不同氮化合物添加對農牧交錯帶草地土壤凈氮礦化速率的影響

摘要：為研究不同氮化合物在土壤中對氮轉化過程的影響是否存在差異，本研究依托山西右玉黃土高原草地生態系統國家定位觀測研究站2017年建立的不同形態氮化合物添加試驗平臺，通過頂蓋埋管法監測5種不同氮化合物（硝酸銨（NH₄NO₃，AN）、硫酸銨（（NH₄）₂SO₄，AS）、碳酸氫銨（NH₄HCO₃，AC）、尿素（CO（NH₂）2，UN）、緩釋尿素（RUN））添加對農牧交錯帶草地土壤凈氮礦化速率的影響。結果發現：添加硝酸銨、硫酸銨、碳酸氫銨、尿素與緩釋尿素對硝化細菌的基因豐度均有不同程度提升；添加硝酸銨及緩釋尿素會更有效地提高凈氮礦化速率，不同氮化合物均是通過直接或間接影響土壤微生物實現對凈氮礦化速率的調控。

關鍵詞：氮化合物；凈氮礦化；硝化速率；可溶性有機碳；可溶性有機氮；氨氧化細菌；氨氧化古菌

中圖分類號：S154.1文獻標識碼：A文章編號：1007-0435（2023）05-1322-09

The Effects of Different Nitrogen Compounds Additions on Net Nitrogen

Mineralization of Grassland in the Agro-pastoral Ecotone in Northern China

ZHANG Zuo-en DIAO Hua-jie HAO Jie YAN Xue-dong

GAO Yan-ping WANG Chang-hui DONG Kuan-hu

（1. College of Grassland Science， Shanxi Agricultural University， Taigu， Shanxi Province 030801， China; 2. Shanxi Key Laboratory

of Grassland Ecological Protection and Native Grass Germplasm Innovation， Taigu， Shanxi Province 030801， China; 3. Youyu

Loess Plateau Grassland Ecosystem Research Station， Youyu， Shanxi Province 037200， China; 4. Agricultural and Rural Bureau

of Fanshi County， Fanshi， Shanxi Province 034300， China）

Abstract：In order to study whether it is different that the effects of different forms of nitrogen compounds on the process of nitrogen transformation in soil，the additions of different nitrogen compounds was established in the experimental platform：the Shanxi Youyu Loess Plateau Grassland Ecosystem National Positioning Observation and Research Station in 2017. This study investigated the effects of five different nitrogen compounds （ammonium nitrate （NH₄NO₃，AN），ammonium sulfate （（NH4）2SO4，AS），ammonium bicarbonate （NH₄HCO₃，AC），urea （CO（NH₂）₂，UN），slow-release urea （RUN）） on the net nitrogen mineralization rate in grassland soil in the agro-pastoral ecotone. It was found out that the addition of NH₄ NO₃，（NH₄）₂SO₄，NH₄HCO₃，CO（NH₂）₂ and slow-release urea increased gene abundance of the nitrification bacteria to varying degrees. Adding ammonium nitrate and slow-release urea could more effectively increase the net nitrogen mineralization rate. Different nitrogen compounds regulate the net nitrogen mineralization rate through direct or indirect impositions on soil microorganisms.

Key words：Nitrogen compounds;Net nitrogen mineralization;Nitrification rate;Soluble organic carbon；Soluble organic nitrogen;AOA;AOB

1材料與方法

1.1試驗地概況試驗地點位于“山西右玉黃土高原草地生態系統國家定位觀測研究站”（39°59′ N，112°19′ E），海拔1 348 m，年平均氣溫4.6℃，年降水量425 mm，年蒸發量約1 000～91 500 mm，無霜期100～120 d。草地類型為典型草地，優勢種為賴草（Leymus secalinus），伴生種有堿茅（Puccinellia tenuiflora）、草地風毛菊（Saussurea amara）、西伯利亞蓼（Polygonum sibiricum）、鵝絨委陵菜（Potentilla ansrina）等。土壤為栗鈣土，土壤pH值為8.5～9.5［18］。

1.2試驗設計

1.3測定項目及方法

1.4數據處理

數據采用一般線性回歸法和Pearson相關性系數土壤分析氮礦化速率與可溶性有機碳、可溶性氮以及微生物生物量碳、氮和地上生物量等因子之間的相關性。采用重復測定方差分析法對土壤凈氮礦化速率、可溶性有機碳、可溶性氮等指標進行分析。通過單因素方差分析不同組分氮添加對土壤凈氮礦化速的影響，并采用結構方程模型對不同組分氮添加之間的差異進行多重比較。采用Excel 2019整理，數據分析使用SPSS 22.0 （顯著性水平P=0.05），運用Origin 2017進行作圖，采用Amos 24.0構建結構方程模型。

2結果與分析

2.1土壤理化性質對不同氮化合物添加的響應不同氮化合添加顯著影響土壤溫度（Plt;0.05，圖2），對土壤含水量無顯著影響。與對照處理相比，添加硝酸銨（AN）處理下，土壤平均溫度下降了3.3℃，尿素（UN）與緩釋尿素（RUN）處理下土壤平均溫度均降低2.5℃；在硫酸銨（AS）處理下土壤平均溫度降低2.4℃。

