全 文 ：内蒙古典型草原马粪分解过程中氮素组分的变化*
陈海燕1 摇 阿仁高娃2 摇 刘新民2**
( 1内蒙古师范大学化学与环境科学学院, 呼和浩特 010022; 2内蒙古师范大学生命科学与技术学院, 呼和浩特 010022)
摘摇 要摇 2008 年 6 月至 2009 年 9 月,在野外条件下,采用堆置于地表和埋入地下 2 种处理方
式,研究了内蒙古典型草原马粪分解过程中氮素组分的变化特征.结果表明: 2 种处理残留马
粪中,氨态氮、氨基酸态氮和氨基糖态氮在分解前期(0 ~ 90 d)维持较高浓度,后期(330 ~ 450
d)浓度显著降低;酸解未知氮和非酸解未知氮浓度随分解呈升高趋势,分解后期升高幅度更
为明显.鲜马粪中,铵态氮是无机氮的主要存在形态,随分解呈逐渐降低趋势;鲜马粪中的硝
态氮浓度较低,其在残留马粪中的淋溶损失较低,随分解逐渐累积.马粪埋入地下,对铵态氮
以气态氨的挥发过程有显著影响,对其他氮素组分的影响不明显.马粪分解前期,氮素矿化的
主要有机氮源为氨态氮、氨基酸态氮和氨基糖态氮,后期主要为酸解未知氮和非酸解未知氮.
铵态氮的生物有效性主要体现在马粪分解前期,硝态氮则体现在分解后期.
关键词摇 马粪分解摇 草地生态系统摇 氮素组分摇 微生物生物量氮摇 矿化作用
文章编号摇 1001-9332(2013)01-0097-08摇 中图分类号摇 S812. 2摇 文献标识码摇 A
Changes of nitrogen fractions in horse dung during its decomposition on the typical steppe of
Inner Mongolia, North China. CHEN Hai鄄yan1, Arengaowa2, LIU Xin鄄min2 ( 1College of Chem鄄
istry and Environmental Science, Inner Mongolia Normal University, Huhhot 010022, China;
2College of Life Science and Technology, Inner Mongolia Normal University, Huhhot 010022, Chi鄄
na) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(1): 97-104.
Abstract: From June 2008 to September 2009, a field experiment was conducted to study the
change characteristics of the nitrogen fractions in horse dung during its decomposition on the typical
steppe of Inner Mongolia. Two treatments were installed, i. e. , deposited the horse dung on the
ground and buried the horse dung in soil. In the two treatments, the concentrations of ammonia ni鄄
trogen (NH3 鄄N), amino acid nitrogen (AAN), and aminosugar nitrogen (ASN) in residual horse
dung were maintained at a higher level in the earlier period of horse dung decomposition (0-90 d),
but declined obviously in the later period (330-450 d). The concentrations of acid鄄hydrolysable
unknown nitrogen (AHUN) and non鄄acid鄄hydrolysable unknown nitrogen (UUN) presented an in鄄
creasing trend with the decomposition of horse dung, and increased to a higher level in the later pe鄄
riod. In fresh horse dung, NH4 + 鄄N was the main fraction of inorganic nitrogen, and its concentra鄄
tion in residual horse dung decreased with the decomposition of horse dung. The concentration of
NO3 - 鄄N in fresh horse dung was lower, its leaching loss from the residual horse dung was weak,
and it was accumulated in the residual horse dung with the decomposition of horse dung. The horse
dung buried in soil had significant effects on the gaseous ammonia volatilization of NH4 + 鄄N, but mi鄄
nor effects on the other nitrogen fractions. The main nitrogen sources of nitrogen mineralization in
the earlier period of horse dung decomposition were NH3 鄄N, AAN and ASN, and those in the later
period were AHUN and UUN. The bio鄄availability of NH4 + 鄄N was mainly revealed in the earlier pe鄄
riod of horse dung decomposition, while that of NO3 - 鄄N was in the later period.
Key words: horse dung decomposition; grassland ecosystem; nitrogen fraction; microbial biomass
nitrogen; mineralization.
