北京市土壤微生物對(duì)模擬氮沉降增加的早期響應(yīng)結(jié)題

1、中央民族大學(xué)urtp結(jié)題論文中央民族大學(xué)urtp結(jié)題論文urtp finishing thesis of min zu university of china北京市土壤微生物群落對(duì)模擬氮沉降增加的早期響應(yīng)the short-term response of soil microbial communities to stimulated nitrogen deposition in beijing 姓 名： 楊揚(yáng) 張悅清 傅強(qiáng) 夏凡 院 系： 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 08環(huán)境科學(xué) 08生態(tài)學(xué) 指導(dǎo)教師： 馮金朝 2010年12月15日19摘 要在陸地生態(tài)系統(tǒng)，氮沉降增加將會(huì)引起一定的生態(tài)

2、學(xué)效應(yīng)。本文主要研究北京市城區(qū)綠化帶與香山林區(qū)內(nèi)兩種生境中，土壤微生物對(duì)模擬氮沉降增加的響應(yīng)，并以此為基礎(chǔ)分析真實(shí)氮沉降的增加對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)造成的影響。結(jié)果表明，中氮處理（100kghm- 2a- 1）及更高濃度的施氮處理對(duì)兩樣地的細(xì)菌、霉菌、放線菌基本起抑制作用；而在城區(qū)綠化帶，土壤霉菌在低氮處理（50kghm- 2a- 1）下表現(xiàn)出數(shù)量上的增加。此外，施氮處理在一定程度上也改變了土壤的理化性質(zhì)，如造成酸性土壤的ph降低。關(guān)鍵詞： 氮沉降；土壤微生物abstract in the terrestrial ecosystem, the additional nitrogen may bring

3、 several ecological responses. this experiment is focused on the reactions of soil micro-organisms to the stimulated nitrogen deposition in urban grassland and woodland of fragrant mountain. we are also trying to analyze the effects on the different ecosystems by the increase of nitrogen in soil. re

4、sults showed that, under the n addition treatments (over 100kghm- 2a- 1), all the numbers of mycetes, bacterial and antinomies in two sample plots had a little decrease. however, the number of mycetes in low-nitrogen (50kghm- 2a- 1) in urban grassland showed an increase. besides, n addition treatmen

5、ts also changed the physical-chemical properties in soil, for instance, lower the ph in acid soil.key words: nitrogen deposition; soil micro-organisms目 錄一、前言1（一）研究背景1（二）研究進(jìn)展11、國(guó)外相關(guān)研究現(xiàn)狀12、國(guó)內(nèi)相關(guān)研究現(xiàn)狀23、小結(jié)2（三）研究目的及意義2二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3（一）實(shí)驗(yàn)儀器、試劑及材料31、實(shí)驗(yàn)儀器32、實(shí)驗(yàn)試劑33、實(shí)驗(yàn)材料3（二）研究區(qū)域31、實(shí)驗(yàn)地概況32、主要植被特征43、樣地設(shè)置4（三）研究方法41、人工模擬

6、氮沉降42、取樣43、樣品處理與保存54、各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定方法55、統(tǒng)計(jì)分析6三、結(jié)果分析6（一）土壤基本性質(zhì)61、土壤溫度62、土壤含水量7（二）土壤理化性質(zhì)81、土壤ph82、土壤總氮和土壤有機(jī)質(zhì)的含量9（三）土壤微生物對(duì)氮沉降的響應(yīng)91、對(duì)氮沉降的響應(yīng)92、對(duì)不同氮濃度的響應(yīng)113、不同深度土壤微生物的響應(yīng)114、中氮與中氮特殊處理12（四）放線菌與細(xì)菌的拮抗關(guān)系13四、結(jié)論與建議13（一）實(shí)驗(yàn)結(jié)論14（二）建議14五、實(shí)踐創(chuàng)新15六、經(jīng)費(fèi)使用情況16參考文獻(xiàn)17致謝19一、 前言（一） 研究背景20世紀(jì)90年代初，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)活性氮沉降量高達(dá)63.5 tga-1，為工業(yè)革命前的3.6倍

7、，而且氮沉降的速度仍然在逐年上升1。在亞洲，1961年人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的活性氮14.4 tgna-1，2000年67.7 tgna-1，到2030年將達(dá)到105.3 tgna-12。在中國(guó)部分南方森林里，大氣濕氮沉降已高達(dá)30-73 nhm-2a-13,4,5。而在北京，通過(guò)干濕沉降形式輸入總氮量極有可能超過(guò)60 kg·hm- 2·a- 16。在陸地生態(tài)系統(tǒng)，氮沉降增加將可能引起一定生態(tài)學(xué)效應(yīng)。比如，氮的增加可能影響綠色植物的初級(jí)生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積能力；持續(xù)氮輸入有可能改變土壤氮循環(huán)過(guò)程,降低土壤固持氮的能力,甚至導(dǎo)致土壤酸化；氮沉降增加會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)的物種豐富度、植物群落

8、結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài),促進(jìn)森林?jǐn)U張,改變菌根真菌的物種多樣性等7?，F(xiàn)有研究事實(shí)證明, 這部分氮的增加, 已經(jīng)對(duì)溫帶生態(tài)系統(tǒng)的特征和過(guò)程產(chǎn)生了很大影響, 尤其是在有大量氮連續(xù)地進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)中時(shí)。比如, 氮的增加改變了生態(tài)系統(tǒng)的凈初級(jí)生產(chǎn)力（npp）和養(yǎng)分循環(huán)8，并與co2濃度的升高發(fā)生相互作用等9。大氣氮沉降直接或間接作用于植物生長(zhǎng)、碳固定及光合產(chǎn)物分配，極大地干預(yù)了生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳蓄積過(guò)程，從而對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生了一定影響。（二） 研究進(jìn)展土壤微生物作為分解者，在陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中起著極其重要的作用，因而土壤微生物的多樣性是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵因素之一。氮沉降能直接或間接影響土壤微生物的生長(zhǎng)

