鐵氧化物與有機(jī)質(zhì)對(duì)酸性土壤硝化作用的影響.pdf

1、酸性土壤硝化作用具有空間變異性，很難直接用土壤pH、NH3的可利用性及氨氧化微生物的群落組成進(jìn)行解釋。說明其他未發(fā)現(xiàn)的影響因素可能在酸性土壤硝化作用中起著關(guān)鍵作用。Fe氧化物及有機(jī)質(zhì)在土壤，尤其是酸性土壤中大量存在。Fe氧化物在不同pH、水分及Fe氧化/還原細(xì)菌作用下對(duì)土壤N素轉(zhuǎn)化的影響不同，從而土壤的硝化作用產(chǎn)生差異。土壤有機(jī)質(zhì)作為土壤組分不可缺失的物質(zhì)之一，其不僅可以通過自身降解產(chǎn)生N源，也可對(duì)土壤無機(jī)N進(jìn)行固定，從而影響N循環(huán)。因

2、此，弄清Fe氧化物及有機(jī)質(zhì)與硝化過程的關(guān)系對(duì)理解其對(duì)N循環(huán)過程的影響尤其重要。此外，氨氧化細(xì)菌（AOB）和古菌（AOA）的群落組成不同但生態(tài)功能相同，受環(huán)境因素的影響，AOB和 AOA可能存在生態(tài)共存機(jī)制。因此，針對(duì)酸性土壤中存在的科學(xué)問題：非生物因子有機(jī)質(zhì)和Fe氧化物在酸性土壤中扮演的角色及對(duì)硝化作用的影響機(jī)理、NH3分子的來源、硝化作用的主導(dǎo)微生物類群及共存方式，本文采用15N示蹤和最大近似數(shù)（MPN）法、穩(wěn)定性同位素核酸探針（DN

3、A?SIP）技術(shù)、實(shí)時(shí)熒光定量PCR（qPCR）、克隆、焦磷酸測(cè)序，從宏觀到微觀對(duì)酸性土壤中 Fe氧化物與有機(jī)質(zhì)主導(dǎo)的生物/非生物耦合作用過程及氨氧化微生物主導(dǎo)的硝化作用過程的影響機(jī)理及共存機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　首先，本文采用常規(guī)培養(yǎng)法，從宏觀角度初步探索了非生物因子Fe氧化物與有機(jī)質(zhì)在土壤pH、水分含量差異影響下的土壤硝化作用過程。主要得到的結(jié)果是：
　　水分含量被控制條件下，加入Fe氧化物與有機(jī)質(zhì)的土壤在田間持水量的

4、100％（100%WHC）時(shí)較50%WHC和200%WHC表現(xiàn)出較高的硝化作用。在硝化作用表現(xiàn)優(yōu)異的水分條件100%WHC水分含量下，強(qiáng)酸性土壤（pH4.3–4.8）中，F(xiàn)e氧化物與有機(jī)質(zhì)加入或未加入，測(cè)得的強(qiáng)酸性土壤的硝化作用都為負(fù)，表明Fe氧化物與有機(jī)質(zhì)無法改變和影響強(qiáng)酸性土壤的硝化作用過程。100% WHC水分含量下，F(xiàn)e氧化物或Fe氧化物與有機(jī)質(zhì)同時(shí)加入，顯著刺激了pH5.1土壤的硝化作用，而抑制了pH7.8土壤的硝化作用。其主

5、要原因在于Fe氧化物在100%WHC水分條件下的氧化還原活性受土壤pH的影響，從而產(chǎn)生了在低pH和高pH土壤中不同的硝化作用強(qiáng)度。100%WHC水分含量下，有機(jī)質(zhì)的加入顯著抑制了pH5.1、pH6.0和pH7.8土壤的硝化作用。
　　接著，根據(jù)常規(guī)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果，100% WHC水分含量下，F(xiàn)e氧化物或 Fe氧化物與有機(jī)質(zhì)同時(shí)加入，顯著刺激了 pH5.1土壤的硝化作用，而抑制了pH7.8土壤的硝化作用。利用15N示蹤技術(shù)，深入探究

6、了Fe氧化物受土壤pH差異影響而導(dǎo)致的土壤硝化作用差異的機(jī)理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：低 pH土壤中，F(xiàn)e氧化物的加入可以增加土壤的凈硝化作用和總N礦化率，但是會(huì)降低微生物N的固定；而在高pH土壤中，F(xiàn)e氧化物加入的影響剛好相反。與對(duì)照相比，F(xiàn)e氧化物加入降低了低pH土壤的微生物生物量N約50%，而增加了高pH土壤微生物生物量N約45%。這些發(fā)現(xiàn)為我們?cè)诔Ｒ?guī)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果給出了很好的解釋。說明低 pH土壤中， NH3分子主要來源于Fe氧化物作用下的有