*国家自然科学基金项目(40761016)和内蒙古自然科学基金项目(2010MS0519)资助.
**通讯作者. E鄄mail: liuxm6596671@ 163. com
2012鄄07鄄17 收稿,2012鄄10鄄22 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 1 月摇 第 24 卷摇 第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2013,24(1): 97-104
摇 摇 放牧牲畜粪是草地生态系统氮素循环的主要储
存库,通过土壤鄄植物鄄动物系统对草地土壤氮养分
施加显著影响,牲畜粪中氮素在储量和分解过程中
的形态变化,对草地生态系统的氮素循环和营养有
效性有重要作用[1-3] . 牲畜粪中 90%以上的氮素为
有机形态[4],只有在土壤动物和微生物的作用下转
化为无机氮,才能被植物吸收利用[5-6] .牲畜粪中氮
的矿化受粪便类型、土壤动物、土壤微生物、土壤湿
度和土壤温度等因素的影响[7] . 由于含有高比例的
木质素[8],牲畜粪氮矿化的速率较慢,矿化过程持
续时间较长[9-10],因此,常堆积于局部区域形成较大
的氮储存库,导致草地生态系统氮素循环失衡,并限
制了草地植被的氮素利用[11-12] .
在内蒙古地区,马是草地生态系统的主要放牧
牲畜,马粪中有较高的氮素浓度,由于干旱和年均温
较低等特殊气候条件,其分解较为缓慢,在排除粪甲
虫和风蚀等因素的影响下,马粪可以在草地中至少
堆积 2 个生长季[12-13] .研究残留马粪中不同氮素组
分随分解时间的变化及其与微生物和环境因素的关
系,对于了解马粪排泄对草地生态系统氮循环的影
响有重大意义.为此,本文通过野外试验,研究了马
粪分解过程中氮素组分、微生物生物量氮的变化特
征及其相互关系,为了解马粪排泄对草地生态系统
氮循环的影响提供理论依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究区位于内蒙古自治区锡林郭勒盟中部
(43毅26忆—44毅 08忆 N, 116毅 04忆—117毅 05忆 E ),海拔
1000 ~ 1500 m,地势从东南向西北逐渐降低.地貌类
型多样化,有丘陵、塔拉、风成沙地、熔岩台地和河谷
低地等.气候属大陆性半干旱中温带气候,年均温
-1郾 1 ~ 0郾 2 益,7 月平均温度 18郾 5 益,无霜期 90 ~
110 d,年降雨量 280 ~ 345 mm,多集中在 6—8 月.
植被类型为以大针茅(Stipa grandis)和羊草(Leymus
chinensis)为建群种的典型草原群落,其他优势植物
有冰草(Agropyron cristatum)、糙隐子草(Cleistogenes
squarrosa)和葱类(Allium spp郾 )等.地带性土壤以暗
栗钙土和典型栗钙土为主.
野外试验于 2008 年 6 月至 2009 年 9 月在内蒙
古锡林郭勒盟白音锡勒牧场一放牧马的草场内进
行,草场面积 47 hm2,草场未设围栏,西界为锡林浩
特至克什克腾旗省道,北、东和南与其他牧户草场
(放牧草原黄牛或绵羊)相邻,均设有围栏. 试验草
场内自由放牧 100 匹纯血马,无棚圈,饮水点设于草
场东侧的牧户居住点附近.
1郾 2摇 试验设计
2008 年 6 月 30 日,在草场内收集排出时间<24
h的鲜马粪,以 500 g为 1 个样品.试验设 2 个处理:
1)堆置于地表(deposited on the ground,DOG):将马
粪直接堆置于地表,为排除风蚀的影响,以 30 目尼
龙网片覆盖样品;2)埋入地下( buried in the soil,
BIS):将样品装入 30 目尼龙网袋后埋入地下 10 cm
处.每处理设 100 个样品. 于样品设置后第 0、30、
60、90、330、360、390、420 和 450 天采集残留样品,
去除受到牲畜践踏和其他原因损坏的样品,每处理
每次采集 5 个重复,9 次共采集 85 个.