9、繁殖和活動(dòng)能力，使土壤微生物的種類(lèi)、數(shù)量、物種多樣性、種群結(jié)構(gòu)等特性隨之改變，進(jìn)而對(duì)土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化、土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有效性產(chǎn)生影響，從而影響整個(gè)地表生態(tài)系統(tǒng)。1、 國(guó)外相關(guān)研究現(xiàn)狀（1） 微生物量的變化在赤華胡安沙漠（chihuahuan desert u.s.-mexico）進(jìn)行水分和不同濃度的氮增加的實(shí)驗(yàn)表明，微生物對(duì)水分和氮增加響應(yīng)迅速。當(dāng)進(jìn)行低氮（5 g·m-2）增加處理時(shí)，土壤微生量c、n（微生物微生物數(shù)量的反映）增加（與對(duì)照組差異不顯著）。當(dāng)進(jìn)行高氮（50 g·m-2）增加時(shí)，氮處理顯著增加了微生量c、n的礦化。氮增加后使得微土壤微生物量增加10。瑞士（scats

10、 pine）林中nh4no3的增加顯著降低微生物量11。哈佛（harvard u.s.）森林氮的長(zhǎng)期增加降低微生物量碳和微生物的活動(dòng)12。（2） 的變化frey等在長(zhǎng)期施氮的harvard森林研究表明，闊葉林和松林施氮樣地的真菌生物量分別比對(duì)照樣地低27%-61%和42%-69%，而細(xì)菌生物量對(duì)施氮增加的響應(yīng)則不如真菌的明顯，因此施氮明顯降低了真菌/細(xì)菌生物量比率13。wallenstein等在維吉尼亞（virginia u.s.）西部的兩個(gè)氮飽和樣地里發(fā)現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象，且微生物量和真菌/細(xì)菌比率隨施氮水平增加而減少14。（3） 微生物類(lèi)群和多樣性在長(zhǎng)期施氮的哈佛（harvard u.s.）森林發(fā)

11、現(xiàn)，松林的低氮處理樣地中，外生菌根真菌群落的多樣性明顯低于對(duì)照樣地12。2、 國(guó)內(nèi)相關(guān)研究現(xiàn)狀（1） 微生物量的變化莫江明等在鼎湖山自然保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氮沉降增加使季鳳林土壤微生物量碳減少15。他們同時(shí)在荷木、錐栗和黃果厚殼桂為主的苗圃試驗(yàn)地內(nèi)發(fā)現(xiàn)，施氮增加對(duì)土壤微生物數(shù)量具有促進(jìn)作用,但這種促進(jìn)作用對(duì)放線菌僅在一定施氮(10gn·m- 2·a- 1) 處理水平以下有體現(xiàn),超過(guò)此施氮量后則表現(xiàn)為抑制作用；而施氮增加對(duì)真菌始終表現(xiàn)出抑制作用,其中以中n 處理水平的抑制作用最強(qiáng)16。賈淑霞等在落葉松和水曲柳人工林研究發(fā)現(xiàn)，施肥降低了兩種林分的微生物生物量碳、氮,以及細(xì)菌、真菌和

12、放線菌數(shù)量17。（2） 微生物類(lèi)群和多樣性劉蔚秋等人發(fā)現(xiàn)過(guò)量氮沉降將導(dǎo)致土壤對(duì)微生物群落的脅迫程度上升；一方面各類(lèi)土壤微生物(細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物等)的豐度下降,另一方面微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變18。3、 小結(jié)總體來(lái)說(shuō)，土壤中氮素的增加確實(shí)對(duì)微生物量碳、微生物數(shù)量與類(lèi)群方面產(chǎn)生一定的影響。但不同地區(qū)、不同時(shí)間情況下微生物對(duì)氮增加的響應(yīng)存在巨大差異。氮沉降所產(chǎn)生的微生物學(xué)響應(yīng)還需要進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)研究，構(gòu)建地區(qū)乃至全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，方便進(jìn)行深入的系統(tǒng)性分析。（三） 研究目的及意義本實(shí)驗(yàn)的目的是得出實(shí)驗(yàn)期內(nèi)0-10cm與10-20cm兩層土壤理化性質(zhì)（ph、全氮、有機(jī)碳）變化與土壤微生物群落（細(xì)菌

13、、霉菌、放線菌）的響應(yīng)。結(jié)合理化性質(zhì)與模擬的氮沉降量，從微生物角度對(duì)氮沉降引起不同土壤環(huán)境（北京市城區(qū)綠化帶與郊區(qū)香山林地）的早期響應(yīng)做出分析。1、 分析得出不同施氮量與土壤微生物各項(xiàng)指標(biāo)間的相關(guān)性；2、 比較月、季變化下土壤微生物對(duì)模擬氮沉降的早期響應(yīng)；3、 對(duì)比不同深度的土壤中，微生物對(duì)模擬氮沉降的早期響應(yīng)情況；4、 比較不同理化環(huán)境（北京）下，土壤微生物對(duì)模擬氮沉降早期響應(yīng)的差異；5、 比較氮濃度相同而沉降路徑不同時(shí)，微生物對(duì)氮沉降早期響應(yīng)的差異。關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)中氮沉降影響的研究在歐洲與北美洲進(jìn)行較早。而在國(guó)內(nèi)，相關(guān)研究約于21世紀(jì)初起步，且因數(shù)據(jù)資料獲取受限,氮沉降研究仍存在很大的不確定

