郎漫，李平*，魏瑋

（1.南京信息工程大學，江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室，南京210044；2.南京信息工程大學應(yīng)用氣象學院，南京210044）

土壤氮素轉(zhuǎn)化過程控制著土壤中可利用氮數(shù)量的多少[1]，對于植物生長、微生物活性、土壤養(yǎng)分的生物地球化學循環(huán)以及氮素的損失具有重要影響[2-3]。因此，研究土壤氮轉(zhuǎn)化過程對于農(nóng)田土壤養(yǎng)分管理、提高氮肥利用率以及生態(tài)環(huán)境保護具有多重意義。對土壤氮素轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究包括凈氮轉(zhuǎn)化速率和氮初級轉(zhuǎn)化速率[4]，凈氮轉(zhuǎn)化速率是控制其轉(zhuǎn)化的各個氮初級轉(zhuǎn)化速率的綜合結(jié)果[5-6]。因此，研究土壤氮初級轉(zhuǎn)化速率可以從過程水平上深入認識控制土壤中無機氮含量和形態(tài)的各個氮轉(zhuǎn)化過程的初始速率[7]。

參與土壤氮循環(huán)過程的微生物活性受很多因素影響，其中溫度是一個重要的影響因子。溫度變化可能對土壤酶活性、微生物的群體結(jié)構(gòu)、活性和數(shù)量產(chǎn)生影響，進而影響土壤中的氮素轉(zhuǎn)化過程[8-10]。但氮初級轉(zhuǎn)化過程對溫度變化的響應(yīng)非常復(fù)雜，很難用特定的數(shù)學方程來描述兩者變化的關(guān)系[11]，因為溫度對氮初級轉(zhuǎn)化速率的影響取決于土壤類型、氣候條件等多重因素[11-12]。一般來說，土壤微生物的存活存在最適溫度，低于或者高于最適溫度，微生物的活性會受到明顯抑制。前人研究表明[13]，在5～45 ℃范圍內(nèi)溫帶草地土壤的氮初級礦化速率隨溫度增加顯著增加。但也有研究指出，溫度增加對亞熱帶和溫帶地區(qū)的林地土壤和草地土壤氮初級礦化速率沒有影響（10～15 ℃）[14]或僅有小幅度增加（25～35 ℃）[12]。氮固定過程對溫度變化的響應(yīng)比礦化過程敏感，Andersen 等[15]報道，在3～15 ℃范圍內(nèi)溫帶草地土壤氮初級固定速率隨溫度增加而增加，但氮初級礦化速率對溫度變化不敏感。Lang等[14]也發(fā)現(xiàn)，溫帶林地土壤氮初級固定速率對溫度增加（10～15 ℃）的響應(yīng)比氮初級礦化速率更敏感。相對于氮礦化，硝化對溫度變化也較為敏感，因為參與氮素礦化的微生物種類很多，適應(yīng)的溫度范圍較寬[16]，而硝化作用是在特定的微生物種群——氨氧化細菌的作用下進行的[17]，所以對溫度變化的響應(yīng)較大[18]。但是不同研究結(jié)果間也存在很大差異，在5～45 ℃范圍內(nèi)，土壤硝化速率隨溫度增加而增加、降低或者不變的情況均有報道[13，19-21]。前人不同研究結(jié)果間的顯著差異可能與各研究使用的土壤類型及其性質(zhì)不同有關(guān)。目前有關(guān)土壤氮初級轉(zhuǎn)化過程對溫度變化的響應(yīng)研究大多針對亞熱帶和溫帶地區(qū)的林地土壤和草地土壤開展，鮮有溫度變化影響農(nóng)田黑土氮初級轉(zhuǎn)化速率的報道。

