紅壤氮轉化對土壤水分變化的響應

但小倩，陳招兄，程 誼,2,3,4，蔡祖聰,2,3,4，張金波,2,3,4

（1. 南京師范大學 地理科學學院，江蘇 南京 210023；2. 南京師范大學 虛擬地理環境教育部重點實驗室，江蘇南京 210023；3. 南京師范大學 江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心，江蘇 南京 210023；4. 南京師范大學 江蘇省地理環境演化國家重點實驗室培育建設點，江蘇 南京 210023）

近年來，受全球氣候變化的影響，極端降水事件頻繁發生，嚴重危害經濟社會發展、人類生命安全以及生態系統穩定[1]。降水是自然生態系統中水分調節的重要過程，為植物、動物和微生物的生理活動提供水分，也影響著土壤中營養元素遷移和轉化[2?3]。氮是植物生長發育必需的營養元素之一[4]，土壤氮素是植物可利用氮素的主要來源，它的有效性受微生物介導的土壤氮轉化控制[5]，而水分則通過影響土壤氧氣(O2)、底物擴散、微生物活性及其群落結構等進而影響土壤氮轉化[6?8]。CURTIN等[9]發現土壤水分對氮素礦化作用的影響包括對微生物生物量的直接影響和擴散底物的間接影響；MANZONI等[10]發現土壤水分變化顯著影響微生物群落結構，如真菌和放線菌比細菌更耐受干旱脅迫、干旱土壤中革蘭氏陽性菌比革蘭氏陰性菌更占優勢等。適量的土壤水分含量能促進氮素遷移和轉化，提高氮素有效性，有利于植物生長，而一旦水分含量超過臨界范圍會引起生態系統負面效應，如硝態氮()淋溶造成的水體富營養化、反硝化增強造成的氣體污染、營養元素不足造成的生物多樣性降低等[11?12]。因此，研究土壤水分變化如何影響氮轉化對評估全球氣候變化背景下土壤氮素有效性及其生態效應具有十分重要的意義。已有研究認為：土壤水分變化對氮凈轉化速率有影響[13?14]，氮凈轉化速率能夠表征土壤供氮能力和氮損失風險[15]，但僅代表單位時間內某種特定形態氮素的凈含量變化，是與氮庫相關的多個氮初級轉化速率的綜合結果；氮初級轉化速率是指土壤氮素從一種形態轉化為另一種形態的實際轉化速率[16?17]。土壤凈礦化速率低并不意味著土壤未發生礦化和硝化作用，也可能是因為礦化和硝化作用產生的銨態氮()和被微生物同化而抵消[18?19]，因此氮初級轉化速率更能反映土壤真實的氮素動態變化。土壤不同氮轉化過程，如有機氮礦化、微生物同化、自養硝化、異養硝化、微生物同化、反硝化等，是同時發生的，這些過程的初級速率決定了土壤無機氮的主導形態、含量變化和去向[5]。當前定量研究土壤水分變化對氮初級轉化速率影響的報道很少，且主要集中于土壤氮初級礦化和硝化速率[19?20]，氮轉化對土壤含水量變化的響應機制還不是很清楚。明確不同氮轉化過程的初級速率對水分變化的響應，能更好地評估全球氣候變化背景下土壤氮素動態及其有效性。KIRKHAM等[21]在1954年提出了運用15N稀釋技術結合算術分析方法定量土壤氮初級轉化速率的方法；隨著計算機分析技術的快速發展，一些數值優化模型取代了較為簡單的算術分析計算方法，使得土壤氮轉化研究更接近于真實過程[22?23]。MüLLER等[23]提出，利用土壤氮轉化模型如15N示蹤模型，可同時計算出有機氮礦化、微生物同化、自養硝化、異養硝化、微生物同化等10個過程的氮初級轉化速率。紅壤約占中國土地面積的21%，廣泛分布在熱帶和亞熱帶地區，氣候條件優越，開發利用潛力巨大，在農業、經濟、生態可持續發展中占有重要地位和作用[24]。明確紅壤氮轉化對土壤水分變化的響應，能夠為全球氣候變化背景下紅壤氮素動態及其生態效應的研究提供基礎數據。本研究在江西雙圳林場采集典型的紅壤，采用15N成對標記技術，結合數值優化模型(NtraceBasic)，量化紅壤不同水分條件(最大持水量的20%、60%、80%、100%) 下土壤不同氮轉化過程的初級速率，為探明紅壤氮轉化對土壤水分變化的響應機制提供基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區江西省鷹潭市雙圳林場(27°59′N，117°25′E)屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為17.6 ℃，年平均降水量為1 778 mm，主要集中在4?6月。土壤為花崗巖母質發育的紅壤，優勢植被是馬尾松Pinus massoniana和杉木Cunninghamia lanceolata。于2018年11月在研究區隨機選擇5個1 m×1 m地塊，除去凋落物層，采集0～20 cm土壤樣品。所有樣品混合均勻，過2 mm篩，1份存于4 ℃冰箱用作培養實驗，1份風干后用于理化性質測定。供試土壤pH 5.07，有機碳和全氮質量分數分別為19.78和1.92 g·kg?1，可溶性有機碳質量分數為 236.5 mg·kg?1。

