楊 靜，張 毅，鮑清濤，楊文浩,，周碧青，張黎明,，邢世和,*

不同類型水稻土可溶性有機(jī)氮及其組分的剖面分布①

楊 靜1，張 毅1，鮑清濤1，楊文浩1,2，周碧青2，張黎明1,2，邢世和1,2*

(1 福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福州 350002；2 土壤生態(tài)系統(tǒng)健康與調(diào)控福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350002)

為揭示可溶性有機(jī)氮(soluble organic nitrogen，SON)在土壤剖面的分布狀況，選取中亞熱帶地區(qū)發(fā)育于相同母質(zhì)的黃泥田、灰黃泥田和灰泥田3種不同類型水稻土為對(duì)象，研究不同類型水稻土剖面中SON含量、組分及主控因子。結(jié)果表明，不同類型水稻土SON、游離氨基酸氮(FAA-N)、酰胺氮(AN-N)和可溶性蛋白氮(SP-N)含量具有明顯的剖面分異，均表現(xiàn)為0 ～ 20 cm 土層>20 ～ 40 cm土層>40 ～ 60 cm土層。不同類型水稻土SON及各組分含量差異主要表現(xiàn)在0 ～ 20 cm土層，均表現(xiàn)為灰泥田>灰黃泥田>黃泥田，灰泥田SON、FAA-N、AN-N和SP-N含量分別高于灰黃泥田50.5%、41.7%、44.8% 和2.1%，高于黃泥田196.5%、200.9%、180.4% 和76.5%。0 ～ 20 cm土層3種不同類型水稻土FAA-N和AN-N分別占SON的54.4% ～ 58.7% 和45.5% ～ 48.1%，而底層(40 ～ 60 cm)FAA-N和AN-N分別占SON的33.1% ～ 55.7% 和50.3% ～ 52.8%，說(shuō)明FAA-N和AN-N具有向下累積的趨勢(shì)，且在土壤剖面中對(duì)SON的貢獻(xiàn)大于SP-N。中性氨基酸尤其是肌氨酸是底層FAA-N的主要組分?；疑P(guān)聯(lián)分析表明有機(jī)質(zhì)、蛋白酶、脲酶和總孔隙度與不同類型水稻土SON及組分垂直分布密切相關(guān)，對(duì)SON、FAA-N、AN-N和SP-N含量變化的總貢獻(xiàn)度分別為95.2%、92.1%、98.3% 和90.9%。因此，SON及組分在土壤剖面中的垂直分布與土壤類型和土層深度密切相關(guān)，且受土壤有機(jī)質(zhì)、酶活和總孔隙度的影響。

水稻土；可溶性有機(jī)氮；組分；垂直分布；影響因素

土壤中90% 以上的氮素以有機(jī)形態(tài)存在，其中可被水或鹽溶液(0.5 mol/L K2SO4、1 mol/L KCl和10 mmol/L CaCl2等)浸提出來(lái)的有機(jī)氮稱為可溶性有機(jī)氮(soluble organic nitrogen，SON)[1]。SON在土壤中的移動(dòng)性強(qiáng)，易受淋溶作用和膠體吸附作用的影響，具有明顯的剖面部分特征，可為土壤的供氮能力和存在的生態(tài)環(huán)境影響提供參考[2]。土壤SON的化學(xué)組成十分復(fù)雜，不同組分自身性質(zhì)存在較大差異，可能導(dǎo)致其在土壤剖面中的分布也具有一定的差異。研究表明親水性小分子SON組分(如游離氨基酸、氨基糖和酰胺等)較大分子SON組分在土壤中更為活躍，不僅易被植物和微生物所吸收利用，還可隨重力水的作用向下遷移累積[3]。因此，土壤剖面中SON的組成及存在形態(tài)對(duì)土壤氮素的有效性具有重要的影響。然而，由于分析技術(shù)的限制，目前關(guān)于SON在土壤剖面分布的研究主要集中在其含量方面，SON組分在土壤剖面的分異有待進(jìn)一步研究。

