酸性土壤中的硝化作用研究进展

黄波

(宽甸满族自治县林业局，辽宁 丹东 118200)

酸性土壤中的硝化作用研究进展

黄波

(宽甸满族自治县林业局，辽宁 丹东 118200)

硝化作用是土壤中重要的化学过程，土壤类型、pH、水分、氧的浓度、利用方式和温度等因素都对其有重要影响，其中最关键的2个因子是pH与N的有效性；硝化作用在酸性土壤中表现得更加强烈，而主要的影响因子及作用机理却一直未被证实；有机质显著地影响着土壤的物理化学性质，腐殖酸也对氮素的转化过程影响显著，它们对酸性土壤中硝化作用的影响值得深入研究探讨。

酸性土壤；硝化作用；影响因素；有机质；硝化作用机制

硝化作用是土壤中氮素转化的重要过程，对生态系统中的氮素循环起着至关重要的作用。施入土壤的氮素经过硝化作用，会导致土壤酸化，硝酸盐淋失，以及植物毒害等情况的发生[1-4]。硝化和反硝化过程产生的N2O，不仅是重要的温室效应气体，而且对臭氧层有很强的破坏作用[5]。

在20世纪初期的报道中，学者普遍认为酸性土壤中的硝化作用不可能发生[6,7]；但随后Weber ，Walker，Troelstra等人的研究相继表明酸性土壤中存在硝化作用[8-10]。最有力的证据出现在1997年，Stark 和 Hart在Nature上发表论文，证明酸性土壤中存在很强烈的硝化作用[11]。但是，在Robertson与De Boer的报道中仍然不能发现硝化作用在酸性土壤中存在的证据[12,13]；并且很多的研究结果发现酸性土壤中的硝化作用存在很大的空间变异[14,15]。如何解释这些变异是未来研究中要着重解决的问题。

1 硝化作用与硝化过程

1.1 硝化作用机理

在通气良好的土壤中，铵或氨在微生物的作用下，氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。硝化微生物包括自养型微生物和异养型微生物。自养微生物分为两个类别，亚硝酸细菌和硝酸细菌。亚硝酸细菌将铵或氨转化为亚硝酸，硝酸细菌将亚硝酸进一步氧化为硝酸，完成整个硝化过程。

氨单加氧酶(AMO)与羟胺氧化还原酶(HAO)是氨氧化过程中两种关键酶。在硝化系统中，虽然自养型和异养型微生物的AMO有所不同[16]，但它们都能催化NH3生成NH2OH；HAO的作用是将NH2OH进一步转化，产物因环境条件而异，在好氧条件下得到NO2-，在厌氧条件下作用生成N2O。

硝化过程是一种氧化作用，必须以良好的通气条件为前提。在通气良好的旱作土壤中硝化作用快于氨化作用。一般夏季施入的铵态肥料，旱地在两三天之内就可以转化为硝态氮，水田则以铵态氮为主[17]。

1.2 异养微生物对酸性土壤硝化作用的贡献

长期以来，人们一直认为自然界中的硝化过程由自养硝化菌完成。原因在于自养硝化菌的硝化能力极强，硝化反应活性可以比异养生物要高103～104倍，且异养硝化过程难以监测和确定，从而认为异养硝化对硝化作用的贡献可以忽略[18]。在随后对酸性土壤中硝化作用的研究改变了这一看法，Papen和Berg运用稀释培养计数法对酸性土壤研究后发现，在存在硝化作用的前提下，供试土壤中没有发现自养硝化微生物；而异养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担者[19]。林燕等认为异养菌在生长速率和对环境的适应能力等方面具有优势，因此其总体氨氧化速率也可能比自养菌快[16]。最近的研究结果发现虽然酸性土壤中的硝化作用仍以自养硝化为主，但异养硝化微生物对酸性土壤中硝化作用的贡献也不能忽视。Iskam等采用15N同位素标记法研究了两种酸性牧草地土壤的硝化作用，结果发现异养硝化作用分别占到总硝化作用的11%和7%[20]。

