土壤生化特性在模擬氮沉降條件下對(duì)土壤呼吸和N2O排放的影響

張婷 周金蓉 馮廉潔 陳玲 蔣靜艷

0 引言

人為源導(dǎo)致大量活性氮進(jìn)入大氣層，經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化后，部分以干濕沉降的形式回到地表，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)造成了很大的影響[1].全球氮沉降逐年增加，從1850年至今，陸地生態(tài)系統(tǒng)可溶性氮沉降增加了3倍，海洋可溶性氮沉降增加了2倍，未來還將逐漸增加[2].近幾十年中國氮沉降也呈急劇增加趨勢，從1961年的12.64 kg·hm-2·a-1(以N計(jì)，下同)增加到2008年的20.07 kg·hm-2·a-1[3-4].無論是實(shí)測結(jié)果還是模型模擬均表明氮沉降有巨大的時(shí)空變異性，反映在我國就是氮沉降量西低東高[5-7]，2013年的定點(diǎn)實(shí)測結(jié)果表明中國東南部氮濕沉降量均大于 60 kg·hm-2·a-1，而西北部地區(qū)則小于9 kg·hm-2·a-1[5].2000—2014年間的實(shí)測結(jié)果也表明整個(gè)揚(yáng)子江流域無機(jī)氮沉降量較高，年均為33.2 kg·hm-2·a-1[7]，因干沉降對(duì)氮沉降的貢獻(xiàn)難以定量，故此結(jié)果還有很大的不確定性.

大量氮沉降將對(duì)土壤碳氮循環(huán)產(chǎn)生影響[1].CO2和N2O作為兩大溫室氣體，也是土壤碳氮循環(huán)的中間產(chǎn)物，氮沉降對(duì)其有何影響？已有報(bào)道認(rèn)為土壤溫室氣體排放對(duì)氮沉降的響應(yīng)主要取決于土壤氮的飽和度和氮沉降水平[8-11].在氮飽和的土壤中，氮增加減少了土壤呼吸[11-12]和CH4吸收速率[10]，增加了土壤N2O的排放[9].在氮限制的松樹林土壤中，氮增加對(duì)土壤呼吸和CH4吸收速率沒有顯著影響，高氮也增加了土壤N2O的排放[8-10].長期氮沉降對(duì)溫帶森林土壤呼吸和N2O排放因季節(jié)而異.氮增加對(duì)溫帶森林生長季和春季凍融期CO2排放均無顯著影響，但在生長季降低了72.8%～85.7%的N2O排放通量，而在凍融期增加了11.2～17.8倍N2O排放[13].此外也有報(bào)道認(rèn)為短期氮沉降處理對(duì)青藏高原高山草甸CO2和 N2O沒有顯著影響[14].另有研究則認(rèn)為氮沉降無論是對(duì)農(nóng)業(yè)土壤還是森林土壤均增加了N2O 的排放，但CO2排放對(duì)氮增加不敏感，CH4和N2O是氮增加的敏感響應(yīng)因子[15-16].上述結(jié)果出現(xiàn)了不一致性，主要源于研究對(duì)象的單一性.土壤CO2和N2O均來源于土壤微生物的作用，不同土地利用方式下的土壤生化性質(zhì)不同[17]，其對(duì)氮沉降的響應(yīng)可能不同[18].已有研究也表明土壤呼吸和N2O排放與土壤理化性質(zhì)有關(guān)[18-19]，如土壤pH、有效氮、土壤質(zhì)地、土壤碳氮比(C/N)等為影響N2O排放的重要因子[18,20]，土壤CO2排放與土壤碳含量和陽離子交換量呈正相關(guān)，與游離鐵含量呈負(fù)相關(guān)[21].但結(jié)合生物特征分析氮添加條件下不同土壤特性對(duì)土壤呼吸和N2O排放影響的研究尚不多見.