不同土壤有其特定的理化性質(zhì)，使得土壤微生物活性、有機(jī)質(zhì)分解與釋放發(fā)生相應(yīng)的改變，故土壤SON含量和組分的分布也必然有所不同。姬景紅等[4]研究表明草甸土和鹽堿土20 ～ 40 cm土層SON含量較0 ～ 20 cm土層顯著降低，而黑土則無(wú)顯著差異。黨亞愛(ài)等[5]研究表明黃土高原地區(qū)干濕砂質(zhì)新成土、黃土正常新成土和土墊旱耕人為土有機(jī)氮各組分含量均表現(xiàn)為0 ～ 40 cm土層迅速下降，40 ～ 80 cm土層緩慢下降，80 cm以下土層基本穩(wěn)定。段鵬鵬等[6]研究結(jié)果顯示簡(jiǎn)育濕潤(rùn)淋溶土SON含量隨土層深度加深呈逐漸下降趨勢(shì)，且在20 ～ 40 cm處有明顯的累積，而孔祥忠等[7]研究則表明土壤SON在40 ～ 60 cm有積累的趨勢(shì)。可見(jiàn)，不同類型旱作土壤SON含量的剖面分異具有一定差異。水田土壤因頻繁淹水耕作、干濕交替以及水稻根系泌氧特性等特異的環(huán)境條件可能導(dǎo)致SON的分布有別于旱地土壤，然而，國(guó)內(nèi)外至今對(duì)不同類型水稻土SON組分剖面分布差異仍缺乏了解，且導(dǎo)致差異的原因尚不清晰。因此，本研究以亞熱帶3種不同類型水稻土為研究對(duì)象，分析不同類型水稻土SON及各組分的剖面分布差異，探討產(chǎn)生差異的影響因素，為闡明水田生態(tài)系統(tǒng)SON的化學(xué)本質(zhì)和生態(tài)功能提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省閩侯縣白沙鎮(zhèn)溪頭村(119°04'10"E，26°13'31"N)，處于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫19.5 ℃，年無(wú)霜期311 d，夏季高溫多雨，年均降水量可達(dá)1 350.9 mm，年日照時(shí)長(zhǎng)1 812.5 h。供試土壤分別為黃泥田、灰黃泥田和灰泥田3種不同類型的水稻土，皆由中性巖紅壤發(fā)育而來(lái)。研究區(qū)栽種的水稻品種為Ⅱ優(yōu)673，屬于再生稻，采用單季稻種植。試驗(yàn)中施用的化肥為尿素481.7 kg/hm2、過(guò)磷酸鈣900 kg/hm2和氯化鉀300 kg/hm2，尿素和氯化鉀50% 作基肥，50% 作分蘗肥施用，過(guò)磷酸鈣全部作基肥施用。田間管理和栽培措施均與當(dāng)?shù)乇３忠恢隆?/p>

1.2 土壤樣品采集

土壤樣品于2019年4月水稻種植前按照對(duì)角線多點(diǎn)取樣法，利用不銹鋼采土器分別采集不同類型及其不同深度(0 ～ 20、20 ～ 40、40 ～ 60 cm)的水稻土樣品，同時(shí)采集各層次土壤容重圈樣品。將采集的土壤樣品放入聚乙烯自封袋中盡快帶回實(shí)驗(yàn)室，將土壤樣品中的根系、植物殘?bào)w和侵入體等剔除，充分混勻后一部分新鮮樣品置于4 ℃(短期)或–20 ℃(較長(zhǎng)期)恒溫冰箱存放，用于測(cè)定土壤SON、蛋白酶與脲酶等相關(guān)參數(shù)，另一部分置于室內(nèi)常溫下自然風(fēng)干并研磨成不同粒徑土樣，供質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)、pH、全氮和全碳等測(cè)定。容重圈樣品用于土壤容重與毛管持水量測(cè)定，進(jìn)而計(jì)算土壤孔隙度。

