桂西北喀斯特和非喀斯特森林土壤初級氮轉(zhuǎn)化速率 及其影響因素

賀姣 ，段鵬鵬 李德軍 *

（1.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410125；2.中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，廣西 環(huán)江 547100；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

氮是構(gòu)成一切生命體的關(guān)鍵元素，在陸地生態(tài)系統(tǒng)的演化和發(fā)展過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。植物在生長過程中吸收的氮主要來源于土壤[1]。除部分水溶性有機(jī)氮外，植物根系主要從土壤中吸收無機(jī)氮來保障自身生長與代謝對氮的需求[2-3]。土壤中的無機(jī)氮主要由微生物分解有機(jī)氮產(chǎn)生，隨后被植物與土壤微生物吸收利用[2，4]。若土壤無機(jī)氮含量超過了植物與土壤微生物的氮需求量，過量的氮素尤其是硝態(tài)氮，會通過反硝化過程或隨徑流、淋溶等過程流失，從而加劇地下水硝酸鹽污染、地表水體富營養(yǎng)化、溫室效應(yīng)與大氣污染等一系列負(fù)面的環(huán)境問題[5-6]。因此，土壤氮含量及其動態(tài)變化一直是生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)研究的熱點(diǎn)。盡管測定不同形態(tài)的無機(jī)氮含量可以在一定程度上指示土壤氮素的供應(yīng)水平和淋失風(fēng)險，但不能揭示土壤無機(jī)氮具體的來源和消耗過程[7]。因此，為了揭示土壤氮素動態(tài)變化的機(jī)制，有必要深入研究土壤初級氮轉(zhuǎn)化過程。

土壤無機(jī)氮產(chǎn)生與消耗涉及多個微生物主導(dǎo)的初級氮轉(zhuǎn)化過程[4]。有機(jī)氮礦化是土壤無機(jī)氮產(chǎn)生的主要途徑，一定程度上控制著自然生態(tài)系統(tǒng)土壤氮的供應(yīng)潛力[8-9]。有機(jī)氮礦化產(chǎn)生的銨態(tài)氮（NH4+）在硝化細(xì)菌的作用下進(jìn)一步氧化為硝態(tài)氮（NO3-）[4]。

硝化速率的大小決定了土壤無機(jī)氮的主要存在形 態(tài)[10]。在部分硝化速率高的土壤中，NO3-的積累導(dǎo)致較高的氮淋失風(fēng)險[11]。從以往研究來看，土壤pH、有機(jī)碳（Soil Organic Carbon， SOC）、全氮（Total Nitrogen， TN）、C∶N比及土壤質(zhì)地是影響土壤初級 氮轉(zhuǎn)化速率的主要非生物因子，常常被用于解釋不同 生態(tài)系統(tǒng)之間土壤初級氮轉(zhuǎn)化特征的差異[8，10]。由于微生物是土壤氮轉(zhuǎn)化過程的主要參與者，很多研究將土壤微生物生物量碳（Microbial Biomass Carbon， MBC）、微生物生物量氮（Microbial Biomass Nitrogen， MBN）及磷脂脂肪酸等作為影響氮轉(zhuǎn)化的生物因 素[12-13]。一些研究表明，上述非生物因子結(jié)合土壤微生物指標(biāo)可以顯著提升土壤初級氮轉(zhuǎn)化速率變異的解釋度[8，10]。此外，土壤微生物對氮轉(zhuǎn)化過程的驅(qū)動多依賴于特定功能基因的表達(dá)，一些研究也將氮轉(zhuǎn)化功能基因豐度作為影響氮轉(zhuǎn)化速率的生物因素加以考慮[14]。然而，多數(shù)研究僅考慮了少數(shù)幾個生物或非生物因素，因此無法評判生物與非生物因素對土壤初級氮轉(zhuǎn)化影響的相對重要性。