本研究基于高氮沉降地區(qū)江蘇省不同土地利用方式下(包括農(nóng)、林、草地及果園和竹園)的13種土壤不同生物和理化特性，通過模擬氮沉降的室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，分析不同土地利用方式下的土壤呼吸和N2O 排放對(duì)氮添加的響應(yīng)，確定氮添加條件下影響土壤呼吸和N2O排放的主要土壤決定因子，結(jié)果可為了解在氮沉降的條件下，不同土壤特性對(duì)土壤呼吸和N2O排放的影響提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

江蘇省地處中國東部(116°18′～121°57′E，30°45′～35°20′N)，地形以平原為主，境內(nèi)年降雨量在1 000 mm 左右，年均氣溫13～16 ℃.江蘇地理上跨越了南北地區(qū)，氣候和植被也同時(shí)具有南方和北方的特征.不同土地利用方式主要包括林地、草地、農(nóng)田、果園和竹林等.供試土壤共13種，分別代表江蘇省境內(nèi)不同土地利用方式下的土壤，包括了林地(W)、農(nóng)田(F)、草地(M)、果園(O)及竹林(B)等.采樣地點(diǎn)如圖1所示，從北至南分別為徐州2個(gè)(F1和W1)、連云港2個(gè)(F2和W2)、漣水3個(gè)(O1、O2和F3)、洪澤1個(gè)(M1)、鹽城1個(gè)(M2)、南京3個(gè)(W3、W4和F4)和宜興1個(gè)(B1).

圖1 采樣地點(diǎn)示意Fig.1 Locations of the sampling sites

供試土壤采自地表0～20 cm，多點(diǎn)混合后，除去植物殘?bào)w等雜物，取部分新鮮土樣，放于4 ℃冰箱中冷藏，供有效氮、土壤微生物等指標(biāo)的測定，另取部分土樣風(fēng)干后過篩，供土壤pH值、質(zhì)地、有機(jī)碳、全氮等指標(biāo)的測定.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將供試土樣過篩混勻后稱取100 g(以烘干土質(zhì)量計(jì))置于590 mL的玻璃瓶內(nèi)，調(diào)節(jié)并保持土壤水分為0.30 g·g-1(模擬旱地條件)，每個(gè)土樣中添加6.349 mg NH4NO3(相當(dāng)于江蘇省的年平均氮沉降量50 kg·hm-2)，置于25 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng).同時(shí)做對(duì)照，即每種土樣不添加氮源直接進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng).加氮處理代碼為T，不加氮處理代碼為CK.每處理3重復(fù)，恒溫恒濕(重量法調(diào)節(jié))培養(yǎng).CO2和N2O的排放速率測定采用間歇密閉培養(yǎng)-氣相色譜法.每天采樣1次，每次取樣前抽取背景樣品，并用膠塞封口，密閉培養(yǎng)2～4 h，用外接三通閥的60 mL的注射器從培養(yǎng)瓶上部空間抽取40 mL樣品氣體，采完氣后敞口繼續(xù)恒溫恒濕培養(yǎng).至每種土樣T和CK的CO2和N2O 氣體連續(xù)2次排放速率無差異為止，共培養(yǎng)20 d.

氣體樣品用改裝的Agilent 4890D氣相色譜儀同步測定N2O和CO2的濃度[22].N2O測定所用載氣為99.999%高純氬甲烷(Ar2和CH4的體積比為 95∶5)，檢測器為電子捕獲檢測器(ECD)，檢測溫度為330 ℃.CO2測定所用載氣為99.999%高純氮，檢測器為氫火焰檢測器(FID)，檢測溫度為200 ℃.根據(jù)氣體的分子量、培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)容器內(nèi)氣體的有效空間、培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)氣體的濃度差和培養(yǎng)容器內(nèi)烘干土的質(zhì)量，計(jì)算各氣體的排放速率，具體計(jì)算公式如下：

F=Δm/(W·Δt)=ρ·V·Δc/(W·Δt)，

(1)

式中：F為氣體排放速率；V為培養(yǎng)容器內(nèi)氣體的有效空間(L)；ρ為氣體密度(g·L-1)，ρ=(氣體相對(duì)分子質(zhì)量×273)/[22.4 ×(273 +T)]；Δc為Δt時(shí)間內(nèi)的氣體濃度差；T為培養(yǎng)溫度(℃)；W為培養(yǎng)容器內(nèi)的烘干土質(zhì)量(g)；Δt為培養(yǎng)時(shí)間(h).CO2和N2O的累積排放量由其每天平均排放速率和培養(yǎng)時(shí)間累積計(jì)算得出.

