添加無機(jī)氮對(duì)山西太岳山油松林土壤微生物氮利用效率的影響1)

楊金婕 王勇強(qiáng) 周志勇 沈穎

(北京林業(yè)大學(xué),北京,100083) (山西靈空山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局) (北京林業(yè)大學(xué))

隨著大氣氮沉降的加劇,輸入到森林生態(tài)系統(tǒng)中的氮素逐漸增多[1]。過多的氮素輸入,一方面緩解了森林植被生長的養(yǎng)分限制[2];另一方面,卻從森林物種組成[3]、凋落物的分解[4]、土壤微生物性狀[5]、土壤環(huán)境[6]以及養(yǎng)分循環(huán)[7]等方面,改變了森林生態(tài)系統(tǒng)的原有屬性。

外源氮素的輸入,首先會(huì)影響森林生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)[8],尤其是明顯改變了土壤中的氮素含量。土壤中的氮以有機(jī)氮和無機(jī)氮兩種形態(tài)存在。無機(jī)氮主要包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮,可以被植物直接吸收利用,但其含量在全氮中較少[9]。有機(jī)氮只有通過礦化作用轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮后,才能被植物吸收利用[10]?？扇苄杂袡C(jī)氮(DON)是土壤中最活躍的氮素組成成分[11-12],其含量越高,土壤氮素的可利用性越高[13-14]。氮素的添加,還會(huì)影響到土壤的生物物理學(xué)性狀,如可降低土壤酸堿度、改變微生物生長的養(yǎng)分限制及其群落結(jié)構(gòu)等[15-16],從而影響土壤氮素轉(zhuǎn)化速率,造成土壤NOx排放量及氮淋溶損失增加[17]。然而,隨著外源無機(jī)氮素輸入的增加,土壤中的氮素組分呈現(xiàn)何種變化趨勢(shì),以及這種變化如何調(diào)控土壤微生物的養(yǎng)分利用策略,還需進(jìn)一步研究。

微生物對(duì)土壤中氮素含量的變化具有較強(qiáng)的指示作用和有效的應(yīng)對(duì)策略。在受氮限制的生態(tài)系統(tǒng)中,微生物生物量會(huì)隨著添加氮量的增加而提高[18];而在氮富集的區(qū)域,微生物生物量及其酶活性則會(huì)隨著添加氮量的增加而降低[19-20]。土壤微生物,還會(huì)通過調(diào)節(jié)自身的養(yǎng)分利用策略,應(yīng)對(duì)環(huán)境中氮素的變化對(duì)自身生長帶來的影響。氮利用效率是用來衡量微生物對(duì)所吸收的氮素在體內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)化的效率,并受到微生物體內(nèi)元素組成及其生長環(huán)境中養(yǎng)分相對(duì)含量的制約[21],微生物氮利用效率決定了氮素合成代謝和分解代謝過程的平衡,控制了土壤有機(jī)氮和無機(jī)氮循環(huán)交叉點(diǎn)的通量[22]。在土壤氮循環(huán)中,限制微生物分解有機(jī)質(zhì)速率的關(guān)鍵步驟,是胞外蛋白酶將蛋白質(zhì)解聚成寡肽和氨基酸的過程,而不是隨后的氨化過程[23-25],解聚過程的產(chǎn)物可以作為能量和營養(yǎng)源被微生物快速地利用[26-27]。然而,目前對(duì)土壤氮循環(huán)的研究,較多集中在氮礦化方面,對(duì)有機(jī)氮在微生物吸收和銨態(tài)氮釋放之間的分配規(guī)律研究較少[21]。盡管微生物氮利用效率在調(diào)控土壤氮循環(huán)過程方面的重要性已被人們所認(rèn)知,但隨著供氮水平的變化,其會(huì)呈現(xiàn)何種變化趨勢(shì)以及驅(qū)動(dòng)該變化的生態(tài)因子,還存在著較大的不確定性[22]。