14、性?，F(xiàn)階段研究中，對(duì)于氮運(yùn)輸相關(guān)的營(yíng)養(yǎng)元素地球化學(xué)及水文學(xué)動(dòng)態(tài)涉及較少,如土壤對(duì)多種營(yíng)養(yǎng)元素吸收吸附過(guò)程中元素的相互作用。本實(shí)驗(yàn)以北京市為依托，填補(bǔ)了北方地區(qū)氮沉降模擬實(shí)驗(yàn)的空白，為今后的北方氮沉降研究、北京市綠化規(guī)劃提供了初步數(shù)據(jù)，并留下了參考依據(jù)。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（一） 實(shí)驗(yàn)儀器、試劑及材料1、 實(shí)驗(yàn)儀器馬弗爐、微波爐、控溫消煮爐、kdy-9820型凱氏定氮儀、phs-2f型ph計(jì)、恒溫培養(yǎng)箱、烘箱、高壓蒸汽滅菌鍋、超純水器、分析天平、燒杯（1000ml、500ml、250ml、100ml）、容量瓶（1000ml、500ml、250ml、100ml）、錐形瓶（250ml、150ml）、酸堿滴

15、定管（50ml）、鋁盒（5cm×5cm、10cm×10cm）、土鉆、消煮管、0.15mm土壤篩等。2、 實(shí)驗(yàn)試劑牛肉膏、蛋白胨、瓊脂、kno3、k2hpo4、mgso4·7h2o、nacl、feso4·7h2o、淀粉、濃硫酸（ar）、高錳酸鉀（ar）、濃鹽酸（ar）等3、 實(shí)驗(yàn)材料所取土樣為中央民族大學(xué)單位附屬綠化土壤與香山林地內(nèi)土壤。（二） 研究區(qū)域1、 實(shí)驗(yàn)地概況試驗(yàn)地1設(shè)于中央民族大學(xué)附屬綠地（39°5652n，116°1847e），海拔58米，氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂?，全年均氣溫?3.5，年降水量為571.9mm。綠地土質(zhì)為細(xì)沙

16、土與壤沙土，植被常年接受人工施肥、灌溉、除草等管理，受人工干擾程度較大。 試驗(yàn)地2設(shè)于北京市西山腳下的香山林區(qū)保護(hù)區(qū)（39°5937n，116°1002e），海拔450m，氣候?qū)贃|亞大陸季風(fēng)性氣候，年均氣溫12.8，年降雨量596.6mm，年均相對(duì)濕度52.3%，超過(guò)10的年積溫為4500。該區(qū)的土壤偏酸性，主要為質(zhì)地在輕壤與中壤之間的典型褐土。該地區(qū)受到人為干擾的幾率較小，生態(tài)環(huán)境保護(hù)現(xiàn)狀良好，有豐富的物種多樣性。2、 主要植被特征城市綠化樣地位于校園綠化區(qū)域，主要植被種類(lèi)為早熟禾（poa annua），人工澆灌及除草每隔一個(gè)多月進(jìn)行一次，該區(qū)受人為影響較嚴(yán)重。香山林區(qū)樣

17、地主要植被種類(lèi)為蘿藦（metaplexis japonica (thunb.)makino）、皺葉狗尾草（setaria plicata（lamk）tcooke）、胡枝子（leapedeza bicolor. turcz）、灰條菜（chenopodiumalbuml）、鐵線蓮（clematis florida thunb）、蕁麻（nettle）等。3、 樣地設(shè)置本研究參照n itrex項(xiàng)目19和北美harvard forest20等類(lèi)似研究設(shè)計(jì)，于以上兩處樣地分別隨機(jī)設(shè)立立地條件基本相似的15塊2m×2m的試驗(yàn)樣方。對(duì)以上每處5組樣地按氮施用量的高低，分4種處理，從高到低分別記為ck

18、（0 kg·hm- 2·a- 1 ）、n1（50 kg·hm- 2·a- 1）、n2（100 kg·hm- 2·a- 1）、n3（150 kg·hm- 2·a- 1）表示，各處理重復(fù)3次，其中n2除正常處理外另設(shè)一組特殊處理重復(fù)3次。氮沉降量參照了國(guó)外同類(lèi)研究及當(dāng)?shù)氐某两盗窟M(jìn)行確定。（三） 研究方法1、 人工模擬氮沉降2010年3月末確定樣地后，于四月份初（當(dāng)年入春時(shí)）開(kāi)始進(jìn)行人工施氮。每次按照年均氮沉降0、50、100、150 kg·hm- 2·a- 1，分別配成不同濃度的nh4no3溶液2

19、.4l，用手持式噴霧器在植被上空均勻噴灑。n2的6個(gè)重復(fù)樣地中劃分出3個(gè)重復(fù)作為一個(gè)特殊單元處理組。特殊單元處理組在噴灑氮素時(shí)，撥開(kāi)地表植被，直接對(duì)土壤噴灑溶液，旨在排除樣地植被截留影響。人工施氮從四月初開(kāi)始，每月月初進(jìn)行一次，直至8月份進(jìn)行最后一次氮素施加，完成階段性處理。表1 施氮情況ckn1n2n3溶液濃度/mol·l-10 0.030 0.060 0.090氮的質(zhì)量/g·l-10 0.8331.6662.499等量年沉降量/kg·hm-20 50 100 150 2、 取樣土壤取樣方式根據(jù)試驗(yàn)要求分為2種。土壤理化性質(zhì)分析土樣分裝入10cm×10

