太湖地區(qū)水稻土有機氮厭氧礦化的溫度效應

1、生態(tài)環(huán)境 2008, 17(3): 1210-1215 Ecology and Environment E-mail: editor太湖地區(qū)水稻土有機氮厭氧礦化的溫度效應李慧琳，韓勇，蔡祖聰中國科學院南京土壤研究所/土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，江蘇 南京 210008摘要：采用淹水密閉培養(yǎng)法研究了太湖地區(qū)六種典型水稻土在不同溫度下的有機N厭氧礦化過程。結果表明，在28天的培養(yǎng)實驗中，當溫度設置為1535 時水稻土的礦化量為全N含量的3.339.06 ( N 48105 mgkg-1)。隨溫度升高土壤礦化量增大，在30 時達最大值。溫度和土壤類型的差異造成礦化量的差別。選用有效積溫式、O

2、ne-pool、Two-pool和Special模型對有機N礦化進行了擬合，非線性擬合表明Special模型對礦化過程擬合最好，Two-pool模型等同于One-pool模型，不具意義。運用不同溫度下One-pool和Special模型中的速率常數得到的Arrhenius方程能較好反映溫度效應。溫度效應系數Q10 在不同的溫度范圍內差別較大，顯示了易礦化部分與有機氮整體礦化對溫度變化的響應。 關鍵詞：有機N；水稻土；淹水礦化；溫度效應中圖分類號：S153.6 + 2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-2175（2008）03-1210-06土壤氮素的礦化量，是土壤有機氮的含量和生物可分解性、

3、礦化的水熱條件和時間等的函數。在礦化過程中，溫度同其它土壤狀況，如水分、pH、供氧量和粘土含量等控制著這個過程的進行程度1，被認為是影響礦化最重要的一個因素2。國外學者對表征溫度與礦化量的關系作過許多嘗試，一般將溫度與表達礦化過程的一級反應速率常數聯系起來，如阿累尼烏斯方程(Arrhenius)3-5 和溫度效應系數Q10 6, 7。在我國，大多數礦化實驗都是針對淹水條件下的水稻土，所用的礦化模型為有效積溫式，這個模型雖然直接體現了有效累積溫度對礦化的作用，但沒有被國外同行廣泛認同。太湖流域是我國著名的糧食產區(qū)，土壤養(yǎng)分與作物產量的關系一直是人們研究的熱點。有關土壤有機氮的礦化研究成果很多，但

4、溫度效應卻鮮見報道。該區(qū)四季分明，溫度變幅大，最高氣溫39.1 ，最低-11.3 ，年均溫15.5 ，即使在夏季，溫度的變幅也可從20 到40 ，溫度變化應該在礦化過程和特征上有所體現。因此，我們針對該區(qū)主要類型水稻土，探索在淹水厭氧狀況下溫度對有機N礦化過程和特征的影響，并期望將溫度效應反映在氮素礦化模型中。編號 pH 4 76.31 5.88有機質/ 23.0 25.8 27.3 23.2 26.3 全N/ 1.50 1.60 1.60 1.40 1.40 微生物N/ 重組全N/ (gkg-1) 0.003 0.001 0.005 0.001 0.005 (gkg-1) 1.30 1.40

5、 1.20 1.20 1.20 CEC/ (cmolkg-1) 170.0 142.0 155.0 135.0 153.0(gkg-1) (gkg-1)11 6.53 20 6.01 23 7.28 1 材料與方法1.1 土壤樣品供試土壤于2003年4月采自太湖流域上海地區(qū)六種典型水稻田，均為015 cm表層土。土樣的采集、分類和基本理化性狀見表1。試驗前將土風干，去除動、植物殘體和石塊等，磨細過2 mm篩備用。1.2 土壤基本理化性質pH采用玻璃電極測定(KCl溶液提取, m土m液12.5)；有機質采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法；全N測定使用開氏法；全P為酸溶-鉬銻抗比色法；全K采用氫氧化

