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(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023；2. 南京師范大學(xué) 虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210023；3. 南京師范大學(xué) 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023；4. 南京師范大學(xué) 江蘇省地理環(huán)境演化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育建設(shè)點(diǎn)，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(fā)生，嚴(yán)重危害經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、人類生命安全以及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定[1]。降水是自然生態(tài)系統(tǒng)中水分調(diào)節(jié)的重要過程，為植物、動(dòng)物和微生物的生理活動(dòng)提供水分，也影響著土壤中營養(yǎng)元素遷移和轉(zhuǎn)化[2?3]。氮是植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)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(dǎo)的土壤氮轉(zhuǎn)化控制[5]，而水分則通過影響土壤氧氣(O2)、底物擴(kuò)散、微生物活性及其群落結(jié)構(gòu)等進(jìn)而影響土壤氮轉(zhuǎn)化[6?8]。CURTIN等[9]發(fā)現(xiàn)土壤水分對(duì)氮素礦化作用的影響包括對(duì)微生物生物量的直接影響和擴(kuò)散底物的間接影響；MANZONI等[10]發(fā)現(xiàn)土壤水分變化顯著影響微生物群落結(jié)構(gòu)，如真菌和放線菌比細(xì)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(yōu)勢等。適量的土壤水分含量能促進(jìn)氮素遷移和轉(zhuǎn)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(huì)引起生態(tài)系統(tǒng)負(fù)面效應(yīng)，如硝態(tài)氮()淋溶造成的水體富營養(yǎng)化、反硝化增強(qiáng)造成的氣體污染、營養(yǎng)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(zhuǎn)化對(duì)評(píng)估全球氣候變化背景下土壤氮素有效性及其生態(tài)效應(yīng)具有十分重要的意義。已有研究認(rèn)為：土壤水分變化對(duì)氮凈轉(zhuǎn)化速率有影響[13?14]，氮凈轉(zhuǎn)化速率能夠表征土壤供氮能力和氮損失風(fēng)險(xiǎn)[15]，但僅代表單位時(shí)間內(nèi)某種特定形態(tài)氮素的凈含量變化，是與氮庫相關(guān)的多個(gè)氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率的綜合結(jié)果；氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率是指土壤氮素從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài)的實(shí)際轉(zhuǎn)化速率[16?17]。土壤凈礦化速率低并不意味著土壤未發(fā)生礦化和硝化作用，也可能是因?yàn)榈V化和硝化作用產(chǎn)生的銨態(tài)氮()和被微生物同化而抵消[18?19]，因此氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率更能反映土壤真實(shí)的氮素動(dòng)態(tài)變化。土壤不同氮轉(zhuǎn)化過程，如有機(jī)氮礦化、微生物同化、自養(yǎng)硝化、異養(yǎng)硝化、微生物同化、反硝化等，是同時(shí)發(fā)生的，這些過程的初級(jí)速率決定了土壤無機(jī)氮的主導(dǎo)形態(tài)、含量變化和去向[5]。當(dāng)前定量研究土壤水分變化對(duì)氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率影響的報(bào)道很少，且主要集中于土壤氮初級(jí)礦化和硝化速率[19?20]，氮轉(zhuǎn)化對(duì)土壤含水量變化的響應(yīng)機(jī)制還不是很清楚。明確不同氮轉(zhuǎn)化過程的初級(jí)速率對(duì)水分變化的響應(yīng)，能更好地評(píng)估全球氣候變化背景下土壤氮素動(dòng)態(tài)及其有效性。KIRKHAM等[21]在1954年提出了運(yùn)用15N稀釋技術(shù)結(jié)合算術(shù)分析方法定量土壤氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率的方法；隨著計(jì)算機(jī)分析技術(shù)的快速發(fā)展，一些數(shù)值優(yōu)化模型取代了較為簡單的算術(shù)分析計(jì)算方法，使得土壤氮轉(zhuǎn)化研究更接近于真實(shí)過程[22?23]。MüLLER等[23]提出，利用土壤氮轉(zhuǎn)化模型如15N示蹤模型，可同時(shí)計(jì)算出有機(jī)氮礦化、微生物同化、自養(yǎng)硝化、異養(yǎng)硝化、微生物同化等10個(gè)過程的氮初級(jí)轉(zhuǎn)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(qū)，氣候條件優(yōu)越，開發(fā)利用潛力巨大，在農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展中占有重要地位和作用[24]。明確紅壤氮轉(zhuǎn)化對(duì)土壤水分變化的響應(yīng)，能夠?yàn)槿驓夂蜃兓尘跋录t壤氮素動(dòng)態(tài)及其生態(tài)效應(yīng)的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本研究在江西雙圳林場采集典型的紅壤，采用15N成對(duì)標(biāo)記技術(shù)，結(jié)合數(shù)值優(yōu)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(zhuǎn)化過程的初級(jí)速率，為探明紅壤氮轉(zhuǎn)化對(duì)土壤水分變化的響應(yīng)機(jī)制提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)江西省鷹潭市雙圳林場(27°59′N，117°25′E)屬亞熱帶季風(fēng)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(zhì)發(fā)育的紅壤，優(yōu)勢植被是馬尾松Pinus massoniana和杉木Cunninghamia lanceolata。于2018年11月在研究區(qū)隨機(jī)選擇5個(gè)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(yǎng)實(shí)驗(yàn)，1份風(fēng)干后用于理化性質(zhì)測定。供試土壤pH 5.07，有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為19.78和1.92 g·kg?1，可溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 236.5 mg·kg?1。

