酸性土壤中的硝化作用研究進展

黃波

(寬甸滿族自治縣林業局，遼寧 丹東 118200)

酸性土壤中的硝化作用研究進展

黃波

(寬甸滿族自治縣林業局，遼寧 丹東 118200)

硝化作用是土壤中重要的化學過程，土壤類型、pH、水分、氧的濃度、利用方式和溫度等因素都對其有重要影響，其中最關鍵的2個因子是pH與N的有效性；硝化作用在酸性土壤中表現得更加強烈，而主要的影響因子及作用機理卻一直未被證實；有機質顯著地影響著土壤的物理化學性質，腐殖酸也對氮素的轉化過程影響顯著，它們對酸性土壤中硝化作用的影響值得深入研究探討。

酸性土壤；硝化作用；影響因素；有機質；硝化作用機制

硝化作用是土壤中氮素轉化的重要過程，對生態系統中的氮素循環起著至關重要的作用。施入土壤的氮素經過硝化作用，會導致土壤酸化，硝酸鹽淋失，以及植物毒害等情況的發生[1-4]。硝化和反硝化過程產生的N2O，不僅是重要的溫室效應氣體，而且對臭氧層有很強的破壞作用[5]。

在20世紀初期的報道中，學者普遍認為酸性土壤中的硝化作用不可能發生[6,7]；但隨后Weber ，Walker，Troelstra等人的研究相繼表明酸性土壤中存在硝化作用[8-10]。最有力的證據出現在1997年，Stark 和 Hart在Nature上發表論文，證明酸性土壤中存在很強烈的硝化作用[11]。但是，在Robertson與De Boer的報道中仍然不能發現硝化作用在酸性土壤中存在的證據[12,13]；并且很多的研究結果發現酸性土壤中的硝化作用存在很大的空間變異[14,15]。如何解釋這些變異是未來研究中要著重解決的問題。

1 硝化作用與硝化過程

1.1 硝化作用機理

在通氣良好的土壤中，銨或氨在微生物的作用下，氧化成硝酸鹽的過程稱為硝化作用。硝化微生物包括自養型微生物和異養型微生物。自養微生物分為兩個類別，亞硝酸細菌和硝酸細菌。亞硝酸細菌將銨或氨轉化為亞硝酸，硝酸細菌將亞硝酸進一步氧化為硝酸，完成整個硝化過程。

氨單加氧酶(AMO)與羥胺氧化還原酶(HAO)是氨氧化過程中兩種關鍵酶。在硝化系統中，雖然自養型和異養型微生物的AMO有所不同[16]，但它們都能催化NH3生成NH2OH；HAO的作用是將NH2OH進一步轉化，產物因環境條件而異，在好氧條件下得到NO2-，在厭氧條件下作用生成N2O。

硝化過程是一種氧化作用，必須以良好的通氣條件為前提。在通氣良好的旱作土壤中硝化作用快于氨化作用。一般夏季施入的銨態肥料，旱地在兩三天之內就可以轉化為硝態氮，水田則以銨態氮為主[17]。

1.2 異養微生物對酸性土壤硝化作用的貢獻

長期以來，人們一直認為自然界中的硝化過程由自養硝化菌完成。原因在于自養硝化菌的硝化能力極強，硝化反應活性可以比異養生物要高103～104倍，且異養硝化過程難以監測和確定，從而認為異養硝化對硝化作用的貢獻可以忽略[18]。在隨后對酸性土壤中硝化作用的研究改變了這一看法，Papen和Berg運用稀釋培養計數法對酸性土壤研究后發現，在存在硝化作用的前提下，供試土壤中沒有發現自養硝化微生物；而異養硝化微生物的存在表明它可能就是酸性土壤中硝化作用的主要承擔者[19]。林燕等認為異養菌在生長速率和對環境的適應能力等方面具有優勢，因此其總體氨氧化速率也可能比自養菌快[16]。最近的研究結果發現雖然酸性土壤中的硝化作用仍以自養硝化為主，但異養硝化微生物對酸性土壤中硝化作用的貢獻也不能忽視。Iskam等采用15N同位素標記法研究了兩種酸性牧草地土壤的硝化作用，結果發現異養硝化作用分別占到總硝化作用的11%和7%[20]。