7、機(jī)質(zhì)的礦化；Fe氧化物在土壤N素轉(zhuǎn)化過程中受土壤pH的影響，對(duì)于不同pH的土壤，F(xiàn)e氧化物在其中的作用機(jī)理不同。
　　其次，本文結(jié)合15N示蹤技術(shù)和最大近似數(shù)（MPN）法，對(duì)酸性水稻土不同深度土壤Fe還原/氧化細(xì)菌影響下的Fe氧化物與土壤硝化作用間的相互關(guān)系進(jìn)行了探索。主要結(jié)果有：水稻土不同深度土壤總硝化速率與總礦化速率隨土壤深度的增加，其變化趨勢(shì)相同。土層0–10、10–20和20–40 cm的總硝化速率是>40 cm土層的總硝

8、化速率的7、7和5倍，土層0–10、10–20和20–40 cm的總硝化速率差異不顯著。Fe還原和Fe氧化細(xì)菌在0–10、10–20和20–40 cm土層的含量較>40 cm土層大10到100倍，隨土壤深度的變化與土壤硝化作用的變化趨勢(shì)相同。10–20 cm和20–40 cm土層的總NH4+固定速率比0–10 cm土層分別減少了71%、29%。Fe還原細(xì)菌與全Fe和有效Fe含量具有顯著正相關(guān)關(guān)系；Fe氧化細(xì)菌與有機(jī)質(zhì)和NH4+的量具有顯

9、著正相關(guān)關(guān)系；有機(jī)質(zhì)與全Fe和有效Fe間具有極顯著正相關(guān)關(guān)系；有機(jī)質(zhì)和全Fe與NH4+的量之間具有顯著正相關(guān)關(guān)系。說明Fe氧化物與有機(jī)質(zhì)直接影響了土壤NH4+的轉(zhuǎn)化，而該過程中Fe還原/氧化細(xì)菌的作用不可忽略。Fe氧化物很可能在Fe氧化細(xì)菌作用下被還原，促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的氧化，從而增加了NH3分子的濃度。水稻土不同深度土壤硝化作用的差異受土層中 Fe氧化物與 Fe還原/氧化細(xì)菌的共同影響。
　　最后，本文利用穩(wěn)定性同位素核酸探針（DN

10、A-SIP）技術(shù)針對(duì)硝化微生物在土壤中可能存在的生態(tài)位分異機(jī)能，研究了酸性森林土的硝化作用及硝化微生物群落結(jié)構(gòu)。主要結(jié)果發(fā)現(xiàn)：
　　酸性森林土只有加入尿素后具有明顯的硝化作用。而酸性森林土中，氨氧化古菌（AOA）的aomA基因豐度明顯高于氨氧化細(xì)菌（AOB）的aomA基因豐度，但只有加入尿素的AOB被13C標(biāo)記。說明酸性森林土硝化作用由AOB主導(dǎo)，其作用機(jī)理在于AOB具有脲酶活性，尿素的加入可促進(jìn)AOB的增長(zhǎng)并同時(shí)可通過水解提高N

11、H3底物的濃度，從而提高土壤的硝化作用。研究還發(fā)現(xiàn)5%中性紫色土加入酸性森林土后，土壤中不論加入尿素還是加入硫酸銨，土壤中發(fā)生了明顯的硝化作用，且兩種施肥方式下AOB都被13C標(biāo)記。相比酸性森林土，加入5%中性紫色土的酸性森林土加入尿素后的硝化速率的增加量是酸性森林土的3倍，且AOB的aomA基因豐度的增加量是酸性森林土的27倍。5%中性紫色土的加入擾動(dòng)了酸性森林土AOB amoA基因的類群。酸性森林土和加入5%中性紫色土的酸性森林土中

12、發(fā)揮氨氧化作用的硝化微生物為AOB amoA基因的Nitrosospira屬和Nitrosomonas屬。不同處理的酸性森林土AOB的amoA基因類群會(huì)選擇性刺激土壤的硝化作用。酸性森林土和加入5%中性紫色土的酸性森林土AOA的aomA基因序列在Group1.1b。
　　綜上所述，土壤生態(tài)系統(tǒng)中，非生物因子如Fe氧化物與有機(jī)質(zhì)可能對(duì)土壤的硝化作用及N素轉(zhuǎn)化的其他過程產(chǎn)生重要影響。且在不同環(huán)境條件下，F(xiàn)e氧化物與有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤硝化作用