2009 年 5—9 月每月月底,采集草场中无粪块
覆盖处 0 ~ 5 和 5 ~ 10 cm土层土壤,每次 5 个重复.
1郾 3摇 测定项目与方法
取重复样品混合后,采用氯仿熏蒸鄄K2 SO4提取
法[14]测定微生物生物量氮.
将剩余样品去除植物枯死体、草根和石块等杂
质后,自然风干,称干质量后粉碎,过 60 目筛. 取研
细的风干样品(土样 5郾 00 g,粪样 2郾 00 g)于 150 mL
平底烧瓶中,加 2 滴正辛醇和 20 mL 6 mol·L-1盐酸
溶液,摇匀,将烧瓶置于电热包上,连接 Liebig 氏冷
却器,加热,回流水解 12 h.水解混合物用 3 号沙芯
漏斗过滤,收集滤液并用蒸馏水洗涤残余物多次,至
滤液体积达 50 mL.加入氢氧化钠溶液,中和滤液至
pH (6郾 5依0郾 1).将中和过的水解液移入 100 mL 容
量瓶中,用少量蒸馏水洗涤电极和烧杯,定容,混匀.
同法制作水解空白液. 以 Bremner 法测定水解液中
水解性全氮、氨态氮、氨基酸态氮和氨基糖态氮浓
度[15-16];非酸解未知氮和酸解未知氮浓度以差减法
求得.参照鲁如坤[16]的方法测定铵态氮浓度,采用
双波长分光光度法[17]测定硝态氮浓度,以两者之和
表示有效氮浓度.
1郾 4摇 数据处理
残留粪样中氮的净硝化速率(RNNR)、净氨化速
率(RNAR)和净矿化速率(RNMR)计算式[18]:
RNNR =(C忆-C忆m) / ( t-t0)
RNAR =(C-Cm) / ( t-t0)
RNMR =(C义-C义m) / ( t-t0)
式中:C、C忆和 C义分别为铵态氮、硝态氮和有效氮(铵
态氮和硝态氮浓度之和)浓度(g·kg-1);m 为前次
采样的测定值;t-t0为 2 次采样的间隔时间(d).
采用 Excel 2003 和 SPSS 11郾 5 软件进行数据统
89 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
计分析和作图,采用单因素方差分析(one鄄way ANO鄄
VA)和Duncan法进行差异显著性检验(琢=0郾 05).图
表中数据为平均值依标准差.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 土壤和残留马粪中微生物生物量氮的变化
由图 1 可以看出,0 ~ 5 和 5 ~ 10 cm 土层土壤
微生物生物量氮含量的季节变化较大,分别为
0郾 002 ~ 0郾 105 和 0郾 003 ~ 0郾 120 mg·g-1,其中,夏季
(2008 年 7 月)最高,秋季(2008 年 9 月)最低.夏季
5 ~10 cm 土层土壤微生物生物量氮含量高于 0 ~5
cm土层,而其他采样时间 2 个土层土壤微生物生物
量氮含量基本无差异.
2008 年 6 月 30 日鲜马粪中微生物生物量氮含
量为 32郾 46 mg·g-1,分解 30 d 后显著降低.在马粪
分解过程中,堆置于地表和埋入地下的残留马粪微
生物生物量氮含量的季节变化不同,堆置于地表的
残留马粪微生物生物量氮含量在夏季(2008 年 7
月)最高,秋季明显降低;2008 年 7、8 月埋入地下的
残留马粪微生物生物量氮含量明显高于 9 月. 2008
年 7 和 9 月,堆置于地表的残留马粪微生物生物量
氮含量高于埋入地下的残留马粪,而 8 月正相反.
