全 文 ：第 34 卷第 20 期
2014年 10月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.20
Oct.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40775072); 南京信息工程大学校基金项目(20080312)
收稿日期:2013鄄01鄄24; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄11
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: zhengyf@ nuist.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201301240152
吴芳芳,郑有飞,吴荣军, 王锦旗,李萍.麦田根际土壤反硝化作用对 O3熏气和太阳辐射减弱的响应.生态学报,2014,34(20):5840鄄5848.
Wu F F, Zheng Y F, Wu R J, Wang J Q,Li P.Soil denitrification responses of wheat rhizosphere against ozone fumigation and reduction of solar irradiance.
Acta Ecologica Sinica,2014,34(20):5840鄄5848.
麦田根际土壤反硝化作用对 O3熏气和
太阳辐射减弱的响应
吴芳芳,郑有飞*,吴荣军, 王锦旗,李摇 萍
(南京信息工程大学环境科学与工程学院,江苏大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室, 南京摇 210044)
摘要:为研究臭氧浓度升高和太阳辐射减弱复合背景下,麦田土壤反硝化作用及 N2O排放的变化,采用开顶箱(OTC) 法和遮光
网技术,设置 3个臭氧浓度梯度及 3个辐射减弱梯度,连续 4a对小麦生长季麦田土壤进行臭氧浓度增加太阳辐射减弱以及它
们的复合作用的试验。 采用 MPN(最大或然数)法测定反硝细菌的数量,用气相色谱法测定反硝化强度。 结果显示反硝化细菌
数量和反硝化强度受小麦生长发育的影响,在小麦成熟期收割后土壤反硝化细菌数量和反硝化强度增加得特别明显。 O3连续
作用 3个生长季后,以及太阳辐射减弱处理,土壤反硝化菌和反硝化强度显著升高,N2O排放量显著增加。 减弱的太阳辐射与
增加的 O3复合作用,在小麦的每个生育期均显著促进了反硝化菌数量增加和反硝化强度增强,促进率显著高于 O3和遮荫的单
独作用。 结果说明,O3浓度增加以及太阳辐射减弱对土壤反硝化菌和反硝化强度均有一定的促进作用,减弱的太阳辐射与高
浓度的 O3两因素之间存在协作关系,太阳辐射减弱有利 O3的吸收,增加 O3伤害,促进反硝化过程。
关键词:反硝化强度;臭氧增加;太阳辐射减弱;复合作用;小麦
Soil denitrification responses of wheat rhizosphere against ozone fumigation and
reduction of solar irradiance
WU Fangfang, ZHENG Youfei*, WU Rongjun, WANG Jinqi,LI Ping
Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environmental Monitoring and Pollution Control High鄄tech Research,Nanjing University of Information Science &
Technology, Nanjing 210044, China
Abstract: To determine the changes in soil denitrification and N2O emission from crop rhizosphere under ozone (O3) stress
and the declined solar irradiance, ozone treatments in OTCs ( open top chambers) and solar irradiance manipulate in
shading nets were used. The effect of increased atmospheric surface O3 level and declined solar irradiance with their
combination contents on soil denitrification in rhizosphere of winter wheat (Triticum aestivum)was thus investigated, during
the growing / development (G / D) periods including reviving, jointing, booting, heading, filing and mature stages. And four
experiments were performed during a four years experiment by testing once in each year,using six OTCs or six shaded
chambers, and OTCs combine with shading net in each, respectively. The results showed that each OTC was equivalent,
but two were fed with air while the other four with ozone at different concentration, of which two chambers were 100 nL / L
and the other two were 150 nL / L. Shaded chambers were found to be equivalent either, they were all shading but with uent
flow, solar irradiance was found to be reduced by 20%,40%,60%, respectively, when tests in each chamber were repeated
twice. The unshaded treatment was found to be contrasts. Complex鄄action of O3 and declined solar irradiance were tested by
shading net over OTCs, where winter wheat was grown to all life stage in shading net and combine chambers. From reviving
to mature stages, the plants were treated for 8 h (8:00—16:00) in every sunny day with different dose of O3, respectively
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in OTCs of shading chambers covered with net all life stage. Soil amount of denitrifying bacteria and denitrifying capacity
were measured, with each treatment assayed thrice. Data were initially compared by analyzing the variance and differences
between means using the Duncans Multiple Range Tests. Values of P<0.05 was set to indicate significance. Quite similar
results were obtained during four years忆 experiments, suggesting that when a G / D stage is progressing, soil denitrifying
bacteria remains at similarity level. Untill mature stage that is postharvest, it rises up sharply. Without enhanced O3or lower
solar irradiance condition, soil denitrifying capacity were found to decline firstly but consequently increased. Under O3
stress, denitrifying capacity gradually increased. After ozone fumigated continuously during three growing season it increased
significantly, compared to the control, but the soil N2O emission risk was heighten at the same time. O3 combine with the
shading treatments忆 soil denitrifying bacteria and capacity were found to be induced in every growing / development (G / D)
periods of winter wheat, while the promoting rate were higher than O3 or shading separate role. The results indicated that the
enhanced O3 and lower solar irradiance can improve soil denitrifying process, with cooperative relations. Lower solar is
irradiant to the benefit of O3absorb, to O3 damages increase and to facilitate denitrifying process.