20、cm鋁盒（使用前烘干）；微生物培養(yǎng)分析土樣分裝入5cm×5cm鋁盒（使用前滅菌）。各樣地隨機(jī)選取2個(gè)采樣點(diǎn)（考慮邊緣效應(yīng)），分別在表層（0-10cm深度）和亞表層（10-20cm深度）取土。同種施氮方式組（包括氮量與施氮方法）的三個(gè)重復(fù)樣地各取兩點(diǎn)，混合均勻后裝入同一鋁盒。兩實(shí)驗(yàn)地每月取土共40份：20份用于理化性質(zhì)測(cè)定土樣，20份用于微生物培養(yǎng)。四月份施氮前進(jìn)行土壤的本底值取樣，之后每月初進(jìn)行施氮前統(tǒng)一先進(jìn)行土壤樣品采集，九月份初進(jìn)行最后一次土樣采集。每月采集土樣40份，實(shí)驗(yàn)從4月至9月共采集土樣6次，共采集土樣240份。3、 樣品處理與保存（1）測(cè)定理化性質(zhì)所用土樣所取土樣立即帶

21、回實(shí)驗(yàn)室，用四分法取出適量土壤，立即測(cè)定土壤水分。剩余部分風(fēng)干處理，過(guò)0.5mm土壤篩后，用聚乙烯塑料袋收集保存，待實(shí)驗(yàn)分析。（2）培養(yǎng)微生物所用土樣立即帶回實(shí)驗(yàn)室，放入4的培養(yǎng)箱中保存，抑制微生物活性，待測(cè)。4、 各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定方法（1） 理化性質(zhì)分析土壤溫度：分為地表、0-10cm、10-20cm三層，采用溫度計(jì)常規(guī)測(cè)定土壤含水量：土樣于105±2，2h烘至恒重測(cè)定。土壤的全氮量采用半微量凱氏定氮法進(jìn)行測(cè)定，每份土樣進(jìn)行三次平行測(cè)定。土壤有機(jī)碳：馬弗爐燒失法測(cè)定有機(jī)質(zhì)，用換算系數(shù)0.574獲得有機(jī)碳含量。每份土樣進(jìn)行三次平行測(cè)定。土壤ph值：采用水浸提法進(jìn)行測(cè)定（水土比10:1），

22、用phs-2f型ph計(jì)測(cè)定，并采用20minco2平衡法，每份土樣進(jìn)行三次平行測(cè)定。（2） 微生物培養(yǎng)采用平板菌落計(jì)數(shù)法，每份土樣對(duì)細(xì)菌、霉菌和放線菌三類(lèi)菌進(jìn)行選擇培養(yǎng)。細(xì)菌用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，放線菌用高氏i號(hào)培養(yǎng)基，霉菌培用高鹽查氏培養(yǎng)基。前期細(xì)菌、霉菌、放線菌培養(yǎng)稀釋至10-3、10-4、10-5梯度接種，7月份后培養(yǎng)按10-4、10-5、10-6梯度進(jìn)行接種。實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備微生物的活化土樣恒溫培養(yǎng)箱28、30min部分儀器及接種環(huán)境的滅菌培養(yǎng)皿干燥箱165、2h培養(yǎng)基的配制與滅菌試管、無(wú)菌水、錐形瓶等高壓蒸汽滅菌121、30min微生物培養(yǎng)菌懸液的配制0.5g土樣溶于49.5ml無(wú)菌水振蕩

23、5min梯度稀釋10倍梯度稀釋10-3、10-4、10-5或10-4、10-5、10-6梯度接種培養(yǎng)1ml稀釋液平板傾注細(xì)菌37、24h放線菌、霉菌28、72h計(jì)數(shù)cfu計(jì)數(shù)法圖-1 微生物培養(yǎng)流程圖5、 統(tǒng)計(jì)分析用spss17. 0 軟件，首先進(jìn)行anova 分析，后用duncan多重檢驗(yàn)法檢驗(yàn)土壤微生物數(shù)量變化在各處理間的差異顯著性，microsoft excel2003作圖。三、 結(jié)果分析（一） 土壤基本性質(zhì)1、 土壤溫度圖-2 城市和香山的土壤溫度如圖-2，從4月到9月，兩塊樣地土壤溫度變化趨勢(shì)符合一般規(guī)律，土壤溫度隨季節(jié)變化趨勢(shì)一致，深層土壤溫度低于表層土壤，且波動(dòng)程度低于表層土壤。

24、樣地土壤溫度均在7月份達(dá)到峰值，8、9月份降水量豐富，植被生長(zhǎng)旺盛，土壤裸露面積減少，直接吸收的輻射減少，因此土壤溫度略有下降。兩塊樣地相比，城市土壤溫度略高于香山，該現(xiàn)象可能由城市熱島效應(yīng)引起。2、 土壤含水量圖-3 城市和香山的土壤含水量如圖-3，從4月到9月，兩塊樣地土壤含水量均出現(xiàn)隨季節(jié)變化而波動(dòng)的趨勢(shì)，并都存在雨季土壤含水量下降的反?，F(xiàn)象。城市樣地土壤含水量在8月份最低，香山樣地土壤含水量在7月份達(dá)到最低，均為10%左右，兩地其余月份土壤含水量均15%。實(shí)驗(yàn)后期，土壤含水量并非由降水這一單一因素決定。北京夏季高溫干燥，土地蒸騰作用劇烈；而植被豐富程度欠缺，地表徑流未經(jīng)植被截流直接入河

