西南地區(qū)pH影響紫色土硝化作用機制研究

孟瑤，王智慧，羅紅燕，蔣先軍(西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400715)

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西南地區(qū)pH影響紫色土硝化作用機制研究

孟瑤，王智慧，羅紅燕*，蔣先軍*
(西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400715)

硝化作用是一個對pH高度敏感的典型過程，但pH影響土壤硝化作用的機制尚不完全明了。本研究以西南地區(qū)3種發(fā)育于同一母質(zhì)的不同pH的紫色土(酸性紫色土 pH=5.7，中性紫色土 pH=7.3，石灰性紫色土 pH=8.0)作為供試材料，研究pH對紫色土硝化強度及氨氧化微生物的長期效應；通過人為添加酸(H2SO4)或堿(NaOH)短期改變土壤pH的方法，研究pH對紫色土硝化作用強度、氨氧化微生物活性及豐度的短期效應。結果表明，pH的短期改變對酸性與石灰性紫色土的硝化作用無顯著影響(P>0.05)，但對中性紫色土的硝化速率影響顯著(P<0.05)；氨氧化古菌(AOA)的amoA基因在酸性土壤環(huán)境中的表達更高(3.04×108/g干土，AOA/AOB=31.8)，而氨氧化細菌(AOB)則更適應于石灰性紫色土環(huán)境(2.35×108/g干土，AOA/AOB=0.07)。研究表明,紫色土的硝化作用強度受pH的影響顯著，且在不同pH土壤中其作用機制各不相同。硝化微生物群落和活性主導了酸性和石灰性紫色土中的硝化作用，而中性紫色土中的硝化作用則是由底物濃度所主導。研究推測長期穩(wěn)定的pH是影響硝化微生物群落和活性的關鍵因素，而pH的短期改變則主要影響硝化反應的底物有效性。

硝化作用；氨氧化古菌；氨氧化細菌；土壤pH；實時熒光定量PCR

土壤中的硝化作用是一個對pH高度敏感的典型過程[1]。實驗室模擬試驗[2-3]與田間試驗[4-6]結果均表明：當pH在4.8～8.5的范圍內(nèi)時，硝化作用隨著pH的升高而增強。例如，北美白樺森林土壤pH在5.5～7.5范圍內(nèi)，凈硝化速率逐漸增大，且在pH 7.5時，土壤凈硝化速率是pH 5.5時的4倍[7]。但令人驚訝的是，土壤pH的短期改變(如施用石灰等人為活動)對硝化作用的影響，卻有著不同的研究結果。瑞典pH小于4.8的酸性森林土壤中開展的研究表明：施入石灰顯著提高了土壤硝化作用，即添加3 t/hm2石灰后，表層土壤的硝態(tài)氮濃度是原始土壤的67.5倍[8]。然而，在日本茶園強酸性土壤中，施用CaCO3并沒有提高其硝化活性[7]。甚至，有研究發(fā)現(xiàn)中國西湖和太湖地區(qū)的酸性森林土壤中施用石灰還會顯著降低土壤的凈硝化率[9]。

土壤pH影響硝化作用的機制至少包括兩個方面。首先，pH影響了硝化反應底物的化學形態(tài)與濃度，從而影響其有效性[10]。因為硝化作用的底物是NH3分子而非NH4+離子[11-12]，而高pH可以使得NH3分子與NH4+轉換的化學平衡式趨向于生成NH3分子，從而提高NH3分子的有效性。其次，土壤pH對參與硝化反應的土壤微生物的分布會有所影響。例如：在酸性土壤(pH 4.5～6.9)中，存在大量的AOA(氨氧化古菌 ammonia-oxidizing archaea),但卻檢測不到AOB(氨氧化細菌 ammonia-oxidizing bacteria)[13]，Di等[14]發(fā)現(xiàn)在新西蘭高氮草地土壤中施氮會增加AOB的數(shù)量和土壤硝化活性。

本實驗假設長期pH的影響主要針對硝化微生物的群落組成，而pH的短期改變主要針對反應底物有效性；硝化活性則是硝化微生物與底物相互作用的表現(xiàn)，所以不同性質(zhì)的土壤中，硝化作用對pH的響應有所不同。因此，本實驗采集相似母質(zhì)發(fā)育的酸性、中性和石灰性紫色土，研究pH對紫色土硝化強度、氨氧化微生物活性及豐度的長期影響；通過添加酸(H2SO4)或堿(NaOH)的方式，調(diào)節(jié)3種土壤的pH，研究短期pH變化對紫色土硝化強度、氨氧化微生物活性及豐度的影響，從而探索土壤pH影響紫色土硝化過程的作用機制，為土壤氮素管理策略提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