2郾 2摇 土壤氮素组分的变化
研究区土壤各有机氮组分的季节变化不同,土
壤表层(0 ~ 5 cm)各有机氮组分浓度基本高于深层
土壤(5 ~ 10 cm),2 个土层各有机氮组分的波动趋
势基本一致(表 1).其中,氨态氮浓度的季节波动范
围为 0郾 42 ~ 1郾 01 g·kg-1(0 ~ 5 cm)和 0郾 27 ~ 0郾 83
g·kg-1(5 ~ 10 cm),秋季(9 月)最高;氨基酸态氮
浓度的波动范围较小,为 0郾 50 ~ 0郾 70 g·kg-1(0 ~ 5
cm)和0郾 31 ~ 0郾 62 g·kg-1(5 ~ 10 cm) ,夏季较
图 1摇 土壤(a)和马粪(b)中微生物生物量氮的动态
Fig. 1摇 Dynamics of microbial biomass nitrogen in soil (a) and
horse dung (b)郾
图中数据为 5 个样品混合后的测定值 Data in the figure were the value
determined from five mixed samples郾 DOG:堆置于地表 Deposited on the
ground; BIS:埋入地下 Buried in the soil郾 下同 The same below郾
低;氨基糖态氮浓度的季节波动范围较小,秋季(9
月)最高;酸解未知氮浓度的波动范围在 0郾 33 ~ 1郾 24
g·kg-1 (0 ~ 5 cm)和 0郾 44 ~ 0郾 86 g·kg-1 (5 ~ 10
cm),夏季较高;在 7 种土壤氮素组分中非酸解未知
氮浓度最高,季节波动最大,其中,0 ~ 5 cm 土层为
0郾 65 ~ 2郾 50 g·kg-1,5 ~ 10 cm 土层为 0郾 11 ~ 2郾 06
g·kg-1,由春、夏至秋季呈逐渐降低趋势;各土壤氮素
组分中,硝态氮和铵态氮浓度最低,波动范围最小.
2郾 3摇 残留马粪中有机氮组分的变化
由表2可以看出,鲜马粪中有较高浓度的氨态
表 1摇 内蒙古典型草原土壤氮素组分的动态
Table 1摇 Dynamics of soil nitrogen fractions in Inner Mongolia steppe (g·kg-1)
土层
Soil layer
(cm)
时间
Time
TN NH3 鄄N AAN ASN AHUN UUN NO3 - 鄄N NH4 + 鄄N
0 ~ 5 2009鄄05 2郾 72 0郾 42 0郾 50 0郾 21 0郾 80 2郾 28 0郾 01 0郾 01
2009鄄06 2郾 96 0郾 42 0郾 50 0郾 21 0郾 79 2郾 50 0郾 01 0郾 01
2009鄄07 3郾 05 0郾 45 0郾 55 0郾 18 1郾 24 0郾 65 0郾 01 0郾 01
2009鄄08 3郾 21 0郾 43 0郾 60 0郾 32 0郾 99 0郾 84 0郾 01 0郾 01
2009鄄09 3郾 27 1郾 01 0郾 70 0郾 49 0郾 33 0郾 74 0郾 01 0郾 03
5 ~ 10 2009鄄05 2郾 44 0郾 35 0郾 62 0郾 22 0郾 52 2郾 02 0郾 01 0郾 01
2009鄄06 2郾 42 0郾 34 0郾 43 0郾 23 0郾 44 2郾 06 0郾 01 0郾 01
2009鄄07 1郾 83 0郾 27 0郾 31 0郾 10 0郾 66 0郾 50 0郾 00 0郾 01
2009鄄08 2郾 29 0郾 34 0郾 36 0郾 12 0郾 86 0郾 63 0郾 01 0郾 01
2009鄄09 2郾 46 0郾 83 0郾 55 0郾 40 0郾 56 0郾 11 0郾 01 0郾 01
表中数据为5个样品混合后的测定值Data in the table were values determined from five mixed samples郾 TN:全氮Total nitrogen; NH3 鄄N:氨态氮Ammonia ni鄄
trogen; AAN:氨基酸态氮 Amino acid nitrogen; ASN:氨基糖态氮 Aminosugar nitrogen; AHUN:酸解未知氮 Acid鄄hydrolysable unknown nitrogen; UUN:非酸