黑龍江省屬寒溫帶與溫帶大陸性季風氣候，四季分明，溫度差異較大，冬季氣溫最低可至-40 ℃，夏季氣溫最高可達36 ℃。季節(jié)變化以及極端天氣導致的溫度差異可能會顯著影響土壤中的氮素轉(zhuǎn)化過程，進而影響土壤中氮的釋放、固持和損失，但目前尚不清楚寒溫帶農(nóng)田土壤氮初級轉(zhuǎn)化過程對溫度變化的響應(yīng)規(guī)律。因此，本研究以黑龍江省齊齊哈爾市的典型農(nóng)田黑土為對象，采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗，通過15N同位素成對標記技術(shù)和FLUAZ 數(shù)值優(yōu)化模型研究不同溫度對土壤氮初級礦化速率、初級固定速率和初級硝化速率的影響，以期明確不同溫度下土壤的氮素供應(yīng)、保持和周轉(zhuǎn)能力，研究結(jié)果對于農(nóng)田黑土合理施用氮肥、提高氮肥利用率具有理論和現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自黑龍江省齊齊哈爾市龍江縣。齊齊哈爾市位于黑龍江省西部，地處45°53′～48°56′N、122°24′～126°41′E，海拔高度在200～500 m。該地區(qū)屬半干旱大陸性季風氣候，四季特點明顯，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季短暫霜早，冬季干冷漫長。年平均氣溫2.3 ℃，年平均降水量454 mm，降雨多集中在6—9月，占全年降水量的85%以上。

采樣地點常年種植玉米，年均施肥量約為120 kg N·hm-2。于2019 年秋季玉米收獲后取樣。采用S形多點采樣法采集0～20 cm 耕層土壤，將新鮮土樣去除植物殘體并混勻后過2 mm 篩，于4 ℃下保存用于培養(yǎng)試驗，另將一部分土壤風干后磨細過篩用于基本理化性質(zhì)分析。土壤理化性質(zhì)為：pH 值5.53，田間最大持水量（WHC）為55.5%，有機碳和全氮含量分別為21.4 g·kg-1和2.07 g·kg-1，碳氮比為10.3，水溶性有機碳和水溶性有機氮含量分別為258 mg·kg-1和28.9 mg N·kg-1，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別為5.14 mg N·kg-1和14.8 mg N·kg-1，砂粒、粉粒和黏粒含量分別為23.4%、60.3%和16.3%。

1.2 培養(yǎng)試驗

1.3 測定項目與方法

土壤pH 用電位法測定（液土比為2.5∶1）；土壤有機碳用重鉻酸鉀外加熱容量法測定；土壤全氮采用開氏法測定；土壤砂粒、粉粒、黏粒含量采用比重計法測定；土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量采用MgO-定氮合金蒸餾法測定；土壤用水浸提后利用有機碳氮分析儀測定水溶性有機碳和水溶性有機氮含量[22]；土壤最大持水量參照Fierer 等[23]的方法測定；土壤無機氮和有機氮的15N豐度采用同位素質(zhì)譜儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

土壤氮初級轉(zhuǎn)化速率采用FLUAZ 模型計算得出[24]。該模型使用15N 同位素成對標記技術(shù)（向土壤中添加15NH4NO3和NH415NO3）分別標記銨態(tài)氮和硝態(tài)氮庫，測定不同培養(yǎng)時間各形態(tài)氮庫的氮濃度及其15N 豐度，通過數(shù)值優(yōu)化擬合可以同時計算出有機氮初級礦化速率、初級硝化速率、初級反硝化速率、銨態(tài)氮固定速率、硝態(tài)氮固定速率和氨揮發(fā)速率。FLUAZ 模型以最小平均加權(quán)誤差（Mean weighed er?ror，MWE）為標準擬合數(shù)據(jù)，相對于最小平方和而言更加標準化，能夠更加準確反映速率之間的變異，估算的土壤氮轉(zhuǎn)化速率與實測值之間具有很好的一致性，而且運用簡便、迅速。通過計算培養(yǎng)期間各個時間段的氮初級轉(zhuǎn)化速率，可以很好地表征土壤氮循環(huán)的動態(tài)變化。培養(yǎng)期間土壤平均氮初級轉(zhuǎn)化速率是以各個時間段的氮初級轉(zhuǎn)化速率根據(jù)培養(yǎng)時間的長短加權(quán)平均計算而得的。文中數(shù)據(jù)均為3 次重復(fù)的平均值，采用Origin 軟件作圖，采用SPSS 軟件進行不同處理間的差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中無機氮含量的動態(tài)變化