2 影響酸性土壤中硝化作用的因素

土壤的pH、土壤類型、植物根系、水分與氧的濃度、利用方式和溫度等條件的都會影響到土壤中的硝化作用。在低于4 ℃的條件下，硝化作用就趨于停止。Ingwersen等在研究溫帶云杉土壤之后發現，土壤總硝化速率在5～25 ℃之間隨溫度的升高而增大[21]。水分與微生物活性正相關，鹽分與微生物活性呈負相關[22]。在培養初期，低鹽分有利于土壤氮素的轉化，隨著培養時間的延長逐漸體現出抑制作用，且鹽分越高，抑制作用越明顯[23]。大多數因素都是通過影響土壤pH和N的有效性，使硝化作用的底物濃度和硝化微生物酶的活性發生改變，進而影響到硝化作用。

2.1 pH

土壤pH對硝化過程影響極為顯著[24,25]，是影響土壤硝化作用的一個重要指標，直接影響著參與土壤中氮轉化過程的微生物以及不同反應階段的酶活性。

土壤中硝化作用在一定范圍內(pH4.8～8.5)隨pH的升高而增強[26]。Catherine在對酸性森林土壤研究后發現，在pH大于4.8的酸性土壤中，凈硝化速率與pH顯著正相關(R2=0.762，P<0.001)，而在pH低于4.5的土壤中卻難以發現硝化作用[27]。劉義等通過研究四川西部亞高山針葉林土壤的總硝化作用，發現所研究的pH范圍5.33～6.44的酸性土壤，在小于0.05水平下pH與總硝化速率之間的相關系數僅有0.272，未達到顯著水平[28]。蔡祖聰，趙維對亞熱帶不同土地利用方式下土壤硝化作用研究后發現，在土壤pH均值為4.9的土壤中，pH與凈硝化速率之間無相關性(R2=0.094 2，P<0.01)；外加銨態氮使基質飽和時，土壤硝化速率與土壤pH顯著相關(R2=0.787，P<0.01)[29]。這說明銨態氮的供應限制了硝化速率。施用石灰使土壤pH升高，可以使土壤中的硝化作用增強。

2.2 N的有效性

NH3是硝化作用的直接底物，在酸性條件下，進入土壤的銨如何轉化為NH3是硝化作用順利進行的關鍵所在。Sierra認為在酸性土壤中存在一定pH較高的微小區域[30]，使銨可以順利地轉化為NH3。同時這種區域還有利于有機氮礦化，并且有機氮礦化越強烈，適合硝化作用的微域越大，N的有效性越高，硝化作用越強。蔡祖聰，趙維的研究結果印證了這一點，在大多數自然土壤和農業利用土壤中，硝化速率均與礦化速率呈線性正相關(R2=0.616，P<0.01)[29]。

農業利用促進了土壤的硝化作用，施肥對硝化作用的底物濃度有巨大的影響，氮肥施用是農業土壤硝化作用增大的一個重要原因；磷供應狀況的改善也能促進硝化作用[29]。也有學者指出，在酸性土壤中施用氮肥后硝化作用反而會顯著降低。賈俊仙等通過研究施用氮肥對紅壤性水稻土(pH≈5.1)硝化作用的影響發現，高肥力型紅壤性水稻土在施用硫銨后顯著降低(P<0.05)，硝化速率在常規施氮量和3倍施氮量下分別比對照降低了41.8%和74.7%[31]。這說明硫銨的施入抑制了高肥力型紅壤性水稻土的硝化作用，并且這種抑制隨著施入量的增大有增強的趨勢。這種現象產生的原因可以從底物濃度和pH兩方面探究，一是向土壤中施加銨鹽后可以使pH發生變化，導致在相同的初始銨濃度下，底物濃度有所不同，使硝化速率降低[32]。另一種解釋同樣從加銨之后pH的變化出發，認為pH的變化影響了參與硝化反應的酶的活性，進而影響硝化速率[33]。

2.3 有機質

有機質對土壤物理化學性能影響顯著，腐殖酸對氮素轉換過程的影響也不能忽視[34]。有研究表明土壤中絕大部分硝化細菌都是與有機質緊密結合[35]，并且這種吸附對硝化作用有比較明顯的促進作用[36]。所以我們認為酸性土壤中的有機質與硝化作用之間可能存在比較緊密的聯系，有可能是酸性土壤中硝化作用進行的關鍵所在。

