鐵氧化物與有機質(zhì)對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鍵作用。Fe氧化物及有機質(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/還原細菌作用下對土壤N素轉化的影響不同，從而土壤的硝化作用產(chǎn)生差異。土壤有機質(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，也可對土壤無機N進行固定，從而影響N循環(huán)。因

2、此，弄清Fe氧化物及有機質(zhì)與硝化過程的關系對理解其對N循環(huán)過程的影響尤其重要。此外，氨氧化細菌（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)共存機制。因此，針對酸性土壤中存在的科學問題：非生物因子有機質(zhì)和Fe氧化物在酸性土壤中扮演的角色及對硝化作用的影響機理、NH3分子的來源、硝化作用的主導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、實時熒光定量PCR（qPCR）、克隆、焦磷酸測序，從宏觀到微觀對酸性土壤中 Fe氧化物與有機質(zhì)主導的生物/非生物耦合作用過程及氨氧化微生物主導的硝化作用過程的影響機理及共存機制進行了系統(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。主要得到的結果是：
　　水分含量被控制條件下，加入Fe氧化物與有機質(zhì)的土壤在田間持水量的

4、100％（100%WHC）時較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，強酸性土壤（pH4.3–4.8）中，F(xiàn)e氧化物與有機質(zhì)加入或未加入，測得的強酸性土壤的硝化作用都為負，表明Fe氧化物與有機質(zhì)無法改變和影響強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氧化物與有機質(zhì)同時加入，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度。100%WHC水分含量下，有機質(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)實驗得到的結果，100% WHC水分含量下，F(xiàn)e氧化物或 Fe氧化物與有機質(zhì)同時加入，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，深入探究

6、了Fe氧化物受土壤pH差異影響而導致的土壤硝化作用差異的機理。結果發(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)為我們在常規(guī)實驗得到的結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、機質(zhì)的礦化；Fe氧化物在土壤N素轉化過程中受土壤pH的影響，對于不同pH的土壤，F(xiàn)e氧化物在其中的作用機理不同。
　　其次，本文結合15N示蹤技術和最大近似數(shù)（MPN）法，對酸性水稻土不同深度土壤Fe還原/氧化細菌影響下的Fe氧化物與土壤硝化作用間的相互關系進行了探索。主要結果有：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還原細菌與全Fe和有效Fe含量具有顯著正相關關系；Fe氧化細菌與有機質(zhì)和NH4+的量具有顯

9、著正相關關系；有機質(zhì)與全Fe和有效Fe間具有極顯著正相關關系；有機質(zhì)和全Fe與NH4+的量之間具有顯著正相關關系。說明Fe氧化物與有機質(zhì)直接影響了土壤NH4+的轉化，而該過程中Fe還原/氧化細菌的作用不可忽略。Fe氧化物很可能在Fe氧化細菌作用下被還原，促進了有機質(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）技術針對硝化微生物在土壤中可能存在的生態(tài)位分異機能，研究了酸性森林土的硝化作用及硝化微生物群落結構。主要結果發(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菌（AOB）的aomA基因豐度，但只有加入尿素的AOB被13C標記。說明酸性森林土硝化作用由AOB主導，其作用機理在于AOB具有脲酶活性，尿素的加入可促進AOB的增長并同時可通過水解提高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氧化物與有機質(zhì)可能對土壤的硝化作用及N素轉化的其他過程產(chǎn)生重要影響。且在不同環(huán)境條件下，F(xiàn)e氧化物與有機質(zhì)對土壤硝化作用