不同氮化合物添加對(duì)農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地土壤凈氮礦化速率的影響

摘要：為研究不同氮化合物在土壤中對(duì)氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響是否存在差異，本研究依托山西右玉黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站2017年建立的不同形態(tài)氮化合物添加試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)頂蓋埋管法監(jiān)測(cè)5種不同氮化合物（硝酸銨（NH₄NO₃，AN）、硫酸銨（（NH₄）₂SO₄，AS）、碳酸氫銨（NH₄HCO₃，AC）、尿素（CO（NH₂）2，UN）、緩釋尿素（RUN））添加對(duì)農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地土壤凈氮礦化速率的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：添加硝酸銨、硫酸銨、碳酸氫銨、尿素與緩釋尿素對(duì)硝化細(xì)菌的基因豐度均有不同程度提升；添加硝酸銨及緩釋尿素會(huì)更有效地提高凈氮礦化速率，不同氮化合物均是通過(guò)直接或間接影響土壤微生物實(shí)現(xiàn)對(duì)凈氮礦化速率的調(diào)控。

關(guān)鍵詞：氮化合物；凈氮礦化；硝化速率；可溶性有機(jī)碳；可溶性有機(jī)氮；氨氧化細(xì)菌；氨氧化古菌

中圖分類號(hào)：S154.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1007-0435（2023）05-1322-09

The Effects of Different Nitrogen Compounds Additions on Net Nitrogen

Mineralization of Grassland in the Agro-pastoral Ecotone in Northern China

ZHANG Zuo-en DIAO Hua-jie HAO Jie YAN Xue-dong

GAO Yan-ping WANG Chang-hui DONG Kuan-hu

（1. College of Grassland Science， Shanxi Agricultural University， Taigu， Shanxi Province 030801， China; 2. Shanxi Key Laboratory

of Grassland Ecological Protection and Native Grass Germplasm Innovation， Taigu， Shanxi Province 030801， China; 3. Youyu

Loess Plateau Grassland Ecosystem Research Station， Youyu， Shanxi Province 037200， China; 4. Agricultural and Rural Bureau

of Fanshi County， Fanshi， Shanxi Province 034300， China）

Abstract：In order to study whether it is different that the effects of different forms of nitrogen compounds on the process of nitrogen transformation in soil，the additions of different nitrogen compounds was established in the experimental platform：the Shanxi Youyu Loess Plateau Grassland Ecosystem National Positioning Observation and Research Station in 2017. This study investigated the effects of five different nitrogen compounds （ammonium nitrate （NH₄NO₃，AN），ammonium sulfate （（NH4）2SO4，AS），ammonium bicarbonate （NH₄HCO₃，AC），urea （CO（NH₂）₂，UN），slow-release urea （RUN）） on the net nitrogen mineralization rate in grassland soil in the agro-pastoral ecotone. It was found out that the addition of NH₄ NO₃，（NH₄）₂SO₄，NH₄HCO₃，CO（NH₂）₂ and slow-release urea increased gene abundance of the nitrification bacteria to varying degrees. Adding ammonium nitrate and slow-release urea could more effectively increase the net nitrogen mineralization rate. Different nitrogen compounds regulate the net nitrogen mineralization rate through direct or indirect impositions on soil microorganisms.

Key words：Nitrogen compounds;Net nitrogen mineralization;Nitrification rate;Soluble organic carbon；Soluble organic nitrogen;AOA;AOB