1.2 15N 成對(duì)標(biāo)記實(shí)驗(yàn)

稱取相當(dāng)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(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)24.0 h。取出預(yù)培養(yǎng)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(shè)置4個(gè)土壤水分梯度，即土壤最大持水量的20% (W20，干燥狀態(tài))、60% (W60，水分最適合的好氧狀態(tài)[25])、80% (W80，好氧狀態(tài)與厭氧狀態(tài)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)[26])、100% (W100，水分飽和狀態(tài))，用帶孔保鮮膜封住三角瓶口，繼續(xù)置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)144.0 h。每隔2 d補(bǔ)充土壤水分。在加入15NH4NO3或NH415NO3后0.5、48.0、96.0、144.0 h進(jìn)行破壞性取樣，測定土壤、質(zhì)量分?jǐn)?shù)及15N豐度。

1.3 土壤理化學(xué)性質(zhì)測定

土壤pH采用DMP-2型pH計(jì)(Quark)測定，土水質(zhì)量比為1.0∶2.5。土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用高溫重鉻酸鉀-外加熱法測定。土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)使用半微量開氏消煮法測定。土壤可溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(dòng)分析儀(SA1000, Skalar)測定氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。用氧化鎂(MgO)和戴維斯合金微擴(kuò)散結(jié)合草酸吸附法分離浸提液中的和，使用同位素質(zhì)譜儀(Europa Scientific Integra)測定15N豐度。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

采用NtraceBasic模型定量土壤中主要氮轉(zhuǎn)化過程的初級(jí)速率[23](圖1)，將測定的土壤和質(zhì)量分?jǐn)?shù)及15N豐度輸入模型，通過優(yōu)化運(yùn)算，計(jì)算土壤中10種氮轉(zhuǎn)化的初級(jí)速率。其中表示易分解有機(jī)氮庫初級(jí)礦化速率，表示難分解有機(jī)氮庫初級(jí)礦化速率，表示初級(jí)異養(yǎng)硝化(難分解有機(jī)氮庫氧化為)速率，表示初級(jí)自養(yǎng)硝化(氧化為)速率，表示微生物同化到易分解有機(jī)氮庫速率，表示微生物同化到難分解有機(jī)氮庫速率，表示初級(jí)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(xì)介紹了該模型，包括參數(shù)設(shè)置和具體操作等?？偟跫?jí)礦化速率計(jì)算方法：總氮初級(jí)硝化速率計(jì)算方法：總初級(jí)微生物同化速率計(jì)算方法：土壤氮凈礦化和凈硝化速率的計(jì)算方法參照 文 獻(xiàn)[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(yǎng)結(jié)束時(shí)土壤和質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg·kg?1)，MN0表示培養(yǎng)開始時(shí)土壤和質(zhì)量分?jǐn)?shù) (mg·kg?1)，NN1表示培養(yǎng)結(jié)束時(shí)土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù) (mg·kg?1)，NN0表示培養(yǎng)開始時(shí)土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù) (mg·kg?1)，t為培養(yǎng)時(shí)間(h)。

圖1 土壤氮素初級(jí)轉(zhuǎn)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(yàn)4個(gè)水分處理間各土壤氮轉(zhuǎn)化速率的差異。根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)，計(jì)算各個(gè)氮轉(zhuǎn)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(shí)際重復(fù)次數(shù)有關(guān)，反映在各參數(shù)的概率密度函數(shù)中[23]。使用 Sigma Stat 4.0(Systat Software)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。方程擬合和圖形繪制均在Sigma Plot 14.0上完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和15N 豐度

圖2 不同水分土壤和質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(duì)氮轉(zhuǎn)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(shí)達(dá)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(fù)值(圖3)。

圖3 土壤氮素凈轉(zhuǎn)化速率與土壤含水量的關(guān)系Figure 3 Relationships between soil net transformation rates and moistures

