大氣氮沉降對(duì)洪澤湖濕地土壤微生物特性的影響研究

柴志 盧妍 鄭玲 胡雁冰 張玉星 楊欠榮

摘 要：文章通過模擬氮沉降的方式，以洪澤湖濕地為研究對(duì)象，采用盆栽實(shí)驗(yàn)，對(duì)其觀測(cè)、分析，從而揭示大氣氮沉降背景下濕地土壤理化性質(zhì)和土壤微生物特性的變化。研究表明：①大氣氮沉降對(duì)濕地土壤理化性質(zhì)有顯著影響，提高了濕地土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和速效氮的含量;②濕地土壤中蛋白酶活性隨氮輸入增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，脲酶活性變化則不顯著，而亞硝酸還原酶活性卻呈現(xiàn)降低趨勢(shì);③隨著土壤氮含量的增加，土壤微生物Shannon指數(shù)和McIntosh指數(shù)均表現(xiàn)為升高的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：氮沉降;洪澤湖濕地;土壤微生物

中圖分類號(hào)：S714

文章編號(hào)：2095-624X（2019）10-0008-02

大氣氮沉降對(duì)生態(tài)系統(tǒng)，尤其對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響占據(jù)不可小覷的地位?；剂系娜紵瓦^度施肥產(chǎn)生了大量的氮氧化物，其中人為引起的氮沉降已被列為地球生態(tài)系統(tǒng)的首要威脅之一。而土壤是陸生植物生活的基質(zhì)，它提供了植物生活所必需的營(yíng)養(yǎng)和水分，是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量交換的重要場(chǎng)所。

土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)最重要的生命組成部分，在土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)與轉(zhuǎn)化、能量流動(dòng)的過程中具有顯著影響作用[1]。它們是土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的主要?jiǎng)恿?。目前關(guān)于大氣氮沉降下陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)的過渡區(qū)域——濕地系統(tǒng)的土壤微生物研究卻較少。洪澤湖作為我國(guó)四大淡水湖之一，其湖區(qū)和周邊部分區(qū)域組成了較為完整的內(nèi)陸濕地，是我國(guó)典型的湖泊濕地。本研究通過開展野外模擬實(shí)驗(yàn)，探討氮沉降增加對(duì)洪澤湖濕地土壤微生物特性的變化的影響，可為闡述氮沉降對(duì)微生物的反饋?zhàn)饔脵C(jī)理提供依據(jù)。

一、 研究方法

1.實(shí)驗(yàn)地概況與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于江蘇省泗洪縣，泗洪縣坐落于中國(guó)第四大淡水湖洪澤湖西北岸（33?06′N，118?10′E）。本實(shí)驗(yàn)采用的是盆栽控制實(shí)驗(yàn)，以洪澤湖濕地的典型植物蘆葦為實(shí)驗(yàn)材料，盆栽器具為統(tǒng)一的花卉盆，盆底直徑30cm，高60cm，盆栽土壤為洪澤湖濕地原位土壤，定期澆水，每盆定株10株幼苗，每種處理5個(gè)重復(fù)。待幼苗生長(zhǎng)穩(wěn)定后，對(duì)樣本定期施入硝酸銨溶液。將硝酸銨溶液均勻噴灑在CK（對(duì)照）、LN（低氮）、HN（高氮）處理的盆栽中（表1），隨后使用噴壺在盆栽表面噴水，確保硝酸銨溶液滲入盆栽土壤中，同時(shí)也要確保盆栽土壤中有充足的水分。

2.樣品采集與處理

采用盆栽控制實(shí)驗(yàn)，于6月份種植植物，分別在7月、8月及9月中旬采集不同處理?xiàng)l件下的土樣。每個(gè)土樣由5個(gè)盆栽的土壤混合而成，用四分法取適量放于自封袋中，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室。土樣去除植物和動(dòng)物殘?bào)w等雜質(zhì)，混合均勻后一部分保存在4℃冰箱，用于分析土壤微生物特性，另一部分風(fēng)干，磨細(xì)，過篩，用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)，部分土壤風(fēng)干后，進(jìn)行土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測(cè)定。

二、結(jié)果與分析

1.不同氮沉降水平下土壤理化性質(zhì)的變化

表2是在不同氮處理?xiàng)l件下土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和全氮數(shù)據(jù)對(duì)比，由表2可知，氮沉降增加了土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量，且均表現(xiàn)為HN > LN > CK。其中，HN和LN土壤銨態(tài)氮含量顯著高于 CK （P < 0.05），與CK相比，HN和LN 土壤銨態(tài)氮含量明顯提高，HN 和LN土壤硝態(tài)氮含量與CK相比也相對(duì)提高。

