大气氮沉降对洪泽湖湿地土壤微生物特性的影响研究

柴志 卢妍 郑玲 胡雁冰 张玉星 杨欠荣

摘 要：文章通过模拟氮沉降的方式，以洪泽湖湿地为研究对象，采用盆栽实验，对其观测、分析，从而揭示大气氮沉降背景下湿地土壤理化性质和土壤微生物特性的变化。研究表明：①大气氮沉降对湿地土壤理化性质有显著影响，提高了湿地土壤全氮、铵态氮、硝态氮和速效氮的含量;②湿地土壤中蛋白酶活性随氮输入增加呈先增加后降低的趋势，脲酶活性变化则不显著，而亚硝酸还原酶活性却呈现降低趋势;③随着土壤氮含量的增加，土壤微生物Shannon指数和McIntosh指数均表现为升高的趋势。

关键词：氮沉降;洪泽湖湿地;土壤微生物

中图分类号：S714

文章编号：2095-624X（2019）10-0008-02

大气氮沉降对生态系统，尤其对湿地生态系统的影响占据不可小觑的地位。化石燃料的燃烧和过度施肥产生了大量的氮氧化物，其中人为引起的氮沉降已被列为地球生态系统的首要威胁之一。而土壤是陆生植物生活的基质，它提供了植物生活所必需的营养和水分，是生态系统中物质和能量交换的重要场所。

土壤微生物是生态系统最重要的生命组成部分，在土壤生态系统的物质循环与转化、能量流动的过程中具有显著影响作用[1]。它们是土壤有机质和土壤养分转化和循环的主要动力。目前关于大气氮沉降下陆地和水生生态系统的过渡区域——湿地系统的土壤微生物研究却较少。洪泽湖作为我国四大淡水湖之一，其湖区和周边部分区域组成了较为完整的内陆湿地，是我国典型的湖泊湿地。本研究通过开展野外模拟实验，探讨氮沉降增加对洪泽湖湿地土壤微生物特性的变化的影响，可为阐述氮沉降对微生物的反馈作用机理提供依据。

一、 研究方法

1.实验地概况与实验设计

实验地点位于江苏省泗洪县，泗洪县坐落于中国第四大淡水湖洪泽湖西北岸（33?06′N，118?10′E）。本实验采用的是盆栽控制实验，以洪泽湖湿地的典型植物芦苇为实验材料，盆栽器具为统一的花卉盆，盆底直径30cm，高60cm，盆栽土壤为洪泽湖湿地原位土壤，定期浇水，每盆定株10株幼苗，每种处理5个重复。待幼苗生长稳定后，对样本定期施入硝酸铵溶液。将硝酸铵溶液均匀喷洒在CK（对照）、LN（低氮）、HN（高氮）处理的盆栽中（表1），随后使用喷壶在盆栽表面喷水，确保硝酸铵溶液渗入盆栽土壤中，同时也要确保盆栽土壤中有充足的水分。

2.样品采集与处理

采用盆栽控制实验，于6月份种植植物，分别在7月、8月及9月中旬采集不同处理条件下的土样。每个土样由5个盆栽的土壤混合而成，用四分法取适量放于自封袋中，迅速带回实验室。土样去除植物和动物残体等杂质，混合均匀后一部分保存在4℃冰箱，用于分析土壤微生物特性，另一部分風干，磨细，过筛，用于测定土壤理化性质，部分土壤风干后，进行土壤全氮、铵态氮和硝态氮的测定。

二、结果与分析

1.不同氮沉降水平下土壤理化性质的变化

表2是在不同氮处理条件下土壤铵态氮、硝态氮和全氮数据对比，由表2可知，氮沉降增加了土壤全氮、铵态氮、硝态氮含量，且均表现为HN > LN > CK。其中，HN和LN土壤铵态氮含量显著高于 CK （P < 0.05），与CK相比，HN和LN 土壤铵态氮含量明显提高，HN 和LN土壤硝态氮含量与CK相比也相对提高。