喀斯特生態(tài)系統(tǒng)是地球表層系統(tǒng)的重要組成部分，覆蓋了全球地表面積的近15%[15]，其中我國桂西北山區(qū)是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)三大集中連片分布區(qū)之一[16]。與地帶性土壤相比，喀斯特土壤具有偏堿性、富鈣鎂、SOC和TN含量較高的特征[17]。獨(dú)特的土壤性質(zhì)可能導(dǎo)致喀斯特土壤氮轉(zhuǎn)化特征有別于同緯度的地帶性紅壤[17-19]。目前已有的兩項(xiàng)研究結(jié)果均指出，喀斯特森林土壤硝化速率、微生物對NH4+同化速率及NO3-異化還原成銨（Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium， DNRA）速率均高于鄰近的非喀斯特森林[17-18]。我們前期發(fā)現(xiàn)喀斯特森林土壤的初級氮礦化速率是鄰近非喀斯特森林的兩倍，表現(xiàn)出較強(qiáng)的供氮能力[17]。但另一項(xiàng)研究卻表明喀斯特森林土壤初級氮礦化速率顯著低于臨近的非喀斯特森林[18]。盡管上述二個研究均比較了喀斯特和非喀斯特森林土壤初級氮轉(zhuǎn)化速率，但未考慮氮轉(zhuǎn)化相關(guān)功能微生物對初級氮轉(zhuǎn)化速率的可能影響，也未比較初級氮轉(zhuǎn)化速率隨土層的變化特征。

本研究測定了桂西北喀斯特森林及鄰近的非喀斯特森林0~10 cm、10~20 cm及20~40 cm 3個土層初級氮礦化速率、初級硝化速率、自養(yǎng)硝化速率和異養(yǎng)硝化速率，并結(jié)合土壤理化因子和氮轉(zhuǎn)化相關(guān)功能基因豐度，分析了二個森林氮轉(zhuǎn)化速率的主控因素。主要研究目的包括：1）揭示不同氮轉(zhuǎn)化過程在二個森林之間及不同土層之間的變化特征； 2）闡明二個森林自養(yǎng)和異養(yǎng)硝化對初級硝化速率的貢獻(xiàn)；3）探討氮轉(zhuǎn)化功能基因豐度是否為氮轉(zhuǎn)化速率的主控因素。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)環(huán)江縣，地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為17.8~22.2 ℃，1月份平均氣溫最低（7.8~13.0 ℃），7月份平均氣溫最高（25.8~29.4 ℃）。年平均降水量介于1 346~1 640 mm， 集中在4~8月。該地區(qū)多山丘，且交織分布著喀斯特和非喀斯特生態(tài)系統(tǒng)?？λ固厣鷳B(tài)系統(tǒng)的基巖為石灰?guī)r、白云巖及其不同比例混雜，而非喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的基巖多為碎屑巖。本研究分別在木倫國家級自然保護(hù)區(qū)選擇喀斯特森林（25°4' N，108°4' E）和在華山國家林場選擇非喀斯特森林（25°10' N，108°18' E）。所選擇的二個森林相距約26 km，均為20世紀(jì)50年代末被砍伐后自然發(fā)展起來的森林?？λ固厣值膬?yōu)勢樹種包括傘花木(Eurycorymbus cavaleriei)、厚殼桂(Cryptocarya chinensis)和化香樹(Platycarya strobilacea)等，非喀斯特森林的優(yōu)勢樹種為椎木（Castanopsis Fagaceae）和鴨腳木（Schefflera octophylla）等。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

在每個森林分別建立一個面積為100 m × 100 m 的采樣區(qū)，在每個采樣區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3個10 m× 10 m 的樣方。在每個樣方隨機(jī)選取二個采樣點(diǎn)，去除凋落物層后分別采集0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm 三個土層的礦質(zhì)土壤樣品，并將同一樣方同一土層的樣品混合均勻，組成一個混合樣品。樣品立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，過2 mm網(wǎng)篩以去掉根系、石塊和植物殘體及充分混勻。每個樣品分成三部分，其中一部分新鮮樣品保存于4 ℃冰箱，用于測定氮轉(zhuǎn)化速率、NH4+、NO3-、MBC和MBN；一部分新鮮樣品于-40℃ 保存，用于測定氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的功能基因豐度；一部分樣品風(fēng)干后用于測定pH值、SOC、TN、交換性鈣鎂離子和土壤質(zhì)地。

