大氣氮沉降對洪澤湖濕地土壤微生物特性的影響研究

柴志 盧妍 鄭玲 胡雁冰 張玉星 楊欠榮

摘 要：文章通過模擬氮沉降的方式，以洪澤湖濕地為研究對象，采用盆栽實驗，對其觀測、分析，從而揭示大氣氮沉降背景下濕地土壤理化性質和土壤微生物特性的變化。研究表明：①大氣氮沉降對濕地土壤理化性質有顯著影響，提高了濕地土壤全氮、銨態氮、硝態氮和速效氮的含量;②濕地土壤中蛋白酶活性隨氮輸入增加呈先增加后降低的趨勢，脲酶活性變化則不顯著，而亞硝酸還原酶活性卻呈現降低趨勢;③隨著土壤氮含量的增加，土壤微生物Shannon指數和McIntosh指數均表現為升高的趨勢。

關鍵詞：氮沉降;洪澤湖濕地;土壤微生物

中圖分類號：S714

文章編號：2095-624X（2019）10-0008-02

大氣氮沉降對生態系統，尤其對濕地生態系統的影響占據不可小覷的地位。化石燃料的燃燒和過度施肥產生了大量的氮氧化物，其中人為引起的氮沉降已被列為地球生態系統的首要威脅之一。而土壤是陸生植物生活的基質，它提供了植物生活所必需的營養和水分，是生態系統中物質和能量交換的重要場所。

土壤微生物是生態系統最重要的生命組成部分，在土壤生態系統的物質循環與轉化、能量流動的過程中具有顯著影響作用[1]。它們是土壤有機質和土壤養分轉化和循環的主要動力。目前關于大氣氮沉降下陸地和水生生態系統的過渡區域——濕地系統的土壤微生物研究卻較少。洪澤湖作為我國四大淡水湖之一，其湖區和周邊部分區域組成了較為完整的內陸濕地，是我國典型的湖泊濕地。本研究通過開展野外模擬實驗，探討氮沉降增加對洪澤湖濕地土壤微生物特性的變化的影響，可為闡述氮沉降對微生物的反饋作用機理提供依據。

一、 研究方法

1.實驗地概況與實驗設計

實驗地點位于江蘇省泗洪縣，泗洪縣坐落于中國第四大淡水湖洪澤湖西北岸（33?06′N，118?10′E）。本實驗采用的是盆栽控制實驗，以洪澤湖濕地的典型植物蘆葦為實驗材料，盆栽器具為統一的花卉盆，盆底直徑30cm，高60cm，盆栽土壤為洪澤湖濕地原位土壤，定期澆水，每盆定株10株幼苗，每種處理5個重復。待幼苗生長穩定后，對樣本定期施入硝酸銨溶液。將硝酸銨溶液均勻噴灑在CK（對照）、LN（低氮）、HN（高氮）處理的盆栽中（表1），隨后使用噴壺在盆栽表面噴水，確保硝酸銨溶液滲入盆栽土壤中，同時也要確保盆栽土壤中有充足的水分。

2.樣品采集與處理

采用盆栽控制實驗，于6月份種植植物，分別在7月、8月及9月中旬采集不同處理條件下的土樣。每個土樣由5個盆栽的土壤混合而成，用四分法取適量放于自封袋中，迅速帶回實驗室。土樣去除植物和動物殘體等雜質，混合均勻后一部分保存在4℃冰箱，用于分析土壤微生物特性，另一部分風干，磨細，過篩，用于測定土壤理化性質，部分土壤風干后，進行土壤全氮、銨態氮和硝態氮的測定。

二、結果與分析

1.不同氮沉降水平下土壤理化性質的變化

表2是在不同氮處理條件下土壤銨態氮、硝態氮和全氮數據對比，由表2可知，氮沉降增加了土壤全氮、銨態氮、硝態氮含量，且均表現為HN > LN > CK。其中，HN和LN土壤銨態氮含量顯著高于 CK （P < 0.05），與CK相比，HN和LN 土壤銨態氮含量明顯提高，HN 和LN土壤硝態氮含量與CK相比也相對提高。

2.不同氮沉降水平下土壤酶活性的變化

土壤酶主要來源于微生物和植物分泌物，是土壤中所有生物化學過程的催化劑，在濕地生態系統物質循環和能量流動過程中扮演著重要的角色，是濕地生態系統的重要成分之一[2]。由表3可知，濕地土壤中蛋白酶活性隨氮輸入增加呈先增加后降低的趨勢，脲酶活性變化則不顯著，而亞硝酸還原酶活性卻呈現降低趨勢。