1.3 測(cè)定方法

土壤理化性質(zhì)均采用土壤農(nóng)化常規(guī)分析方法[8]。土壤脲酶和蛋白酶活性分別采用靛酚藍(lán)比色法與福林酚比色法測(cè)定[9]。土壤SON含量采用安裝有氮檢測(cè)器總有機(jī)碳分析儀(Shimadzu，日本，TOC-L CPH)測(cè)定的土壤可溶性總氮(TSN)與采用連續(xù)流動(dòng)注射分析儀(Systea，意大利，F(xiàn)lowsys)測(cè)定的土壤總無(wú)機(jī)氮(TIN)的差值獲得[10]。土壤游離氨基酸含量和組成采用70 ℃熱水浸提后，添加磺基水楊酸混合除蛋白，微調(diào)節(jié)pH至2.2后吸取1 ml濾液于氨基酸自動(dòng)分析儀(Biochrom，英國(guó)，Biochrom 30+)測(cè)定[11]；土壤酰胺態(tài)氮含量采用對(duì)二甲氨基苯甲醛比色法測(cè)定[12]；土壤可溶性蛋白質(zhì)采用70 ℃熱水浸提，浸提后的溶液加入考馬斯亮藍(lán)充分混合后在595 nm 下比色測(cè)定[13]；土壤可溶性組分采用70 ℃熱水浸提，將浸提后的溶液通過(guò)凍干機(jī)冷凍干燥為粉末，并將1 mg冷凍干燥的樣品與200 mg干燥的KBr磨細(xì)混勻，通過(guò)油壓機(jī)壓成均一透明的薄片，用傅里葉紅外光譜儀(Bruker，德國(guó)，Vertex 70)測(cè)定[14]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行處理，利用SPSS 24軟件對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行差異性分析檢驗(yàn)，使用Sigmaplot 12.5和R 3.5.1軟件進(jìn)行作圖處理。采用DPS7.05統(tǒng)計(jì)軟件中的灰色關(guān)聯(lián)分析模型探討水稻土SON及各組分剖面分布差異的影響因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型水稻土理化性質(zhì)及其剖面差異

從表1可知，除灰泥田表層(0 ～ 20 cm)土壤為黏土外，不同類型不同層次土壤均為壤質(zhì)黏土。不同類型水稻土的容重表現(xiàn)為黃泥田>灰黃泥田>灰泥田，且隨深度的增加而增大。不同類型水稻土表層土壤總孔隙度無(wú)顯著差異，且均顯著高于深層土壤。不同類型水稻土的pH和C/N均隨深度的增加而增大，其中以黃泥田表層土壤pH和C/N最大，而灰黃泥田pH和C/N最小。不同類型水稻土有機(jī)質(zhì)、脲酶和蛋白酶活性均隨土壤深度的增加而降低，且黃泥田有機(jī)質(zhì)、脲酶和蛋白酶活性均低于灰泥田和灰黃泥田?？梢?jiàn)，不同類型水稻土理化性質(zhì)差異顯著，表層土壤理化性質(zhì)與深層間的差異顯著。

表1 不同類型水稻土不同土層理化性質(zhì)差異

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，大寫字母不同表示同一土層不同土壤間差異顯著(<0.05)，小寫字母不同表示同一土壤不同土層間差異顯著(<0.05)，下表同。

2.2 不同類型水稻土SON含量及其剖面差異

水稻土不同土層SON含量具有一定差異，灰黃泥田和灰泥田SON含量均表現(xiàn)為0 ～ 20 cm>20 ～ 40 cm>40 ～ 60 cm，而黃泥田0 ～ 20 cm土層SON含量與20 ～ 40 cm土層間無(wú)顯著差異(圖1)。不同類型水稻土SON含量差異顯著，0 ～ 20 cm土層灰泥田水稻土SON含量顯著高于灰黃泥田和灰泥田，但深層土壤(20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm)不同類型水稻土SON含量無(wú)顯著差異?？梢?jiàn)，不同類型水稻土SON含量的剖面分異較為明顯，灰泥田表層SON含量較深層土壤的差異最大，灰黃泥田次之，黃泥田最小。

2.3 不同類型水稻土SON組成及其剖面差異

2.3.1 不同類型水稻土游離氨基酸氮含量、組成及其剖面差異 不同類型水稻土游離氨基酸氮(FAA-N)含量隨土壤深度增加呈遞減的變化趨勢(shì)，但20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm土層間FAA-N含量無(wú)顯著差異(圖2)。不同類型水稻土FAA-N含量具有一定差異，灰黃泥田和灰泥田0 ～ 20 cm土層FAA-N含量顯著高于黃泥田，而40 ～ 60 cm土層黃泥田FAA-N含量則顯著高于灰黃泥田和灰泥田。不同類型水稻土不同土層FAA-N/SON介于33.8% ～ 58.7%(表2)，灰黃泥田和灰泥田FAA-N隨土壤深度增加呈遞減，而黃泥田3個(gè)土層間FAA-N/SON無(wú)顯著差異?？梢?jiàn)，F(xiàn)AA-N是水稻土SON的重要組成成分，且不同類型水稻土FAA-N差異主要表現(xiàn)在0 ～ 20 cm土層；不同類型水稻土FAA-N存在向下累積現(xiàn)象，且黃泥田中FAA-N向下累積的趨勢(shì)更為明顯。