1.3 初級氮轉(zhuǎn)化速率

采用15N同位素稀釋法測定初級氮轉(zhuǎn)化速率。將每個充分混勻的新鮮土壤樣品分成五份，每份20 g。 將其中一份樣品立即用2 mol/L氯化鉀溶液（液土比為5∶1）浸提，測定處理前NH4+和NO3-含量。另外四份樣品分成二組，每組兩份。每一組的二份樣品分別添加等量的15NH414NO3溶液或14NH415NO3溶液。將其中一組標(biāo)記的樣品立即用 2 mol/L氯化鉀溶液浸提。另外一組標(biāo)記的樣品在25 ℃和黑暗條件下培養(yǎng)36 h，培養(yǎng)結(jié)束后用2 mol/L氯化鉀溶液浸提。浸提液中的NH4+和NO3-含量利用流動注射分析儀（FIAstar 5000，F(xiàn)OSS，Sweden）分析。為了測定15N豐度，用化學(xué)方法分別將浸提液中的NH4+和NO3-轉(zhuǎn)化為N2O，然后用帶自動預(yù)濃縮裝置的同位素比值質(zhì)譜儀（MAT253 IRMS，Thermo Fisher，Germany）測定N2O中的15N豐度。

自養(yǎng)硝化速率為培養(yǎng)前后NO3-的15N豐度（原子百分超）的差異，乘以培養(yǎng)期間NO3-平均含量的差值，并使用NO3-的平均滯留時間進(jìn)行校正，其中NO3-的平均滯留時間利用初始NO3-含量除以NO3-消耗速率計算得到；異養(yǎng)硝化速率為初級硝化速率和自養(yǎng)硝化速率之間的差值[20]。

1.4 DNA提取和實(shí)時定量PCR

參照Ouyang等[14]的方法測定土壤微生物轉(zhuǎn)錄豐度。稱取0.25 g土壤樣品利用MoBio PowerSoil DNA 分離試劑盒（MoBio Laboratories Inc.，Carlsbad，USA） 提取土壤DNA。根據(jù)制造商的方案，使用Quant-iT? PicoGreen dsDNA BR檢 測 試 劑 盒 對DNA提 取 物進(jìn)行定量。使用SsoAdvanced SYBR Green Supermix和 CFXCONNECT PCR檢測系統(tǒng)（Bio-Rad laboratories，Hercules，CA，USA）進(jìn)行實(shí)時熒光定量PCR分析。 編碼參與土壤氮轉(zhuǎn)化相關(guān)酶的基因包括枯草桿菌蛋白酶(sub)、中性蛋白酶(npr)、幾丁質(zhì)酶(chiA)、脲酶(ureC)、氨氧化細(xì)菌氨單加氧酶（AOBamoA）和氨氧化古菌氨單加氧酶（AOAamoA）基因。其中chiA、npr、ureC、sub與初級氮礦化過程緊密相關(guān)，AOAamoA和AOBamoA與氨氧化過程相關(guān)。

1.5 土壤理化性質(zhì)

利用pH計（FE20K， Mettler- Toledo， Switzerland） 測定土壤pH（土水比1∶2.5）。SOC采用重鉻酸鉀氧化-硫酸外加熱法（油?。y定；TN采用半微量開氏法-流動注射分析儀（FIAstar 5000，F(xiàn)OSS，Sweden）測定。交換性鈣和鎂離子含量經(jīng)pH為7.0及濃度為1 mol/L的乙酸銨溶液浸提后使用安捷倫720電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（Agilent， Santa Clara， CA， USA）測定。利用激光粒度分析儀（Mastersizer 2000，Malvern，England）測定土壤質(zhì)地，包括粘粒、砂粒和粉粒含量。MBC和MBN通過氯仿熏蒸提取法測定[21]。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