1.3 土壤理化性質(zhì)及微生物特征的測定

MC=EC/0.38,

(2)

MN=EN/0.45,

(3)

其中：EC，EN分別為熏蒸土樣的有機(jī)碳量或全氮與未熏蒸土樣之間的差值(mg·kg-1)；0.38、0.45分別為氯仿熏蒸殺死的微生物體中的碳(C)或氮(N)被浸提出來的比例.土壤微生物細(xì)菌(BA)、放線菌(AC)和真菌(FUN)數(shù)量采用稀釋平板涂布法測定[24-25].

1.4 數(shù)據(jù)處理

結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示.用OriginPro 2021軟件制作圖表，用SPSS 23.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 供試土壤生化特征

表1所示的是供試土壤的土壤類型、利用方式及各種基本理化、生物性質(zhì).13種供試土壤包括黃棕壤(W3、F4)、褐土(F1、W1)、棕壤(F2、W2)、潮土(G1、G2、F3)、棕紅壤(B1)、黃褐土(W4)、草甸土(M1)、濱海鹽土(M2)等江蘇省主要土壤類型，包括農(nóng)田(F1、F2、F3、F4)、林地(W1、W2、W3、W4)、果園(O1、O2)、草地(M1、M2)、竹林(B1)等不同土地利用方式.表1中供試土壤各基本理化性質(zhì)的變異系數(shù)范圍為18.4 %～131.3 %，變化范圍較寬，說明各供試土壤性質(zhì)差異較大，具有一定的代表性.

表1 供試土壤生物和理化特征Table 1 Physical and bio-chemical properties of the tested soils

2.2 氮添加后不同土壤間CO2和N2O排放速率的差異分析

圖2所示的是代表土壤呼吸和N2O排放低(W1)、中(F3)、高(O2)的3類典型土壤的CO2和N2O排放速率隨培養(yǎng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化情況.CO2-CK即CO2對(duì)照，為未添加氮源的土壤排放的CO2；CO2-T即CO2處理，為添加氮源的土壤排放的CO2；N2O-CK即N2O對(duì)照，為未添加氮源的土壤排放的N2O；N2O-T即N2O處理，為添加氮源的土壤排放的N2O.由圖2可以看出，不同土壤的CO2和N2O排放速率峰值時(shí)間不同，部分土壤培養(yǎng)初期即出現(xiàn)最大值，如O2，部分土壤峰值出現(xiàn)時(shí)間推遲至培養(yǎng)的第3天，如F3.所有土壤培養(yǎng)15 d之后，土壤CO2排放速率(以C計(jì))和N2O排放速率(以N計(jì))在T和CK之間沒有顯著差異(P>0.05).

圖2 典型土壤W1、F3和O2的CO2和N2O排放速率的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Variations in CO2 and N2O emission rates of typical soils (W1,F3 and O2)during incubation

2.3 氮添加對(duì)不同土壤CO2和N2O累積排放的影響

圖3為不同土壤的CO2和N2O累積排放量.由

圖3可以看出，即使同種土地利用方式下的不同土壤類型的CO2和N2O累積排放量(分別以C、N計(jì))也各不相同.無論是否添加氮源，均是土壤O2的CO2累積排放量最高，顯著高于其他土壤(P<0.05)，W1的土壤呼吸累積排放量最低.未添加氮源即CK中，土壤F4的N2O累積排放量最高，顯著高于O2(P<0.05).而添加氮源后即T處理中土壤O2的N2O 累積排放量最高，顯著高于其他土壤(P<0.05).無論是否添加氮源，B1、F1、M2、O1、W1和W4的N2O排放均較低.