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況試驗(yàn)地點(diǎn)位于“山西右玉黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站”（39°59′ N，112°19′ E），海拔1 348 m，年平均氣溫4.6℃，年降水量425 mm，年蒸發(fā)量約1 000～91 500 mm，無(wú)霜期100～120 d。草地類型為典型草地，優(yōu)勢(shì)種為賴草（Leymus secalinus），伴生種有堿茅（Puccinellia tenuiflora）、草地風(fēng)毛菊（Saussurea amara）、西伯利亞蓼（Polygonum sibiricum）、鵝絨委陵菜（Potentilla ansrina）等。土壤為栗鈣土，土壤pH值為8.5～9.5［18］。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.4數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用一般線性回歸法和Pearson相關(guān)性系數(shù)土壤分析氮礦化速率與可溶性有機(jī)碳、可溶性氮以及微生物生物量碳、氮和地上生物量等因子之間的相關(guān)性。采用重復(fù)測(cè)定方差分析法對(duì)土壤凈氮礦化速率、可溶性有機(jī)碳、可溶性氮等指標(biāo)進(jìn)行分析。通過(guò)單因素方差分析不同組分氮添加對(duì)土壤凈氮礦化速的影響，并采用結(jié)構(gòu)方程模型對(duì)不同組分氮添加之間的差異進(jìn)行多重比較。采用Excel 2019整理，數(shù)據(jù)分析使用SPSS 22.0 （顯著性水平P=0.05），運(yùn)用Origin 2017進(jìn)行作圖，采用Amos 24.0構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型。

2結(jié)果與分析

2.1土壤理化性質(zhì)對(duì)不同氮化合物添加的響應(yīng)不同氮化合添加顯著影響土壤溫度（Plt;0.05，圖2），對(duì)土壤含水量無(wú)顯著影響。與對(duì)照處理相比，添加硝酸銨（AN）處理下，土壤平均溫度下降了3.3℃，尿素（UN）與緩釋尿素（RUN）處理下土壤平均溫度均降低2.5℃；在硫酸銨（AS）處理下土壤平均溫度降低2.4℃。

銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和無(wú)機(jī)氮積累量在生長(zhǎng)季均呈季節(jié)波動(dòng)（圖3），6月迅速升高，7月下降，硝態(tài)氮與無(wú)機(jī)氮積累量逐漸下降并在8、9月趨于平穩(wěn)，銨態(tài)氮積累量在8月小幅度升高，9月趨于平穩(wěn)。硝酸銨（AN）對(duì)土壤氮的積累量有顯著影響（Plt;0.05）。與對(duì)照（CK）相比緩釋尿素（RUN）在8月份銨態(tài)氮的積累量顯著高于其它處理（Plt;0.05）。

2.3AOA與AOB對(duì)不同氮化合物添加的響應(yīng)對(duì)添加5種不同氮化合物處理后的AOA和AOB的基因豐度結(jié)果分析表明，每克干土中AOA基因豐度在3.3×10⁷到6.3×107個(gè)之間，而AOB基因豐度在1×10⁷到2.3×10⁷個(gè)范圍內(nèi)（圖6）。相同氮添加處理下的AOA豐度均顯著高于AOB豐度（Plt;0.05）。在添加硝酸銨（AN）、硫酸銨（AS）、碳酸氫銨（AC）、尿素（UN）和緩釋尿素（RUN）后，AOA的基因豐度有上升的趨勢(shì)，其中添加硝酸銨（AN）后有上升趨勢(shì)，添加尿素（UN）沒(méi)有上升的趨勢(shì)。AOB的基因豐度在添加硝酸銨（AN）、硫酸銨（AS）、碳酸氫銨（AC）、尿素（UN）處理下顯著高于對(duì)照（CK）（Plt;0.05，圖6），其中仍是硝酸銨（AN）最為顯著，添加緩釋尿素（RUN）不影響AOB的基因豐度。在碳酸氫銨（AC）與尿素（UN）處理下，凈硝化速率與AOA的基因豐度呈現(xiàn)出顯著的線性相關(guān)（Plt;0.05）；而在尿素（UN）與緩釋尿素（RUN）處理下，凈硝化速率與AOB的基因豐度也呈顯著的線性正相關(guān)（Plt;0.05）；僅在對(duì)照（CK）處理下，發(fā)現(xiàn)凈硝化速率與AOB的基因豐度呈現(xiàn)顯著的線性負(fù)相關(guān)（Plt;0.05，圖7）。

2.4不同氮化合物對(duì)土壤凈氮礦化速率的影響途徑結(jié)構(gòu)方程模型分析表明，凈氮礦化速率的解釋度為22%；相較于凈銨化速率，凈硝化速率對(duì)于凈氮礦化速率具有更高的解釋度；凈硝化速率的主要影響因子為硝態(tài)氮的累積量；土壤溫度和微生物生物量碳均與凈硝化速率呈負(fù)相關(guān)；不同氮化合物的添加降低了土壤溫度（圖8）。

