東北集約化農區(qū)不同農作物類型的土壤硝化作用及其影響因素

來雪慧++任曉莉++賈麗霞+周坤淵++王美琪

摘要：以東北集約化農區(qū)作為研究對象，根據(jù)1979年、1992年、1999年、2012年共4年的土地利用和植被利用遙感信息，選擇小葉章草甸/小葉章草甸/水稻/水稻（C/C/R/R）、落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）、小葉章草甸/小葉章草甸/玉米/玉米（C/C/M/M）、玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）、玉米/玉米/水稻/水稻（M/M/R/R）這5種典型區(qū)域不同農作物類型的土壤硝化速率進行測定，分析其主要的影響因素。結果表明，不同農作物類型的土壤硝化速率存在顯著差異（P<0.05）；玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的土壤硝化速率相對最高，為 404.8 μg/（kg·h），落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）的土壤硝化速率相對最小，為232.4 μg/（kg·h）；不同農作物類型的土壤硝化速率與土壤溫度、全碳含量、總氮含量、硝態(tài)氮含量、銨態(tài)氮含量呈極顯著正相關（P<001），而土壤含水量對給地區(qū)的硝化作用影響較??；土壤硝化速率與土壤pH值呈極顯著負相關（P<0.01）。

關鍵詞：硝化作用；影響因素；農業(yè)活動；農作物類型

中圖分類號：S153.6 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0473-04

收稿日期：2015-10-23

基金項目：山西省高等學?？萍紕?chuàng)新項目（編號：2014151）；山西省重點學科建設項目。

作者簡介：來雪慧（1984—），女，山西大同人，博士，講師，主要從事環(huán)境規(guī)劃、農業(yè)面源等研究。Tel：（0351）3566125；E-mail：laixuehui@mail.bnu.edu.cn。氮元素作為生物體生存和發(fā)展必需的元素，對陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)過程具有最強烈的影響[1]，同時對生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能起著關鍵的調節(jié)作用[2]。氮循環(huán)為生物的生長提供必需的氮源[3]，并促使物質能量循環(huán)的形成[4]。在土壤硝化過程中，硝化作用是氮素損失的主要途徑[5]，而氮素損失會導致溫室氣體N2O排放量增多。目前，氮循環(huán)已成為全球變化研究的一個重要內容[6]。針對土壤硝化作用的影響因素開展了大量研究[7]。有研究發(fā)現(xiàn)，土壤類型不同，土壤硝化作用變異較大，土壤水分和土壤理化性質作是影響硝化作用的重要因素[8-9]。本試驗以集約化農區(qū)不同農作物類型為研究對象，探討植被結構改變及土壤因子變化對該地區(qū)農田土壤硝化作用的影響程度，為預測溫室氣體排放和區(qū)域生態(tài)安全提供基礎信息。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于東北三江平原八五九農場，屬寒溫帶季風性大陸氣候。根據(jù)該農場1964年7月至2010年6月的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)（圖1）可知，研究區(qū)年平均氣溫和降水量分別為 2.5 ℃、559.6 mm；土壤以白漿土和沼澤土等為主，其中白漿土占研究區(qū)總面積的60.7%；0～20 cm農田土壤表層的氮、磷平均含量分別為2.39、0.90 g/kg，而速效氮、速效磷、速效鉀平均含量分別為236.5、21.3、144.9 mg/kg，有機質含量為38.3 g/kg。整體而言，農場內耕地有機質含量豐富，土壤養(yǎng)分氮、磷含量較高。