不同培養(yǎng)溫度下土壤中無機氮含量的動態(tài)變化如圖1 所示。隨著培養(yǎng)的進行，各溫度處理土壤中銨態(tài)氮含量逐漸下降，硝態(tài)氮含量逐漸上升，15 ℃處理土壤無機氮含量變化緩慢。不同培養(yǎng)時間土壤銨態(tài)氮含量隨著培養(yǎng)溫度升高顯著降低，至培養(yǎng)結(jié)束，15、25、35 ℃處理土壤銨態(tài)氮含量分別為25.6、8.07、1.86 mg N·kg-1（圖1a）。與15 ℃處理相比，培養(yǎng)溫度增加至25 ℃硝態(tài)氮含量顯著增加，溫度繼續(xù)增加至35 ℃時，硝態(tài)氮含量有所下降，但仍顯著高于15 ℃處理。至培養(yǎng)結(jié)束，15、25、35 ℃處理的硝態(tài)氮含量分別為52.9、87.3、75.6 mg N·kg-1（圖1b）。

2.2 土壤中無機氮15N豐度的動態(tài)變化

不同培養(yǎng)溫度下土壤無機氮15N豐度的動態(tài)變化如圖2 所示。在15N 標記的銨態(tài)氮土壤樣品中，各溫度處理土壤銨態(tài)氮15N 豐度逐漸下降，說明土壤中發(fā)生了有機氮的礦化作用，產(chǎn)生了自然豐度的銨態(tài)氮稀釋了標記的銨態(tài)氮庫的15N 豐度（圖2a）。銨態(tài)氮的15N 豐度隨溫度的升高而降低，與銨態(tài)氮濃度的變化趨勢相同，表明有機氮的礦化速率隨著溫度升高而加快（圖2a）。在15N 標記的銨態(tài)氮土壤樣品中，各處理的硝態(tài)氮的15N 豐度逐漸上升，說明發(fā)生了硝化作用，導致標記的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為了硝態(tài)氮，富集了土壤本底硝態(tài)氮庫的15N 豐度（圖2b）。硝態(tài)氮15N 豐度隨溫度的變化趨勢與硝態(tài)氮含量的變化趨勢相同，表現(xiàn)為25 ℃>35 ℃>15 ℃（圖2b）。在15N 標記的硝態(tài)氮土壤樣品中，硝態(tài)氮15N豐度逐漸下降，不同溫度處理間的大小順序為25 ℃<35 ℃<15 ℃，進一步證實土壤中發(fā)生了硝化作用，自然豐度的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮稀釋了所標記的硝態(tài)氮庫的15N 豐度，且25 ℃時硝化速率最快（圖2d）。在15N 標記的硝態(tài)氮土壤樣品中，銨態(tài)氮的15N 豐度接近于自然豐度，不同溫度下沒有顯著差異（圖2c），說明土壤中沒有發(fā)生有機氮的再礦化或者硝態(tài)氮的異化還原過程。

2.3 土壤氮初級轉(zhuǎn)化速率

不同培養(yǎng)溫度下土壤氮初級礦化速率和初級固定速率都隨著培養(yǎng)時間的推進而逐漸下降（表1）。各培養(yǎng)時間段，氮初級礦化速率隨著溫度增加而增加（表1）。培養(yǎng)7 d 內(nèi)，15、25、35 ℃3 個處理的平均氮初級礦化速率分別為1.52、6.43、7.23 mg N·kg-1·d-1，處理間差異顯著（P<0.05）（圖3）。各培養(yǎng)時間段，3個處理間土壤氮初級固定速率大小表現(xiàn)為15 ℃<35 ℃<25 ℃（表1）。培養(yǎng)7 d內(nèi)，15、25、35 ℃3個處理的平均氮初級固定速率分別為1.12、4.28、1.81 mg N·kg-1·d-1，處理間差異顯著（P<0.05）（圖3）。由表1 可知，微生物固定的無機氮以銨態(tài)氮為主，對硝態(tài)氮的固定速率可以忽略不計。培養(yǎng)溫度為15 ℃時，土壤初級硝化速率隨培養(yǎng)的進行而降低，而在25 ℃和35 ℃培養(yǎng)條件下，初級硝化速率隨培養(yǎng)的進行先增加后下降，分別在培養(yǎng)后的3～5 d 和1～3 d 達到峰值（表1）。15、25、35 ℃3 個處理的平均初級硝化速率分別為1.39、7.03、5.83 mg N·kg-1·d-1，處理間差異顯著（P<0.05）（圖3）。