2 影响酸性土壤中硝化作用的因素

土壤的pH、土壤类型、植物根系、水分与氧的浓度、利用方式和温度等条件的都会影响到土壤中的硝化作用。在低于4 ℃的条件下，硝化作用就趋于停止。Ingwersen等在研究温带云杉土壤之后发现，土壤总硝化速率在5～25 ℃之间随温度的升高而增大[21]。水分与微生物活性正相关，盐分与微生物活性呈负相关[22]。在培养初期，低盐分有利于土壤氮素的转化，随着培养时间的延长逐渐体现出抑制作用，且盐分越高，抑制作用越明显[23]。大多数因素都是通过影响土壤pH和N的有效性，使硝化作用的底物浓度和硝化微生物酶的活性发生改变，进而影响到硝化作用。

2.1 pH

土壤pH对硝化过程影响极为显著[24,25]，是影响土壤硝化作用的一个重要指标，直接影响着参与土壤中氮转化过程的微生物以及不同反应阶段的酶活性。

土壤中硝化作用在一定范围内(pH4.8～8.5)随pH的升高而增强[26]。Catherine在对酸性森林土壤研究后发现，在pH大于4.8的酸性土壤中，净硝化速率与pH显著正相关(R2=0.762，P<0.001)，而在pH低于4.5的土壤中却难以发现硝化作用[27]。刘义等通过研究四川西部亚高山针叶林土壤的总硝化作用，发现所研究的pH范围5.33～6.44的酸性土壤，在小于0.05水平下pH与总硝化速率之间的相关系数仅有0.272，未达到显著水平[28]。蔡祖聪，赵维对亚热带不同土地利用方式下土壤硝化作用研究后发现，在土壤pH均值为4.9的土壤中，pH与净硝化速率之间无相关性(R2=0.094 2，P<0.01)；外加铵态氮使基质饱和时，土壤硝化速率与土壤pH显著相关(R2=0.787，P<0.01)[29]。这说明铵态氮的供应限制了硝化速率。施用石灰使土壤pH升高，可以使土壤中的硝化作用增强。

2.2 N的有效性

NH3是硝化作用的直接底物，在酸性条件下，进入土壤的铵如何转化为NH3是硝化作用顺利进行的关键所在。Sierra认为在酸性土壤中存在一定pH较高的微小区域[30]，使铵可以顺利地转化为NH3。同时这种区域还有利于有机氮矿化，并且有机氮矿化越强烈，适合硝化作用的微域越大，N的有效性越高，硝化作用越强。蔡祖聪，赵维的研究结果印证了这一点，在大多数自然土壤和农业利用土壤中，硝化速率均与矿化速率呈线性正相关(R2=0.616，P<0.01)[29]。

农业利用促进了土壤的硝化作用，施肥对硝化作用的底物浓度有巨大的影响，氮肥施用是农业土壤硝化作用增大的一个重要原因；磷供应状况的改善也能促进硝化作用[29]。也有学者指出，在酸性土壤中施用氮肥后硝化作用反而会显著降低。贾俊仙等通过研究施用氮肥对红壤性水稻土(pH≈5.1)硝化作用的影响发现，高肥力型红壤性水稻土在施用硫铵后显著降低(P<0.05)，硝化速率在常规施氮量和3倍施氮量下分别比对照降低了41.8%和74.7%[31]。这说明硫铵的施入抑制了高肥力型红壤性水稻土的硝化作用，并且这种抑制随着施入量的增大有增强的趋势。这种现象产生的原因可以从底物浓度和pH两方面探究，一是向土壤中施加铵盐后可以使pH发生变化，导致在相同的初始铵浓度下，底物浓度有所不同，使硝化速率降低[32]。另一种解释同样从加铵之后pH的变化出发，认为pH的变化影响了参与硝化反应的酶的活性，进而影响硝化速率[33]。