解未知氮 Non鄄acid鄄hydrolysable unknown nitrogen; NO3 -鄄N:硝态氮 Nitrate nitrogen; NH4 +鄄N:铵态氮 Ammonium nitrogen郾 下同 The same below郾
991 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 陈海燕等: 内蒙古典型草原马粪分解过程中氮素组分的变化摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 马粪分解过程中有机氮组分的变化
Table 2摇 Changes of the organic nitrogen fractions in decomposition of horse dung (g·kg-1)
时间
Time (d)
TN
DOG BIS
NH3 鄄N
DOG BIS
AAN
DOG BIS
ASN
DOG BIS
AHUN
DOG BIS
UUN
DOG BIS
0 15郾 31a 15郾 31bc 2郾 37b 2郾 37d 3郾 63b 3郾 63c 5郾 10a 5郾 10a 0郾 92b 0郾 92e 3郾 52c 3郾 52e
30 14郾 66a 19郾 84a 2郾 65b 2郾 97c 5郾 66a 6郾 49a 2郾 02d 2郾 69c 2郾 62b 3郾 48cd 1郾 70f 4郾 21de
60 12郾 74a 18郾 37ab 3郾 77a 5郾 16a 2郾 93cd 5郾 16b 4郾 40b 3郾 40b 1郾 33b 2郾 45de 2郾 28ef 2郾 20f
90 11郾 68a 18郾 13ab 1郾 92c 3郾 98b 3郾 21bcd 5郾 31b 3郾 98c 2郾 30d 2郾 72b 4郾 66c 0郾 95g 2郾 75f
330 11郾 22a 12郾 69c 0郾 96de 1郾 17e 3郾 05bcd 2郾 93d 0郾 76ef 0郾 49f 1郾 02b 1郾 98de 6郾 67b 7郾 55b
360 13郾 69a 14郾 67bc 0郾 84e 1郾 14e 2郾 65d 3郾 56c 0郾 92e 0郾 86ef 1郾 82b 1郾 70de 8郾 69a 8郾 86a
390 14郾 90a 17郾 50ab 1郾 29d 1郾 35e 3郾 52bc 3郾 50cd 0郾 52f 0郾 67 f 6郾 54a 9郾 45a 3郾 01cd 2郾 68f
420 13郾 49a 17郾 56ab 1郾 08de 1郾 49e 2郾 73d 3郾 32cd 0郾 456f 0郾 72f 7郾 00a 7郾 21b 2郾 42de 5郾 18c
450 14郾 98a 18郾 93a 1郾 00de 1郾 60e 2郾 74d 3郾 24cd 0郾 62ef 1郾 12e 6郾 96a 8郾 04ab 3郾 61c 4郾 65cd
同列不同字母表示差异显著(P<0郾 05) Different letters in the same column meant significant difference at 0郾 05 level郾 下同 The same below郾
氮、氨基酸态氮和氨基糖态氮,分别为 2郾 37、3郾 63 和
5郾 10 g·kg-1,均显著高于 2009 年 6 月 0 ~ 5 cm 土
层的 3 种有机氮组分(0郾 42、0郾 50 和 0郾 21 g·kg-1).
马粪分解过程中,堆置于地表的残留马粪中氨态氮
浓度呈先升高后降低的趋势,分解 60 d 出现峰值,
并显著高于鲜马粪中的氨态氮浓度;氨基酸态氮浓
度的变化与氨态氮类似,浓度高峰出现在分解 30 d;
氨基糖态氮浓度则呈先降低后升高再降低的趋势,
浓度高峰出现在分解 60 d. 3 种有机氮组分浓度随
分解的变化特征较为一致的是,分解 330 ~ 450 d 浓
度变化平缓,且维持在较低水平.
鲜马粪中酸解未知氮和非酸解未知氮浓度
(0郾 92 和 3郾 52 g·kg-1)均高于 2009 年 6 月 0 ~ 5 cm
土层的 2 种有机氮组分(0郾 79 和 2郾 50 g·kg-1).在
分解过程中,堆置于地表的残留马粪中酸解未知氮
浓度呈逐渐升高趋势;非酸解未知氮浓度呈波动变
化,浓度高峰值出现在分解 360 d.