Key Words: soil denitrifying; elevated ozone; declined solar irradiance; combined action; Triticum aestivum
摇 摇 近地层臭氧是非常重要的污染气体,是控制低
层大气化学反应与循环的重要因子,占总氧化剂的
90%以上[1]。 地球对流层大气平均 O3浓度已经从工
业革命前的 38 nL / L上升到目前的 50 nL / L,这个浓
度已经超过了敏感作物 O3 伤害阀值 AOT40 的
25%[2], 在过去的 30a 中,北半球 O3浓度以每年
0郾 5%—2%的速度递增[3],估计到 2100 年 O3浓度将
在现有基础上增加 40%—60%[4]。 工业化革命以
来, 人类活动造成的空气污染除了近地层臭氧浓度
增加以外,其它大量有害粒子,比如 SO2、NOx、黑碳、
飞灰、土壤尘粒子等,引起大气气溶胶光学厚度逐年
增加。 IPCC第四次评估报告(AR4)指出,在含有大
量气溶胶粒子的区域,抑制了较大尺度云滴和雨滴
的形成,云量增多,云的反照率加强,导致地面变暗
变冷[4]。 2008年联合国环境规划署(UNEP)发布了
亚洲大气棕色云的研究报告,在中国和印度仅亚洲
大气棕色云的直接辐射强迫引起的年均地表变暗就
达 14—16 W / m2(大约 6%) [5]。 近地层大气太阳辐
射减弱和 O3浓度增加,目前已经成为全球科学家和
公众密切关注的重要环境问题。
太阳辐射不仅密切地影响着地面 O3浓度的变
化,同时通过改变光合有效辐射(PAR),严重影响农
业生产[6鄄9]。 土壤环境是农业生产的根本,其对大气
环境变化的响应以根际微生物最为活跃[10鄄11],由微
生物介导的土壤氮素的转化作用受大气环境的扰
动,土壤中矿质态氮含量、微生物区系、含氮气体排
放量是受臭氧影响的首要因子[12鄄14]。 土壤氮素在微
生物驱动下的反硝化作用,能增加土壤N2O的排放,
降低土壤氮肥的生物有效性,土壤反硝化作用及N2O
排放的动态和定量研究日益受到重视[12,15鄄16]。 研究
近地层臭氧浓度增加和太阳辐射减弱对土壤氮素反
硝化作用的影响,在维护农业生态平衡和保护环境
等方面具有非常重要的意义。 本文模拟 O3浓度增加
和太阳辐射减弱,4a定点试验,研究麦田根际土壤反
硝细菌和反硝化强度与 O3浓度增加以及太阳辐射减
弱的相互关系。
1摇 材料与方法
1.1摇 大田试验概况
于 2008年至 2011年在南京信息工程大学农业
气象试验站(32.16毅N,118.86毅E)进行冬小麦生长季
田间观测试验。 当地多年平均温度为 15.6 益,多年
平均降水为每年 1 100 mm。 供试土壤为潴育型水稻
土(灰马肝土属),土壤质地为壤质黏土,耕层土壤黏
粒含量为 26.1%,土壤 pH(H2O) 值为 6.2,有机碳和
全氮的含量分别为 19.4 g / kg、1.15 g / kg。
1.2摇 O3浓度增加试验设计
试验采用直径 3 m,高 2.5 m 的开顶箱(OTC)作
为臭氧布气的容纳装置,设置 CK(正常空气)﹑ T1
(100 nL / L臭氧)、T2 (150 nL / L 臭氧)共 3 个臭氧
浓度处理,每一处理 3 个重复。 通过气泵对臭氧发
生器产生的臭氧进行预先稀释,之后吹入 OTC 内的
布气装置,最终使 OTC 内均匀布满气体,OTC 内设
置臭氧浓度传感器(精度可达 1 nL / L),对臭氧浓度
传感器进行预先设定浓度阈值,当 OTC 内臭氧浓度
未达到此阈值时,臭氧发生器持续工作并向 OTC 内
1485摇 20期 摇 摇 摇 吴芳芳摇 等:麦田根际土壤反硝化作用对 O3熏气和太阳辐射减弱的响应 摇
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通入臭氧气体,当 OTC 内浓度超过此阈值时,臭氧
传感器则提示报警,其信号通过微型电子控制仪的
指令控制与臭氧发生器相连的电磁阀断开,此时臭
氧发生器停止工作. 这样可实现 OTC 内臭氧浓度的
自动调控. 每天臭氧处理时间段为 08:00—16:00,遇
有雨天则关闭整个装置。
1.3摇 辐射减弱试验设计
通过在自然条件下搭建不同透光度(网孔密度
不同)的黑色聚乙烯遮荫网实现。 遮荫棚采用镀锌