為此,本研究在山西太岳山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站的研究區(qū)域,選取立地條件基本一致的天然油松(Pinustabuliformis)林為研究樣地,建立試驗(yàn)樣地20塊;采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),試驗(yàn)樣地內(nèi)設(shè)置1個(gè)對(duì)照處理和4個(gè)梯度添加氮處理,添加的氮源為硝酸銨,在每年的6月份對(duì)各樣地進(jìn)行施氮處理;2019年8月份,在每塊樣地內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)取樣點(diǎn),采集0～10 cm土層的土壤樣品,測(cè)定土壤微生物生物量碳、土壤微生物生物量氮、土壤微生物生物量磷、土壤酶活性、土壤理化性質(zhì);采用單因素方差分析法、最小顯著差異法(LSD)分析不同氮處理間土壤基本理化性質(zhì)的差異,采用回歸分析法分析土壤微生物氮利用效率與各形態(tài)氮素的相關(guān)性,采用結(jié)構(gòu)方程模型通徑分析微生物氮利用效率的驅(qū)動(dòng)因素間相關(guān)性;旨在為合理評(píng)估森林生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的動(dòng)態(tài)平衡提供參考。

1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于山西太岳山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站區(qū)域(111°45′～112°33′E、36°18′～37°5′N),站址位于山西省沁源縣韓洪鄉(xiāng)。研究區(qū),海拔1 100～2 300 m,氣候類型為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均降水量650 mm,降雨集中在7、8月份,年平均氣溫8.6 ℃;研究區(qū)內(nèi),典型土壤類型為棕壤與褐土,主要森林類型為遼東櫟(Quercuswutaishanica)林、華北落葉松(Larixgmeliniivar.principis-rupprechtii)林、油松(Pinustabuliformis)林、油松遼東櫟混交林,除此之外還有少量山楊(Populusdavidiana)林,優(yōu)勢(shì)喬木為油松、遼東櫟、山楊、白樺(Betulaplatyphylla)等,灌木主要有黃刺玫(Rosaxanthina)、毛榛(Corylusmandshurica)、沙棘(Hiphophaerhamnoides)等,草本主要有龍常草(Diarrhenamanshurica)、莎草(Cyperusrotundus)等。

2 研究方法

在研究區(qū)內(nèi)選取立地條件基本一致的天然油松林作為研究樣地,林齡80 a左右,面積約為1 hm2。于2015年5月份建立試驗(yàn)樣地20塊,每塊樣地為15 m×15 m;采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),試驗(yàn)樣地內(nèi)設(shè)置1個(gè)對(duì)照處理、4個(gè)梯度添加氮處理(0(對(duì)照)、5、10、20、40 g·m-2·a-1),每個(gè)梯度設(shè)置4個(gè)重復(fù),添加的氮源為硝酸銨;隨后,在每年的6月份對(duì)各樣地進(jìn)行施氮處理。

2019年8月份,在每塊樣地內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采樣,去除表層凋落物和腐殖質(zhì)后,用內(nèi)徑5 cm的土鉆采集0～10 cm土層土壤樣品;將土樣裝在無菌自封袋中,放置于保溫箱內(nèi)(-4 ℃)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。土樣過2 mm篩去除可見凋落物、小石塊等雜質(zhì),過篩土樣,一部分于-4 ℃保存,用于測(cè)定土壤微生物生物量碳、土壤微生物生物量氮、土壤微生物生物量磷、土壤酶活性;另一部分自然風(fēng)干,用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)。

按質(zhì)量比m(土壤)∶m(去離子水)為1.0∶2.5,用去離子水稀釋土壤樣品,用pH計(jì)測(cè)定其pH;土壤有機(jī)碳,采用重鉻酸鉀外加熱測(cè)定;全氮,采用硒粉-硫酸銅-硫酸消化凱氏定氮法測(cè)定;全磷,采用HClO4-H2SO4鉬銻抗比色法測(cè)定;可溶性有機(jī)氮,采用K2SO4浸提法測(cè)定;硝態(tài)氮、銨態(tài)氮,采用KCl浸提,用連續(xù)流動(dòng)分析儀(AutoAnalyzer 3,德國)測(cè)定。以上方法測(cè)定步驟,均參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[28]。土壤無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),為土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)+銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù);土壤有機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),為土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)-無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

土壤微生物生物量碳(MBC)、土壤微生物生物量氮(MBN)、土壤微生物生物量磷(MBP),采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測(cè)定,具體步驟參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[28]。土壤酶活性,采用微孔板熒光法,具體參照Saiya-Cork et al.[29]的方法,共測(cè)定4種水解酶,包括β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)、酸性磷酸酶(AP)、亮氨酸氨肽酶(LAP)、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)。

依據(jù)生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)理論、微生物代謝理論,引入微生物氮利用效率計(jì)算公式[30]。

R[AEE(w(N)∶w(C))]=(ZNAG+ZLAP)/ZBG;

AE={1-R[AEE(w(N)∶w(C))]}(Rw(BN,BC)/Rw(N,C));