埋入地下的残留马粪中有机氮组分浓度随分解
时间的变化趋势与堆置于地表残留马粪相似. 总体
上,埋入地下的残留马粪中各有机氮组分浓度高于
堆置于地表的残留马粪.
2郾 4摇 土壤和残留马粪中有机氮形态的分布
由图 2 可以看出,0 ~ 5 和 5 ~ 10 cm 土层土壤
有机氮形态分布的季节变化趋势一致,均为春季
(2009 年 5、6 月)非酸解未知氮比例最高,氨基糖态
氮比例最低;夏季(2009 年 7、8 月)酸解未知氮比例
最高,其次是非酸解未知氮,而氨基糖态氮比例最
低;秋季(9 月)氨态氮比例最高.
与土壤中有机氮形态分布比例不同,鲜马粪中
氨基糖态氮的比例最高,而非酸解未知氮比例较低.
堆置于地表和埋入地下的残留马粪中有机氮形态分
布的季节变化趋势一致:随分解时间的延长,酸解未
知氮比例呈逐渐增加的趋势,在分解 390 ~ 450 d 比
例最大;非酸解未知氮比例呈先减少后增加的趋势,
在分解 330 ~ 360 d比例最大;氨基糖态氮呈逐渐减
少的趋势;氨基酸态氮和氨态氮在分解 30 ~ 90 d 比
例较大,之后变化平缓.
2郾 5摇 马粪分解过程中无机氮组分和氮矿化速率的
变化
由表 3 可以看出,鲜马粪中的铵态氮浓度显著
高于硝态氮.分解过程中,堆置于地表的残留马粪中
铵态氮浓度呈逐渐降低趋势,埋入地下的残留马粪
中铵态氮浓度波动较大,于分解 90、330 和 420 d 出
现浓度高峰.堆置于地表和埋入地下的残留马粪中
硝态氮浓度随分解均有较大波动,分解 0 ~ 90 d 处
于较低水平,330 ~ 420 d处于较高水平.
摇 摇 由图 3a可以看出,0 ~ 5 cm 土层土壤氮的净硝
化速率随时间推移呈先增大后减小再增大的趋势,
5 ~ 10 cm土层土壤的变化与之相反. 0 ~ 5 和 5 ~ 10
cm土层土壤氮的净氨化速率随时间的推移均呈先
减小后增大的趋势,秋季(2009 年 9 月)0 ~ 5 cm 土
层土壤氮的净氨化速率显著高于5 ~ 10 cm土层土
表 3摇 马粪分解过程中铵态氮和硝态氮浓度的变化
Table 3 摇 Changes of the concentrations of NH4 + 鄄N and
NO3 - 鄄N in decomposition of horse dung (g·kg-1)
时间
Time (d)
NH4 + 鄄N
DOG BIS
NO3 - 鄄N
DOG BIS
0 0郾 15a 0郾 15a 0郾 06e 0郾 06e
30 0郾 15a 0郾 03d 0郾 09de 0郾 18cd
60 0郾 05bc 0郾 08c 0郾 14c 0郾 15d
90 0郾 05bc 0郾 13ab 0郾 11cd 0郾 10e
330 0郾 05bc 0郾 15a 0郾 29a 0郾 21c
360 0郾 06b 0郾 02d 0郾 31a 0郾 36a
390 0郾 07b 0郾 06cd 0郾 30a 0郾 28b
420 0郾 07b 0郾 11b 0郾 25b 0郾 38a
450 0郾 02c 0郾 02d 0郾 09de 0郾 18cd
001 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
图 2摇 内蒙古典型草原土壤(a)和残留马粪(b)中有机氮形态的分布
Fig. 2摇 Distribution of soil organic nitrogen fractions in soil (a) and horse dung (b) in Inner Mongolia steppe郾
玉:非酸解未知氮 UUN; 域:酸解未知氮 AHUN; 芋:氨基糖态氮 ASN; 郁:氨基酸态氮 AAN; 吁:氨态氮 NH3 鄄N郾
图 3摇 土壤(a)和马粪(b)氮素净硝化(RNNR)、氨化(RNAR)和矿化(RNMR)速率动态