6、鈉熔融法；速效P采用碳酸氫鈉法(Olsen法)；速效K采用乙酸銨提取法；CEC用乙酸銨法。操作方法參照土壤農業(yè)化學分析方法8。1.3 培養(yǎng)試驗采用淹水密閉恒溫培養(yǎng)法。稱取風干土樣10.000 g，每種土樣稱8份，分別放于潔凈且不漏氣的12.5 mm55 mm真空瓶中，加入10 mL蒸餾水，使土層完全浸濕，蓋緊瓶塞，避免漏氣，防基金項目：中國科學院南京土壤研究所知識創(chuàng)新領域前沿項目（ISSASIP0609）；國家自然科學基金項目（40601052） 作者簡介：李慧琳（1976），女，助理研究員，博士，從事土壤C、N循環(huán)與環(huán)境變化研究。E-mail: hlli 收稿日期：2007-11-17李慧琳

7、等：太湖地區(qū)水稻土有機氮厭氧礦化的溫度效應 1211止硝化和反硝化過程的發(fā)生。根據本區(qū)溫度變幅，將樣品分別置于15、20、25、30和35 1 恒溫箱內培養(yǎng)，在第0、1、3、5、7、9、14、28天隨機取樣，加入50 mL 1.2 molL-1的KCl溶液提取，振蕩1 h，過濾，吸取濾液23 mL，用氮素連續(xù)流動分析儀(San system，Skalar，Netherlands)測定礦質氮(NH4+-N和NO3-N)，三次重復。以測定的礦質氮減去第0天的礦質氮為該測定時期的礦化氮量。1.4 礦化模型因阿累尼烏斯方程(Arrhenius equation)是將溫度與一級反應方程中的反應速率常數聯

8、系，故本研究主要運用與動力學一級反應方程式有關的模型。同時，也運用了常用的有效積溫式便于比較。（1）有效積溫式：Y= k(T-Tn0)D) (1)Y：累積礦化氮量 (mg kg-1)；T0：15 ；T：培養(yǎng)溫度 ()；D：培養(yǎng)時間(d)；k和n：礦化常數。（2）One-pool模型 (單一級指數方程)：Nt=N0(1-e-k0t) (2)Nt：累積礦化氮量(mg kg-1)；N0：礦化勢；k0 ：一級反應速率，t：培養(yǎng)時間。（3）Two-pool模型 (雙一級指數方程)：Nt=N-ka(1-eat) +Nr(1-e-krt) (3)Na和ka：易礦化部分的礦化勢和一級反應速率；Nr和kr：緩慢

9、礦化部分的礦化勢和一級反應速率。其余符號意義同方程(2)。（4）Special模型 (混合的一級和零級反應方程)：Nt=Na0(1-e-ka0t) +Crt (4)Cr：緩慢礦化部分的礦化常數。其余符號意義同方程（3）。為便于表達，將上述四模型簡稱為有效積溫式、One-pool、Two-pool和Special模型。 1.5 溫度效應方程本實驗同時使用了Arrhenius方程和溫度效應系數Q10(表2)。 1.6 統(tǒng)計分析所有數據的分析和擬合均在SPSS (SPSS，10.0)下進行，數據用方差分析法，模型擬合用非線性回歸分析，將累積礦化氮量和培養(yǎng)時間作為方程中的Y值和X值，通過非線性回歸得到

10、其他參數。表2 Arrhenius方程和溫度效應系數Q10 Table 2 Comparison of Arrhenius equation andtemperature effect coefficient Q10方程 Arrhenius equationQ10微分式 dlnk/dT=E/(RT2)dlnk/dT=ln(Q10)/10不完全積分k=k-E0ea/RTKk=bQT/101010/(T2-T1)Ek2TT溫度指數a=Rln k2k1k1TTQk2k2-k110= k1Arrhenius方程中的參數和溫度效應系數Q10通過不同溫度下的礦化速率常數計算得知。變量之間的相關顯著性用pe