表1 不同溫度下土壤氮初級轉(zhuǎn)化速率的動態(tài)變化（平均值±標準差）Table 1 Dynamic changes of gross N transformation rates in soils at different temperatures（Mean±standard deviation）

15 ℃和25 ℃處理的gn/ia 值分別為1.30 和1.70，兩者之間無顯著差異，而35 ℃處理的gn/ia值為3.41，顯著高于15 ℃和25 ℃處理（圖4）。15 ℃和25 ℃處理的gm/gi值分別為1.36和1.50，兩者之間無顯著差異，但35 ℃處理的gm/gi 值為3.99，顯著高于15 ℃和25 ℃處理（圖4）。

3 討論

3 個培養(yǎng)溫度下，土壤氮初級礦化速率和初級固定速率都隨培養(yǎng)時間的推進逐漸降低（表1），說明土壤中易分解有效碳的數(shù)量在逐漸減少。溫度是影響土壤微生物活性的重要因素[8]，在一定溫度范圍內(nèi)，微生物活性隨著溫度增加而增加，從而加快土壤中的氮素轉(zhuǎn)化過程[25-26]。本研究結(jié)果表明，在15～35 ℃范圍內(nèi)，土壤氮初級礦化速率隨著溫度增加顯著增加，培養(yǎng)溫度由15 ℃增加至25 ℃時增幅很大，而溫度進一步增加至35 ℃后增幅放緩，這與前人關(guān)于溫帶林地土壤和草地土壤氮初級礦化速率大小及隨溫度變化趨勢的研究結(jié)果相似。Wang 等[12]基于溫帶酸性高山草甸土的研究發(fā)現(xiàn)，土壤氮初級礦化速率在15～25 ℃范圍內(nèi)隨溫度的增加顯著增加，25～35 ℃范圍內(nèi)增幅減小。Sun 等[27]的研究表明，培養(yǎng)溫度從15 ℃增加至25 ℃后，溫帶酸性森林土O、A 層土壤氮初級礦化速率分別增加了4.5 倍和0.8 倍。Zaman 等[13]也報道，在5～40 ℃范圍內(nèi)，溫帶酸性草地土壤氮初級礦化速率呈現(xiàn)隨溫度增加顯著增加的變化趨勢。高溫條件下土壤具有較高的氮初級礦化速率可能與土壤中難礦化有機質(zhì)的分解加速有關(guān)[28-29]，因為催化有機物第一階段分解的纖維素酶和蛋白酶活性隨溫度增加顯著增加[30]，促進了復(fù)雜有機物解聚為可溶性糖和氨基酸等簡單有機物[31]。此外，高溫下微生物分解有機物的速率也顯著加快[32]，從而導致土壤氮初級礦化速率顯著增加。另一方面，高溫處理下一些對溫度敏感的土壤微生物死亡后會釋放出大量水溶性有機碳[8，33]，有助于礦化作用的進行。