1.2樣品采集

東北三江平原自20世紀50年代經(jīng)歷了多次農業(yè)開發(fā)，農業(yè)土地面積由解放前的7 870 km2增加到2000年的 47 330 km2，且每次農業(yè)開發(fā)均以增加糧食產(chǎn)量為目的，三江平原已成為我國重要的糧食生產(chǎn)基地，是我國集約化農業(yè)區(qū)。在開發(fā)過程中，為滿足糧食生產(chǎn)需要，大量的自然植被由農作物代替。本研究根據(jù)八五九農場1979年、1992年、1999年、2012年這4年的遙感影像圖，采集小葉章草甸/小葉章草甸/水稻/水稻（C/C/R/R）、落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）、小葉章草甸/小葉章草甸/玉米/玉米（C/C/M/M）、玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）、玉米/玉米/水稻/水稻（M/M/R/R）5種不同農作物類型（表1）0～15、15～30、30～60 cm等3種深度的土壤樣品進行分析。分別于2012年4月29日、5月24日、6月2日、6月19日、7月2日采樣，每個采樣點按“S”形設5個取土點，每個取土點選擇1 m×1 m樣方，用土鉆采集土樣；混合土樣，采用“四分法”，用無菌塑料袋保存，帶回實驗室立即置于4 ℃冰箱保存，重復3次。

1.3分析方法

采用格里斯顯色法[10-11]測定土壤硝化速率；采用長桿針式土壤溫度計分別測定采樣點樣方周圍0～15、15～30、30～60 cm深度的土壤溫度；采用常規(guī)分析法[12]測定土壤基本理化性質：采用24 h烘干法測定土壤含水量；采用pH計測定土壤水土比1 ∶ 1浸提液的pH值；分別采用濃硫酸重鉻酸鉀法、元素分析儀測定土壤有機質含量、全碳含量和總氮含量；采用 1 mol/L KCl土液比1 ∶ 10浸提，分別用納氏試劑比色法和紫外分光光度法測定土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量。

2結果與分析

2.1不同農作物類型的土壤硝化速率

由圖2可見，集約化農區(qū)各農作物類型不同土壤深度的硝化速率大小變化規(guī)律基本相似；同一土壤深度，玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的土壤硝化速率相對最大，0～15、15～30、30～60 cm深度的土壤硝化速率分別為442.1、3970、375.3 μg/（kg·h），明顯高于其他農作物類型土壤；落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）的土壤硝化速率相對最小，0～15、15～30、30～60 cm深度的土壤硝化速率分別為275.4、240.0、195.4 μg/（kg·h）；整體而言，研究區(qū)各作物類型的土壤硝化速率從大到小依次為玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）、小葉章草甸/小葉章草甸/玉米/玉米（C/C/M/M）、玉米/玉米/水稻/水稻（M/M/R/R）、小葉章草甸/小葉章草甸/水稻/水稻（C/C/R/R）、落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）。分析結果表明，不同農作物類型的土壤硝化速率之間存在顯著差異（P<0.05）；玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的土壤硝化速率顯著高于其他農作物類型（P<0.05）。

2.2土壤溫度和含水量對土壤硝化速率的影響

2.2.1土壤溫度由圖3可見，不同農作物類型土壤溫度與

硝化速率的變化規(guī)律基本一致，相互之間呈極顯著正相關（P<0.01）；土壤溫度較低時，兩者之間的擬合效果較好；溫度較高時，擬合效果明顯下降，硝化速率的散點以擬合曲線為中心逐漸分散開來，尤其是農作物類型玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的分散度更為明顯。這說明溫度低時，土壤硝化作用受溫度變化的影響較大，當溫度超過18 ℃，土壤溫度對土壤的硝化作用逐漸減弱。

由表2可見，不同深度土壤溫度與硝化速率呈正相關；隨著土壤深度的增加，農作物類型落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）、小葉章草甸/小葉章草甸/玉米/玉米（C/C/M/M）回歸系數(shù)逐漸增大，土壤溫度對土壤硝化速率的解釋能力增強，而玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）、玉米/玉米/水稻/水稻（M/M/R/R）這2種農作物類型與之相反，土壤溫度對硝化速率的解釋能力隨土壤深度增加逐漸減弱。

