用年限土壤形態［21］、有機碳［22］、pH［23］、鐵氧化物［24］、磷吸附轉運［25］等進行了全面的調查分析，證實了農業活動有利于土壤中碳、氮、磷等養分元素積累，但目前尚不清楚不同土壤養分達到“穩定狀態”所需的時間。利用年代序列法（Chronosequence approach）研究發現，水田耕作條件下，表層土壤有機碳和大量元素（Ca、Mg、Na、P）在50 a內可發生顯著變化，而土壤形態和鐵氧化物至少需要1 000 a［12］。本研究同樣發現，土壤電導率和pH在農業利用50 a內快速下降，隨后呈現波動下降趨勢（表1）；而土壤有機質和全氮雖然總體隨利用時間延長處于上升趨勢，但利用前50 a內增加幅度顯著高于后期。不同土地利用方式（如水田和旱地）對土壤性質演變有顯著影響，K?lbl等［21］研究表明，水田管理相對于旱地加速了土壤成土過程。本研究雖然以旱地土壤為對象，但也存在著一定的水田耕作歷史，慈溪濱海鹽堿土在農業利用初期一般通過種植水稻對土壤洗鹽、排鹽，至少3～5 a后才可改為旱地利用，導致利用初期土壤性質快速變化。

本研究表明，利用5～1 000 a的農田土壤平均硝化強度為45.4%，雖然高于南方酸性紅壤，但低于東北黑土和華北平原的潮土［26］。濱海圍墾農田土壤母質為海洋和河口沉積物，土壤微生物受鹽堿脅迫，導致杭州灣濱海鹽土區總體硝化強度受抑制，針對閩江口沉積物的研究也表明硝化強度總體偏低［27］。除了成土歷史因素外，本研究證實土壤鹽度（電導率）是影響濱海圍墾農田土壤硝化強度的主要影響因子（圖5）。鹽度主導沉積物硝化等氮轉化過程已有諸多報道［28-29］。研究者針對巴西瀉湖沉積物研究發現，在0～3‰范圍內硝化強度隨鹽度呈指數衰減［7］，在珠江、長江和黃河三角洲的研究也發現，較高的鹽度對硝化過程有明顯的抑制作用，而低鹽條件下的含鹽量變化對土壤硝化強度影響不明顯［8-10］。本研究也證實，濱海圍墾農田土壤隨著利用年限的延長，土壤鹽度下降，土壤硝化強度趨于升高（圖2），與以上研究結果一致。胡君利等［13］基于慈溪圍墾農田研究發現，隨著利用年限的延長，水稻土的硝化強度趨于下降；Jiang等［30］同樣發現300 a水稻土硝化作用和氮礦化速率均高于利用700 a土壤。以上兩項研究與本文結果不一致的原因可能是其對象為水稻土，水田在大部分時間處于淹水狀態，而硝化微生物需要通過氧化氨分子獲得能量維持其生存與生長，因此，硝化強度受氧供應及土壤pH強烈影響［31］。研究表明，生態系統類型是土壤硝化過程地理分異規律的最優解釋因子，農田生態系統硝化速率顯著高于濕地，也一定程度證明淹水缺氧條件對土壤硝化過程的抑制作用［32］。

關于土壤微生物分布是歷史因素還是當代環境條件決定的，目前學術界尚存在爭議。本研究利用空間換時間的方法研究了硝化細菌數量和硝化強度在大時間尺度下的變化規律，排除了大尺度下研究中受不同土壤類型的干擾，具有較強的代表性。本研究中歷史因素（利用年限）對硝化強度和硝化細菌數量的貢獻率分別為45%和15%，其余均為當代環境條件（有效磷、電導率等土壤理化性質）所貢獻。因此，本研究表明了主導杭州灣灘涂圍墾農田土壤硝化細菌數量和硝化強度的是當代環境條件，與Sun等［33］基于長期土壤移置試驗的結論一致。濱海鹽堿土壤除了受鹽度脅迫外，土壤養分含量極低，致使微生物及其功能還易受養分供給脅迫，因此，當代環境因子對其有更大的影響。例如，本研究表明，有效磷是硝化細菌豐度的主要影響因素（圖5）。磷元素不僅是微生物重要組成元素，同時也參與微生物代謝，相關研究也表明，土壤中有效磷的供給是微生物物種分化主要控制因素［34］，同時也是微生物生長繁殖的主要限制因子［35］。

土壤是一個復雜的動態系統，探尋土壤微生物多樣性與功能的關系非常困難［36］。本研究中，雖然在利用前期（0～5 a）土壤硝化強度與硝化細菌數量均處于較低水平，但隨著利用年限的增加，兩者變化趨勢出現較大的差異（圖2、圖4），相關分析同樣表明硝化細菌數量與硝化強度無顯著相關性（r=0.093，P=0.456）。導致以上結果的主要原因可能是：1）隨著利用年限增加，有機碳等養分供應充足，硝化微生物活性增強，因此，20～120 a土壤硝化微生物很可能出現功能冗余；2）一定的鹽度范圍有利于硝化微生物增殖［28］，但硝化活性受抑制；3）土壤中是影響礦化速率的主要因子（圖5），作為底物影響了硝化微生物數量；4）未考慮到硝化微生物群落分布及微生物間的相互作用［37］。利用高分辨率的測序和分子生態網絡構建技術，分析不同利用年限農田土壤硝化微生物群落分布及網絡關系，闡明土壤硝化功能的關鍵生物因子，是土壤生物地理學需要重點關注的研究內容。

4 結 論

本研究選取杭州灣南岸的不同利用年限濱海圍墾農田土壤為研究對象，通過比較不同利用年限的海陸界面農田關鍵土壤過程，以空間換時間，探索在大時間尺度下（0～1 000 a）海陸界面旱地土壤關鍵氮素轉化過程和硝化細菌生物演變規律。研究結果表明，隨著土壤利用年限的增加，土壤鹽度和pH下降，土壤C、N等含量逐漸積累，且利用前50 a內變化幅度較大；土壤硝化強度隨著利用時間的延長而趨于升高，其主要影響因子是利用年限（45%）；土壤中是影響N礦化速率的主要因子（86%），利用220～1 000 a土壤有較高的礦化速率；土壤硝化細菌數量表現為先增加后降低的趨勢，土壤有效磷是其關鍵限制因子（42%）。海陸界面土壤在農業持續利用過程中，隨著土壤鹽堿下降至一定的范圍內，硝化強度得到一定提高，今后要利用綜合調控手段以避免農田N素淋失對沿海漁業和生態環境帶來的負面影響。