培養(yǎng)溫度從15 ℃增加至25 ℃后，土壤氮初級固定速率顯著增加，說明溫度升高提高了土壤微生物的活性，促進了微生物對銨態(tài)氮的同化。Sun 等[27]在研究溫帶酸性森林土壤氮初級轉(zhuǎn)化過程對溫度變化的響應(yīng)時也發(fā)現(xiàn)，在15～25 ℃范圍內(nèi)土壤無機氮的初級固定速率隨溫度的增加顯著增加。本研究結(jié)果顯示，當培養(yǎng)溫度從25 ℃進一步增加至35 ℃時，土壤氮初級固定速率反而顯著下降，這與Wang 等[12]基于亞熱帶酸性森林土和青藏高原酸性高山草甸土的研究結(jié)果相似。研究指出[25]，參與氮固定過程的微生物種類要比參與氮礦化過程的微生物種類少，而且參與氮固定過程的微生物只能利用簡單的易分解有效碳，而參與氮礦化過程的微生物可以利用復(fù)雜的有機化合物，不受底物分解難易程度的影響。因此，土壤中氮固定過程相比氮礦化過程對溫度的變化更為敏感[15]。35 ℃高溫條件下，一些不耐高溫的土壤微生物大量死亡[8，33]，可能減少了參與氮固定過程的微生物數(shù)量，從而抑制固定過程的進行。死亡微生物釋放出來的有效碳為一些耐高溫的氮礦化微生物提供了底物和能量，從而顯著增加了氮初級礦化速率[13]，這可能是培養(yǎng)溫度從25 ℃增加到35 ℃后土壤氮初級礦化速率對溫度變化的響應(yīng)與初級固定速率相反的原因。

15 ℃培養(yǎng)條件下，土壤初級硝化速率隨培養(yǎng)的進行逐漸降低，說明底物銨態(tài)氮的添加可能對硝化微生物活性產(chǎn)生了刺激作用，使得初級硝化速率在培養(yǎng)后的第1 d就達到了峰值，然后隨著底物的消耗，初級硝化速率逐漸降低。而在25 ℃和35 ℃培養(yǎng)條件下，初級硝化速率隨培養(yǎng)時間的推進先增加后降低，這可能是25 ℃和35 ℃培養(yǎng)條件下土壤有機氮的礦化速率較高同時疊加外源氮添加的綜合效應(yīng)所致。硝化作用是在特定微生物種類——硝化細菌的作用下進行的，因此硝化作用對溫度的變化比較敏感[34-35]。Breuer 等[36]基于3 個熱帶酸性森林土壤的研究發(fā)現(xiàn)，在一定溫度范圍內(nèi)土壤初級硝化速率與土壤溫度顯著正相關(guān)，土壤溫度每升高1 ℃，初級硝化速率平均增加N-N 1.17 mg·m-2·h-1。本研究結(jié)果表明，培養(yǎng)溫度從15 ℃增加至25 ℃后，土壤初級硝化速率顯著增加，但當培養(yǎng)溫度進一步增加至35 ℃時，初級硝化速率反而顯著下降，這可能是因為高溫降低了氧氣的溶解度并增加了異養(yǎng)微生物對氧氣的需求，導致土壤氧氣濃度下降，進而抑制了硝化微生物的活性[34]。Liu 等[37]在70%WFPS（孔隙含水量）條件下針對亞熱帶酸性農(nóng)田土壤的培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，在15～25 ℃范圍內(nèi)土壤初級硝化速率隨溫度增加顯著增加，當溫度進一步增加到35 ℃時，初級硝化速率小幅度下降。Wang等[12]也報道，在15～35 ℃、60%WHC 條件下亞熱帶和溫帶酸性森林土和草甸土的初級硝化速率也呈現(xiàn)隨溫度增加先增加后降低的變化趨勢，這與本研究的結(jié)果相似。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)中低溫條件下培養(yǎng)溫度升高對土壤初級硝化速率沒有影響[38]，甚至顯著降低了土壤初級硝化速率[15]，這可能是土壤有效碳含量或自養(yǎng)硝化速率比較低所致。在有效碳和銨態(tài)氮不是限制因子的前提下，自養(yǎng)硝化的最佳溫度在25～35 ℃[13，33]，本研究結(jié)果與其一致。