25、，或在流經(jīng)地表過(guò)程中蒸發(fā)。以上兩因素綜合作用，使土壤通過(guò)蒸騰作用失去的水分大于降水的水分補(bǔ)償，因而出現(xiàn)雨季土壤含水量反而降低的現(xiàn)象。對(duì)比后三個(gè)月份的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)城市土壤含水量略高于香山，雖然香山植被更利于降水的截流，但城市樣地作為人工綠化帶有定期的灌溉水補(bǔ)給，因此城市樣地取土測(cè)得的含水量反而高于香山。（二） 土壤理化性質(zhì)1、 土壤ph圖-4 城市（上）和香山（下）的土壤ph如圖-4，城市的土壤ph均高于8，顯示該地區(qū)土壤呈堿性；香山樣地的土壤ph約為6，顯示該地區(qū)土壤呈酸性。造成兩地土壤酸堿性差異的主要因素來(lái)自以下五個(gè)方面：（1） 城市綠化帶與香山林區(qū)樣地本身土質(zhì)不同，營(yíng)養(yǎng)狀況也不同，香山土壤偏

26、壤質(zhì)，有機(jī)質(zhì)積累較多，城市土壤偏礫質(zhì)，較為貧瘠；（2） 城市與香山有著不同的局部氣候條件，香山地區(qū)處于暖溫帶半濕潤(rùn)地區(qū), 7、8月間土體內(nèi)部是高溫、高濕相結(jié)合,非常有利于土內(nèi)風(fēng)化過(guò)程的進(jìn)行，而較強(qiáng)的淋溶和風(fēng)化會(huì)使土壤ph降低；北京城區(qū)內(nèi)7、8月間土壤溫度同樣較高，但由于懸濁島效應(yīng)和人工淡水灌溉，土壤本身酸性和酸性降雨均被稀釋?zhuān)由掀浔旧沓煞值牟町?，使該地區(qū)土壤呈堿性；（3） 生物因素，兩地中活躍的土壤動(dòng)物和樣地上植被種類(lèi)不同，土壤動(dòng)物的硝化反硝化平衡存在差異，樣地中植物對(duì)硝態(tài)氮和銨態(tài)氮利用率也有所差異（一般情況下植物對(duì)硝態(tài)氮吸收量高）；（4） 地形因素，兩地海拔不同，地形結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，這些因素

27、因影響到降水的截流等，最終對(duì)土壤酸堿性產(chǎn)生影響；（5） 時(shí)間，兩地成土?xí)r間和土壤發(fā)育時(shí)間不同，香山因受認(rèn)為干擾少而成土長(zhǎng)久、成分穩(wěn)定，但城市綠化帶土壤原深度結(jié)構(gòu)往往按種植、移栽需要被破壞，是人工干擾的，其成土?xí)r間、土壤發(fā)育時(shí)間都更為復(fù)雜，其ph不可按自然條件下的經(jīng)驗(yàn)判定。2、 土壤總氮和土壤有機(jī)質(zhì)的含量表-2 對(duì)照組的土壤總氮和有機(jī)碳含量總氮/g·kg-1有機(jī)碳/g·kg-1城市香山城市香山0-10cm10-20cm0-10cm10-20cm0-10cm10-20cm0-10cm10-20cm4月0.91±0.030.76±0.032.50±0

28、.051.26±0.0335.375±0.40836.418±0.27960.702±0.56851.425±0.4845月0.95±0.010.79±0.002.15±0.011.16±0.0428.311±0.53928.864±0.21650.758±0.02437.422±0.9716月0.74±0.020.70±0.013.56±0.021.14±0.0423.804±0.47427.336±0.

29、52671.152±0.01938.454±1.4067月1.16±0.010.68±0.022.91±0.071.34±0.0232.815±0.64428.534±0.03060.677±0.93645.162±1.3798月1.08±0.050.76±0.002.86±0.071.53±0.0729.436±0.45528.883±0.53545.650±0.45937.161±0.0229月0.88±

30、;0.000.76±0.051.81±0.021.16±0.0531.926±0.33929.739±0.69561.040±0.50845.141±1.0774月至9月期間，城市和香山樣地土壤有機(jī)碳含量均呈現(xiàn)先降后升的波動(dòng)變化趨勢(shì)，城市樣地土壤有機(jī)碳最低值出現(xiàn)在五月，香山樣地土壤有機(jī)碳含量在八月最低。實(shí)驗(yàn)期間，城市和香山樣地土壤全氮含量有不同程度的波動(dòng)變化，其變化本身無(wú)明顯規(guī)律，但以城市土壤全氮含量和有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)為例，可見(jiàn)土壤全氮含量總體變化趨勢(shì)與土壤有機(jī)碳含量的變化趨勢(shì)基本耦合。土壤碳循環(huán)是土壤氮循環(huán)的驅(qū)動(dòng)因子，只有在

31、適于土壤有機(jī)碳積累的條件下，才會(huì)有有機(jī)氮含量的增加；此外，土壤中的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮主要來(lái)源于土壤有機(jī)質(zhì)的好氣分解或施入土壤的各種化學(xué)肥料。22因此土壤全氮含量的變化規(guī)律很大程度上取決于土壤有機(jī)碳的變化規(guī)律，這也解釋了城市樣地土壤全氮含量總體變化趨勢(shì)與土壤有機(jī)碳含量的變化趨勢(shì)的耦合現(xiàn)象。（三） 土壤微生物對(duì)氮沉降的響應(yīng)1、 對(duì)氮沉降的響應(yīng)圖-5 城市（左）和香山（右）的微生物數(shù)量（從上至下：細(xì)菌、放線菌、霉菌）從圖-5可看出，城市的微生物在施氮處理下整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)；香山的微生物數(shù)量隨施氮量的增加表現(xiàn)出明顯的抑制。其中，城市樣地的低氮處理組霉菌數(shù)增長(zhǎng)明顯；中氮和高氮處理組霉菌生長(zhǎng)狀況則無(wú)明顯變化