使用SPSS 16.0 軟件（SPSS Inc.， Chicago， IL， USA） 進(jìn)行統(tǒng)計分析。首先對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性和正態(tài)分布性檢驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)不是正態(tài)分布，將它們在分析之前進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換。采用雙因素方差分析檢驗(yàn)森林類型、土層以及它們的交互作用對土壤氮轉(zhuǎn)化速率、土壤生物和非生物因子的影響。采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析兩個森林之間氮轉(zhuǎn)化速率、土壤生物和非生物因子的差異是否顯著。采用單因素方差分析檢驗(yàn)同一森林三個土層之間氮轉(zhuǎn)化速率、土壤生物和非生物因子的差異是否顯著。采用皮爾森相關(guān)性分析評估氮轉(zhuǎn)化速率與土壤生物及非生物因子之間的關(guān)系。采用多元線性回歸分析確定氮轉(zhuǎn)化速率的最強(qiáng)解釋因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤生物和非生物因子

雙因素方差分析結(jié)果表明，森林類型顯著（P< 0.05）影響所有測定的生物與非生物因子；除pH值、交換性鈣和鎂、異養(yǎng)硝化速率、chiA和ureC之外的其他因子均在土層之間差異顯著，其中C∶N比、sub和AOA在P< 0.1水平差異顯著；森林類型和土層對NH4+、NO3-、初級硝化、自養(yǎng)硝化和AOB有顯著（P< 0.05）交互作用，而對粉粒和npr在P< 0.1 水平上有顯著交互作用（表1）。

表1 森林類型、土層及其交互作用對土壤因子和氮轉(zhuǎn)化速率的影響Table 1 E§ects of forest type, soil horizon and their interaction on soil properties and gross nitrogen transformation rates

土壤pH值、TN、NO3-、交換性鈣和鎂、MBC、 MBN和粘粒含量均表現(xiàn)為喀斯特森林顯著高于非喀斯特森林，NH4+、粉粒和砂粒含量則表現(xiàn)為非喀斯特森林顯著高于喀斯特森林（表2）。二個森林的SOC、TN、NO3-、MBC和砂粒含量均隨土層深度增加而降低，交換性鈣和鎂含量隨土層深度增加無顯著變化（表2）。對于喀斯特森林，C∶N比和粉粒含量隨土層深度增加而降低，NH4+和粘粒含量隨土層深度增加而增加，而pH值和MBN隨土層深度增加無顯著變化。對于非喀斯特森林，土壤pH和粘粒含量隨土層深度增加而增加，NH4+和MBN含量隨土層深度增加而顯著降低，而C∶N和粉粒含量隨土層深度增加無顯著變化（表2）。

表2 喀斯特和非喀斯特森林不同土層理化性質(zhì)Table 2 Soil physicochemical properties in the three soil horizons for the karst and non-karst forests

土壤chiA、ureC、sub和AOA豐度均表現(xiàn)為喀斯特森林顯著高于非喀斯特森林。對于喀斯特森林，除npr豐度隨土層深度增加而顯著降低外，其他功能基因豐度沿土層無顯著變化（表3）。對于非喀斯特森林，AOB豐度在0~10 cm土層最高，而在10~20 cm土層最低，其他功能基因豐度隨土層深度增加無顯著變化（表3）。

表3 喀斯特和非喀斯特森林不同土層氮轉(zhuǎn)化相關(guān)功能基因豐度（log(基因拷貝數(shù)/g干土)）Table 3 Soil nitrogen transformation related gene abundances in the three soil horizons for the karst and non-karst forests (log (copies/g dry soil))