本實驗開展于2014年4月，3種供試紫色土壤分別是釆集于重慶市永川的酸性紫色土(pH 5.7)、中性紫色土(pH 7.3)及采集于四川鹽亭的石灰性紫色土(pH 8.0)，其基本理化性質(zhì)見表1。隨機選擇3個采樣點，釆集表層土壤(≤20 cm)，采集時盡量保持原狀土壤結構。將采回的濕土在室內(nèi)沿其自然結構將土塊小心掰成小土塊，除去植物殘體石塊以及蚯蚓等小動物，自然風干。土樣風干后磨細過2 mm篩，供實驗分析測定。

表1 供試土壤的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of the selected soils

1.2 培養(yǎng)實驗

稱取適量酸性、中性、石灰性紫色土風干土，分別分為3等份。一份只加純水，其余兩份用0.1 mol/L的NaOH溶液或0.5 mol/L的H2SO4溶液調(diào)節(jié)土壤pH，且保持田間最大持水量60%，置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱預培養(yǎng)7 d等待調(diào)節(jié)的pH達到平衡。經(jīng)淋洗后過2 mm篩，獲得不同pH系列土壤樣品：酸性紫色土(pH 5.7、6.5、7.1)、中性紫色土(pH 6.5、7.3、8.1)、石灰性紫色土(pH 6.5、7.4、8.0)。在250 mL三角瓶中分別加入10 g上述9種樣品，并加入8 mmol/kg氮源，每個樣品均有3個重復，保持田間最大持水量60%，置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱進行9 d的正式培養(yǎng)。正式培養(yǎng)的第0天(未加氮源時)、第9天，采集土壤樣品進行其硝態(tài)氮濃度的測定并計算凈硝化速率，且在第0、5、9天采集土壤樣品進行氨氧化微生物amoA基因拷貝數(shù)的測定。

1.3 測定方法

土壤樣品用濃度為2 mol/L的KCl溶液進行浸提，用紫外分光光度法測定浸提液中硝態(tài)氮的濃度，并用培養(yǎng)前后硝氮濃度變化計算凈硝化速率[15]。

本實驗所有樣品均采用E.Z.N.A TM Soil DNA kit試劑盒(Omega Bio-tek，美國)提取土壤總DNA，提取步驟按試劑盒說明書操作，提取出的DNA樣品保存于-20 ℃冰箱中備用。

隨后進行AOB和AOA中amoA基因的實時熒光定量PCR：采用引物amoA-1F (5′-GGGGTTTCTACTGGTGGT-3′) 和amoA-2R (5′-CCCCTCKGSAAAGCCTTCTTC-3′ )[K=G or T；S=G or C]直接擴增總DNA中氨氧化細菌(AOB)amoA的基因片段。采用引物Arch-amoA F (5′-STAATGGTCTGGCTTAGACG-3′) [K=G or T；S=G or C]和Arch-amoA R (5′-GCGGCCATCCATCTGTATGT-3′)直接擴增總DNA中氨氧化古菌(AOA)amoA基因片段。PCR反應體系為20 μL，包括1 μL DNA模板、10 μL SYBR Premix Ex TaqTM Perfect Real Time，前、后引物各0.5 μL (10 μmol/L)及8 μL的滅菌雙蒸水。實驗空白用滅菌雙蒸水代替DNA作為反應模板。AOA、AOB的熒光定量 PCR 擴增程序皆為95 ℃預變性30 s；95 ℃變性30 s，54 ℃退火30 s，72 ℃延伸45 s，40個循環(huán)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

測定所得數(shù)據(jù)采用Excel與Origin 8.6軟件進行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，采用SPSS 19.0中的單因素方差分析(ANOVA)進行數(shù)據(jù)的顯著性檢驗，其中多重比較采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進行檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 pH對紫色土中硝化作用的影響

圖1 3種不同pH紫色土的硝化作用Fig.1 Nitrification in three purple soil with different pH 不同字母代表P<0.05水平上差異顯著。 Different letters mean the significant differences at P<0.05. 誤差線表示標準差Error bars represent standard deviations, n=3.下同 The same below.

在經(jīng)過9 d的培養(yǎng)后，3種紫色土的凈硝化率差異顯著(P<0.05)(圖1)。其中，酸性紫色土的凈硝化率為負值[-0.23 mg N/(kg·d)]，表明該土壤中沒有發(fā)生明顯的硝化作用。而在pH較高的中性紫色土與石灰性紫色土中，其凈硝化率分別為2.42、7.02 mg N/(kg·d)，發(fā)生了較為強烈的硝化作用。結果表明土壤的pH越高，發(fā)生的硝化作用越強烈，土壤中的硝化作用隨土壤pH的升高而增強。