ENU=ENU,max[AE/(AE+0.5)];

T(Rw(C,N))=Rw(C,N)×R[AEE(w(C)∶w(N))]。

式中:R[AEE(w(N)∶w(C))]為土壤氮碳比(w(N)∶w(C))對(duì)應(yīng)獲取酶相關(guān)酶活性的比值;ZNAG為β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)的活性;ZLAP為亮氨酸氨肽酶(LAP)的活性;ZBG為β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)的活性;AE為土壤微生物通過產(chǎn)生胞外酶以協(xié)調(diào)自身養(yǎng)分元素組成與環(huán)境中養(yǎng)分元素組成之間差異的能力;Rw(BN,BC)為土壤微生物生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(NMB))和微生物生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(CMB))的比值;Rw(N,C)為土壤中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(N))與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(C))的比值;ENU為氮利用效率(NUE);ENU,max為氮利用效率最大值;Rw(C,N)為土壤中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(C))與氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(N))的比值;R[AEE(w(C)∶w(N))]為土壤碳氮比(w(C)∶w(N))對(duì)應(yīng)獲取酶相關(guān)酶活性的比值;T(Rw(C,N))為土壤中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(C))與氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(N))比值的閾值,是揭示微生物養(yǎng)分限制的關(guān)鍵指標(biāo),如果土壤中w(C)∶w(N)高于T(Rw(C,N)),則說明微生物受到N限制,反之則受C限制[31-33]。

本研究主要采用SPSS 26.0單因素方差分析法、最小顯著差異法(LSD)分析不同氮處理間土壤基本理化性質(zhì)的差異;采用回歸分析法分析土壤微生物氮利用效率與各形態(tài)氮素的相關(guān)性;采用結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)對(duì)微生物氮利用效率的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行通徑分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 添加氮對(duì)油松林土壤理化性質(zhì)的影響

由表1可見:土壤pH隨施氮量的增加逐漸減小,在施氮量為40 g·m-2·a-1時(shí)達(dá)到最小值(5.27),顯著低于對(duì)照(不添加氮)19.1%(P<0.05);有機(jī)碳、全氮、全磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù),雖然也隨著施氮量的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),但是不同的施氮梯度間的差異并沒有達(dá)到顯著性水平。外源添加氮,顯著影響了土壤的碳氮比(碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(C)∶氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(N))、微生物生物量碳氮比(生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(CMB)∶生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(NMB));土壤w(C)∶w(N)在施氮量為40 g·m-2·a-1時(shí)最低(12.39)、在施氮量為20 g·m-2·a-1時(shí)最高(15.79),二者間差異顯著;微生物w(CMB)∶w(NMB)在施氮量為10 g·m-2·a-1時(shí)最大(8.52)、在施氮量為40 g·m-2·a-1時(shí)最小(5.13),且施氮量為40 g·m-2·a-1時(shí)的微生物w(CMB)∶w(NMB)比對(duì)照(不施氮)時(shí)的微生物w(CMB)∶w(NMB)低35.2%。

表1 不同施氮量時(shí)的土壤理化性狀

由表2可見:土壤有機(jī)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨施氮量的增加逐漸降低,但各處理間差異不顯著;添加氮增加了可溶性有機(jī)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù),其在施氮量5、40 g·m-2·a-1時(shí)出現(xiàn)較大值,分別為12.12、12.97 mg·kg-1,是對(duì)照(施氮量0)的1.2、1.4倍;不同施氮量時(shí)微生物生物量氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù),由小到大依次為施氮量20 g·m-2·a-1時(shí)、施氮量40 g·m-2·a-1時(shí)、施氮量10 g·m-2·a-1時(shí)、施氮量0時(shí)、施氮量5 g·m-2·a-1時(shí),施氮量為5 g·m-2·a-1時(shí)的微生物生物量氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比對(duì)照(施氮量0)增加了6.77 mg·kg-1,但差異不顯著;施氮量對(duì)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的影響規(guī)律一致,均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),在施氮量為40 g·m-2·a-1時(shí)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大;土壤中無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),從對(duì)照(施氮量0)時(shí)的4.89 mg·kg-1,增加到施氮量40 g·m-2·a-1時(shí)的177.63 mg·kg-1。