不同土壤CO2和N2O排放對(duì)氮添加的響應(yīng)不同.T與CK處理之間，土壤F1、W1和W3的土壤呼吸無顯著差異(P>0.05)，土壤F4、M2、W1和W2的N2O排放無顯著差異(P>0.05)；其他土壤無論是CO2還是N2O排放，T處理與CK間均有顯著差異(P<0.05).為了解氮源添加對(duì)土壤CO2和N2O排放的影響，進(jìn)一步計(jì)算了不同土壤外源單位氮的CO2和N2O排放因子：外源單位氮的CO2排放因子是指相對(duì)于CK，每添加1 g N土壤多排放的CO2-C量(%，即100×g(CO2-C)· g(N)-1)，代碼為EFCO2；外源單位氮的N2O排放因子是指添加的外源氮轉(zhuǎn)化成N2O-N的百分比(%，即100×g(N2O-N)· g(N)-1)，代碼為EFN2O.結(jié)果見圖3.外源氮的加入對(duì)不同土壤的呼吸速率刺激效果不同，對(duì)原本處在中等呼吸速率水平的土壤F2和W2的刺激效果最高，即外源單位氮的CO2排放因子F2和W2較大，而F1和W1最低；外源單位氮的N2O轉(zhuǎn)化率僅F2和O2較高，其他土壤均較低，尤其W1最低.

將增氮顯著促進(jìn)CO2和N2O排放的土壤種類歸為組Ⅰ，增氮未顯著影響的土壤種類歸為組Ⅱ.顯著促進(jìn)CO2排放的土壤即組Ⅰ包括B1、F2、F3、F4、M1、M2、O1、O2、W2、W4，組Ⅱ包括土壤F1、W1和W3；顯著促進(jìn)N2O排放的土壤即組Ⅰ包括B1、F1、F2、F3、M1、O1、O2、W2、W4，組Ⅱ包括土壤F4、M2、W1和W3.計(jì)算組Ⅰ和組Ⅱ各指標(biāo)平均值的比值，選取與數(shù)值1偏離度25%以上的因子作為兩組土壤有較大差異的指標(biāo)，具體結(jié)果見圖4箭頭所示處.從圖4中可以歸納出：增氮顯著促進(jìn)CO2排放的土壤具有較低的黏粒成分、土壤微生物碳和微生物碳氮比，較高的土壤基礎(chǔ)呼吸、土壤有效氮及細(xì)菌和真菌數(shù)量.增氮顯著促進(jìn)N2O排放的土壤則具有較高的土壤基礎(chǔ)呼吸，較低的內(nèi)源N2O排放和較低的土壤總氮、有效氮、放線菌和真菌數(shù)量.

注：同一土壤代碼上不同小寫字母表示對(duì)照和處理在0.05水平上差異顯著.圖3 不同土壤CO2和N2O的累積排放量及單位氮的CO2和N2O排放因子Fig.3 Cumulative emissions and emission factors per gram nitrogen for CO2 and N2O from different soils

為進(jìn)一步反映組Ⅰ和組Ⅱ的特征，令增氮處理T和對(duì)照CK的CO2累積排放量的差值ΔCO2=CO2-T-CO2-CK，N2O累積排放量的差值ΔN2O=N2O-T-N2O-CK，將此計(jì)算結(jié)果以及典型的土壤性質(zhì)對(duì)土壤組別作BOX-PLOT箱圖(圖5).從圖5中可以看出，盡管不同土壤的生物和化學(xué)特性差異較大，呈非正態(tài)分布(中位線和均值點(diǎn)有偏離)，但增氮顯著促進(jìn)CO2排放的土壤組(組Ⅰ)的真菌數(shù)量明顯較高于無顯著影響組(組Ⅱ)，而微生物碳氮比則明顯小于組Ⅱ.增氮顯著促進(jìn)N2O排放的土壤組(組Ⅰ)則是放線菌數(shù)量和硝態(tài)氮含量均明顯小于無顯著影響組(組Ⅱ).