2.2 pH短期改變對紫色土硝化作用的影響

在經(jīng)過9 d的培養(yǎng)后，酸性紫色土的凈硝化率為：-0.23, -0.22, -0.23 mg N/(kg·d)，石灰性紫色土的凈硝化率為：7.05, 7.11, 7.02 mg N/(kg·d)，顯著性分析結果表明酸性土壤中pH的短期上升與石灰性土壤中pH的短期下降對這兩種土壤中硝化作用影響并不顯著(P>0.05)。而中性紫色土中的凈硝化率隨著pH的增大，依次為1.23、2.42、3.27 mg N/(kg·d)，具有顯著性差異(P<0.05)(圖2)。

圖2 pH短期改變對3種不同pH紫色土硝化作用的影響Fig.2 Effect of short-term pH change on nitrification in three purple soil with different pH

2.3 不同pH紫色土中氨氧化細菌和古菌的豐度

如圖3所示，培養(yǎng)過程中，中性紫色土中的AOA豐度先升高再降低，酸性紫色土中AOA豐度培養(yǎng)期間的變化趨勢與中性紫色土相似，而石灰性紫色土的AOA豐度在培養(yǎng)期間幾乎沒有變化，且中性紫色土中的AOA豐度大于酸性和石灰性紫色土。中性紫色土中AOB的豐度先升高再降低，石灰性紫色土中AOB豐度培養(yǎng)期間的變化趨勢與中性土相似，而酸性紫色土中的AOB豐度在培養(yǎng)期間幾乎沒有變化，且石灰性紫色土中的AOB豐度大于中性和酸性紫色土。而且AOA與AOB豐度的比值在酸性、中性、石灰性3種不同pH的紫色土中分別為31.8，1.55和0.07，AOA/AOB大小為：酸性>中性>石灰性。

圖3 3種不同pH紫色土中氨氧化微生物的豐度Fig.3 Abundance of ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and ammonia-oxidizing archaea (AOA) amoA gene in three purple soil with different pH

2.4 pH的短期改變對紫色土中硝化微生物豐度的影響

如圖4所示，短期改變酸性及石灰性紫色土中的pH，其AOA豐度并無顯著變化。但在中性紫色土中，pH的短期改變使得AOA呈下降趨勢，且在pH上升為8.1的中性紫色土中培養(yǎng)第5天時，AOA的豐度極顯著下降，由原樣土的9.79×108/g干土下降至2.53×108/g干土。AOB豐度在酸性紫色土中pH改變前后無顯著變化，石灰性紫色土pH的短期降低使AOB有增長趨勢，而在中性土中，pH的上升使得其AOB豐度增大，pH下降則對AOB豐度無明顯影響(圖5)。

3 討論

pH的短期變化對酸性與石灰性土壤中的硝化活性無顯著影響，而對中性土壤有顯著影響。該結果表明不同pH的紫色土可能有不同的硝化反應機制。

圖4 3種不同pH紫色土pH短期改變后對AOA豐度的影響Fig.4 Effect of short-term pH change on abundance of ammonia-oxidizing archaea (AOA) amoA gene in three purple soil with different pH

圖5 3種不同pH紫色土pH短期改變對AOB豐度的影響Fig.5 Effect of short-term pH change on abundance of ammonia-oxidizing bacterial(AOB) amoA gene in three purple soil with different pH

已有研究均發(fā)現(xiàn)pH在4.8～8.5的范圍內(nèi)時，土壤的硝化速率隨著pH的增加而提高[16-18]。本實驗中的石灰性紫色土的硝化作用最強，而酸性紫色土中幾乎不發(fā)生硝化作用，與以往的研究結果[4-5,19]一致。但是，也有研究結果表明低pH的土壤中也會發(fā)生硝化作用[20-21]。例如，Nugroho等[22](2005)在荷蘭和芬蘭的9種酸性森林土(pH 2.9～3.4)中發(fā)現(xiàn)了強烈的硝化作用[5 mg N/(kg·d)]；且He等[23]在pH 3.7的土壤中獲得了細菌和古菌的amoA基因，說明強酸性土壤中有發(fā)生硝化作用的可能。而在本實驗pH為5.7的土壤中卻沒有發(fā)生顯著的硝化作用，經(jīng)計算得到pH為5.7的土壤中NH3分子的濃度為500 nmol N/kg 干土(NH3+H+?NH4+; pKa=9.25)，是Nugroho等[22]試驗中土壤(pH 3.4)NH3分子濃度的200倍。但在加拿大酸性森林土(pH 2.9～3.4)中卻發(fā)生了強烈的硝化作用，所以酸性紫色土沒有發(fā)生顯著的硝化反應并非缺少反應底物；而更可能是與相關硝化微生物的活性有關。同時，酸性紫色土采用NaOH調(diào)高pH后，反應底物NH3分子濃度呈數(shù)量級增加，但凈硝化率并沒有增加；這一實驗結果也為該猜測提供了充分證據(jù)。