2.3 有机质

有机质对土壤物理化学性能影响显著，腐殖酸对氮素转换过程的影响也不能忽视[34]。有研究表明土壤中绝大部分硝化细菌都是与有机质紧密结合[35]，并且这种吸附对硝化作用有比较明显的促进作用[36]。所以我们认为酸性土壤中的有机质与硝化作用之间可能存在比较紧密的联系，有可能是酸性土壤中硝化作用进行的关键所在。

2.3.1 有机胶体的吸附性能 在自然条件下，土壤中的矿物质颗粒和有机质颗粒通常会通过一定的作用力而相互结合在一起，形成土壤有机无机复合体[37]。正常pH条件下，土壤对NO3-的吸附可以忽略，但是在pH较低的条件下可以对阴离子吸附，但是这种吸附的效率是有待商榷的[38]。此外，腐殖酸是土壤胶体吸附过程中最活跃的物质[39]，它作为土壤有机质主要吸附中心的吸附性能，可能对于土壤中有效NH3也有一定的调节作用[40]。

2.3.2 腐殖酸效应 腐殖酸会影响到氮素的分配、生物利用率和有机氮的最终命运，在全球氮循环系统中扮演着一个极其重要的角色[41,42]。腐殖酸是一种含有许多酸性功能团的弱酸，可以提高土壤对酸碱度变化的缓冲能力；有研究表明，腐殖酸可以将pH缓冲至5.5～8.0[43]。还有许多学者提出，腐殖酸可以对土壤中的微生物，尤其是AOB的生长起到明显的促进作用。毕军等通过研究腐殖酸生物活性肥料对冬小麦土壤微生物的活性，指出在施用腐殖酸生物活性肥料的条件下，在小麦拔节期和灌浆期细菌数量分别比对照增加了262%和337%；并且细菌衰减数量比对照低16.9%[44]。这说明腐殖酸生物活性肥料在增加土壤细菌数量和生物活性两方面都起到了重要作用。叶协锋等研究腐殖酸对烤烟土壤性状的影响之后得出了相似的结论；他的报道表明在施用750 kghm-2腐殖酸的条件下，细菌与氨化细菌数量分别比对照增加了52.00%和292.31%；并且腐殖酸与氨化细菌数量在P<0.01水平下呈线性正相关(R2=0.756)[45]。

综合以上条件，我们可以提出一个假设，在酸性土壤中，有机质参与土体团聚或者形成有机无机复合体，通过它们的吸附性能将氨氧化细菌吸附在它们周围，同时利用腐殖酸缓冲pH的性能，使在土壤一定微域内的pH适宜，不仅可以将N的有效性提高，还有利于硝化微生物的代谢活动，使硝化作用得以顺利进行。

3 展望

以往的研究已经表明，pH与N的有效性是影响硝化作用的主要因子。尽管土壤中的硝化作用对pH极为敏感，但仍然有研究发现pH并不能完全解释酸性土壤中的硝化作用的变异。Nugroho对9种苏格兰酸性森林土壤进行研究，发现相同pH的土壤硝化率差异较大[46]；这与Sierra的观点相同，后者还通过研究指出，pH相同的土壤，其硝化作用可以相差3倍以上[47]。与此同时，N的有效性也不能完全解释酸性土壤中硝化作用的变异。许多研究表明，即使具有高浓度NH4+-N的土壤，其净硝化率作用也可以很低，甚至为负值[48,33]。De Boer通过总结前人的研究成果提出微生物通过自我调节，可以实现在酸性土壤中进行硝化作用的一种机制[13]，但是这种假设也不能很好的解释AOB如何利用酸性条件下的NH4+。Nugroho于2009年提出微生物区系可能对酸性土壤硝化作用有重大影响的假设，但是随后的研究结果表明微生物区系的相互作用对酸性森林土壤硝化作用的影响并没有那么显著，应该存在影响更为重要的其他因子[49]。种种结论表明酸性土壤中的硝化作用机制可能更为复杂，还有待进一步研究。

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1005-5215(2015)03-0060-03

2014-12-15

黄波(1970-)，男，辽宁宽甸人，大学，高级工程师，主要从事森林经营管理工作，Email：weizp1981@126.com

S152

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2015.03.022