Fig. 3摇 Dynamics of the rates of net nitrification (RNNR), ammonification (RNAR) and mineralization (RNMR) of nitrogen in soil (a)
and horse dung (b)郾
1011 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 陈海燕等: 内蒙古典型草原马粪分解过程中氮素组分的变化摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 4摇 残留马粪中微生物生物量氮与氮素各组分的相关系数
Table 4摇 Correlation coefficients between microbial biomass
nitrogen and nitrogen fractions in residual horse dung
NH3鄄N AAN ASN AHUN UUN NO3-鄄N NH4+鄄N
DOG 0郾 040 -0郾 248 0郾 585 -0郾 587 0郾 872 -0郾 844 0郾 639
BIS -0郾 337 -0郾 961* 0郾 992** -0郾 891 0郾 285 -0郾 735 0郾 651
*P<0郾 05; **P<0郾 01郾
壤. 0 ~ 5 cm土层土壤氮的净矿化速率随时间的推
移呈先增大后减小再增大的趋势,5 ~ 10 cm 土层土
壤呈先减小后增大的趋势,整体变化平缓,秋季 0 ~
5 cm土层土壤氮净矿化速率显著高于 5 ~ 10 cm 土
层土壤.
由图 3b可以看出,堆置于地表残留马粪中的净
硝化速率随分解整体呈降低趋势,而且 61 ~ 90 和
391 ~ 450 d的净硝化速率表现为负值;净氨化速率
始终保持较低水平,并在 31 ~ 60 和 420 ~ 450 d 表
现为负值;净矿化速率随分解的变化与净硝化速率
相似,随分解整体呈降低趋势.埋入地下对残留马粪
的净硝化速率和净矿化速率有相似的影响,均表现
为分解后期大幅提高.
2郾 6摇 马粪分解过程中微生物生物量氮与氮素各组
分的相关性分析
由表 4 可以看出,堆置于地表的残留马粪中微
生物生物量氮与各氮素组分之间相关性均不显著;
埋入地下的残留马粪中微生物生物量氮与氨基酸态
氮呈显著负相关,与氨基糖态氮呈显著正相关.
3摇 讨摇 摇 论
有机态氮是土壤氮素的主要存在形式之一,是
矿质态氮的库和源[19],其化学形态和存在状况是影
响氮素生物有效性的重要因素[20] .不同组分有机态
氮分解的难易程度不同[21-22],在不同土壤和有机肥
料中具有显著不同的分布形式和时间变化特
征[23-24] .
刘新民等[12]研究表明,残留马粪中有机物总量
的减少主要发生在分解试验的第 1 个生长季(分解
0 ~ 90 d),而第 2 个生长季(分解 330 ~ 450 d)的有
机物总量保持在较低水平.本研究中,与有机物总量
呈大致同步变化的有机氮组分是氨态氮、氨基酸态
氮和氨基糖态氮;残留马粪中,3 种有机氮组分的浓
度于分解试验的第 1 个生长季变化较大,且处于较
高水平,在第 2 个生长季变化较小,处于较低水平;
酸解未知氮和非酸解未知氮浓度在整个试验期间变
化均较大,酸解未知氮浓度在分解 390 ~ 450 d 处于
较高水平,非酸解未知氮在分解 330 ~ 360 d 处于较
高水平.这表明,马粪分解前期氮素矿化的主要有机
氮源是氨态氮、氨基酸态氮和氨基糖态氮,后期为酸
解未知氮和非酸解未知氮.有研究表明,施入土壤的
有机肥(兔粪尿)中所含有机氮的易矿化部分在第 1
季作物生长过程中耗光,残留部分多为较难分解的
有机化合物[24] . 可以推测,马粪中有机氮组分的易
矿化部分应该包括氨态氮、氨基酸态氮和氨基糖态
氮,是残留马粪中氮素的有效部分;而酸解未知氮和
非酸解未知氮的矿化率较低.在草地生态系统中,马
粪中所含氮素的生物有效性在排泄后的第 1 个植物
生长季较高,之后将变得较难分解.