1.2 15N 成對標記實驗

稱取相當于20 g烘干土的鮮土置于250 mL三角瓶中，用帶孔保鮮膜封住瓶口，放入25 ℃恒溫培養箱中預培養24.0 h。取出預培養樣品，分2組，1組加入2 mL15N豐度為10.20%的15NH4NO3，另1組加入2 mL15N豐度為10.25%的NH415NO3，每組氮添加量均為30 mg·kg?1。設置4個土壤水分梯度，即土壤最大持水量的20% (W20，干燥狀態)、60% (W60，水分最適合的好氧狀態[25])、80% (W80，好氧狀態與厭氧狀態的轉折點[26])、100% (W100，水分飽和狀態)，用帶孔保鮮膜封住三角瓶口，繼續置于25 ℃恒溫培養箱中培養144.0 h。每隔2 d補充土壤水分。在加入15NH4NO3或NH415NO3后0.5、48.0、96.0、144.0 h進行破壞性取樣，測定土壤、質量分數及15N豐度。

1.3 土壤理化學性質測定

土壤pH采用DMP-2型pH計(Quark)測定，土水質量比為1.0∶2.5。土壤有機碳質量分數采用高溫重鉻酸鉀-外加熱法測定。土壤全氮質量分數使用半微量開氏消煮法測定。土壤可溶性有機碳質量分數采用TOC儀(Multi N/C)測定。用2 mol·L?1的氯化鉀(KCl)溶液浸提土壤和，使用流動分析儀(SA1000, Skalar)測定氮質量分數。用氧化鎂(MgO)和戴維斯合金微擴散結合草酸吸附法分離浸提液中的和，使用同位素質譜儀(Europa Scientific Integra)測定15N豐度。

1.4 數據計算與統計分析

采用NtraceBasic模型定量土壤中主要氮轉化過程的初級速率[23](圖1)，將測定的土壤和質量分數及15N豐度輸入模型，通過優化運算，計算土壤中10種氮轉化的初級速率。其中表示易分解有機氮庫初級礦化速率，表示難分解有機氮庫初級礦化速率，表示初級異養硝化(難分解有機氮庫氧化為)速率，表示初級自養硝化(氧化為)速率，表示微生物同化到易分解有機氮庫速率，表示微生物同化到難分解有機氮庫速率，表示初級消耗(微生物同化和反硝化)速率，表示異化還原成速率，表示的吸附速率，表示的釋放速率。ZHANG等[27]、MüLLER等[23]和RüTTING等[28]詳細介紹了該模型，包括參數設置和具體操作等。總氮初級礦化速率計算方法：總氮初級硝化速率計算方法：總初級微生物同化速率計算方法：土壤氮凈礦化和凈硝化速率的計算方法參照 文 獻[29]： MN=24×(MN1?MN0)/t， NN=24×(NN1?NN0)/t。其中，MN表示凈礦化速率 (mg·kg?1·d?1)，NN表示凈硝化速率 (mg·kg?1·d?1)，MN1表示培養結束時土壤和質量分數(mg·kg?1)，MN0表示培養開始時土壤和質量分數 (mg·kg?1)，NN1表示培養結束時土壤質量分數 (mg·kg?1)，NN0表示培養開始時土壤質量分數 (mg·kg?1)，t為培養時間(h)。

