羊草草地土壤氮的总矿化硝化和无机氮消耗速率研究

羊草草地土壤氮的总矿化!硝化和无机氮消耗速率研究李玉中祝廷成∞中国农业科学院农业气象研究所北京东北师范大学草地研究所长春⁄≤≥°∞√≥≤摘要采用管式取样法和库稀释技术研究了东北羊草草地土壤氮总矿化!硝化速率的季节动态将其与土壤主要环境因子进行相关分析∀结果表明羊草草地土壤总矿化速率在∗月呈增加的趋势月份达到最高以干土计以下同值为Λ##月份以后矿化速率降低!月份土壤中铵态氮的消耗速率大于氮的矿化速率总硝化速率随土壤水分及硝化基质含量的变化而变化波动性很大硝化速率最高值出现在月份Λ##硝态氮含量的变化趋势与总硝化速率的变化趋势相类似∀关键词羊草库稀释技术铵态氮硝态氮≥∏≥≤∏≥∏≠∏2×2∞(ΑγρομετερολογψΙνστιτυτε,ΧηινεσεΑχαδεμψοφΑγριχυλτυραλΣχιενχεσ,Βειϕινγ100081;ΓρασσλανδΙνστιτυτε,ΝορτηεαστΝορμαλΥνιϖερσιτψ,Χηανγχηυν130024;ΔεπαρτμεντοφΧροπΣχιενχεσανδΠλαντΕχολογψ,ΥνιϖερσιτψοφΣασκατχηεωαν,Χαναδα)∏∏∏2Λεψμυσχηινενσισ∏2∏¬∏√∏∏√∏Λ##∏∏∏∏∏∏∏∏∏∏∏∏Λ##×∏×2##Λεψμυσχηινενσισ∏收稿日期22基金项目国家自然科学基金国际合作资助项目2作者简介李玉中2男内蒙古赤峰人副研究员博士主要从事生态学研究∀×2ƒ¬2∞2土壤氮主要来源于土壤有机物质而土壤中可利用的氮主要来自微生物对土壤有机氮的矿化和硝化作用≈∀有机氮的矿化和硝化速率是土壤供氮能力的一个重要指标∀由于土壤温度!湿度等因子在不同季节差异很大由土壤微生物的活动所引起氮矿化与硝化强度的季节变化也较大了解这些变化规律对于合理管理草地具有十分重要的意义∀由于技术限制目前在该领域的研究主要还是局限于中国农业科学≥∏∏≥的净矿化与硝化作用对土壤中短时间内发生的总矿化与硝化作用的研究很少≈关于净矿化与硝化的研究方法主要有埋袋法!柱型取样法!模型法等其中柱型取样法由于对土壤的扰动较小是净矿化与硝化研究比较理想的方法≈∀在土壤氮总矿化!硝化研究方面⁄√≈等在前人工作基础上对库稀释技术进行了改进并利用该技术测定和比较了草地与森林土壤的总矿化!总硝化和氨的固定等过程的速率≈∀改进后的技术对土壤的扰动小能对转化速率直接测定∀一些研究人员采用技术还研究了草地上不同土层深度氮转化的差异土壤中根系生物量和不同的施肥管理对氮转化速率的影响≈∗∀本文采用该技术研究了东北羊草草地氮总矿化!硝化!无机氮消耗等的速率∀1材料与方法试验在年∗月进行∀研究样地位于松嫩平原的羊草草地保护区内草地植被以羊草Λεψμυσχηινενσισ为单优势种群落∀的矿化和硝化研究方法可分为针对净矿化和硝化针对总矿化和硝化∀本研究采用⁄√≈等改进的库稀释技术研究土壤氮总矿化!硝化速率∀其主要原理是利用对土壤扰动较小的管式取样法向管内土壤分别注入和通过丰度的变化测定氮在土壤中的转化速率∀具体操作过程如下∗月的每月中旬在羊草草地保护区典型地段每隔设一取样点在每个取样点上将内径为!高的柱形镀锌铁管打入土壤内将另一直径为!