(大寫字母不同表示同一土層不同土壤間差異顯著(P<0.05)，小寫字母不同表示同一土壤不同土層間差異顯著(P<0.05)，下圖同)

圖2 不同類型水稻土不同土層FAA-N含量

不同類型水稻土游離氨基酸(FAA)種類及含量均隨土壤深度的增加呈遞減(圖3)，0 ～ 20 cm土層不同類型水稻土FAA均以肌氨酸、丙氨酸、纈氨酸和亮氨酸為主，而20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm土層中FAA均以肌氨酸含量相對(duì)較高。黃泥田3個(gè)土層間氨基酸的組成差異小于灰黃泥田和灰泥田(圖4)，0 ～ 20 cm土層肌氨酸含量表現(xiàn)為黃泥田<灰黃泥田、灰泥田，而20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm土層肌氨酸含量均表現(xiàn)為黃泥田>灰黃泥田、灰泥田?？梢?jiàn)，不同類型水稻土FAA的組成均以中性氨基酸為主，黃泥田中FAA組成的剖面分異較小，且在土壤剖面分布中肌氨酸的差異最小。

表2 不同類型水稻土不同土層SON組分所占比例(%)

注：SON：可溶性有機(jī)氮；FAA-N：游離氨基酸氮；AN-N：酰胺氮；SP-N：可溶性蛋白氮。

圖3 不同類型水稻土不同土層FAA組成

(圖中A、B和C分別表示黃泥田、灰黃泥田和灰泥田；20、40和60分別表示0 ～ 20、20 ～ 40和40 ～ 60 cm土層)

2.3.2 不同類型水稻土酰胺氮含量及其剖面差異 灰黃泥田和灰泥田0 ～ 20 cm土層酰胺氮(AN-N)含量顯著高于20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm土層，而黃泥田不同土層間AN-N含量無(wú)顯著差異(圖5)。不同類型水稻土AN-N含量也具有一定差異，0 ～ 20 cm土層AN-N含量表現(xiàn)為灰泥田>灰黃泥田>黃泥田，而20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm土層不同類型水稻土AN-N含量無(wú)顯著差異。不同類型水稻土不同土層AN-N/SON介于45.0% ～ 55.2%，不同類型水稻土間和不同土層間AN-N/SON均無(wú)顯著差異(表2)。可見(jiàn)，AN-N是SON的重要組成成分，且不同類型水稻土AN-N差異主要表現(xiàn)在0 ～ 20 cm土層；不同類型水稻土AN-N存在向下累積的現(xiàn)象，且黃泥田中AN-N向下累積的趨勢(shì)更為明顯。

2.3.3 不同類型水稻土可溶性蛋白氮含量及其剖面差異 不同類型水稻土0 ～ 20 cm土層可溶性蛋白氮(SP-N)含量顯著高于20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm土層，而20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm土層間SP-N含量無(wú)顯著差異(圖6)。不同類型水稻土SP-N含量也具有一定差異，0 ～ 20 cm土層中灰黃泥田和灰泥田SP-N含量顯著高于黃泥田，而20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm土層不同類型土壤SP-N含量無(wú)顯著差異。不同類型水稻土不同土層SP-N/SON介于16.0% ～ 38.7%，3種類型水稻土SP-N/SON均表現(xiàn)為0 ～ 20 cm>20 ～ 40 cm≈40 ～ 60 cm(表2)；0 ～ 20 cm土層灰泥田SP-N/SON顯著低于黃泥田和灰黃泥田，20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm土層3種類型水稻土SP-N/SON無(wú)顯著差異?？梢?jiàn)，SP-N是SON的重要組成成分，不同類型水稻土SP-N剖面分異較大，且均主要表現(xiàn)在表層土壤。