2.3.1 有機膠體的吸附性能 在自然條件下，土壤中的礦物質顆粒和有機質顆粒通常會通過一定的作用力而相互結合在一起，形成土壤有機無機復合體[37]。正常pH條件下，土壤對NO3-的吸附可以忽略，但是在pH較低的條件下可以對陰離子吸附，但是這種吸附的效率是有待商榷的[38]。此外，腐殖酸是土壤膠體吸附過程中最活躍的物質[39]，它作為土壤有機質主要吸附中心的吸附性能，可能對于土壤中有效NH3也有一定的調節作用[40]。

2.3.2 腐殖酸效應 腐殖酸會影響到氮素的分配、生物利用率和有機氮的最終命運，在全球氮循環系統中扮演著一個極其重要的角色[41,42]。腐殖酸是一種含有許多酸性功能團的弱酸，可以提高土壤對酸堿度變化的緩沖能力；有研究表明，腐殖酸可以將pH緩沖至5.5～8.0[43]。還有許多學者提出，腐殖酸可以對土壤中的微生物，尤其是AOB的生長起到明顯的促進作用。畢軍等通過研究腐殖酸生物活性肥料對冬小麥土壤微生物的活性，指出在施用腐殖酸生物活性肥料的條件下，在小麥拔節期和灌漿期細菌數量分別比對照增加了262%和337%；并且細菌衰減數量比對照低16.9%[44]。這說明腐殖酸生物活性肥料在增加土壤細菌數量和生物活性兩方面都起到了重要作用。葉協鋒等研究腐殖酸對烤煙土壤性狀的影響之后得出了相似的結論；他的報道表明在施用750 kghm-2腐殖酸的條件下，細菌與氨化細菌數量分別比對照增加了52.00%和292.31%；并且腐殖酸與氨化細菌數量在P<0.01水平下呈線性正相關(R2=0.756)[45]。

綜合以上條件，我們可以提出一個假設，在酸性土壤中，有機質參與土體團聚或者形成有機無機復合體，通過它們的吸附性能將氨氧化細菌吸附在它們周圍，同時利用腐殖酸緩沖pH的性能，使在土壤一定微域內的pH適宜，不僅可以將N的有效性提高，還有利于硝化微生物的代謝活動，使硝化作用得以順利進行。

3 展望

以往的研究已經表明，pH與N的有效性是影響硝化作用的主要因子。盡管土壤中的硝化作用對pH極為敏感，但仍然有研究發現pH并不能完全解釋酸性土壤中的硝化作用的變異。Nugroho對9種蘇格蘭酸性森林土壤進行研究，發現相同pH的土壤硝化率差異較大[46]；這與Sierra的觀點相同，后者還通過研究指出，pH相同的土壤，其硝化作用可以相差3倍以上[47]。與此同時，N的有效性也不能完全解釋酸性土壤中硝化作用的變異。許多研究表明，即使具有高濃度NH4+-N的土壤，其凈硝化率作用也可以很低，甚至為負值[48,33]。De Boer通過總結前人的研究成果提出微生物通過自我調節，可以實現在酸性土壤中進行硝化作用的一種機制[13]，但是這種假設也不能很好的解釋AOB如何利用酸性條件下的NH4+。Nugroho于2009年提出微生物區系可能對酸性土壤硝化作用有重大影響的假設，但是隨后的研究結果表明微生物區系的相互作用對酸性森林土壤硝化作用的影響并沒有那么顯著，應該存在影響更為重要的其他因子[49]。種種結論表明酸性土壤中的硝化作用機制可能更為復雜，還有待進一步研究。

[1] 徐仁扣.我國降水中的NH4+及其在土壤酸化中的作用[J].農業環境保護,1996,15(3):139-140,142

[2] 林巖,段雷,楊永森,等.模擬氮沉降對高硫沉降地區森林土壤酸化的貢獻[J].環境科學,2007,28(3):640-646

[3] 錢琛,蔡祖聰.硝化作用驅動下紅壤滲漏液的酸化[J].土壤學報,2010,47(1):77-83

[4] 李世清,卜彤英,李生秀.石灰性土壤中NH4+-N的硝化與NH4+-N的黏土礦物固定[J].干旱地區農業研究,1993,(S1):99-107

[5] Stevenson F J.Nitrogen in agricultural soils[M].Madison Wis: AmSoc of AgronInc,1982:605-649