銨態氮、硝態氮和無機氮積累量在生長季均呈季節波動（圖3），6月迅速升高，7月下降，硝態氮與無機氮積累量逐漸下降并在8、9月趨于平穩，銨態氮積累量在8月小幅度升高，9月趨于平穩。硝酸銨（AN）對土壤氮的積累量有顯著影響（Plt;0.05）。與對照（CK）相比緩釋尿素（RUN）在8月份銨態氮的積累量顯著高于其它處理（Plt;0.05）。

2.3AOA與AOB對不同氮化合物添加的響應對添加5種不同氮化合物處理后的AOA和AOB的基因豐度結果分析表明，每克干土中AOA基因豐度在3.3×10⁷到6.3×107個之間，而AOB基因豐度在1×10⁷到2.3×10⁷個范圍內（圖6）。相同氮添加處理下的AOA豐度均顯著高于AOB豐度（Plt;0.05）。在添加硝酸銨（AN）、硫酸銨（AS）、碳酸氫銨（AC）、尿素（UN）和緩釋尿素（RUN）后，AOA的基因豐度有上升的趨勢，其中添加硝酸銨（AN）后有上升趨勢，添加尿素（UN）沒有上升的趨勢。AOB的基因豐度在添加硝酸銨（AN）、硫酸銨（AS）、碳酸氫銨（AC）、尿素（UN）處理下顯著高于對照（CK）（Plt;0.05，圖6），其中仍是硝酸銨（AN）最為顯著，添加緩釋尿素（RUN）不影響AOB的基因豐度。在碳酸氫銨（AC）與尿素（UN）處理下，凈硝化速率與AOA的基因豐度呈現出顯著的線性相關（Plt;0.05）；而在尿素（UN）與緩釋尿素（RUN）處理下，凈硝化速率與AOB的基因豐度也呈顯著的線性正相關（Plt;0.05）；僅在對照（CK）處理下，發現凈硝化速率與AOB的基因豐度呈現顯著的線性負相關（Plt;0.05，圖7）。

2.4不同氮化合物對土壤凈氮礦化速率的影響途徑結構方程模型分析表明，凈氮礦化速率的解釋度為22%；相較于凈銨化速率，凈硝化速率對于凈氮礦化速率具有更高的解釋度；凈硝化速率的主要影響因子為硝態氮的累積量；土壤溫度和微生物生物量碳均與凈硝化速率呈負相關；不同氮化合物的添加降低了土壤溫度（圖8）。

3討論

3.1不同氮化合物通過土壤理化性質影響凈氮礦化速率根據結構方程模型顯示，不同氮化合物添加影響凈氮礦化速率，不同氮化合物添加顯著降低土壤溫度，這與楊澤等［19］在溫帶干旱草地生態系統的研究結果相一致。在AN處理下土壤溫度下降最明顯。這是由于大部分草地植物對于氮添加的反應敏感［20］，而不同的氮添加勢必會造成草地植物地上生物量的差異性［21］，地上生物量的不同導致所產生的蔭蔽效應的強弱最終影響了土壤溫度，AN由于施加了兩種不同形態的氮，導致地上生物量增長最大，蔭蔽效應也最強烈。而不同氮化合物添加通過影響土壤溫度影響AOA最終調控凈氮礦化速率［22］，這與張翠景等［23］在內蒙古溫帶草原生態系統中AOA會受溫度影響的研究結果相一致。

不同氮化合物顯著影響了MBN，這與在高山草地生態系統中的研究結果相一致［24］。原因有兩個，首先不同化合物氮添加顯著降低土壤溫度，而土壤溫度降低對土壤微生物氮吸收和固持作用具有一定的促進作用，并且在不同程度上加強了土壤微生物對無機氮的吸收。其次MBN［25］ 的增加是由于DON、IN的增加減少了植物與微生物之間的氮素競爭，不同氮化合物添加會顯著增加土壤中可溶性有機氮的含量，這與在草原生態系統和森林生態系統中氮添加的研究結果相一致［26-27］。不僅如此有研究表明無論是添加有機氮［28］與無機氮［29］均會提高土壤中DOC的含量，但不同氮化合物添加對DOC含量的影響程度不同，即添加有機氮后DOC含量會顯著高于添加無機氮化合物［30］。不同氮化合物添加也會影響IN的含量，這與賀佩等［31］在溫帶典型草原的研究結果相一致。添加AN和UN后，使得DOC、DON、MBN與凈氮礦化速率呈現顯著的線性相關關系，這與在青藏高原的馬志良等［32］研究結果發現DOC、DON為參與氮轉化的土壤微生物提供底物結果一致，添加AC和RUN的使提高了DON、MBC含量，進一步有利于晉北農牧交錯帶草地生態系統土壤凈氮礦化速率的提高。所不同氮化合物添加提高了土壤中銨態氮、硝態氮和無機氮含量，但是對土壤凈氮礦化速率的影響途徑不同，通過土壤溫度影響微生物生物量進而調控凈硝化速率與凈氮礦化速率。

3.2不同氮化合物通過土壤微生物影響凈氮礦化速率

4結論

本研究通過分析不同氮化合物添加對華北農牧交錯帶草地凈氮礦化速率的影響，發現添加硝酸銨、硫酸銨、碳酸氫銨、尿素與緩釋尿素對硝化細菌的基因豐度均有不同程度提升；添加硝酸銨及緩釋尿素會更有效地提高凈氮礦化速率，不同氮化合物均是通過直接或間接影響土壤微生物實現對凈氮礦化速率的調控，因此在農牧交錯帶生態系統的研究中應充分考慮不同氮沉降對土壤碳氮循環的影響。

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（責任編輯 彭露茜）