在分解试验的第 1 个生长季中,残留马粪中有
机氮组分的形态分布特征与土壤显著不同,第 2 个
生长季则基本与土壤相似. 土壤有机氮形态分布的
季节变化中,酸解未知氮和非酸解未知氮表现出较
大幅度的波动,其他几种有机氮组分波动较小.特别
是氨基糖态氮,除在鲜马粪中有较高比例外,分解过
程中一直保持较低比例,即使在气温较高的夏季也
不例外,这可能与微生物细胞壁物质是氨基糖的主
要来源[21,25]以及家畜胃肠道中较高的微生物活性
有关.尽管马粪具有比土壤更适合微生物生存的基
质环境,但由于研究区夏季干旱和高温并存的气候
特征,微生物活性较低,从而导致分解马粪中微生物
来源的氨基糖态氮始终处于较低水平.本研究中,残
留马粪中氨基糖态氮浓度随分解的变化与微生物生
物量氮变化之间的显著正相关关系(表 4)也支持以
上解释.有机氮形态分布的时间变化特征表明,残留
马粪中氮素的释放和生物可利用性的特殊性主要体
现在分解初期或排泄后的第 1 个生长季内.
鲜马粪中铵态氮是无机氮的主要存在形态,分
解过程中,铵态氮浓度的降低较快,这与铵态氮以气
态氨形式挥发以及硝化作用使其转化为硝态氮有极
大关系.本研究中,堆置于地表的残留马粪中铵态氮
以气态氨挥发和硝化作用转化损失的过程主要发生
在分解试验的初始阶段(表 3). 残留马粪中硝态氮
浓度主要取决于微生物硝化作用、植物利用、降雨淋
溶损失[26]等过程之间的平衡.马粪在草地上的堆积
过程中,降雨淋溶和植物利用导致的残留马粪中硝
态氮的损失程度相对较弱,而微生物硝化作用导致
的残留马粪中硝态氮积累程度相对较强,从而使残
留马粪中硝态氮浓度随分解呈增加趋势. 这种变化
在季节之间表现的更为突出,即夏季,由于气温升高
和降雨增多,硝化作用较强,残留马粪中硝态氮浓度
提高,春季和秋季残留马粪中的硝态氮浓度有降低
201 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
趋势.总体上,残留马粪中硝态氮的淋溶损失较低,
这与研究区高温和干旱并存的气候特征有极大关
系,类似的观点也见于文献[19, 26-27].
马粪埋入地下对不同有机氮组分分解的影响不
同,这与它们在环境中的分解特征有关. 其中,酸解
性未知氮对埋入地下无显著响应,这与其在环境中
较难分解有关;秋季残留马粪中铵态氮浓度在不同
处理之间差别显著,可能与其易以气态氨挥发损失
以及粪块埋入地下导致失水变慢和具有较高的微生
物活性有关[12] .埋入地下的方式改变了残留马粪中
无机氮积累和损失过程的强度,其铵态氮积累和损
失过程的季节变化与堆置于地表的残留马粪不同;
埋入地下尽管使残留马粪中硝态氮浓度发生了一定
程度的波动,但总体变化趋势与堆置于地表相似.因
此,作为植物生长有效氮的 2 种基本存在形态,埋入
地下可以使马粪分解过程中铵态氮的生物有效性主
要体现在春季和秋季,硝态氮的生物有效性则基本
与堆置于地表一致,并且在分解后期其生物有效性
更加突出.
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作者简介摇 陈海燕,女,1959 年生,高级实验师. 主要从事分
析化学研究. E鄄mail: chenhaiyan@ yeah. net
责任编辑摇 孙摇 菊
401 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