3.不同氮沉降水平下土壤微生物群落多樣性的變化

利用平均顏色變化率（AWCD）值進行Shannon、Simpson和McIntosh多樣性指數分析，可以在數量特征上反映相對土壤微生物群落物種組成和個體數量的分布情況[3]。由表4可知，在不同氮處理水平的濕地土壤中，隨著土壤氮含量的增加，土壤微生物Shannon指數和McIntosh指數均表現為先升高后降低的趨勢，低氮處理的微生物Shannon指數和McIntosh指數均最高，對照處理的濕地土壤最低;不同氮含量濕地土壤間Shannon、Simpson和McIntosh指數差異不顯著。

表4中顯示了土壤微生物培養一定時間下的Shannon、Simpson、McIntosh多樣性指數，可在數量特征上相對反映土壤微生物群落物組成和個體數量分布的情況。結果顯示，在3個氮沉降實驗中，隨著氮沉降的增加，土壤微生物Shannon和McIntosh指數均出現升高的趨勢，其中處于高氮條件下的土壤微生物Shannon和McIntosh指數在施氮條件下最高，低氮次之，對照最低;而Simpson指數變化不顯著。

三、 討論

外源氮素的輸入改變了濕地生態系統的可利用氮素的狀況，并對濕地土壤理化性質產生了重要影響。它的輸入增加了土壤全氮含量，同時也促進了土壤銨態氮和硝態氮的積累。

實驗中，隨著培養時間的增加，AWCD（利用平均顏色變化率）值呈現上升的趨勢;同時也發現AWCD值隨培養時間的延長而逐漸增加，具體表現為：高氮>低氮>對照。其中Shannon指數、Simpson指數和McIntosh指數分別表征土壤微生物群落的豐富度、優勢度以及均勻度[4]。隨著土壤氮含量的升高，低氮處理時Shannon指數和McIntosh指數均存在顯著差異。可見模擬氮沉降條件下濕地土壤微生物群落代謝特征具有較為明顯的差異。外源的施氮，導致土壤理化性質以及群落組成發生變化，而這些又影響了土壤微生物的群落結構，施氮對濕地土壤微生物群落多樣性產生了顯著的影響，從而改變了微生物群落結構。

氮沉降的增加明顯地改變了濕地土壤微生物的多樣性和群落結構組成的變化。氮沉降的增加改變了土壤中有效元素組成，也改變了土壤微生物對不同氮源的利用模式，最終導致微生物多樣性及其構成的復雜性。氮沉降的增加改變了濕地土壤中氮素的濃度和形態，增加了土壤微生物的多樣性。所以，未來大氣氮沉降的持續增加會對濕地土壤微生物功能以及多樣性產生進一步的影響。

四、結論

（1）大氣氮沉降對濕地土壤理化性質有顯著影響，提高了濕地土壤全氮、銨態氮和硝態氮的含量。

（2）濕地土壤中蛋白酶活性隨氮輸入的增加呈現先增加后降低的趨勢，脲酶活性變化則不顯著，而亞硝酸還原酶活性卻呈現降低趨勢。

（3）隨著土壤氮含量的增加，土壤微生物Shannon指數和McIntosh指數均表現為上的趨勢，低氮處理的微生物Shannon指數和McIntosh指數均最高，可見模擬氮沉降條件下濕地土壤微生物群落代謝特征發生較為明顯的變化。

參考文獻：

[1]Classen A T，Boyle S I，Haskins K E，et al.Community-level? physiological profiles of bacteria and fungi：Plate type and incubation? temperature influences on contrasting soils[J].FEMS Microbiology Ecology，2003（3）：319–328.

[2]陶寶先，張金池，愈元春，等.蘇南丘陵地區森林土壤酶活性季節變化[J].生態環境學報，2010 （10）：2349-2354.

[3]魯順保，張艷杰，陳成榕，等.基于BIOLOG指紋解析三種不同森林土壤細菌群落功能差異[J].土壤學報，2013（3）：618-623.

[4]華建峰，林先貴，蔣倩，等.砷礦區農田土壤微生物群落碳源代謝多樣性[J].應用生態學報，2013（2）：473-480.

基金項目：江蘇省高校大學生創新創業訓練計劃項目（201710323031Y）。

作者簡介：柴志（1996—），男，云南曲靖人，本科。