注：橫坐標(biāo)上的代碼AN為有效氮，即銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的和.圖4 增氮顯著促進(jìn)CO2(a)和N2O(b)排放的土壤組(組Ⅰ)與未顯著影響組(組Ⅱ)各指標(biāo)的比值Fig.4 Ratios of soil parameters of Group Ⅰ (affected groups,in which nitrogen addition significantly promotes greenhouse gas emissions)to those of Group Ⅱ (unaffected groups,in which nitrogen addition has little effect on soil greenhouse gas emissions),(a)for CO2 and (b)for N2O

2.4 土壤呼吸和N2O排放對(duì)氮添加響應(yīng)的主要土壤驅(qū)動(dòng)因子

表2所示為土壤呼吸和N2O排放與土壤生化特性之間的相關(guān)性.由表2可以看出，未添加氮源條件下，N2O排放與銨態(tài)氮含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與有機(jī)碳、全氮、有效氮、細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與其他因子無明顯相關(guān)關(guān)系(P>0.05).CK的土壤呼吸即基礎(chǔ)呼吸與細(xì)菌數(shù)量及微生物碳呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與微生物氮呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與其他因子無明顯相關(guān)關(guān)系(P>0.05).在添加氮源條件下，即T的土壤的N2O排放與基礎(chǔ)土壤呼吸和細(xì)菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與其他因子無明顯相關(guān)關(guān)系(P>0.05).T的土壤呼吸與基礎(chǔ)土壤呼吸和細(xì)菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與微生物碳、氮呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與其他因子無明顯相關(guān)關(guān)系(P>0.05).此外，添加氮源后即T組N2O排放和土壤呼吸具有極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，而CK組未見二者有顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05).外源單位氮的CO2排放因子與有機(jī)碳、全氮、真菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與MC/MN呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與其他因子無明顯相關(guān)關(guān)系(P>0.05).外源單位氮的N2O轉(zhuǎn)化率與基礎(chǔ)土壤呼吸和細(xì)菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與其他指標(biāo)無明顯相關(guān)關(guān)系(P>0.05).

表2 土壤CO2、N2O累積排放量、單位氮的CO2和N2O排放因子與土壤生化因子的相關(guān)系數(shù)(n=13)Table 2 Pearson correlation coefficients of cumulative CO2 and N2O emissions,CO2 and N2O emissions factors per gram nitrogen against soil biochemical parameters (n=13)

注：a—c分別反映組Ⅰ和組Ⅱ之間的△CO2、真菌和微生物碳氮比的差異；d—f分別反映組Ⅰ和組Ⅱ之間△N2O、放線菌和硝態(tài)氮的差異；箱頂和箱底分別為上下四分位數(shù)，■表示均值，*表示的是1%～99%范圍.圖5 典型指標(biāo)對(duì)應(yīng)土壤組別的箱形圖Fig.5 Boxplots of soil properties versus the soil groups

進(jìn)一步將土壤CO2和N2O累積排放量與土壤因子之間的關(guān)系進(jìn)行逐步回歸分析，回歸方程見表3.結(jié)果表明，在本研究0.30 g·g-1的水分條件下，無論是否添加氮源，土壤呼吸均主要由土壤細(xì)菌數(shù)量和pH來決定，且與細(xì)菌數(shù)量成正比，與pH呈反比.未添加氮源處理的土壤N2O排放主要是由土壤細(xì)菌和銨態(tài)氮含量決定，添加氮源條件下，土壤N2O排放主要是由土壤細(xì)菌數(shù)量決定，且與之成正比.外源單位氮的CO2排放因子主要取決于MC/MN，與之成反比，外源單位氮的N2O轉(zhuǎn)化率主要取決于土壤細(xì)菌數(shù)量，與之成正比.