2.2.2土壤含水量由表3可見，落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）、小葉章草甸/小葉章草甸/玉米/玉米（C/C/M/M）、玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的土壤含水量與硝化速率呈正相關，小葉章草甸/小葉章草甸/水稻/水稻（C/C/R/R）、玉米/玉米/水稻/水稻（M/M/R/R）的土壤含

水量與硝化速率呈負相關，但研究區(qū)不同作物類型的土壤含水量與硝化速率之間均沒有顯著相關關系（P>0.05）。

2.3土壤理化性質對土壤硝化速率的影響

硝化作用是一個復雜的微生物化學過程，不僅受土壤溫度、含水量的影響，而且受土壤總氮含量、硝態(tài)氮含量、pH值等理化性質的影響。由圖4、表4可見，土壤硝化速率與土壤氮素含量、總碳含量呈極顯著的正相關關系（P<0.01），與pH值呈極顯著的負相關關系（P<0.01），土壤pH值對硝化作用具有重要的影響。

3結論與討論

試驗結果表明，不同農作物類型的土壤硝化速率存在顯著性差異（P<0.05）；玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的土壤硝化速率相對最高，為404.8 μg/（kg·h），落葉闊葉林/落葉闊葉林/玉米/玉米（B/B/M/M）的土壤硝化速率相對最小，為232.4 μg/（kg·h）；土壤硝化速率與土壤溫度呈極顯著的正相關關系（P<0.01），土壤溫度對玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）的土壤硝化速率的影響更為明顯；溫度低時，土壤硝化作用受溫度變化的影響較大，但溫度超過18 ℃，溫度對土壤的硝化作用逐漸減弱；土壤含水量對硝化作用的影響較??；土壤硝化速率與土壤pH值、碳氮含量呈極顯著的相關關系（P<0.01），其中土壤pH值與土壤硝化速率之間呈極顯著負相關關系。

研究區(qū)在農業(yè)開發(fā)過程中，大面積的濕地和林地被開墾為耕地，整體硝化速率呈增加趨勢，且玉米的土壤硝化速率顯著高于水稻，這與蔡祖聰?shù)妊芯拷Y論[13]一致。小葉章草甸和落葉闊葉林由于人工干擾和農業(yè)活動相對較少，環(huán)境中的碳氮可以隨季節(jié)的變化通過植被生長和枯枝落葉逐漸積累下來，并在土壤中建立起有效的碳氮儲備庫，從而為生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定和生態(tài)系統(tǒng)功能的發(fā)揮提供良好的基礎。但是，當森林、草地和濕地生態(tài)系統(tǒng)被開墾為農田，受到人類頻繁的耕作、灌溉、施肥等農業(yè)行為擾動，土壤碳氮庫及氮素循環(huán)將會發(fā)生明顯的破壞[14]。有研究表明，土壤含水量較小，可以促進土壤的硝化作用[9]。與玉米/玉米/玉米/玉米（M/M/M/M）相比，農作物類型小葉章草甸/小葉章草甸/水稻/水稻（C/C/R/R）、玉米/玉米/水稻/水稻（M/M/R/R）的土壤含水量較高，并隨水分增加，土壤逐漸形成厭氧條件而使硝化作用減弱。因此，集約化農區(qū)不同農作物類型的土壤含水量對硝化作用的影響較小。

硝化細菌適應酸性環(huán)境，酸性條件有利于其硝化作用[15]。硝態(tài)氮、銨態(tài)氮是2種主要的土壤速效氮，在衡量土壤氮素含量時，經(jīng)常選用硝態(tài)氮和銨態(tài)氮進行表征[16-18]。研究發(fā)現(xiàn)，大氣中溫室氣體的排放和水環(huán)境富營養(yǎng)化等都是由土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量過高引起的[19]。研究區(qū)土壤pH值在3.73～5.76范圍內呈酸性，有利于土壤發(fā)生硝化作用。同時，在集約化農區(qū)往往大量施用以氮肥為主的化肥，這會導致有效氮含量特別是銨態(tài)氮含量的升高，并引起硝化速率的增加。

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