在沒有種植作物的實驗室培養(yǎng)條件下，酸性農(nóng)田土壤中的銨態(tài)氮主要有經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮和被微生物固定為有機氮兩個去向。因此，初級硝化速率與初級銨態(tài)氮固定速率的比值（gn/ia）可以用來衡量土壤中銨態(tài)氮的主要消耗過程，并可用于指示硝態(tài)氮產(chǎn)生潛勢和淋溶風險[39]。如果gn/ia 值大于1，說明硝化作用是消耗銨態(tài)氮的主要過程，如果gn/ia 值小于1，說明土壤中的銨態(tài)氮主要被微生物固定，發(fā)生硝化作用和硝態(tài)氮淋溶的風險較小[25]。有機氮初級礦化速率與初級固定速率比值（gm/gi）反映了土壤無機氮的周轉(zhuǎn)能力，可以用來評價礦化與固定過程的耦合程度。如果gm/gi 值接近1，說明礦化與固定過程緊密耦連，有機氮礦化過程產(chǎn)生的銨態(tài)氮幾乎全部可以被微生物固定為有機氮，氮素的內(nèi)部周轉(zhuǎn)循環(huán)能力很強；反之如果gm/gi 值遠大于1，說明礦化和固定過程的耦合程度不好，礦化產(chǎn)生的盈余氮會為硝化作用的發(fā)生提供大量底物，進而導致土壤氮素的損失[40]。本研究中15 ℃和25 ℃處理土壤中的gn/ia 值和gm/gi值均稍大于1，而35 ℃高溫處理土壤的gn/ia值和gm/gi 值均遠大于1，說明在35 ℃高溫條件下，土壤中有機氮的礦化速率大于微生物對無機氮的生物固定速率。雖然35 ℃高溫下銨態(tài)氮的生物固定速率和硝化速率都比25 ℃條件下要低，但是硝化細菌對銨態(tài)氮的利用數(shù)量仍然顯著高于微生物對銨態(tài)氮的固定，導致硝化作用成為銨態(tài)氮的主要消耗過程，從而可能產(chǎn)生大量硝態(tài)氮，如遇降雨可能會發(fā)生硝態(tài)氮的淋溶。而溫度在15～25 ℃范圍內(nèi)土壤中有機氮的礦化作用和無機氮的生物固定過程耦合相對緊密，土壤中銨態(tài)氮發(fā)生硝化的比率僅僅稍大于銨態(tài)氮的固定，硝態(tài)氮累積的程度及發(fā)生淋溶和反硝化的幾率相比35 ℃高溫條件下要低。

本研究結(jié)果對于黑土區(qū)農(nóng)田施肥具有一定的指導意義。本研究區(qū)域常年種植玉米，春季玉米播種時溫度要恒定在15 ℃以上，此溫度下土壤有機氮礦化作用較弱，土壤供應(yīng)銨態(tài)氮的能力較弱，需要施用一定量的氮肥作基肥以保證玉米苗期的營養(yǎng)需求。在玉米生長旺期，平均氣溫在25 ℃以上，土壤有機氮的礦化作用增強，但同時固持和硝化能力也增強，此階段應(yīng)分次追施氮肥，同時要做好多雨條件下的田塊排水工作以降低硝態(tài)氮的累積和淋溶風險。值得注意的是，本試驗是在室內(nèi)培養(yǎng)條件下進行的，今后還需進行原位試驗加以深入研究和佐證。

4 結(jié)論

（1）培養(yǎng)溫度在15～35 ℃范圍內(nèi)，土壤氮初級礦化速率隨溫度的增加顯著增加，初級固定速率和初級硝化速率則呈現(xiàn)先顯著增加后顯著降低的變化趨勢。

（2）培養(yǎng)溫度由15 ℃增加至25 ℃對氮初級礦化速率與初級固定速率比值（gm/gi）以及初級硝化速率與初級銨態(tài)氮固定速率比值（gn/ia）沒有影響，且兩個比值均稍大于1。但溫度增加至35 ℃后顯著增加了gm/gi值和gn/ia值，兩個比值均遠大于1。

（3）在15～25 ℃范圍內(nèi)，土壤氮素供應(yīng)和固持能力基本持平，不易導致硝態(tài)氮的累積和淋溶。而在35 ℃高溫條件下，土壤有機氮的礦化和固定過程耦連程度較弱，土壤銨態(tài)氮主要發(fā)生硝化作用，可能會增加硝態(tài)氮的累積和淋溶風險。