32、規(guī)律。計(jì)算相關(guān)性可知，城市低氮處理下的土壤霉菌數(shù)與總氮含量隨時(shí)間的變化顯著相關(guān)（p0.01，相關(guān)系數(shù)為0.975）。該現(xiàn)象的出現(xiàn)是因?yàn)轭~外的施氮為霉菌提供了代謝和繁殖必須的氮素，而在一定范圍內(nèi)，氮素的增加會(huì)促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng)。香山樣地的三種施氮處理組中，多數(shù)月份的微生物數(shù)量低于對(duì)照組，呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。且各組別高氮處理下的三種微生物數(shù)量大體上少于低中氮處理組?？赡茉蚴沁^(guò)高濃度的氮對(duì)土壤微生物產(chǎn)生了毒害甚至改變了土壤理化性質(zhì)，使微生物活動(dòng)受到影響，并使土壤不適于微生物生存。圖-6 城市霉菌數(shù)量和總氮含量圖-7 香山霉菌和ph如圖-6，城市樣地中霉菌數(shù)與樣地土壤總氮含量變化趨勢(shì)基本一致，即二者

33、具有一定的正相關(guān)關(guān)系。結(jié)合表-2中對(duì)照組土壤全氮和有機(jī)碳含量可知，城市土壤全氮和有機(jī)碳含量明顯低于香山樣地。有機(jī)碳和氮含量是衡量土壤營(yíng)養(yǎng)狀況的重要標(biāo)準(zhǔn)，城市土壤的這兩項(xiàng)指標(biāo)較低說(shuō)明其營(yíng)養(yǎng)狀況劣于自然環(huán)境的下的土壤。模擬施氮為城市土壤補(bǔ)給了氮素，有助于均衡土壤營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，從而有助于霉菌生長(zhǎng)，使城市樣地中霉菌數(shù)與土壤總氮含量呈現(xiàn)出正向關(guān)系。如圖-7，香山樣地低氮處理下的土壤ph和霉菌數(shù)量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系（p0.05，相關(guān)系數(shù)為0.829）。結(jié)合表-2可知，香山土壤本底的總氮含量高于城市，出現(xiàn)響應(yīng)時(shí)的氮含量也高于城市?；瘜W(xué)態(tài)氮的施加會(huì)影響土壤的ph，尤其是硝態(tài)氮會(huì)增加土壤的酸度。而霉菌對(duì)酸性環(huán)境更為適應(yīng)

34、，所以隨著土壤ph下降，霉菌的數(shù)量增加。從圖-7可看出隨著氮的施加，香山土壤ph出現(xiàn)較大的月際波動(dòng)，而霉菌數(shù)的月際變化與之呈現(xiàn)一定的拮抗關(guān)系。2、 對(duì)不同氮濃度的響應(yīng)圖-8 香山0-10cm土壤中的細(xì)菌、放線菌、霉菌數(shù)量如圖-8，以8月，香山0-10cm土壤層為例，氮沉降的增加對(duì)細(xì)菌、放線菌、霉菌的生長(zhǎng)均呈現(xiàn)抑制作用，高氮處理對(duì)三種微生物的生長(zhǎng)抑制尤為明顯。而施氮對(duì)不同微生物抑制的程度有所差異：細(xì)菌和放線菌數(shù)隨施氮增加逐漸減少，具體為ckn1n2n3；霉菌數(shù)則隨施氮量增加呈現(xiàn)先增后減的變化過(guò)程。計(jì)算相關(guān)性系數(shù)可知氮沉降的增加對(duì)三類(lèi)菌的影響程度不同，按照影響程度由大到小依次為：放線菌霉菌細(xì)菌。3

35、、 不同深度土壤微生物的響應(yīng)（a）0-10cm（b）10-20cm圖-9 香山0-10cm和10-20cm的放線菌如圖-9（a），對(duì)比香山不同深度土壤中放線菌對(duì)高氮處理的響應(yīng)情況可知，0-10cm深度土壤中的放線菌受到高氮施加的抑制，第一個(gè)月中ck<n3，而后三個(gè)月中ck>n3。且在6月與8月，高氮處理給樣地土壤微生物造成的影響極顯著，（6月，兩種處理的顯著性差異為0.006；8月為0.005）。如圖-9（b），高氮處理對(duì)10-20cm層土壤微生物起到抑制作用。前兩個(gè)月中，ck<n3（顯著性差異值依次為0.034，0.008，0.024），后三個(gè)月則為ck>n3（7月、

36、8月的顯著性差異分別為0.043，0.009）。香山不同深度土壤微生物均在8月對(duì)氮增加表現(xiàn)出較強(qiáng)響應(yīng)，但是0-10cm層中體現(xiàn)較10-20cm層明顯。對(duì)比（a）（b）兩圖還可發(fā)現(xiàn)，不同深度土壤中，放線菌數(shù)量關(guān)系的拐點(diǎn)不同，10-20cm層土壤微生物對(duì)施氮的響應(yīng)比0-10cm層有一個(gè)月的遲滯。在對(duì)n3組樣地進(jìn)行處理時(shí)，是將霧化的溶液在樣地上方約80cm高度處噴灑，該施氮方式受樣地植被影響較大，葉面截留的部分溶液直接蒸發(fā)、或需更長(zhǎng)時(shí)間下滲入土壤。因此一方面進(jìn)入土壤的氮較之施加量有損失，另一方面溶液進(jìn)入土壤的速度減緩，土壤對(duì)施氮的響應(yīng)有所延遲。所以高氮處理對(duì)放線菌造成的抑制作用在0-10cm層首先體