表2 不同施氮量時(shí)土壤氮組分的變化特征

添加外源氮對(duì)土壤中各形態(tài)氮素的影響不同,本研究中添加硝酸銨對(duì)土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著影響;這是由于土壤微生物固氮作用、植物對(duì)氮的吸收以及氮的淋溶,從而使得外源氮的添加后,土壤中全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍能維持在相對(duì)穩(wěn)定的水平。本研究表明土壤可溶性有機(jī)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨添加氮量的增加而增大;這是由于添加氮后,生物、非生物的固氮過程將更多的無機(jī)氮保存在土壤有機(jī)質(zhì)中,誘導(dǎo)產(chǎn)生更多的可溶性有機(jī)氮,從而降低土壤的碳氮比(w(C)∶w(N))[34]。添加低氮可提高土壤中微生物生物量氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù),而添加中氮量、高氮量對(duì)微生物生物量氮有顯著的抑制作用,說明適度的添加氮有利于微生物生物量的提高,而添加量過高反而有抑制作用。添加硝酸銨對(duì)土壤無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)有極顯著的促進(jìn)作用。

3.2 添加無機(jī)氮對(duì)土壤微生物胞外酶活性及其計(jì)量比的影響

由表3可見:無機(jī)氮的添加,提高了土壤中與碳、氮、磷獲取酶相關(guān)酶的活性(β-1,4-葡萄糖苷酶活性、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性+亮氨酸氨肽酶活性、酸性磷酸酶活性)。β-1,4-葡萄糖苷酶的活性,由對(duì)照(施氮量0)時(shí)的46.78 nmol·g-1·h-1增大到施氮量40 g·m-2·a-1時(shí)的73.13 nmol·g-1·h-1,提高了56.3%(P<0.05);與氮獲取酶相關(guān)酶的活性(β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性+亮氨酸氨肽酶活性),由小到大依次為施氮量40 g·m-2·a-1時(shí)的、對(duì)照(施氮量0)時(shí)的、施氮量20 g·m-2·a-1時(shí)的、施氮量10 g·m-2·a-1時(shí)的、施氮量5 g·m-2·a-1時(shí)的,其在施氮量40 g·m-2·a-1時(shí)達(dá)到最小值(33.25 nmol·g-1·h-1),低于對(duì)照(施氮量0)時(shí)的27.9%;酸性磷酸酶的活性,由對(duì)照(施氮量0)時(shí)的88.50 nmol·g-1·h-1增加到施氮量40 g·m-2·a-1時(shí)的111.59 nmol·g-1·h-1,增加了26.1%。

表3 不同施氮量時(shí)土壤酶活性及其計(jì)量特征

土壤氮碳比(w(N)∶w(C))對(duì)應(yīng)獲取酶相關(guān)酶活性的比值(R[AEE(w(N)∶w(C))])、土壤氮磷比(w(N)∶w(P))對(duì)應(yīng)獲取酶相關(guān)酶活性的比值(R[AEE(w(N)∶w(P))]),在最高施氮量(40 g·m-2·a-1)時(shí)顯著降低,分別為0.53、0.30,比對(duì)照(施氮量0)降低了45.9%、42.3%(P<0.05);氮獲取酶相關(guān)酶活性在總碳、氮、磷獲取酶相關(guān)酶活性中的占比((ZNAG+ZLAP)/(ZBG+ZNAG+ZLAP+ZAP)),在施氮量為40 g·m-2·a-1時(shí)達(dá)到0.16,低于對(duì)照(施氮量0)36.0%。表明較高的氮輸入量提高了碳獲取酶、磷獲取酶的活性,而抑制了氮獲取酶的活性。

3.3 添加無機(jī)氮對(duì)微生物氮利用效率的影響

添加無機(jī)氮顯著提高了微生物氮利用效率(見表4),由對(duì)照(施氮量0)時(shí)的0.18增大到施氮量40 g·m-2·a-1時(shí)的0.60,提高了2.3倍(P<0.05)。由圖1可見:添加無機(jī)氮降低了氮素對(duì)微生物生長的限制作用,相對(duì)提高了能量(即碳源)的限制強(qiáng)度,施氮量為40 g·m-2·a-1時(shí),土壤碳氮比(Rw(C,N))顯著低于土壤中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(C))與氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(N))比值的閾值(T(Rw(C,N))),說明與其他施氮量相比,微生物受到更強(qiáng)烈的碳限制。Rw(C,N)/T(Rw(C,N))能夠反映土壤養(yǎng)分限制的情況,其值大于1則說明微生物受氮限制,小于1則說明微生物受碳限制[21],隨氮素輸入量的增大,Rw(C,N)/T(Rw(C,N))越來越小于1,土壤碳限制狀況不斷加劇,氮限制得到緩解,同時(shí)微生物氮利用效率不斷增大,表明微生物將更多的氮資源用于自身的生長。