圖5 不同類型水稻土不同土層AN-N含量

2.3.4 不同類型水稻土可溶性組分的剖面差異 不同類型水稻土不同土層可溶性組分浸提液的紅外光譜均存在7個(gè)明顯的吸收峰(圖7)。就不同類型水稻土而言，0 ～ 20 cm土層各吸收峰的峰面積均表現(xiàn)為灰泥田>灰黃泥田>黃泥田的變化趨勢(shì)；20 ～ 40 cm土層峰1和峰4的峰面積表現(xiàn)為黃泥田高于灰黃泥田和灰泥田；而40 ～ 60 cm土層各吸收峰的峰面積均表現(xiàn)為黃泥田高于灰黃泥田和灰泥田，表明黃泥田底層土壤中SON累積量大于灰黃泥田和灰泥田。就不同土層而言，黃泥田峰1和峰4的峰面積均表現(xiàn)為20 ～ 40 cm>40 ～ 60 cm>0 ～ 20 cm，而灰黃泥田和灰泥田則均表現(xiàn)為0 ～ 20 cm>20 ～ 40 cm>40 ～ 60 cm；不同類型水稻土峰2的峰面積均表現(xiàn)為0 ～ 20 cm>20 ～ 40 cm>40 ～ 60 cm，而其他吸收峰的峰面積無(wú)明顯的變化規(guī)律?？梢?jiàn)，大分子可溶性氮主要分布在水稻表層土壤中，而小分子可溶性氮具有在水稻土底層累積的趨勢(shì)，且黃泥田的累積量最大。

圖6 不同類型水稻土不同土層SP-N含量

(吸收峰1位于3 400 cm–1左右，屬于碳水化合物、羧酸、酚類、醇類等的–OH伸縮振動(dòng)，以及酰胺類官能團(tuán)的N-H伸縮振動(dòng)；吸收峰2位于1 630 cm–1左右，木質(zhì)素中與芳香環(huán)相連的C=O伸縮振動(dòng)及酰胺類化合物C=O伸縮振動(dòng)，即酰胺I吸收帶；吸收峰3位于1 400 cm–1左右，木質(zhì)素、脂肪族化合物及C-N伸縮振動(dòng)，即酰胺III吸收帶；吸收峰4位于1 086 cm–1左右，屬于碳水化合物(纖維素、半纖維素)和多糖的 C-O 鍵的伸縮振動(dòng)吸收；吸收峰5位于795 cm–1左右，屬于碳酸根形成的吸收峰；吸收峰6位于585 ～ 655 cm–1左右，羥基的變角振動(dòng)；吸收峰7位于453 cm–1左右，屬于Si-O振動(dòng)吸收)

2.4 不同類型水稻土SON及其組分差異的主要影響因素和貢獻(xiàn)率

為探究不同影響因子對(duì)土壤SON及其組分的影響大小，采用灰色關(guān)聯(lián)分析模型計(jì)算了水稻土SON及其組分與可能影響因子之間的關(guān)聯(lián)程度(圖8)。就水稻土SON含量影響因素而言，土壤有機(jī)質(zhì)、蛋白酶和脲酶與SON的關(guān)聯(lián)系數(shù)較大，均高于0.90，其次為總孔隙度，關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.85。從水稻土SON主要組分的影響因素來(lái)看，土壤有機(jī)質(zhì)與FAA-N、AN-N和SP-N的關(guān)聯(lián)度均為最高，關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為0.89、0.94和0.91，其次為總孔隙度、脲酶和蛋白酶，關(guān)聯(lián)系數(shù)介于0.80 ～ 0.88?？梢?jiàn)，有機(jī)質(zhì)、總孔隙度、蛋白酶和脲酶活性與水稻土SON含量及組分差異密切相關(guān)。

圖8 水稻土SON及其組分與影響因素間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)熱圖

采用方差分解分析進(jìn)一步探究水稻土SON主要組分的4個(gè)主要影響因素對(duì)其含量變異的貢獻(xiàn)率大小。結(jié)果(圖9)表明，土壤有機(jī)質(zhì)、總孔隙度和酶活性(脲酶和蛋白酶)對(duì)SON含量變異的貢獻(xiàn)率分別為0.03%、0.9% 和8.3%；對(duì)FAA-N含量變異的貢獻(xiàn)率分別為1.8%、1.1% 和8.6%；對(duì)AN-N含量變異的貢獻(xiàn)率分別為0.2%、0.6% 和5.5%；對(duì)SP-N含量變異的貢獻(xiàn)率分別為2.7%、0.8% 和2.8%。4個(gè)主效因子的交互作用對(duì)水稻土SON、FAA-N、AN-N和SP-N含量變異的貢獻(xiàn)率分別達(dá)68.7%、71.0%、70.7% 和74.4%。各變量及交互作用對(duì)SON、FAA-N、AN-N和SP-N含量變異的總貢獻(xiàn)率分別達(dá)95.2%、92.1%、98.3% 和90.9%。可見(jiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)、脲酶活性、蛋白酶活性和總孔隙度的協(xié)同作用對(duì)土壤SON各組分差異的貢獻(xiàn)率較大。