高的柱形取样器以同心圆的形式套在前一个内径为的取样器周围压入土壤两个取样器同时取出将两个取样器之间的土壤取出并放在塑料袋内混匀一部分土壤立即用#的≤提取比例为干土对≤溶液剩余的土壤用作测定土壤含水量ε烘干∀内径的土壤取样器与其内的土壤一起取出上部盖好盖子封死倒置将丰度为浓度为Λ#的≥或分数次!按每克土Λ的比例均匀注入取样器内的土壤内然后将底部的盖子盖好竖过来放在原取样处培养取出将取样器内的土壤取出混匀以#的≤提取用•2号滤纸过滤∀取滤液用蒸馏法测定滤液内铵态氮或硝态氮的含量馏出液经酸化处理!浓缩采用凯氏杜马法制样利用2型光谱仪进行分析∀氮的总矿化速率和硝化速率按下式计算μΜΜτ≅ΗΜ/ΗΜΜ/ΜχΜΜτ≅Η/ΗΜ/Μ此公式是和≈得出的其中初始的库浓度Λ#干土培养后库浓度Λ#干土初始的库浓度Λ#干土以注入的与干土比计算大气中的天然丰度为生物圈中不同组分在此值的∗范围内变动由于注入的是丰度高达的同位素所以计算初始库时可以忽略土壤中的天然丰度培养后的库浓度Λ#干土矿化速率Λ#干土#消耗速率Λ#干土#培养时间此处为注入同位素的库用和表示如注入的是库浓度也用和表示但式中的要换成以表示硝化速率∀本实验样本重复数为∀2结果与分析21羊草草地保护区内土壤氮的总矿化!硝化和无机氮的消耗速率利用同位素研究草地土壤氮的转化过程首先要准确地测定土壤库中和的浓度测定的土壤应与所注入同位素的土壤位置尽量接近以减少误差∀保护区土壤库中∗月份和的浓度见表和表∀从表和表可看出这两种形态的氮波动性较大∀因注入土壤中的无机氮会影响微生物对氮的转化利用库稀释技术应加入的同位素量尽可能少以防止由于增加土壤库中的无机氮含量影响转化的其它反应过程∀所以本研究中尽量保证所注入同位素量在Λ#干土左右表和表∀表中的数据表明的回收率受土壤微生物活动的影响变幅较大∀的总矿化速率∗月份逐渐升高月最高Λ#干土月大幅度下降∀这种变化与温度!降水!土壤湿度和土壤可矿化有机氮量有密切关系∀∗月温度逐渐升高月降水量与土壤湿度都大积累的易矿化有机氮被迅速矿化进入月份由于土壤长期过湿通气性差不利于氮的矿化作用∀在好气条件下的期李玉中等羊草草地土壤氮的总矿化!硝化和无机氮消耗速率研究表1羊草草地保护区土壤氮总矿化速率的季节动态×Λεψμυσχηινενσισ月月月∏月∏月∏月≥土壤库Λ#注入Λ#初始库Λ#初始库Λ#终止库Λ#ƒ终止库Λ#ƒ氮总矿化速率Λ##消耗速率Λ##≤∏表2羊草草地保护区土壤氮总硝化速率的季节动态×Λεψμυσχηινενσισ月月月∏月∏月∏月≥土壤库Λ#注入Λ#初始库Λ#初始库Λ#终止库Λ#ƒ终止库Λ#ƒ总硝化速率Λ##消耗速率Λ##≤∏矿化速率比嫌气条件下高≈同时在前几个月易矿化的成分很多已被矿化可矿化物质减少因而矿化速率下降∀的消耗包括土壤的胶体吸附!被粘粒矿物晶格固定!微生物同化!植物吸收!自养硝化细菌硝化!挥发等∀的消耗趋势与矿化趋势相同不同的是其消耗速率在月份大于矿化速率∀这与本月氮的干湿混合沉降!环境条件!土壤微生物的活动等有关∀夏季是东北羊草草地干湿混合沉降氮向草地生态系统输入量最大的季节输入的氮以无机氮为主∀氮的矿化与微生物同化之间的关系与草地土壤的≤比密切相关∀笔者的相关研究表明羊草草地的≤比为在≤比为Β∗Β时有机氮的矿化作用和微生物同化作用大体相等≈∀月份由于植物对的大量吸收!