表4 不同施氮量時(shí)土壤微生物氮利用效率

回歸分析表明(見圖2):微生物氮利用效率,與氮獲取酶相關(guān)酶活性占比[氮獲取酶在總碳、氮、磷獲取酶相關(guān)酶活性中的占比((ZNAG+ZLAP)/(ZBG+ZNAG+ZLAP+ZAP))]、無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間存在極顯著的線性正相關(guān)(P<0.01),其擬合方程相關(guān)系數(shù)分別為0.62、0.46;pH與微生物氮利用效率之間存在極顯著線性正相關(guān)(P<0.01),擬合方程相關(guān)系數(shù)為0.28;微生物氮利用效率,與Rw(BC,BN)(土壤微生物生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(CMB))和微生物生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(NMB))的比值)、可溶性有機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(DON))之間均存在顯著的對(duì)數(shù)關(guān)系(P<0.05),其中,與Rw(BC,BN)為負(fù)相關(guān)、與w(DON)為正相關(guān)。

N0、N5、N10、N20、N40,分別為施氮量0(對(duì)照)、5、10、20、40 g·m-2·a-1。Rw(BC,BN)為土壤微生物生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(CMB))與微生物生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(NMB))的比值(w(CMB)∶w(NMB));P(N,HE)為(ZNAG+ZLAP)/(ZBG+ZNAG+ZLAP+ZAP),ZNAG為β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)的活性、ZLAP為亮氨酸氨肽酶(LAP)的活性、ZBG為β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)的活性、ZAP為酸性磷酸酶(AP)的活性。

添加氮通過影響土壤pH、碳氮比(w(C)∶w(N)),從而調(diào)控了微生物氮利用效率(見圖3)。添加氮對(duì)pH有極顯著的抑制作用,pH不僅直接決定了氮獲取酶占比,還可以通過影響微生物生物量調(diào)控氮獲取酶占比(P<0.01),進(jìn)而抑制微生物氮利用效率(P<0.01);pH通過直接促進(jìn)土壤微生物生物量氮(P<0.01),從而抑制微生物氮利用效率。添加氮降低了土壤碳氮比(w(C)∶w(N)),碳氮比(w(C)∶w(N))對(duì)微生物氮利用效率有直接的促進(jìn)作用。

P(N,HE)為(ZNAG+ZLAP)/(ZBG+ZNAG+ZLAP+ZAP),ZNAG為β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)的活性、ZLAP為亮氨酸氨肽酶(LAP)的活性、ZBG為β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)的活性、ZAP為酸性磷酸酶(AP)的活性;實(shí)線表示正相關(guān)、虛線表示負(fù)相關(guān),連線上的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù),*表示顯著影響(P<0.05),** 表示極顯著影響(P<0.01)。

由通徑分析結(jié)果(見圖3)可見:微生物氮利用效率,在受到環(huán)境因子調(diào)控作用的同時(shí),對(duì)土壤中無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(IN))、可溶性有機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(DON))有一定影響。微生物氮利用效率對(duì)土壤中無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)有促進(jìn)作用但并不顯著;這是由于添加無機(jī)氮對(duì)土壤中無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)有極顯著的促進(jìn)作用,從而降低了微生物氮利用效率對(duì)于土壤中無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變異的貢獻(xiàn)度。微生物氮利用效率,對(duì)可溶性有機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)有顯著的促進(jìn)作用(P<0.05)。

添加氮對(duì)微生物氮利用效率有顯著的促進(jìn)作用。高水平的微生物氮利用效率表明,微生物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)中氮的固存起到重要作用,強(qiáng)調(diào)了微生物生物量作為土壤中氮匯的作用[35]。通過微生物生長和消亡過程,氮的持續(xù)周轉(zhuǎn)也是生態(tài)系統(tǒng)中氮保存的重要機(jī)制[21]。本研究結(jié)果表明,添加氮主要通過影響土壤pH、碳氮比(w(C)∶w(N)),間接影響微生物氮利用效率,pH主要通過調(diào)控微生物生物量和氮獲取酶活性影響微生物氮利用效率。已有研究表明,土壤pH與酶活性密切相關(guān)[36-37],其是土壤胞外酶活性的主要影響因子[38],添加氮顯著降低了土壤pH。本研究中,添加高氮量(40 g·m-2·a-1)顯著抑制與氮獲取酶相關(guān)酶的活性(β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性+亮氨酸氨肽酶活性)。而氮獲取酶與微生物氮利用效率之間有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系;原因是添加氮降低了土壤pH,土壤微生物減少氮獲取酶的產(chǎn)量[39],而添加氮提高了微生物對(duì)土壤中氮的固存,促進(jìn)了微生物氮利用效率,因此導(dǎo)致了二者之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