表3 逐步回歸分析結(jié)果Table 3 Results of the multiple regressions

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)氮添加顯著促進(jìn)CO2排放的土壤具有較低的黏粒成分、土壤微生物碳和微生物碳氮比，較高的土壤基礎(chǔ)呼吸、土壤有效氮及細(xì)菌和真菌數(shù)量(圖4)，反映在低MC/MN和高真菌數(shù)量上(圖5)，特別突出.早期研究表明在氮飽和的森林土壤中，氮增加減少了土壤呼吸，在氮限制的土壤中，氮增加對(duì)土壤呼吸沒有顯著影響[8-10].最近的研究則表明氮增加對(duì)土壤呼吸的抑制作用主要發(fā)生在N缺乏的土壤[26].也有研究發(fā)現(xiàn)增氮能增加土壤呼吸[27-28].本研究結(jié)果亦是如此，原因在于微生物在分解利用碳氮源時(shí)是基于一定的微生物碳氮比進(jìn)行的，氮對(duì)土壤呼吸的影響最終取決于土壤的碳氮比是否適合微生物活動(dòng)，如果增氮后土壤依舊處于適合微生物的碳氮比，則可能促進(jìn)土壤呼吸，反之則抑制土壤呼吸.本研究發(fā)現(xiàn)外源單位氮的CO2排放因子主要取決于MC/MN，且與MC/MN呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，則直接證實(shí)了這一點(diǎn).

無論是否添加氮源，本研究中土壤呼吸均與細(xì)菌數(shù)量及微生物碳氮呈顯著正相關(guān)(表2).逐步回歸分析則表明土壤細(xì)菌和pH均為土壤呼吸的決定因子，且土壤呼吸與pH為負(fù)相關(guān)關(guān)系(表3).對(duì)不同利用方式下草地土壤微生物及土壤呼吸特性的既有研究發(fā)現(xiàn)，土壤呼吸速率與微生物碳成正相關(guān)[29].另有學(xué)者對(duì)洞庭湖灘地土壤微生物與土壤呼吸特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)土壤呼吸速率變化與土壤細(xì)菌數(shù)量變化呈顯著相關(guān)[30].最新的研究結(jié)果表明氮增加對(duì)土壤碳動(dòng)力學(xué)的影響機(jī)理在于氮誘導(dǎo)酸化導(dǎo)致對(duì)pH敏感的微生物及地球化學(xué)性質(zhì)的改變，進(jìn)而改變碳的礦化與固持[31]，也間接證明土壤呼吸與pH的緊密相關(guān)性.此外外源單位氮的CO2排放因子與有機(jī)碳、全氮、真菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與MC/MN呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05；表2).這說明土壤呼吸最終是由碳基質(zhì)及土壤微生物決定，且細(xì)菌和真菌為主要貢獻(xiàn)者.

此外，本研究還發(fā)現(xiàn)增氮顯著促進(jìn)N2O排放的土壤具有較高的土壤基礎(chǔ)呼吸，較低的內(nèi)源N2O排放和較低的土壤總氮、有效氮、放線菌和真菌數(shù)量(圖4).尤其是硝態(tài)氮和放線菌數(shù)量均顯著小于增氮未顯著影響N2O排放的土壤組(圖5).在氮飽和的土壤中，氮添加增加了土壤N2O的排放[9,12].在氮限制的松樹土壤中，高氮也增加了土壤N2O的排放[8-10].在溫帶森林生長季，長期氮沉降降低了72.8%～85.7%的N2O排放通量，而在凍融期增加了11.2～17.8倍N2O排放，這與植物對(duì)氮的利用及土壤微生物活性有關(guān)[13].但也有研究認(rèn)為氮沉降無論是對(duì)農(nóng)業(yè)土壤還是森林土壤均增加了N2O的排放[15].本研究是純土壤培養(yǎng)，不存在植物對(duì)氮的爭奪利用情況，故N2O的排放主要取決于土壤碳氮源和微生物活性.