[6] Noyes HA,Conner SD.Nitrates,nitrification,and bacterial contents of five typical acid soils as affected by lime,fertilizer,crops and moisture[J].J Agric Res,1919,16:27-60

[7] Heubult,J.Untersuchungen ubernitritbakterien[J].Planta,1929,8(3):398-422

[8] Weber,Deane F,Gainey P L.Relative Sensitivity of Nitrifying Organisms to Hydrogen Ions in Soils and in Solutions[J].soil science,1962,94(3):138-145

[9] N.Walker,K N Wickramasinghe.Nitrification and autotrophic nitrifying bacteria in acid tea soils[J].Soil Biology and Biochemistry,1979,11(3):231-236

[10] S R Troelstra,R Wagenaar,W Boer.Nitrification in Dutch heathland soils[J].Plant and Soil,1990,127:179-192

[11] John M Stark,Stephen C Hart.High rates of nitrification and nitrate turnover in undisturbed coniferous forests[J].Nature,1997,385:61-64

[12] G P Robertson.Nitrification in Forested Ecosystems[J].Biological sciences,1982,296:445-457

[13] W De Boer,G A Kowalchuk.Nitrification in acid soils: micro-organisms and mechanisms[J].Soil Biology and Biochemistry,2001,33(7-8):853-866

[14] Bishal K Sitaula,L R Bakken.Nitrous oxide release from spruce forest soil: Relationships with nitrification,methane uptake,temperature,moisture and fertilization[J].Soil Biology and Biochemistry,1993,20(10): 1415-1421

[15] A M Laverman,H R Zoomer,H W van Verseveld et al.Temporal and spatial variation of nitrogen transformations in a coniferous forest soil[J].Soil Biology and Biochemistry,2000,32(11-12):1661-1670

[16] 林燕,孔海南,王茸影.異養硝化作用的主要特點及其研究動向[J].環境科學,2008,29(11):3291-3296

[17] 劉克峰.土壤植物營養及施肥[M].北京:氣象出版社,2006:200-201

[18] Geraats S G M,Hooijnalrls C M,vanNiel E W J.The use of a metabolically structured model in the study of growth Nitrification and denitrification by Thiosphaera pantotropha[J].Biotechnol Bioeng,1990,36:227-267

[19] H Papen,R von Berg.A Most Probable Number method (MPN) for the estimation of cell numbers of heterotrophic nitrifying bacteria in soil[J].Plant and soil,1998,199(1):123-130[20] A Islam,D Chen,R E White.Heterotrophic and autotrophic nitrification in two acid pasture soils[J].soil Biology and Biochemistry,2007,39(4):972-975

[21] J Ingwersen,K Butterbach-Bahl,R Gasche,et al.Barometric Process Separation: New Method for Quantifying Nitrification,Denitrification,and Nitrous Oxide Sources in Soils[J].Soil Science Society of America Journal,1997,63(1):117-128

[22] 王龍昌,玉井理,永田雅輝,等.水分和鹽分對土壤微生物活性的影響[J].鹽堿地利用,1998,(3):40-42

[23] 李建兵,黃冠華.鹽分對粉壤土氮轉化的影響[J].環境科學研究,2008,21(5):98-103

[24] Richard F Strayer,Chyi-Jiin Linand,Martin Alexander.Effect of Simulated Acid Rain on Nitrification and Nitrogen Mineralization in Forest Soils[J].Journal of Environmental Quality,1981,10(4):547-551

[25] D Curtin,C A Campbell,A Jalil.Effects of acidity on mineralization: pH-dependence of organic matter mineralization in weakly acidic soils[J].Soil Biology and Biochemistry,1998,30(1):57-64

[26] 王小治,孫 偉,尹微琴,等.pH升高對紅壤硝化過程產生N2O的影響[J].土壤,2009,41(6):962-967

[27] Catherine Ste-Marie.Soil,pH and N availability effects on net nitrification in the forest floors of a range of boreal forest stands[J].Soil Biology and Biochemistry,1999,31:1579-1589