11、rson系數和F檢驗。2 結果與討論2.1 不同溫度下的礦化量與礦化率礦化產生的NH4+-N占礦化量的絕大部分，僅在培養(yǎng)前和培養(yǎng)的第1天檢測出少量NO3-N。4號土壤礦化量最低，為3265 mgkg-1，35號土壤礦化量最高為104184 mgkg-1，圖1顯示了土樣在不同溫度下的礦化量差別。單因素方差分析表明土壤間的礦化量差別達極顯著(p0.01)，主要由青紫泥與其它5個土樣的礦化量差別造成。6個土樣在15、20、25、30和35 時的平均礦化率(xS.D)分別為：3.90%1.83%、4.53%2.20%、5.39%3.00%、9.06%2.77%和6.60%3.33%，差異顯著 (p0.

12、01)。土壤的礦化量和礦化率均隨溫度的升高增加，但在30 時達到最大值，在35 時反而略有下降，除20號和35號土壤在30 和35 的礦化量比較接近。統(tǒng)計檢驗表明，總體上礦化量在溫度處理間未達顯著差異。若以每相差5 的礦化量之比來衡量礦化量的增幅，6個土樣在1520、2025、2530、3035 的礦化量比例平均值分別為1.16、圖1 供試土壤在28天不同溫度下淹水培養(yǎng)的有機N礦化量 Fig. 1 Nitrogen mineralized in the 28 days under anaerobicincubations during different temperatures1212 生態(tài)

13、環(huán)境 第17卷第3期（2008年5月）1.17、1.89和0.74，差別顯著 (p0.01)，此差別主要由30 時的礦化量引起，這個溫度有可能最適宜微生物活動，因而礦化量增幅最大。礦化率顯示了溫度間的顯著差別(p 0.05)，高溫(30和35 )和中低溫間差別較大。礦化量與礦化率之間顯著正相關(R20.916*，n6)。實驗中35號土壤礦化量明顯高于其它土樣。通過相關分析，土壤的基本性質對礦化產生了影響。在各個溫度下，有機質、全N、C:N、堿解N以及有機無機復合N含量等，都與礦化量呈現了不同程度的線性正相關。曲線擬合表明，對數、冪函數和指數關系等也同時存在，在30 時尤為明顯，從另一方面體現了

14、該溫度下的礦化特征。偏相關分析顯示全N是造成礦化量差別的主要原因。35號土壤全N含量約為2.8 mgkg-1，而其它樣品僅為1.41.6 mgkg-1，這就很好地解釋了為什么它們的礦化量也呈現出與此類似的差異。 2.2 礦化模型擬合程度及其參數運用四個方程對礦化過程的擬合結果較好，擬合決定系數(0.832*0.992*)和剩余標準離差(1.5826.96)都表明模型的模擬值與實測值相差較小，其中Two-pool 模型和Special模型最優(yōu)。在20和30 時四個方程的擬合最為接近。但Two-pool 模型中的反應速率常數在很多條件下相同，還有為零的情況，說明參數已失去物理意義，等同于One-p

15、ool模型，只有Special模型最適合表達不同溫度下的礦化。礦化模型中的參數表明培養(yǎng)溫度為30 的礦化勢最大，但礦化速率并非如此(表3)，說明微生物活動使可以礦化的有機氮總量增加，但礦化速度未提高太多。按照有效積溫式的概念9，土壤的氮素礦化僅與大于15 的有效積溫有關。若同一土壤在不同溫度下經歷了不同時間，只要有效積溫相同，礦化表3 運用One pool模型和Special模型得到的不同溫度下的礦化速率常數Table 3 Estimated parameters of the One-pool and special models simulating N mineralization dy