pH的短期降低對堿性土壤中的凈硝化作用也無顯著影響。硝化反應速率主要受氨單加氧酶(ammonia monooxygenase, AMO)催化的氨氧化速率控制[20,24-25]。因此，硝化反應符合酶促反應動力學方程，如果底物濃度高于酶促反應常數(shù)[26]，則限制反應速率的是酶活性，而不是反應底物濃度。因此，堿性紫色土采用H2SO4調(diào)低pH后，反應底物NH3分子濃度呈數(shù)量級降低，但凈硝化速率并沒有降低；這一實驗結果說明制約堿性紫色土硝化作用的因子不是氮源，而是相關硝化微生物的活性。

pH值的短期改變對酸性和堿性土壤的硝化作用沒有影響，但對中性土壤的硝化作用影響顯著。pH短期上升，硝化作用顯著增強，pH短期下降，硝化作用隨之顯著減小。這表明底物濃度(NH3)控制著中性紫色土的硝化速率。

氨氧化細菌(AOB)以及氨氧化古菌(AOA)都擁有氨單加氧酶amoA基因編碼，這意味著AOB和AOA都在硝化作用起著關鍵作用[27-31]。越來越多的證據(jù)表明，土壤pH值在7.0以上時，硝化作用是由氨氧化細菌主導[14,32-33]，而氨氧化古菌則更可能在酸性土壤中主導了硝化作用[33-35]。本實驗研究結果顯示了3種不同pH值紫色土中氨氧化微生物的生態(tài)位差異顯著。AOA主要分布于酸性紫色土，而AOB主要分布于堿性紫色土；而在中性紫色土(pH=7.4)中，AOA和AOB的豐度都很高，這可能意味著AOB和AOA在中性紫色土中共存，且都可能是硝化作用的推動者。

4 結論

綜上所述，本研究可得出以下結論：1)pH短期改變對酸性與石灰性土壤中的硝化作用無顯著影響，但對中性土壤影響顯著，說明不同pH的紫色土具有不同的硝化作用機制；2)紫色土中氨氧化微生物的生態(tài)位分布差異顯著，且受到pH的影響。AOA主要分布于酸性紫色土，而AOB主要分布于堿性紫色土；而在中性紫色土中，AOA和AOB共存。

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Mechanisms research on how pH affects nitrification in purple soils of Southwest China

MENG Yao, WANG Zhi-Hui, LUO Hong-Yan*, JIANG Xian-Jun*

CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China

Nitrification processes are highly sensitive to soil pH but the mechanisms through which pH affects soil nitrification are not fully understood. In the present study, three types of purple soils with different pH values were identified from the same parent material in southwest China (acid purple soil pH=5.7, neutral purple soil pH=7.3, calcareous purple soil pH=8.0). These soil types were used to investigate the long-term effects of soil pH on nitrification and ammonia oxidizers and the short-term effects of soil pH on nitrification and the activities and abundance of ammonia oxidizers. Tests were undertaken by artificially adding acid (H2SO4) or alkali (NaOH) to change soil pH. The results showed that short-term pH changes had no significant effect (P>0.05) on nitrification in acidic and calcareous purple soils whereas they had a significant effect (P<0.05) on nitrification in the neutral purple soil. The geneamoAof ammonia-oxidizing archaea (AOA) was expressed much more fully in the acid soil (3.04×108/g dry soil, AOA/AOB=31.8), whereas ammonia-oxidizing bacteria (AOB) were more adapted to the calcareous purple soil environment (2.35×108/g dry soil, AOA/AOB=0.07). These results indicate that soil pH can significantly affect nitrification in purple soils and that different pH levels have different mechanisms. The activities and community of nitrifying microorganisms were the dominant factors for nitrification in acidic and calcareous purple soils, while substrate concentration was the dominant factor in neutral purple soil. The key factor affecting the activity and community of nitrifying microorganisms is the long-term stable soil pH, while short-term pH changes mainly influence the substrate availability of nitrification.

nitrification; ammonia-oxidizing archaea(AOA); ammonia-oxidizing bacteria(AOB); soil pH; real-time quantitative PCR

10.11686/cyxb2016164

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-04-19；改回日期：2016-06-28

國家自然科學基金項目(41271267, 41301315)和重慶市自然科學基金 (Cstc2012JJA80024)資助。

孟瑤(1992-)，女，廣西桂林人，在讀碩士。E-mail: 937196302@qq.com*通信作者Corresponding author. E-mail: hongyan5282@163.com, jiangxj@swu.edu.cn

孟瑤, 王智慧, 羅紅燕, 蔣先軍. 西南地區(qū)pH影響紫色土硝化作用機制研究. 草業(yè)學報, 2017, 26(4): 73-79.

MENG Yao, WANG Zhi-Hui, LUO Hong-Yan, JIANG Xian-Jun. Mechanisms research on how pH affects nitrification in purple soils of Southwest China. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(4): 73-79.