圖1 土壤氮素初級轉化速率的15N 示蹤模型Figure 1 15N tracing model of gross soil N transformation rates

采用單因素方差分析(ANOVA)檢驗4個水分處理間各土壤氮轉化速率的差異。根據實際實驗重復次數，計算各個氮轉化過程速率在5%顯著性水平下的最小顯著性差異[30]。觀測到的誤差與實際重復次數有關，反映在各參數的概率密度函數中[23]。使用 Sigma Stat 4.0(Systat Software)進行統計分析。方程擬合和圖形繪制均在Sigma Plot 14.0上完成。

2 結果與分析

2.1 無機氮質量分數和15N 豐度

圖2 不同水分土壤和質量分數及15N豐度Figure 2 Measured (spots) and model-fitted (lines) values of concentration and 15N abundance of the and under various moistures

2.2 土壤含水量對氮轉化速率的影響

土壤氮凈礦化速率(MN)和凈硝化速率(NN)均隨含水量增加先上升后下降，且在W60處理時達到最大，分別為1.227和?0.385 mg·kg?1·d?1，W80和W100處理的氮凈礦化速率和所有處理的氮凈硝化速率均是負值(圖3)。

圖3 土壤氮素凈轉化速率與土壤含水量的關系Figure 3 Relationships between soil net transformation rates and moistures

表1 土壤氮轉化速率 (y)隨土壤含水量 ()變化的擬合方程Table 1 Fitting curve equations of soil N tansformation rates (y) with changing moistures (x)

表1 土壤氮轉化速率 (y)隨土壤含水量 ()變化的擬合方程Table 1 Fitting curve equations of soil N tansformation rates (y) with changing moistures (x)

說明：?表示沒有數值

參數 方程參數 方程M y=1.547 5exp(0.005 1x)，R2=0.922 0，P＜0.05 images/BZ_23_1202_1589_1269_1626.pngy=?0.083 0+0.005 7x?(4.630 7E?5)x2，R2=0.755 2，P＜0.05images/BZ_23_304_1646_375_1684.png y=1.483 2exp(0.005 5x)，R2=0.885 0，P＜0.05images/BZ_23_1202_1646_1273_1684.pngy=?0.014 4+(1.059 6E?5)x2.229 3，R2=0.821 1，P＜0.05images/BZ_23_304_1708_375_1745.png? images/BZ_23_1202_1708_1269_1745.pngimages/BZ_23_304_1770_362_1807.pngy=0.009 2+0.018 4x，R2=0.658 2，P＜0.05 MN y=?0.880 8+0.068 5x?0.000 7x2，R2=0.684 7，P＜0.05 N y=?0.062 9+0.003 8x，R2=0.930 4，P＜0.05 NN y=?1.204 0+0.028 8x?0.000 2x2，R2=0.994 3，P＜0.05 y=0.966 4?0.020 8x+0.000 2x2，R2=0.954 5，P＜0.05

圖4 土壤氮素初級轉化速率與土壤含水量的關系Figure 4 Relationships between gross of soil transformation rates and moistures

圖5 不同土壤含水量下土壤 I NH4_Nrec和INH4_Nlab對 的貢獻率Figure 5 Contribution ratio of I N H4_Nrec and I N H4_Nlab tounder various moistures