16、namics of paddy soils at different temperatures, respectively 土壤 4 7 11 20 23 土壤 4 7 11 20 23 15 0.04 0.05 0.05 0.07 0.04 15 0.21 0.02 0.02 0.02 0.08 20 0.06 0.09 0.08 0.10 0.06 20 0.07 0.04 0.03 0.15 0.03 25 k0 / d 0.05 0.14 0.15 0.24 0.17 25 ka0 /d 0.03 0.16 0.34 0.21 0.48 0.73 0.05 0.40 0.67 0.57

17、 1.02 0.54 0.47 0.45 0.40 -1-130 0.11 0.10 0.10 0.15 0.19 30 35 0.36 0.20 0.25 0.24 0.19 35 量也應該相同。在6個土壤中，對于上述結論符合的情況不一，圖2顯示了有效積溫與不同培養(yǎng)溫度和時間下土壤礦化量的關系。如圖所示，35號土壤在較小有效積溫內的礦化量非常接近，如在有效積溫式為140 時，在20、25、35 的礦化量為123、118和119 mgkg-1 (CV=2.2%)，而20號土壤在上述情況時，礦化量卻分別為53、62、71 mgkg-1 (CV=14.5%)。因此，從這一概念來看，有效積溫式對礦化

18、的模擬雖然都達到顯著水平，但在四個模型中模擬程度最低。 2.3 Arrhenius方程理論上，Arrhenius方程表征溫度對一級反應速率的影響。通過非線性回歸可以得出反應的活化能Ea及方程系數A，再計算任一溫度下的反應速率k。本實驗得到了運用One-pool和Special模型的反應圖2 有效積溫對土壤在不同溫度和培養(yǎng)時間下礦化量的影響Fig. 2 Effect of effective cumulative temperatures on soil nitrogen mineralized in the different temperature and incubation days李慧

19、琳等：太湖地區(qū)水稻土有機氮厭氧礦化的溫度效應 1213速率表達的Arrhenius方程。結果顯示，運用One-pool 模型中的k0值得到的Arrhenius方程結果較好，而運用Special模型則部分土壤的ka0無法與溫度建立方程。但是，建立一個適用于所有土壤的礦化模型，其ka0和溫度的Arrhenius方程(即運用6個土樣的平均ka0值得到的方程)，擬合程度都好于各個土壤。此等條件下的速率常數表征為：ka0=2.96*1013exp(-8.06*104/RT)( R2=0.93*)。圖3比較了運用Arrhenius方程計算的幾個土壤的礦化速率參數與實測值。雖然Arrhenius方程在描述許

20、多土壤氮素礦化與溫度的關系上得到廣泛運用，但也有研究者認為此方程不能恰如其分地表達兩者之間的關系4, 6, 10。由于溫度對礦化的影響比較復雜，通常有五六種類型，可以用Arrhenius方程表達的只是其中最常見的一種，即反應速率隨溫度的升高而逐漸加快，二者間呈指數關系。有一種類型是在溫度不高的情況下，反應速率隨溫度增加而加速，但達到某一溫度后如再升高溫度將使反應速率下降，由生物酶催化的一些反應多屬于這一類型。土壤有機氮的礦化其實是微生物在酶的催化作用下分解有機質的過程，它應該屬于這一類型。能成功運用Arrhenius方程描述礦化與溫度關系的研究只能說明實驗溫度正處于反應隨溫度上升而加速的那個階

21、段。在本實驗中，使用不同的方程實質上是劃分了不同的“氮庫”，在不同的氮庫，微生物活動隨溫度上升可能加快，可能先加速再降低至相等或比原來更小，也可能對溫度不敏感而無變化。一般研究認為在等于或低于35C時微生物活性隨溫度升高增強，在這個范圍內運用Arrhenius方程比較恰當。但通過實驗我們發(fā)現土壤以及土壤中微生物的活動很復雜，不能一概而論，例如在30C時的礦化量就大于35C。另外，因為Arrhenius方程中的k值是根據動力學方程計算而來，不同的方程有不同的結果，這在本實驗中已得到體現，其中運用Special模型來討論溫度效應尚未見諸報道。在本研究中運用這個方程得到了適用于整個土壤的Arrhen