2.不同氮沉降水平下土壤酶活性的變化

土壤酶主要來源于微生物和植物分泌物，是土壤中所有生物化學(xué)過程的催化劑，在濕地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過程中扮演著重要的角色，是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要成分之一[2]。由表3可知，濕地土壤中蛋白酶活性隨氮輸入增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，脲酶活性變化則不顯著，而亞硝酸還原酶活性卻呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

3.不同氮沉降水平下土壤微生物群落多樣性的變化

利用平均顏色變化率（AWCD）值進(jìn)行Shannon、Simpson和McIntosh多樣性指數(shù)分析，可以在數(shù)量特征上反映相對(duì)土壤微生物群落物種組成和個(gè)體數(shù)量的分布情況[3]。由表4可知，在不同氮處理水平的濕地土壤中，隨著土壤氮含量的增加，土壤微生物Shannon指數(shù)和McIntosh指數(shù)均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì)，低氮處理的微生物Shannon指數(shù)和McIntosh指數(shù)均最高，對(duì)照處理的濕地土壤最低;不同氮含量濕地土壤間Shannon、Simpson和McIntosh指數(shù)差異不顯著。

表4中顯示了土壤微生物培養(yǎng)一定時(shí)間下的Shannon、Simpson、McIntosh多樣性指數(shù)，可在數(shù)量特征上相對(duì)反映土壤微生物群落物組成和個(gè)體數(shù)量分布的情況。結(jié)果顯示，在3個(gè)氮沉降實(shí)驗(yàn)中，隨著氮沉降的增加，土壤微生物Shannon和McIntosh指數(shù)均出現(xiàn)升高的趨勢(shì)，其中處于高氮條件下的土壤微生物Shannon和McIntosh指數(shù)在施氮條件下最高，低氮次之，對(duì)照最低;而Simpson指數(shù)變化不顯著。

三、 討論

外源氮素的輸入改變了濕地生態(tài)系統(tǒng)的可利用氮素的狀況，并對(duì)濕地土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。它的輸入增加了土壤全氮含量，同時(shí)也促進(jìn)了土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的積累。

實(shí)驗(yàn)中，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，AWCD（利用平均顏色變化率）值呈現(xiàn)上升的趨勢(shì);同時(shí)也發(fā)現(xiàn)AWCD值隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加，具體表現(xiàn)為：高氮>低氮>對(duì)照。其中Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)和McIntosh指數(shù)分別表征土壤微生物群落的豐富度、優(yōu)勢(shì)度以及均勻度[4]。隨著土壤氮含量的升高，低氮處理時(shí)Shannon指數(shù)和McIntosh指數(shù)均存在顯著差異?？梢娔M氮沉降條件下濕地土壤微生物群落代謝特征具有較為明顯的差異。外源的施氮，導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)以及群落組成發(fā)生變化，而這些又影響了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，施氮對(duì)濕地土壤微生物群落多樣性產(chǎn)生了顯著的影響，從而改變了微生物群落結(jié)構(gòu)。

氮沉降的增加明顯地改變了濕地土壤微生物的多樣性和群落結(jié)構(gòu)組成的變化。氮沉降的增加改變了土壤中有效元素組成，也改變了土壤微生物對(duì)不同氮源的利用模式，最終導(dǎo)致微生物多樣性及其構(gòu)成的復(fù)雜性。氮沉降的增加改變了濕地土壤中氮素的濃度和形態(tài)，增加了土壤微生物的多樣性。所以，未來大氣氮沉降的持續(xù)增加會(huì)對(duì)濕地土壤微生物功能以及多樣性產(chǎn)生進(jìn)一步的影響。

四、結(jié)論

（1）大氣氮沉降對(duì)濕地土壤理化性質(zhì)有顯著影響，提高了濕地土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量。

（2）濕地土壤中蛋白酶活性隨氮輸入的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，脲酶活性變化則不顯著，而亞硝酸還原酶活性卻呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

（3）隨著土壤氮含量的增加，土壤微生物Shannon指數(shù)和McIntosh指數(shù)均表現(xiàn)為上的趨勢(shì)，低氮處理的微生物Shannon指數(shù)和McIntosh指數(shù)均最高，可見模擬氮沉降條件下濕地土壤微生物群落代謝特征發(fā)生較為明顯的變化。

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基金項(xiàng)目：江蘇省高校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201710323031Y）。

作者簡(jiǎn)介：柴志（1996—），男，云南曲靖人，本科。