2.不同氮沉降水平下土壤酶活性的变化

土壤酶主要来源于微生物和植物分泌物，是土壤中所有生物化学过程的催化剂，在湿地生态系统物质循环和能量流动过程中扮演着重要的角色，是湿地生态系统的重要成分之一[2]。由表3可知，湿地土壤中蛋白酶活性随氮输入增加呈先增加后降低的趋势，脲酶活性变化则不显著，而亚硝酸还原酶活性却呈现降低趋势。

3.不同氮沉降水平下土壤微生物群落多样性的变化

利用平均颜色变化率（AWCD）值进行Shannon、Simpson和McIntosh多样性指数分析，可以在数量特征上反映相对土壤微生物群落物种组成和个体数量的分布情况[3]。由表4可知，在不同氮处理水平的湿地土壤中，随着土壤氮含量的增加，土壤微生物Shannon指数和McIntosh指数均表现为先升高后降低的趋势，低氮处理的微生物Shannon指数和McIntosh指数均最高，对照处理的湿地土壤最低;不同氮含量湿地土壤间Shannon、Simpson和McIntosh指数差异不显著。

表4中显示了土壤微生物培养一定时间下的Shannon、Simpson、McIntosh多样性指数，可在数量特征上相对反映土壤微生物群落物组成和个体数量分布的情况。结果显示，在3个氮沉降实验中，随着氮沉降的增加，土壤微生物Shannon和McIntosh指数均出现升高的趋势，其中处于高氮条件下的土壤微生物Shannon和McIntosh指数在施氮条件下最高，低氮次之，对照最低;而Simpson指数变化不显著。

三、 讨论

外源氮素的输入改变了湿地生态系统的可利用氮素的状况，并对湿地土壤理化性质产生了重要影响。它的输入增加了土壤全氮含量，同时也促进了土壤铵态氮和硝态氮的积累。

实验中，随着培养时间的增加，AWCD（利用平均颜色变化率）值呈现上升的趋势;同时也发现AWCD值随培养时间的延长而逐渐增加，具体表现为：高氮>低氮>对照。其中Shannon指数、Simpson指数和McIntosh指数分别表征土壤微生物群落的丰富度、优势度以及均匀度[4]。随着土壤氮含量的升高，低氮处理时Shannon指数和McIntosh指数均存在显著差异。可见模拟氮沉降条件下湿地土壤微生物群落代谢特征具有较为明显的差异。外源的施氮，导致土壤理化性质以及群落组成发生变化，而这些又影响了土壤微生物的群落结构，施氮对湿地土壤微生物群落多样性产生了显著的影响，从而改变了微生物群落结构。

氮沉降的增加明显地改变了湿地土壤微生物的多样性和群落结构组成的变化。氮沉降的增加改变了土壤中有效元素组成，也改变了土壤微生物对不同氮源的利用模式，最终导致微生物多样性及其构成的复杂性。氮沉降的增加改变了湿地土壤中氮素的浓度和形态，增加了土壤微生物的多样性。所以，未来大气氮沉降的持续增加会对湿地土壤微生物功能以及多样性产生进一步的影响。

四、结论

（1）大气氮沉降对湿地土壤理化性质有显著影响，提高了湿地土壤全氮、铵态氮和硝态氮的含量。

（2）湿地土壤中蛋白酶活性随氮输入的增加呈现先增加后降低的趋势，脲酶活性变化则不显著，而亚硝酸还原酶活性却呈现降低趋势。

（3）随着土壤氮含量的增加，土壤微生物Shannon指数和McIntosh指数均表现为上的趋势，低氮处理的微生物Shannon指数和McIntosh指数均最高，可见模拟氮沉降条件下湿地土壤微生物群落代谢特征发生较为明显的变化。

参考文献：

[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]陶宝先，张金池，愈元春，等.苏南丘陵地区森林土壤酶活性季节变化[J].生态环境学报，2010 （10）：2349-2354.

[3]鲁顺保，张艳杰，陈成榕，等.基于BIOLOG指纹解析三种不同森林土壤细菌群落功能差异[J].土壤学报，2013（3）：618-623.

[4]华建峰，林先贵，蒋倩，等.砷矿区农田土壤微生物群落碳源代谢多样性[J].应用生态学报，2013（2）：473-480.

基金项目：江苏省高校大学生创新创业训练计划项目（201710323031Y）。

作者简介：柴志（1996—），男，云南曲靖人，本科。