37、現(xiàn)。此外，0-10cm土壤也可能因直接接受一定量的光照而致放線菌活動(dòng)受到影響。4、 中氮與中氮特殊處理如圖-10，5月至9月實(shí)驗(yàn)期間，兩地的放線菌數(shù)量在中氮與中氮對(duì)照兩種不同處理方式下呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)。前期（春季）n2<sn，該階段樣地植被不繁茂，裸露土壤較多，植物對(duì)氮沉降的截留不明顯。后期（夏季）n2>sn，該階段樣地植被生長(zhǎng)旺盛，城市樣地中表土的植被覆蓋率較高，因此植物葉面截留造成的影響顯著。對(duì)比兩種不同施氮方式下的放線菌數(shù)量變化可知，土壤中可利用的氮素減少，放線菌的數(shù)量也會(huì)隨之減少。（a）城市（b）香山圖-10 城市和香山的放線菌結(jié)合圖-5可知，中氮及以上施氮處理均會(huì)對(duì)土壤

38、放線菌生長(zhǎng)產(chǎn)生一定抑制作用。因此植物生長(zhǎng)旺盛的夏季（7至9月），在排除植物截留因素的中氮對(duì)照組，進(jìn)入土壤的氮量約等于對(duì)樣地施加的氮量，土壤中放線菌生長(zhǎng)受到額外氮素的抑制更為強(qiáng)烈，因此其數(shù)量比常規(guī)中氮處理組低。細(xì)菌比例放線菌比例圖-11 城市細(xì)菌和放線菌比例關(guān)系（四） 放線菌與細(xì)菌的拮抗關(guān)系如圖-11，城市樣地內(nèi)細(xì)菌和放線菌占三類(lèi)菌總數(shù)的比例呈現(xiàn)出負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.776。放線菌本身耐干熱條件，對(duì)營(yíng)養(yǎng)要求不甚嚴(yán)格，最適ph范圍較廣（6.0-7.5），并能在堿性條件下活動(dòng)。23城市各樣地ph均高于8，呈堿性，在堿性條件下細(xì)菌活動(dòng)會(huì)受到較強(qiáng)抑制，而放線菌受到影響不大，因此放線菌代謝較細(xì)

39、菌旺盛。這樣，放線菌一方面與細(xì)菌爭(zhēng)奪碳源、氮源和能量，另一方面釋放出代謝產(chǎn)物抑制了細(xì)菌的生長(zhǎng)。二者便呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)（或拮抗）關(guān)系。四、 結(jié)論與建議（一） 實(shí)驗(yàn)結(jié)論1、 人工模擬氮沉降對(duì)樣地土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生了一定影響。具體表現(xiàn)為施氮使香山樣地土壤ph下降。香山樣地土壤在自然條件下既呈酸性，而氮素的增加使其ph進(jìn)一步下降。植物根系在吸收nh4+，為了維持根際環(huán)境的電荷平衡，會(huì)釋放出一定量的h+和al3+，而這兩種離子會(huì)降低土壤溶液的ph，使土壤酸化。以上現(xiàn)象與smolaner等(1994)在挪威云杉林的研究一致。根據(jù)模擬得出的結(jié)果，可推斷現(xiàn)實(shí)的自然環(huán)境中，氮沉降的增加可能會(huì)引起土壤酸化。2、 微生物

40、對(duì)模擬氮沉降有一定的響應(yīng)。首先，高濃度氮處理（本實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)在>100 kghm- 2a- 1）對(duì)不同菌類(lèi)均有抑制增長(zhǎng)的作用，這與賈淑霞等（2009）在落葉松和水曲柳人工林的研究結(jié)論一致。其次，施氮對(duì)土壤微生物的影響因微生物種類(lèi)差異和土壤環(huán)境差異而不同。本實(shí)驗(yàn)中，城市樣地土壤（ph約為8.3）中的霉菌數(shù)量在低氮處理（50 kghm- 2a- 1）下，呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。3、 不同種類(lèi)的土壤中，微生物對(duì)施氮的響應(yīng)不同；同種土壤的不同深度（0-10cm、10-20cm）中，微生物對(duì)施氮的響應(yīng)也不同。在香山高氮處理（150 kghm- 2a- 1）組，0-10cm層放線菌先于10-20cm層受抑，表明施

41、加的氮溶液存在下滲的時(shí)間，表層的微生物可能受施氮影響較重。4、 氮沉降能直接（影響微生物的營(yíng)養(yǎng)狀況）或間接影響（影響土壤的理化性質(zhì)）土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖及活動(dòng)能力。除營(yíng)養(yǎng)狀況外，土壤理化性質(zhì)與微生物的代謝活動(dòng)也存在一定關(guān)性。本實(shí)驗(yàn)設(shè)在城市的低氮處理樣地中，全氮量與霉菌數(shù)的相關(guān)性顯著（p<0.01，相關(guān)系數(shù)為0.975）。莫江明等人（2007）在南亞熱帶森林發(fā)現(xiàn)細(xì)菌與有效氮有極顯著的正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.715）。5、 模擬不同路經(jīng)的氮沉降時(shí)，同濃度的氮（100 kghm- 2a- 1）采用不同方式施加會(huì)引起不同效應(yīng)。排除植物截留因素的近地施氮比模擬自然濕沉降的直接噴灑更為有效，該處理組中

42、微生物數(shù)量的降低趨勢(shì)更趨近于高氮處理。反映在自然條件下即植被截留作用會(huì)影響大氣中氮的干濕沉降，使進(jìn)入土壤的氮素少于大氣中以各種方式沉降的氮素。（二） 建議從現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得出，施氮會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)造成影響。土壤ph方面，模擬氮沉降使酸性的香山土壤ph降低，反映在現(xiàn)實(shí)中即氮沉降可能進(jìn)一步導(dǎo)致自然環(huán)境下的土壤酸化。對(duì)于以北京市為代表的諸多城市圈而言而言，氮沉降導(dǎo)致的土壤酸化可能對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響，過(guò)酸化不利于土壤生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)和土壤生物的營(yíng)養(yǎng)。因此，政府應(yīng)嚴(yán)格控制工廠交通等氮排放源的排放量。土壤微生物對(duì)模擬氮沉降存在一定響應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)表明，過(guò)量的氮（>100 kghm- 2a- 1）使