2.2 初級氮轉(zhuǎn)化速率

雙因素方差分析結(jié)果表明，森林類型顯著（P< 0.05）影響所有測定的氮轉(zhuǎn)化過程速率；除異養(yǎng)硝化速率外的其他過程速率均在土層之間差異顯著；森林類型和土層對初級硝化和自養(yǎng)硝化速率有顯著（P< 0.05）交互作用（表1）。土壤初級氮礦化速率、初級硝化速率、自養(yǎng)硝化速率和異養(yǎng)硝化速率均表現(xiàn)為喀斯特森林顯著高于非喀斯特森林（圖1）。對于喀斯特森林，土壤初級氮礦化速率、初級硝化速率和自養(yǎng)硝化速率均隨土層深度增加而降低，異養(yǎng)硝化速率在土層間沒有顯著差異（圖2）。對于非喀斯特森林，只有初級氮礦化速率隨土層深度增加而顯著降低（圖2）。在0~10 cm和10~20 cm二個土層，初級硝化速率和自養(yǎng)硝化速率均是喀斯特森林顯著高于非喀斯特森林，而在20~40 cm土層，上述二個過程速率無顯著差異（圖2）。森林類型顯著（P< 0.05）影響自養(yǎng)硝化對初級硝化速率的貢獻(xiàn)，在0~10 cm和10~20 cm二個土層均是喀斯特森林顯著高于非喀斯特森林，而在20~40 cm土層二個森林之間無顯著差異（圖3）；森林類型和土層對自養(yǎng)硝化的貢獻(xiàn)有顯著（P< 0.05）交互作用 （表1）。喀斯特森林土壤自養(yǎng)硝化對初級硝化速率的貢獻(xiàn)平均為75.04%，且隨土層深度增加呈下降的趨勢；非喀斯特森林土壤自養(yǎng)硝化對初級硝化速率的貢獻(xiàn)平均為28.51%，且20~40 cm土層顯著高于0~10 cm和10~20 cm土層。

圖1 喀斯特和非喀斯特森林土壤初級氮礦化和硝化速率 Fig.1 Gross N mineralization rate and gross nitrification rates in the karst forest and non-karst forest

圖2 喀斯特和非喀斯特森林三個土層初級氮礦化和硝化速率Fig.2 Gross N mineralization rate and gross nitrification rates for three soil depths in the karst forest and non-karst forest

圖3 自養(yǎng)硝化速率對初級硝化速率的貢獻(xiàn)Fig.3 The contribution of autotrophic nitrification to gross nitrification rate

2.3 初級氮轉(zhuǎn)化速率與土壤生物和非生物因子的相互關(guān)系

相關(guān)分析表明，對于喀斯特森林，初級氮礦化速率與SOC、T N、NO3-、MBC含量顯著正相關(guān)，并與npr基因豐度顯著正相關(guān)。初級硝化速率和自養(yǎng)硝化速率與土壤非生物因子和生物因子的關(guān)系表現(xiàn)出一致性，兩者均與SOC、TN、NO3-、MBC和MBN含量正相關(guān)，與NH4+含量顯著負(fù)相關(guān)，并與AOA和AOB基因豐度顯著正相關(guān)（表4）。對于非喀斯特森林，初級氮礦化速率與SOC、TN、NH4+、NO3-和MBN含量正相關(guān)。自養(yǎng)硝化速率和MBC正相關(guān)。多元線性逐步回歸分析結(jié)果表明，對于喀斯特森林，初級氮礦化速率、初級硝化速率和自養(yǎng)硝化速率的最強(qiáng)解釋因子均為MBC，分別解釋了氮轉(zhuǎn)化速率變異的62%、84%和86%（表5）。對于非喀斯特森林，初級氮礦化的最強(qiáng)解釋因子為TN，解釋了速率變異的77%；自養(yǎng)硝化的最強(qiáng)解釋 因子為AOA豐度，解釋了速率變異的56%（表5）。

表4 土壤氮轉(zhuǎn)化速率與生物和非生物因子之間的相關(guān)性Table 4 Correlation coeきcients between soil properties and gross N transformation rates