(A代表有機(jī)質(zhì)，B代表總孔隙度，C代表脲酶活性和蛋白酶活性，D代表未解釋量；AB、BC和AC分別代表有機(jī)質(zhì)和總孔隙度、總孔隙度和酶活性、有機(jī)質(zhì)和酶活性的協(xié)同作用；ABC代表有機(jī)質(zhì)、總孔隙度和酶活性的協(xié)同作用)

3 討論

3.1 不同類型水稻土SON含量的剖面分異

土壤SON具有較強(qiáng)的遷移性，過(guò)量施肥會(huì)導(dǎo)致其在土壤剖面中垂直遷移累積，造成氮素?fù)p失。本研究結(jié)果表明不同類型水稻土SON含量剖面分異較為明顯，SON隨土層深度的增加逐漸下降，且不同類型水稻土SON含量差異主要表現(xiàn)在0 ～ 20 cm土層，這與已有的結(jié)論相似[15]。究其原因與耕層土壤中有機(jī)質(zhì)的累積密切相關(guān)，施入土壤的肥料和動(dòng)植物殘?bào)w均在表層積累[16]，致使土壤中的有機(jī)質(zhì)多分布在土壤表層，其含量隨土壤深度的增加而減少(表1)，且由于長(zhǎng)期人為施肥使表層土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)富集，有利于提高土壤酶活性，本研究表明3種不同類型水稻土表層土壤中脲酶和蛋白酶活性均顯著高于20 ～ 40 cm、40 ～ 60 cm土層，有利于表層土壤有機(jī)質(zhì)礦化釋放出SON；此外，由于供試水稻土的質(zhì)地較為黏重(均為黏土和壤質(zhì)黏土)，孔隙度隨土層的增加而降低(表1)，加上緊實(shí)犁底層的滯水作用，導(dǎo)致水稻土SON不容易隨水下滲；第三，水稻根系分泌物也是SON的來(lái)源之一，其主要分布于土壤表層，且根系分泌物還可促進(jìn)微生物繁殖，提高土壤酶活性，進(jìn)而促進(jìn)表層土壤有機(jī)氮分解和礦化產(chǎn)生SON[17]；致使供試水稻土SON含量均隨土壤深度增加而減少，且表層土壤SON的濃度顯著高于20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm土層。

土壤類型及其顆粒組成決定著土壤的含水量，在一定程度上影響土壤通氣性和微生物活性，是影響土壤中氮化合物轉(zhuǎn)化和遷移的內(nèi)因[18]。不同類型水稻土SON的剖面分布具有一定差異，灰泥田表層SON含量較深層土壤的差異最大，灰黃泥田次之，黃泥田最小，這可能與不同類型土壤的有機(jī)質(zhì)含量、酶活性和孔隙度不同有關(guān)。不同土壤類型由于熟化程度不同，導(dǎo)致其耕層有機(jī)質(zhì)含量具有一定差異，灰泥田耕層土壤有機(jī)質(zhì)是灰黃泥田和黃泥田的1.16倍和1.73倍，增加了其耕層SON的來(lái)源。此外，SON在土壤中移動(dòng)性和有效性受土壤吸附過(guò)程的影響，而有機(jī)質(zhì)對(duì)SON的吸附可降低其在土壤中的遷移[19]，且灰泥田黏粒含量高(61.32%)，具有較大的比表面積與電荷密度[20]，能有效吸附土壤中的SON，減少SON的遷移量，從而導(dǎo)致灰泥田表層SON含量顯著高于深層。土壤酶是土壤中有機(jī)物分解和氮轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動(dòng)因素，有機(jī)物料施入土壤腐解過(guò)程中能夠釋放大分子量的復(fù)雜有機(jī)聚合物，在酶的解聚作用下可釋放大量小分子有機(jī)氮(如氨基酸、酰胺、氨基糖等)[21]。本研究中供試的3種不同類型水稻土中灰泥田不同土層間脲酶和蛋白酶活性差異最大，對(duì)有機(jī)質(zhì)分解能力的不同也導(dǎo)致灰泥田中SON垂直分布的差異較大。土壤孔隙度大小決定了土壤的通氣性，是影響土壤水分運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移的重要因素[22]。李勝龍[23]研究表明影響氮素遷移的因素較多，其中土壤孔隙具有重要的作用。本研究灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果也表明土壤孔隙度與土壤SON垂直分布密切相關(guān)(圖8)?？紫抖却螅７誓芰Σ?，孔隙小，氮素下滲速度慢[24]。本研究供試黃泥田中通氣孔隙度是灰黃泥田和灰泥田的2.4倍和1.3倍，通氣孔隙雖在一定程度上能增加土壤透氣性，但很大程度上造成大量的溶質(zhì)遷移[22]，從而導(dǎo)致黃泥田中SON向下累積，垂直分布差異較小。