43、土壤中微生物數(shù)量下降。在現(xiàn)實(shí)條件下，氮沉降可能會(huì)使陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤富集氮素，從而影響土壤微生物的活動(dòng)。而微生物活動(dòng)是土壤系統(tǒng)循環(huán)的重要組成部分，過(guò)量的氮可能使得微生物活性降低，從而減少土壤中生物多樣性、減緩?fù)寥来x速率，并降低生態(tài)系統(tǒng)的凈初級(jí)生產(chǎn)力（npp）。建議對(duì)土壤的理化性質(zhì)與微生物活動(dòng)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并結(jié)合大氣降水中氮素的含量進(jìn)行分析，為全球性的氮沉降應(yīng)對(duì)提供資料。火電行業(yè)與交通行業(yè)占全球氮沉降主要來(lái)源的70%21，使得氮沉降在主要城市的程度大于其他地區(qū)。在嚴(yán)格控制氮排放的同時(shí)，城市綠化應(yīng)考慮土壤酸堿性的本底與變化，針對(duì)不同ph的土壤，種植相應(yīng)的地表植被。所栽種植物應(yīng)選擇善于富集氮，并對(duì)氮

44、素需求量大的品種。五、 實(shí)踐創(chuàng)新（一） 目前國(guó)內(nèi)氮沉降對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的研究集中在華南地區(qū)，本實(shí)驗(yàn)地選在北方，以北京市土壤為研究目標(biāo)。不僅彌補(bǔ)了北方地區(qū)研究的空白，同時(shí)也對(duì)北京市的綠化建設(shè)與環(huán)境保護(hù)具有重要的參考價(jià)值。（二） 本次實(shí)驗(yàn)選地共兩處，分別為北京市中心（中央民族大學(xué)）和北京市周邊（香山），能較好反應(yīng)出人為干擾下和自然條件下土壤微生物對(duì)氮沉降的響應(yīng)差異，具有對(duì)比意義。（三） 土壤具有空間異質(zhì)性，其理化性質(zhì)和內(nèi)部生物活動(dòng)存在水平分異和垂直分異現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)在施氮處理前，對(duì)所有樣地進(jìn)行了原土壤基本性質(zhì)測(cè)定，具體包括土壤ph、有機(jī)碳含量、全氮含量與微生物（細(xì)菌、霉菌、放線菌）數(shù)量。以上數(shù)據(jù)為分析

45、施氮處理后的土壤性質(zhì)變化提供了參考依據(jù)。目前已進(jìn)行的相關(guān)研究設(shè)計(jì)中，土壤本底性質(zhì)均被默認(rèn)為全部一致，在該前提下得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論在細(xì)節(jié)上可能存在一定偏差。本實(shí)驗(yàn)考慮了樣地本身的異質(zhì)性，在對(duì)模擬氮沉降帶來(lái)的影響進(jìn)行分析時(shí)更為嚴(yán)謹(jǐn)。（四） 目前國(guó)內(nèi)氮沉降研究，大部分采用連續(xù)施氮一次取樣的處理方法，這樣不能及時(shí)反映土壤環(huán)境在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的細(xì)微變化。若取樣前突遇極端天氣變化，可能對(duì)所得數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大影響而使實(shí)驗(yàn)結(jié)果不具一般性和代表性。本次實(shí)驗(yàn)期從4月到9月，采取每月施氮取樣的處理方法，該方法所得數(shù)據(jù)不僅可以反映土壤環(huán)境和微生物生長(zhǎng)的月際變化，也降低了極端反常天氣對(duì)實(shí)驗(yàn)影響的比重。（五） 在對(duì)前人研究方法部

46、分繼承的基礎(chǔ)上，本實(shí)驗(yàn)還設(shè)立了不同施氮方式對(duì)比組，考慮了植被截留作用對(duì)結(jié)果的影響，為氮沉降研究提供了新的角度。六、 經(jīng)費(fèi)使用情況表3 經(jīng)費(fèi)使用編號(hào)項(xiàng)目數(shù)量金額/元經(jīng)手人1試劑2批1540楊揚(yáng)2鋁盒150個(gè)140傅強(qiáng)3培養(yǎng)皿80套400楊揚(yáng)4移液槍、槍頭1套260楊揚(yáng)5資料復(fù)印200頁(yè)100張悅清6耗材4批156夏凡7廢液處理4桶400傅強(qiáng)截至實(shí)驗(yàn)完成，共花費(fèi)2996元。本次試驗(yàn)使用的試劑種類(lèi)繁多，已使用30余種化學(xué)試劑、生物試劑，其中包括大量硫酸、氫氧化鈉，初步計(jì)劃時(shí)預(yù)算成本較高，所以在實(shí)驗(yàn)中緊緊把握成本控制，量入為出，減少浪費(fèi)。同時(shí)在經(jīng)費(fèi)使用過(guò)程中詳細(xì)記錄，專(zhuān)款專(zhuān)用。在多位老師的幫助下，我們

47、向?qū)W院借用了很多器具，節(jié)約大量經(jīng)濟(jì)成本，使得實(shí)驗(yàn)在有限的經(jīng)費(fèi)下完成。參考文獻(xiàn)1 galloway j n, dentener f j, capone d g, et al. nitrogen cycles: past, present, and future. biogeochemistry, 2004, 70:153-226.2 zheng x, fu c, xu x, et al. the asian nitrogen cycle case study. ambio, 2002, 31: 79-87.3 ma x h. effects of rainfall on the nutrient

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