3 討論

3.1 喀斯特與非喀斯特森林之間氮轉(zhuǎn)化速率的差異

目前僅有兩項(xiàng)研究比較了亞熱帶喀斯特森林和非喀斯特森林的初級氮轉(zhuǎn)化速率[17-18]。其中一項(xiàng)研究顯示喀斯特森林初級氮礦化和異養(yǎng)硝化速率顯著低于非喀斯特森林，與本研究結(jié)果相反，可能是由于所選森林的代表性有關(guān)。在上述研究中，SOC和TN的含量在喀斯特和非喀斯森林之間均沒有顯著差異，但在本研究中喀斯特森林的SOC和TN含量顯著高于非喀斯特森林[18]。在區(qū)域尺度上的研究也表明，喀斯特森林SOC和TN含量通常高于相鄰的非喀斯特森林[17，22-24]，因此，本研究所選擇的喀斯特和非喀斯特森林可能更具有代表性。前述研究也表明自養(yǎng)硝化速率和初級硝化速率均是喀斯特森林顯著高于非喀斯特森林[18]，與本研究結(jié)果一致。我們前期也比較了喀斯特森林和非喀斯特森林土壤初級氮礦化和硝化速率[17]，結(jié)果與本研究一致。

3.2 生物和非生物因子對喀斯特與非喀斯特森林之間氮轉(zhuǎn)化速率的影響

基于全球數(shù)據(jù)整合分析表明，初級氮礦化速率與SOC、TN和土壤微生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其中TN既是氮礦化作用的底物，也能通過增加微生物量促進(jìn)氮礦化速率[8]。在本研究中，喀斯特森林土壤TN、MBC和MBN均顯著高于非喀斯特森林，因此，上述機(jī)理能很好地解釋喀斯特森林土壤初級氮礦化速率顯著高于非喀斯特森林。另一項(xiàng)基于全球整合分析的研究表明，土壤pH、微生物量和TN與初級硝化速率呈顯著正相關(guān)關(guān)系；自養(yǎng)硝化速率主要由C∶N和pH驅(qū)動，而異養(yǎng)硝化速率主要受TN控制[10]。NH4+是自養(yǎng)硝化的底物，因此很多研究報道自養(yǎng)硝化速率隨NH4+含量增加而增 加[5，10]。在本研究中，喀斯特森林土壤NH4+含量顯著低于非喀斯特森林，但前者的自養(yǎng)硝化速率卻較高，意味著其他因素的作用超過了NH4+。有研究表明，當(dāng)土壤pH值較低時，自養(yǎng)硝化往往受到抑制，因此異養(yǎng)硝化是酸性土壤硝化作用的主要形式[25]。本研究中，喀斯特森林土壤pH值顯著高于非喀斯特森林，因此，較高的土壤pH水平是喀斯特森林土壤自養(yǎng)硝化速率較高的重要原因。此外，對于自然生態(tài)系統(tǒng)，土壤NH4+主要來源于初級礦化過程，因而TN能通過促進(jìn)初級礦化而增加自養(yǎng)硝化速 率[5，10]。因此，喀斯特森林土壤較高的TN水平也能部分解釋其較高的自養(yǎng)硝化速率。由于TN是異養(yǎng)硝化過程的底物，因此，喀斯特森林土壤較高的TN水平也是導(dǎo)致其較高的異養(yǎng)硝化速率的主要原因，這與全球整合分析結(jié)果一致[10]。由于喀斯特森林土壤更有利于自養(yǎng)硝化過程，導(dǎo)致硝化速率以自養(yǎng)硝化為主，而非喀斯特森林則以異養(yǎng)硝化占主導(dǎo)。