表1 土壤氮轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)值

參數(shù) 方程參數(shù) 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(jí)轉(zhuǎn)化速率與土壤含水量的關(guān)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(duì) 的貢獻(xiàn)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(kuò)散、微生物活性及其群落結(jié)構(gòu)等影響氮轉(zhuǎn)化過程，控制土壤氮素有效性，影響生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定[5?6, 8]。本研究表明：土壤不同活性有機(jī)氮庫初級(jí)礦化速率對(duì)水分變化的響應(yīng)不同。CHEN等[31]發(fā)現(xiàn)：30%土壤孔隙含水量(WFPS)處理的黑土易分解有機(jī)氮庫初級(jí)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(diào)節(jié)有關(guān)。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(jī)氮庫初級(jí)礦化速率的機(jī)制與黑土不同。增加土壤含水量可促進(jìn)反應(yīng)底物擴(kuò)散[29, 32]，提高微生物與底物接觸機(jī)率，進(jìn)而刺激土壤易分解有機(jī)氮庫礦化過程。一般來講，當(dāng)土壤含水量達(dá)到最大持水量的100%時(shí)，土壤處于厭氧狀態(tài)，不利于除厭氧微生物外的其他微生物生存。本研究在W100時(shí)表現(xiàn)出最大響應(yīng)，可能與土壤性質(zhì)有關(guān)；供試土壤為針葉林紅壤，有機(jī)質(zhì)含量適中，砂礫/黏礫比例偏高[19]，即使土壤含水量達(dá)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(jìn)而刺激易分解有機(jī)氮庫礦化過程。土壤水分變化對(duì)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(jī)物分解的溫度敏感性[15, 34]。本研究區(qū)的優(yōu)勢植被是馬尾松和杉木，凋落物難分解有機(jī)質(zhì)含量高，而難分解有機(jī)質(zhì)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(jī)氮礦化。DAN等[36]在相同研究區(qū)研究溫度變化(5～45 ℃)對(duì)氮轉(zhuǎn)化的影響發(fā)現(xiàn)：難分解有機(jī)氮庫初級(jí)礦化速率()僅在45 ℃時(shí)有顯著響應(yīng) (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(tài)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(jī)氮庫礦化產(chǎn)生，且土壤含水量越大，產(chǎn)生量越多。

自養(yǎng)硝化作用主要是自養(yǎng)硝化細(xì)菌或古菌將NH3氧化成，異養(yǎng)硝化作用則主要是異養(yǎng)硝化細(xì)菌或真菌將NH3或有機(jī)氮氧化成，被認(rèn)為是產(chǎn)生的2種重要途徑。本研究表明：隨含水量增加，上述2個(gè)過程對(duì)總產(chǎn)生速率(N)的貢獻(xiàn)不同。CHEN等[31]整合文獻(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：對(duì)于所有生態(tài)系統(tǒng)(特別是森林生態(tài)系統(tǒng))而言，土壤初級(jí)異養(yǎng)硝化速率()與降水量顯著正相關(guān)。但他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)：增加農(nóng)田黑土水分含量(從最大持水量的30%到70%)抑制了異養(yǎng)硝化作用[31]。LIU等[38]也觀測到農(nóng)田土壤在50% WFPS處理時(shí)顯 著高于70% WFPS處理。本研究也發(fā)現(xiàn)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(zhì)有關(guān)。真菌是亞熱帶酸性針葉林土壤異養(yǎng)硝化作用的主要驅(qū)動(dòng)者[39]，一般適應(yīng)偏干旱環(huán)境[40]，高水分含量條件下活性低，不利于異養(yǎng)硝化作用進(jìn)行。此外，高水分含量限制了O2向土壤擴(kuò)散，降低真菌活性，進(jìn)而抑制真菌驅(qū)動(dòng)的異養(yǎng)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(yǎng)硝化微生物活動(dòng)。

4 結(jié)論

紅壤各種氮轉(zhuǎn)化對(duì)水分變化的響應(yīng)存在顯著差異。隨著土壤含水量增加，易分解有機(jī)氮庫初級(jí)礦化速率顯著上升，難分解有機(jī)氮庫初級(jí)礦化速率無顯著變化，總氮初級(jí)礦化速率顯著上升。初級(jí)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(shí)也明顯增加，使得總無機(jī)氮消耗速率隨水分含量增加而增加，并在W80處理時(shí)超過總氮初級(jí)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(fù)值，說明適當(dāng)增加土壤水分含量會(huì)提高紅壤氮素的可利用性；但如果水分含量繼續(xù)增加，土壤氮循環(huán)將進(jìn)入凈消耗狀態(tài)，有效氮的供應(yīng)會(huì)受到限制。