已有研究表明,微生物氮利用效率受到土壤元素化學(xué)計(jì)量的調(diào)控作用[21]。本研究中,添加氮時(shí)微生物氮利用效率主要受土壤碳氮比(w(C)∶w(N))、土壤微生物生物量碳氮比(w(CMB)∶w(NMB))的影響;其中,微生物氮利用效率,與w(CMB)∶w(NMB)之間存在極顯著的負(fù)相關(guān),與w(C)∶w(N)存在弱的正相關(guān)。隨添加氮量的增大,w(C)∶w(N)顯著低于w(C)∶w(N)的閾值(T(Rw(C,N))),氮素輸入緩解了土壤中的氮限制,加劇了碳限制,微生物生長由營養(yǎng)(氮)限制轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?碳)限制,從而導(dǎo)致了微生物養(yǎng)分利用策略的變化。Mooshammer et al.[21]認(rèn)為,在土壤w(C)∶w(N)較高時(shí),微生物通過土壤呼吸釋放多余的碳,從而降低w(C)∶w(N),而當(dāng)w(C)∶w(N)低于w(C)∶w(N)的閾值時(shí),微生物的生長限制從氮限制切換到碳限制,多余的氮通過氮礦化釋放。本研究中當(dāng),w(C)∶w(N)越高,接近于w(C)∶w(N)的閾值時(shí),微生物氮利用效率越低,與Mooshammer et al.[21]的研究有差異;這是由于本研究添加氮時(shí)各梯度間有機(jī)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并無顯著變化,微生物氮素來源并未有效提高,微生物通過將更多的氮固定為微生物生物量,以確保自身的生長。

添加氮,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能會(huì)發(fā)生變化,該變化會(huì)直接或間接影響土壤的養(yǎng)分循環(huán)[40]。微生物氮利用效率反映了分配給生物合成的有機(jī)氮相對(duì)于獲得有機(jī)氮的比例,微生物氮利用效率越高,則說明微生物將更多獲得的有機(jī)氮用于微生物生物量的合成,而越低則表明獲得的有機(jī)氮更多以無機(jī)氮(主要為銨態(tài)氮)的形式釋放進(jìn)入環(huán)境中[22]。因此,微生物氮利用效率與土壤中微生物生物量氮和無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān),其決定著有機(jī)氮在土壤中的循環(huán)速率[25]。本研究表明,w(CMB)∶w(NMB)與微生物氮利用效率之間存在間接的負(fù)相關(guān),即微生物氮利用效率與土壤微生物生物量氮(MBN)之間為正相關(guān),這一結(jié)果符合微生物氮利用效率的基本理論。根據(jù)通徑分析結(jié)果,微生物氮利用效率對(duì)土壤無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著的調(diào)節(jié)作用,其原因是無機(jī)氮的添加對(duì)于土壤無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響較大,從而弱化了微生物氮利用效率對(duì)土壤無機(jī)氮的調(diào)控作用。添加無機(jī)氮提高了微生物氮利用效率,促進(jìn)了氮素在土壤微生物中的固存,提高了土壤中氮素的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

向油松林添加硝酸銨改變了土壤中不同形態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù),土壤可溶性有機(jī)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著升高,土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著變化,高氮處理中土壤微生物生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低。添加氮,提高了與碳獲取酶相關(guān)酶、與磷獲取酶相關(guān)酶的活性,即提高了β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)活性、酸性磷酸酶(AP)活性;而抑制了與氮獲取酶相關(guān)酶的活性,即抑制了β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)活性、亮氨酸氨肽酶(LAP)活性。添加氮,對(duì)微生物氮利用效率有顯著的促進(jìn)作用,其主要受pH、w(C)∶w(N)、w(CMB)∶w(NMB)、(ZNAG+ZLAP)/(ZBG+ZNAG+ZLAP+ZAP)的顯著影響;添加氮,使油松林土壤微生物由營養(yǎng)(氮)限制轉(zhuǎn)化為能量(碳)限制,微生物氮利用效率增大,微生物對(duì)氮的固存增加,提高了土壤氮素的穩(wěn)定性。