3 討論

土壤水分通過影響O2、底物擴散、微生物活性及其群落結構等影響氮轉化過程，控制土壤氮素有效性，影響生態系統穩定[5?6, 8]。本研究表明：土壤不同活性有機氮庫初級礦化速率對水分變化的響應不同。CHEN等[31]發現：30%土壤孔隙含水量(WFPS)處理的黑土易分解有機氮庫初級礦化速率()顯著高于70% WFPS處理，可能與低水分條件下微生物滲透壓調節有關。本研究中隨土壤含水量增加(從土壤最大持水量的20%到100%)顯著增加，說明影響紅壤易分解有機氮庫初級礦化速率的機制與黑土不同。增加土壤含水量可促進反應底物擴散[29, 32]，提高微生物與底物接觸機率，進而刺激土壤易分解有機氮庫礦化過程。一般來講，當土壤含水量達到最大持水量的100%時，土壤處于厭氧狀態，不利于除厭氧微生物外的其他微生物生存。本研究在W100時表現出最大響應，可能與土壤性質有關；供試土壤為針葉林紅壤，有機質含量適中，砂礫/黏礫比例偏高[19]，即使土壤含水量達到最大持水量的100%，土壤仍有未充滿水的大孔隙，通氣性較高，使微生物活性維持在較高水平，進而刺激易分解有機氮庫礦化過程。土壤水分變化對氮元素礦化作用的影響可能還取決于土壤溫度[33]。一般來講，土壤礦化作用的溫度敏感性取決于有機物分解的溫度敏感性[15, 34]。本研究區的優勢植被是馬尾松和杉木，凋落物難分解有機質含量高，而難分解有機質的溫度敏感性低[35]，即礦化作用的溫度敏感性低，因此需要更高溫度才能刺激難分解有機氮礦化。DAN等[36]在相同研究區研究溫度變化(5～45 ℃)對氮轉化的影響發現：難分解有機氮庫初級礦化速率()僅在45 ℃時有顯著響應 (2.102 mg·kg?1·d?1)，與本研究條件相同的常溫(25 ℃)處理下很低，僅0.089 mg·kg?1·d?1，這可能是在不同水分狀態下都很低且無顯著差異的主要原因。由此可見，本研究紅壤主要通過易分解有機氮庫礦化產生，且土壤含水量越大，產生量越多。

自養硝化作用主要是自養硝化細菌或古菌將NH3氧化成，異養硝化作用則主要是異養硝化細菌或真菌將NH3或有機氮氧化成，被認為是產生的2種重要途徑。本研究表明：隨含水量增加，上述2個過程對總產生速率(N)的貢獻不同。CHEN等[31]整合文獻時發現：對于所有生態系統(特別是森林生態系統)而言，土壤初級異養硝化速率()與降水量顯著正相關。但他們的實驗結果卻發現：增加農田黑土水分含量(從最大持水量的30%到70%)抑制了異養硝化作用[31]。LIU等[38]也觀測到農田土壤在50% WFPS處理時顯 著高于70% WFPS處理。本研究也發現土壤含水量由最大持水量的60%(W60)升至100%(W100)，逐漸下降，這可能與微生物性質有關。真菌是亞熱帶酸性針葉林土壤異養硝化作用的主要驅動者[39]，一般適應偏干旱環境[40]，高水分含量條件下活性低，不利于異養硝化作用進行。此外，高水分含量限制了O2向土壤擴散，降低真菌活性，進而抑制真菌驅動的異養硝化過程。本研究中W60處理的顯著大于W20處理，可能是該水分條件有利于異養硝化微生物活動。

4 結論

紅壤各種氮轉化對水分變化的響應存在顯著差異。隨著土壤含水量增加，易分解有機氮庫初級礦化速率顯著上升，難分解有機氮庫初級礦化速率無顯著變化，總氮初級礦化速率顯著上升。初級微生物同化速率隨含水量增加線性增加；總消耗速率在W80和W100處理時也明顯增加，使得總無機氮消耗速率隨水分含量增加而增加，并在W80處理時超過總氮初級礦化速率。因此，隨含水量增加氮凈礦化速率先上升到最大值，然后迅速下降到負值，說明適當增加土壤水分含量會提高紅壤氮素的可利用性；但如果水分含量繼續增加，土壤氮循環將進入凈消耗狀態，有效氮的供應會受到限制。