未添加氮源條件下，即CK的N2O排放與銨態(tài)氮含量、有機(jī)碳、全氮、有效氮、細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)(P<0.05).添加氮源條件下，即T的土壤N2O排放與土壤基礎(chǔ)呼吸和細(xì)菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與其他因子無明顯相關(guān)關(guān)系(P>0.05，表2).半干旱草地土壤真菌硝化反硝化和細(xì)菌自養(yǎng)硝化主導(dǎo)N素轉(zhuǎn)化過程，是N2O產(chǎn)生的主要途徑[32].文獻(xiàn)[33]等相關(guān)研究結(jié)果表明米櫧天然林土壤在給定實(shí)驗(yàn)條件下真菌活性比細(xì)菌的大，但二者對(duì)土壤N2O產(chǎn)生的貢獻(xiàn)幾乎相等.本研究也表明放線菌和真菌與N2O的產(chǎn)生有關(guān)，但細(xì)菌對(duì)增氮的響應(yīng)更明顯.逐步回歸分析表明未添加氮源處理的土壤N2O排放主要驅(qū)動(dòng)因子是土壤細(xì)菌和銨態(tài)氮，而添加氮源條件下，主要驅(qū)動(dòng)因子僅是土壤細(xì)菌.外源單位氮的N2O轉(zhuǎn)化率也主要取決于土壤細(xì)菌數(shù)量.本研究土壤的含水量為0.30 g·g-1，土壤處于充氧條件，可能硝化作用占主導(dǎo)地位，銨態(tài)氮是硝化反應(yīng)的底物.在不添加外加氮源的情況下，如果土壤的有效氮含量比較低，那么有效氮含量就會(huì)成為限制N2O排放的主要影響因子，而其他土壤因素對(duì)N2O排放的影響就很難表現(xiàn)出來[34].本研究結(jié)果也說明在沒有添加外源氮的情況下，土壤較低的有效氮含量會(huì)成為主要限制因子，但當(dāng)添加外源氮后，底物充足后N2O排放僅取決于微生物的數(shù)量.

土壤內(nèi)源N2O排放和土壤基礎(chǔ)呼吸無顯著相關(guān)關(guān)系，但添加外源氮后，N2O排放和土壤呼吸具有極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01).這可能是增氮促進(jìn)了硝化反硝化微生物的活性，此部分微生物的呼吸在土壤總呼吸中占了較高的比重，故N2O排放和土壤呼吸具有極顯著正相關(guān)關(guān)系[35-36].

總之，土壤生化特性尤其是微生物碳氮比、土壤pH及微生物活性在土壤呼吸和N2O排放對(duì)氮添加響應(yīng)方面起了決定性作用.

4 結(jié)論

1)氮添加顯著促進(jìn)CO2排放的土壤具有較低的黏粒成分、土壤微生物碳和微生物碳氮比，較高的土壤基礎(chǔ)呼吸、土壤有效氮及細(xì)菌和真菌數(shù)量等特點(diǎn).無論是否添加氮源，土壤呼吸均主要取決于土壤細(xì)菌數(shù)量和pH值，與細(xì)菌數(shù)量呈正相關(guān)，與pH呈負(fù)相關(guān).外源單位氮的CO2排放量與土壤有機(jī)碳、全氮、真菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)，與MC/MN呈顯著負(fù)相關(guān)；外源單位氮的CO2排放量主要取決于MC/MN.

2)增氮顯著促進(jìn)N2O排放的土壤具有較高的土壤基礎(chǔ)呼吸，較低的內(nèi)源N2O排放和較低的土壤總氮、有效氮、放線菌和真菌數(shù)量等性質(zhì).在不添加氮源條件下，N2O排放主要取決于土壤細(xì)菌數(shù)量和銨態(tài)氮含量.添加氮源后土壤N2O排放主要取決于土壤細(xì)菌數(shù)量；外源單位氮的N2O轉(zhuǎn)化率主要取決于土壤細(xì)菌數(shù)量，與之呈極顯著正相關(guān).

3)土壤內(nèi)源N2O排放和土壤基礎(chǔ)呼吸無顯著相關(guān)關(guān)系，添加外源氮后，N2O排放和土壤呼吸具有極顯著正相關(guān)關(guān)系.