3.2 不同類型水稻土SON組分的剖面分異

不同類型水稻土AN-N、FAA-N和SP-N分別占SON的45.0% ～ 55.2%、33.8% ～ 58.7% 和16.0% ～ 38.7%，說(shuō)明AN-N、FAA-N和SP-N是SON的重要組成成分，與Murphy等[1]研究結(jié)果一致。AN-N、FAA-N和SP-N均隨土壤剖面深度的增加逐漸下降，且不同類型土壤間的差異主要表現(xiàn)在0 ～ 20 cm土層，與SON含量變化規(guī)律一致。不同SON組分在土層間的遷移能力不同，在土壤剖面中的分布也具有一定的差異。本研究結(jié)果表明AN-N和FAA-N具有向下累積的趨勢(shì)，且底層土壤中AN-N和FAA-N對(duì)SON的貢獻(xiàn)大于SP-N，這主要與SON組分自身性質(zhì)及土壤對(duì)其的吸附和固持作用差異有關(guān)。研究表明小分子的親水性SON不易被土壤吸附，吸附后生物穩(wěn)定性差，還易出現(xiàn)解吸或被疏水性SON代替吸附的現(xiàn)象，因此易在土壤中發(fā)生遷移[24]。Michalzik和Matzner[25]通過(guò)核磁共振研究也表明氨基酸和酰胺態(tài)氮是森林土壤濾出液SON的重要組成成分。而SP由氨基酸脫水縮合而成的多條肽鏈所組合而成[26]，分子量顯著大于AN-N和FAA-N，結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，導(dǎo)致其在土壤中遷移能力較弱。本研究傅里葉紅外分析結(jié)果也表明大分子復(fù)雜SON主要集中于表層土壤，而酰胺等小分子SON在底層中的累積量較大(圖7)。

供試3種類型水稻土中表層土壤氨基酸均以中性氨基酸含量最高，酸性氨基酸次之，堿性氨基酸含量最低，這與雷秀美等[15]研究長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤游離氨基酸影響的結(jié)果類似。本研究的試驗(yàn)地位于亞熱帶，供試水稻土呈酸性反應(yīng)(pH為5.5 ～ 6.6)，酸性條件下堿性氨基酸的化學(xué)穩(wěn)定性較低，容易發(fā)生降解，故供試土壤中未檢出堿性氨基酸[27]。本研究中深層土壤中僅有中性氨基酸，說(shuō)明中性氨基酸在不同類型水稻土中較為穩(wěn)定，是不同類型水稻土剖面中遷移的主要氨基酸組分，這可能與氨基酸的帶電性有關(guān)。酸性氨基酸(谷氨酸)等電點(diǎn)為3.2，在土壤溶液中帶負(fù)電荷，帶有負(fù)電荷的羧基可通過(guò)二價(jià)離子作為離子橋與土壤基質(zhì)相結(jié)合而被吸附，從而導(dǎo)致其遷移性較弱；而中性氨基酸等電點(diǎn)與土壤溶液較為接近，基本以偶極的形態(tài)存在，帶正電荷的基團(tuán)和帶負(fù)電荷的基團(tuán)距離太近，電荷相互抵消[28]。因此土壤對(duì)中性氨基酸的吸附能力較低，易遷移至深層。Rothstein等[29]研究也表明酸性土壤可同時(shí)吸附帶正、負(fù)電荷的游離氨基酸，導(dǎo)致土壤對(duì)酸性和堿性氨基酸的吸附較中性氨基酸強(qiáng)烈。就單個(gè)氨基酸組分而言，3種不同土壤類型水稻土不同土層中肌氨酸的含量均較高，且無(wú)顯著性差異，這可能是因?yàn)榧“彼嶙鳛橹行园被岵灰妆煌寥滥z體吸附，在土壤剖面中移動(dòng)性強(qiáng)，從而導(dǎo)致不同土層中肌氨酸含量無(wú)顯著差異。此外，氨基酸在剖面的分布與其性質(zhì)密切相關(guān)，極性氨基酸的礦化程度高于非極性氨基酸[30]，因此供試土壤中肌氨酸作為非極性氨基酸礦化程度較低，周轉(zhuǎn)速率較慢，從而成為土壤剖面游離氨基酸含量較高的成分之一。不同類型水稻土游離氨基酸的垂直分布具有一定的差異，黃泥田底層氨基酸的種類較多且含量較高，說(shuō)明游離氨基酸易在黃泥田底層土壤中累積，可能是SON流失的重要形態(tài)，這與施書蓮等[30]研究的土壤剖面不同粒級(jí)中氨基酸含量的結(jié)果一致。土壤顆粒粒徑含量組成影響土壤剖面中氮素分布特征、累積強(qiáng)度或淋失強(qiáng)度，本研究供試黃泥田砂粒含量相對(duì)較高，保水能力弱，利于游離氨基酸隨水分向下遷移。