3討論

3.1不同氮化合物通過(guò)土壤理化性質(zhì)影響凈氮礦化速率根據(jù)結(jié)構(gòu)方程模型顯示，不同氮化合物添加影響凈氮礦化速率，不同氮化合物添加顯著降低土壤溫度，這與楊澤等［19］在溫帶干旱草地生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果相一致。在AN處理下土壤溫度下降最明顯。這是由于大部分草地植物對(duì)于氮添加的反應(yīng)敏感［20］，而不同的氮添加勢(shì)必會(huì)造成草地植物地上生物量的差異性［21］，地上生物量的不同導(dǎo)致所產(chǎn)生的蔭蔽效應(yīng)的強(qiáng)弱最終影響了土壤溫度，AN由于施加了兩種不同形態(tài)的氮，導(dǎo)致地上生物量增長(zhǎng)最大，蔭蔽效應(yīng)也最強(qiáng)烈。而不同氮化合物添加通過(guò)影響土壤溫度影響AOA最終調(diào)控凈氮礦化速率［22］，這與張翠景等［23］在內(nèi)蒙古溫帶草原生態(tài)系統(tǒng)中AOA會(huì)受溫度影響的研究結(jié)果相一致。

不同氮化合物顯著影響了MBN，這與在高山草地生態(tài)系統(tǒng)中的研究結(jié)果相一致［24］。原因有兩個(gè)，首先不同化合物氮添加顯著降低土壤溫度，而土壤溫度降低對(duì)土壤微生物氮吸收和固持作用具有一定的促進(jìn)作用，并且在不同程度上加強(qiáng)了土壤微生物對(duì)無(wú)機(jī)氮的吸收。其次MBN［25］ 的增加是由于DON、IN的增加減少了植物與微生物之間的氮素競(jìng)爭(zhēng)，不同氮化合物添加會(huì)顯著增加土壤中可溶性有機(jī)氮的含量，這與在草原生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)中氮添加的研究結(jié)果相一致［26-27］。不僅如此有研究表明無(wú)論是添加有機(jī)氮［28］與無(wú)機(jī)氮［29］均會(huì)提高土壤中DOC的含量，但不同氮化合物添加對(duì)DOC含量的影響程度不同，即添加有機(jī)氮后DOC含量會(huì)顯著高于添加無(wú)機(jī)氮化合物［30］。不同氮化合物添加也會(huì)影響IN的含量，這與賀佩等［31］在溫帶典型草原的研究結(jié)果相一致。添加AN和UN后，使得DOC、DON、MBN與凈氮礦化速率呈現(xiàn)顯著的線性相關(guān)關(guān)系，這與在青藏高原的馬志良等［32］研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)DOC、DON為參與氮轉(zhuǎn)化的土壤微生物提供底物結(jié)果一致，添加AC和RUN的使提高了DON、MBC含量，進(jìn)一步有利于晉北農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地生態(tài)系統(tǒng)土壤凈氮礦化速率的提高。所不同氮化合物添加提高了土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和無(wú)機(jī)氮含量，但是對(duì)土壤凈氮礦化速率的影響途徑不同，通過(guò)土壤溫度影響微生物生物量進(jìn)而調(diào)控凈硝化速率與凈氮礦化速率。

3.2不同氮化合物通過(guò)土壤微生物影響凈氮礦化速率

4結(jié)論

本研究通過(guò)分析不同氮化合物添加對(duì)華北農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地凈氮礦化速率的影響，發(fā)現(xiàn)添加硝酸銨、硫酸銨、碳酸氫銨、尿素與緩釋尿素對(duì)硝化細(xì)菌的基因豐度均有不同程度提升；添加硝酸銨及緩釋尿素會(huì)更有效地提高凈氮礦化速率，不同氮化合物均是通過(guò)直接或間接影響土壤微生物實(shí)現(xiàn)對(duì)凈氮礦化速率的調(diào)控，因此在農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)的研究中應(yīng)充分考慮不同氮沉降對(duì)土壤碳氮循環(huán)的影響。

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（責(zé)任編輯 彭露茜）