22、ius方程。所以，在研究有機N礦化的溫度效應時，同時考慮溫度范圍和動力學方程，其結果將更具可比性。2.4 溫度效應系數Q10Q10是溫度相差10C時指數方程中的的反應速率常數之比。表4列出了不同溫度范圍內的Q10值，同樣由One-pool和Special模型分別計算得到。可以看出，運用Special模型kao計算而得的Q10值大于One-pool模型計算值，這是在概念上Special 模型的易礦化部分礦化速率較大的直接體現。在2030C內的Q10小于其它溫差范圍。6個土壤的平均值都以在1525C為最大。從Q10值的偏差來看，運用Special模型得到的Q10在土壤間變化較小。以往的大多數研究得

23、到土壤有機N礦化的Q10等于211, 12, 13，比較符合范霍夫定律；但也有學者認為Q10可以大于2或小于12, 14，不應籠統(tǒng)以2為準。不過這些Q10值都是運用One-pool模型得到的。本實驗結果顯示，土壤在不同溫度范圍內的Q10值差異較大，6個土壤的平均Q10值在1525C和2535C內較為接近，在2030C內的Q10值較小。從One-pool和Special模型中計算而來的Q10圖3 不同溫度下Special礦化模型中的礦化速率參數ka0的模擬值與實測值Fig. 3 Measured and simulated parameters ka0 in Special models by

24、Arrhenius equations at different temperatures1214 生態(tài)環(huán)境 第17卷第3期（2008年5月）表4 運用One-pool和Special模型得到不同溫度變幅內的Q10值 Table 4 Q10 value of different soils during different temperature range calculated by the One-pool and Special models溫度變幅/土號 One-pool模型 Special模型 1525 2030 2535 1525 2030 2535 4 1.25 1.80 7.2

25、0 0.16 2.09 30.91 7 2.98 1.12 1.43 7.62 1.11 3.38 11 3.00 1.27 1.67 16.19 10.00 1.38 20 3.58 1.49 1.00 8.40 4.47 2.14 23 4.86 3.17 1.06 5.71 4.75 0.83 35 2.001.281.735.005.001.94值也有顯著差別。由于Special模型中的ka0代表了易礦化部分的氮素礦化速率，它大于One-pool模型中代表整個氮素礦化速率的k0值，上述由ka0計算的Q10也大于由k0值計算的Q10值，反映了易礦化部分的礦化受到溫度升高的影響較大，礦化速

26、率增加幅度較大。土樣在1525、2030、2535 時的礦化量平均值之比分別為1.37，2.2和1.24，但Q10即兩個溫度下的反應速率之比卻沒有與之相符，除了使用One-pool模型在2030 內的Q10小于礦化量之比外，其它溫度范圍的值都遠遠大于礦化量的增長倍數，說明礦化速率的變化與量的增長之間并非簡單的線性關系。對于Special模型，可以得出比較明確的意義，即礦化量與時間呈指數關系的快速礦化部分，一旦溫度升高，反應速率加快的幅度將大于礦化總量的增加，從而使得緩慢礦化部分起了一個緩沖作用。3 結論本實驗的目的是通過實驗室模擬不同溫度下水稻土淹水厭氧條件下的有機N礦化過程，將得到的經驗式運

27、用于水旱輪作下氮素循環(huán)模擬中的有機氮礦化子模塊。在前期工作中，已通過實驗證明好氣和厭氧狀況下太湖流域幾種典型水稻土的礦化符合Special方程15，通過方程獲得的參數已運用在描述太湖流域水稻土氮素循環(huán)的模型中16，并通過田間實驗加以修正17。本實驗證實了Special模型中的礦化速率參數ka0可以通過Arrhenius方程進行表達，為該模型的進一步完善奠定了基礎。參考文獻：1 GRISI B, GRACE C, BROOKES P C, et al. Temperature effects onorganic matter and microbial biomass dynamics in t

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