4 結(jié)論

不同類型水稻土SON及各組分含量剖面分異明顯，均隨土層的加深而降低，且主要受土壤有機(jī)質(zhì)、蛋白酶、脲酶和總孔隙度的交互影響。土壤肥力對(duì)SON組分在土壤剖面中的分布有顯著影響，F(xiàn)AA-N和AN-N是水稻土底層土壤SON累積的主要形態(tài)，且肌氨酸是游離氨基酸累積的主要組分。低肥力的供試黃泥田SON在底層累積的趨勢(shì)更為明顯，易產(chǎn)生損失，田間管理中應(yīng)特別注意水肥管理，降低其產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

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Profile Distribution of Soluble Organic Nitrogen and Its Components in Different Paddy Soils

YANG Jing1, ZHANG Yi1, BAO Qingtao1, YANG Wenhao1,2, ZHOU Biqing2, ZHANG Liming1,2, XING Shihe1, 2*

(1 College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China; 2 Fujian Provincial Key Laboratory of Soil Environmental Health and Regulation, Fuzhou 350002, China)

In order to reveal the distribution of soluble organic nitrogen (SON) in soil profile, three types of paddy soils (yellow, grey and yellow podzolic paddy soils) with the same parent material were selected to study the content, composition and main influencing factors of SON in paddy soil profiles. The results showed that the contents of SON, free amino acid nitrogen (FAA-N), amide nitrogen (AN-N) and soluble protein nitrogen (SP-N) had significant differences in different paddy soil profiles, and all were in an order of 0-20 cm > 20-40 cm > 40-60 cm. The contents of SON and its components in different paddy soils were mainly manifested in the 0-20 cm, in which all was in an order of grey paddy soil > yellow podzolic paddy soil > yellow paddy soil. The contents of SON, FAA-N, AN-N and SP-N in grey paddy soil were 50.5%, 41.7%, 44.8% and 2.1% higher than those of yellow podzolic paddy soil, 196.5%, 200.9%, 180.4% and 76.5% higher than those of yellow paddy soil. The contents of FAA-N and AN-N of the three paddy soils in 0–20 cm accounted for 55.4%–58.7% and 45.5%–48.1% of SON, respectively, while the contents of FAA-N and AN-N in 40–60 cm accounted for 33.1%–55.7% and 50.3%–52.8% of SON, respectively. These results indicated that FAA-N and AN-N had a downward accumulation trend, and contribute more to SON than SP-N in soil profile. Neutral amino acids, especially sarcosine, were the main components of FAA-N in 40–60 cm. Grey correlation analysis showed that organic matter, protease, urease and total porosity were closely related to the vertical distribution of SON and components in different paddy soils, and their contribution to SON, FAA-N, AN-N and SP-N were 95.2%, 92.1%, 98.3% and 90.9%, respectively. Therefore, the vertical distribution of SON and its components in soil profile is closely related to soil type and depth, and is affected by soil organic matter, enzyme activities and total porosity.

Paddy soil; Soluble organic nitrogen; Composition; Vertical distribution; Influencing factors

S154

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.04.005

楊靜, 張毅, 鮑清濤, 等. 不同類型水稻土可溶性有機(jī)氮及其組分的剖面分布. 土壤, 2022, 54(4): 691–699.

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41671490)、福建農(nóng)林大學(xué)科技創(chuàng)新項(xiàng)目(CXZX2017217)和福建農(nóng)林大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文資助基金(324-1122yb080)資助。

(fafuxsh@126.com)

楊靜(1992—)，女，福建南平人，博士研究生，主要從事土壤可溶性有機(jī)氮研究。E-mail: yangjing_0305@163.com