[28] 劉義,陳勁松,劉慶,等.川西亞高山針葉林不同恢復階段土壤的硝化和反硝化作用[J].植物生態學報,2006,30(1):90-96

[29] 蔡祖聰,趙維.土地利用方式對濕潤亞熱帶土壤硝化作用的影響[J].土壤學報,2009,46(5):795-801

[30] Sierra J.A hot spot approach applied to nitrification in tropical acid soils[J].Soil Bio1ogy and Biochemistry,2006,38:644-652

[31] 賈俊仙,李忠佩,劉 明.施用氮肥對不同肥力紅壤性水稻土硝化作用的影響[J].生態與農村環境學報,2010,26(4) :329-333

[32] Isamu Suzuki,Usha Dular,S C Kwok.Ammonia or Ammonium Ion as Substrate for Oxidation by Nitrosomonas europaea Cells and Extracts[J].Journal of Bacteriology,1974,120(1):6623-6630

[33] Wei Zhao,Zu-cong Cai,Zhi-hong Xu.Does ammonium-based N addition influence nitrification and acidification in humid subtropical soils of China?[J].plant and soil,2007,297(1-2):213-221

[34] Lianhua Dong,Ana Luc1a Cordova-Kreylos,Jinshui Yang,et al.Humic acids buffer the effects of urea on soil ammonia oxidizers and potential nitrification[J].Soil Biology and Biochemistry,2009,41:1612-1621

[35] Aakra,M Hessels?e,L R Bakken.Surface Attachment of Ammonia-Oxidizing Bacteria in Soil[J].Microbial Ecology,2000,39:222-235

[36] G A Keen,J I Prosser.Steady state and transient growth of autotrophic nitrifying bacteria[J].Biomedical and Life Sciences,1987,147(1):73-79

[37] 熊毅,陳家坊.土壤膠體：第三冊[M].北京:科學出版社,1990:487-513

[38] 邵明安,王全九,黃明斌.土壤物理學[M].北京:高等教育出版社,2006:11-13

[39] Miray B,Orhan Y,Ilker Y.Sorption Studies of 2,4-D on Selected soils[J].Water Air Soil Pollution,1999,111(1-4):75-88

[40] Mackowiak C L,Grossl P R,Bugbee B G.Beneficial effects of humic acid on micronutrient availability to wheat[J].Soil Science Society of American Journal.2001,64:1744-1750

[41] Stankiewicz B A,Van-Bergen P F.Nitrogen and N-containing macromolecules in the biosphere and geosphere: an introduction[J].American Chemistry Society Symposium Series,1998,707:1-12

[42] Christl I,Knicker H,Kogel K,et al.Chemical heterogeneity of humic substances: characterization of size fractions obtained by hollow-fibre ultra ultration[J].European Journal of Soil Science,2000,51:617-625

[43] Jonas Pertusatti,Alexandre G S Prado.Buffer capacity of humic acid: Thermodynamic approach[J].Journal of Colloid and Interface Science,2007,314(2):484-489

[44] 畢軍,夏光利,畢研,等.腐殖酸生物活性肥料對冬小麥生長及土壤微生物活性的影響[J].植物營養與肥料學報,2005,11(1):99-103

[45] 葉協鋒,凌愛芬,張斌,等.腐殖酸對烤煙土壤性狀及煙葉品質的影響[J].華北農學報,2009,24(5):170-173

[46] R A Nugroho,Wilfred F M Roling,A M Laverman,et al.Presence of Nitrosospira cluster 2 bacteria corresponds to N transformation rates in nine acid Scots pine forest soils[J].FEMS Microbiology Ecology,2005,53:473-481

[47] J Sierra,H Ozier-Lafontaine,L Dufour,et al.Nutrient and assimilate partitioning in two tropical maize cultivars in relation to their tolerance to soil acidity[J].Field Crops Research,2006,95:234-249

[48] Peter Vitousek.Nutrient cycling and nutrient use efficiency[J].The American Naturalist,1982,119(4):553-572

[49] R A Nugroho,Wilfred F M Roling,Nico Mvan Straalen,et al.Changes in nitrification and bacterial community structure upon crossinoculation of Scots pine forest soils with different initial nitrification rates[J].Soil Biology and Biochemistry,2009,41:243-250

1005-5215(2015)03-0060-03

2014-12-15

黃波(1970-)，男，遼寧寬甸人，大學，高級工程師，主要從事森林經營管理工作，Email：weizp1981@126.com

S152

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2015.03.022