由于npr基因編碼胞外蛋白酶，npr的豐度能一定程度上反映土壤蛋白酶的活性[26-27]。蛋白質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分，也是土壤有機(jī)氮的主要儲存庫[28]。微生物通過蛋白酶解聚蛋白質(zhì)是土壤氮礦化過程的限速步驟，這可能是npr基因豐度對初級氮礦化有顯著影響的重要原因。本研究結(jié)果顯示，喀斯特森林和非喀斯特森土壤npr的豐度與初級氮礦化速率顯著正相關(guān)，這與之前的研究一致[14]。以往研究表明，AOA對自然生態(tài)系統(tǒng)土壤自養(yǎng)硝化過程的作用高于AOB[29]。本研究中，我們發(fā)現(xiàn)喀斯特森林的AOAamoA基因豐度顯著高于非喀斯特森林，因此該基因豐度的差異可能是導(dǎo)致前者自養(yǎng)硝化速率較高的重要原因。然而本研究只對AOA和AOB的基因豐度進(jìn)行了研究，對于AOA和AOB對自養(yǎng)硝化過程的相對貢獻(xiàn)有待進(jìn)一步的探討。

3.3 喀斯特與非喀斯特森林內(nèi)部氮轉(zhuǎn)化速率變異的主控因素

微生物量不僅是表征微生物群落豐度和活性的指數(shù)，而且被認(rèn)為是土壤活性有機(jī)碳氮的來源[30-31]。多項(xiàng)研究指出，微生物量可以通過調(diào)控土壤初級氮礦化進(jìn)而對硝化速率產(chǎn)生影響，因?yàn)槌跫壍V化速率在一定程度上決定了NH4+的可利用水平[5]。此外，MBC通常與TN顯著正相關(guān)，如本研究中二者的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.93（P< 0.001）。如前所述，TN是初級氮礦化的底物，并進(jìn)一步影響初級硝化速率。因此，MBC對喀斯特森林初級氮礦化與硝化速率的影響既有直接作用，也間接反映了TN對氮轉(zhuǎn)化過程的影響。也正因如此，TN是非喀斯特森林初級氮礦化速率的最強(qiáng)解釋因子。pH是影響AOA和AOB組成分布的主要驅(qū)動因子之一[32]，且AOA相比于AOB更能適應(yīng)酸性的土壤環(huán)境[29]，因此，在酸性土壤中AOA對初級硝化速率的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于AOB[33-34]。與此一致，我們發(fā)現(xiàn)AOA基因豐度是非喀斯特森林土壤自養(yǎng)硝化的主控因素?？梢?，雖然與氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的功能基因豐度與其相應(yīng)的氮轉(zhuǎn)化速率具有顯著相關(guān)性，但其作用低于土壤理化性質(zhì)。其他研究也得到了類似的結(jié)論[14，35-36]。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，土壤初級氮轉(zhuǎn)化速率在不同森林及土層之間存在顯著差異。

1）喀斯特森林土壤初級氮礦化速率和硝化速率顯著高于非喀斯特森林。其中，喀斯特森林土壤硝化作用多為自養(yǎng)硝化作用，而非喀斯特森林土壤硝化作用則以異養(yǎng)硝化作用為主導(dǎo)。

2）在喀斯特森林土壤中，初級氮礦化和硝化速率均隨土層深度增加而減少。在非喀斯特森林土壤中，初級氮礦化速率隨土層深度增加而下降，初級硝化速率在不同土層間的差異并不顯著。

3）喀斯特森林初級氮礦化、初級硝化和自養(yǎng)硝化速率主要受MBC影響，而非喀斯特森林氮礦化和自養(yǎng)硝化速率更多取決于TN和AOAamoA基因豐度。

綜上所述，雖然與氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的功能基因豐度與其相應(yīng)的氮轉(zhuǎn)化速率具有顯著相關(guān)性，但其作用低于土壤理化性質(zhì)。該研究結(jié)果將有助于深入認(rèn)識亞熱帶典型喀斯特和非喀斯特森林土壤氮循環(huán)特征及氮累積機(jī)制，為巖溶區(qū)植被恢復(fù)工程的深入實(shí)施提供科學(xué)支撐。