反硝化作用以及挥发损失量的增加致使氮的消耗量大幅度升高∀从总的趋势来看∗月的总硝化速率是增加的表月和月的值较高这与月和月土壤中硝化作用的基质含量较高有密切关系∀月份的硝化作用速率最低与月份土壤极端干燥有关而硝化细菌只有在湿润条件下活动才强烈∀的消耗包括微生物同化!植物的吸中国农业科学卷收!反硝化作用等∀的消耗趋势与总硝化速率趋势相类似只是的消耗速率低于硝化速率∀比较表!表的数据可以发现硝化速率总的来说大于矿化速率主要是由于硝化作用的基质除了来自矿化的外还有一部分来自大气干湿混合沉降中的部分可能来自土壤中的有机氮异氧硝化≈∀同时还可看出的峰值总是滞后于的峰值即值高月份的后个月值也比较高如月份的含量高月份的含量就比较高月份值高月份的含量就比较高此外总硝化作用强度最高值的出现比总矿化作用最高值晚个月∀这既表明硝化作用主要是以为基质的也说明东北羊草草地土壤参与硝化作用的主要为自养型细菌∀这些结果与东北羊草草地土壤理化性质尤其是值有关本研究的草地土壤值为左右硝化作用最适值范围在∗之间而矿化作用最适宜值为左右∀22土壤氮总矿化!硝化速率与环境因子之间关系总矿化速率和土壤浓度相关土壤的矿化速率较高时的含量也高硝化作用强度与的含量也有类似的关系∀的总矿化作用!总硝化作用以及无机氮的消耗速度与当月降水量!土壤水分含量!土壤温度!土壤中和之间的相关分析表明总矿化作用和硝化作用与当月土壤温度!土壤湿度和降水量呈正相关和的消耗分别与和含量呈正相关∀3结论羊草草地土壤总矿化速率在∗月呈增加趋势月份达到最高Λ##之后降低月份土壤中铵态氮的消耗速率大于氮的矿化速率这与月份植物和微生物对无机氮的旺盛吸收!干湿混合沉降以及氨挥发损失增加密切相关∀土壤氮的总硝化速率随土壤水分及硝化基质的含量变化而变化波动性很大最高值出现在月份Λ##硝态氮的变化趋势与总硝化速率的变化趋势相类似羊草草地土壤硝化速率较高这与土壤值较高等因素有关∀不能用总矿化速率估测净矿化速率总矿化速率矿化的无机氮有很大一部分很快被微生物!植物吸收利用转变为有机氮∀根据笔者利用管型取样测定的结果东北羊草草地∗氮净矿化量为#∀根据⁄√的研究天然草地利用同位素库稀释技术测定总矿化!硝化速率时由于注入的同位素在零时刚注入时会被一些未知的过程消耗掉即存在着/零时效应0在天然草地测定的总矿化!硝化速率的结果比实际要高∀但作为季节动态或用来比较不同处理过程土壤内部氮转化的规律有一定意义∀≈⁄∏•≥∏≤≥2∏°2≈⁄√∞ƒ∏∏Εχολογψ≈°∏2∏∏∏2ΠλαντανδΣοιλ≈⁄√∞≥≤≥≤ƒ∏22∏ϑουρναλοφΣοιλΣχιενχε≈≥•2∏2∏ϑουρναλΠλαντΝυτριεντανδΣοιλΣχιενχεσ≈•°⁄⁄≥22∏2∏ΣοιλΒιο2λογψανδΒιοχηεμιστρψ≈⁄√≥≤°√⁄≤∏2¬ΒιολογψανδΦερτιλιτψοφΣοιλ≈⁄•∂∞∏∏2∏ΣοιλΣχιενχεΣο2χιετψοφΑμεριχαΠροχεεδινγσ≈∏÷ΣοιλΣχιενχε∏∏°≤朱祖祥土壤学北京农业出版社≈×≥•⁄≥2ƒ∏°∏≤≠期李玉中等羊草草地土壤氮的总矿化!硝化和无机氮消耗速率研究