钢管为主要支柱,搭建成 3 m伊3 m伊3 m的立方体,两
两间隔 3 m。 遮荫棚顶部用铁丝搭建为可上下调节
的网状结构,用以支撑遮荫网,采用 TBQ鄄2型总辐射
表对不同处理下达到冬小麦冠层的太阳总辐射强度
进行了监测,监测时间为 6:00—18:00,步长为 1
min,每日实 际 监 测 到 的 太 阳 总 辐 射 强 度 瞬
时值见图1。通过计算确定各处理组实际接收的
图 1摇 不同处理下冬小麦冠层太阳辐射强度
Fig.1摇 Solar irradiance of winter wheat canopy under different treatments
S1: 太阳辐射强度比对照减弱(20依5)%; S2:(40依5)%;S3:(60依5)%;T+S1: O3(浓度为)(100依8)nL / L+太阳辐射强度减弱 20%
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太阳辐射强度分别比对照减弱 (20 依 5)% ( S1)、
(40依5)% (S2)、(60依5)% (S3),对照 Field 为完全
自然环境,不增加 OTC 气室,不进行 O3曝气和遮光
处理,田间大气 O3浓度和太阳辐射强度没有人为干
扰。 并随着作物生长高度,调节遮荫网与冬小麦冠
层间的距离,根据情况适当更换遮荫网,保证网下空
气流通,使到达植物冠层的太阳总辐射变化量控制
在预设值依5%范围内。
1.4摇 臭氧增加与辐射减弱复合作用的大田试验设计
通过在 OTC上方搭建各透光度的黑色遮荫网实
现,试验设置 3 个处理组:T+S1(O3浓度为(100依8)
nL / L+太阳辐射强度减弱 20%),T+S2(O3浓度为
(100依8) nL / L +太阳辐射强度减弱 40%),T+S3(O3
浓度为(100依8) nL / L +太阳辐射强度减弱 60%),以
不通入 O3不加遮荫网的 OTC棚为对照。
1.5摇 田间管理和取样
供试小麦品种为扬麦 16 号,水肥供应适量而充
分, 其他农田管理措施均相同, 无病虫害及杂草的
影响。 播种日期、熏气起止日期、采样日期以及
AOT40累积量如表 1 所示。 按五点取样法,定点分
别选取 5株小麦,将其 0—20 cm 耕层根系区土样挖
出,抖掉根系外围土,取紧贴在根表附近的土样,混
合后作为根际土,用四分法取适量装于无菌纸袋中,
立即带回实验室,一部分土样用于土壤反硝化细菌
数量的计数,另一部分土样经自然风干后, 过 1 mm
孔径分样筛, 4 益下冰箱保存。
表 1摇 大田熏气和采样时间表
Table 1摇 Fumeing and sampling date
试验
年份
Test
date
播种日期
(年鄄月鄄日)
Sowing date
(year鄄month
鄄day)
开始熏
气日期
(年鄄月鄄日)
Start fume
date(year鄄
month鄄day)
停止熏
气日期
(月鄄日)
Stop fumeing
date
(month鄄day)
日小时 O3浓度大于
40 nL / L(AOT40)
3—5月
AOT40
累积量 /
(nL L-1h-1)
cumulant
累积天数
cumulant
day
占试验
期比例 / %
Percentage
of trial
period
取样时期
Sampling period
返青期
(月鄄日)
Reviving
(month鄄
day)
拔节期
(月鄄日)
Jointing
(month鄄
day)
孕穗期
(月鄄日)
booting
(month鄄
day)
抽穗期
(月鄄日)
Heading
(month鄄
day)
灌浆期
(月鄄日)
Filing
(month鄄
day)
成熟期
(月鄄日)
Mature
(month鄄
day)
2008 2007鄄11鄄14 2008鄄03鄄07 05鄄20 8.208 63 68.48% 03鄄10 03鄄24 04鄄02 04鄄17 04鄄29 05鄄8
2009 2008鄄11鄄20 2009鄄03鄄08 05鄄21 8.462 59 64.13% 03鄄04 04鄄02 04鄄17 04鄄23 05鄄07 05鄄15
2010 2009鄄11鄄12 2010鄄03鄄07 05鄄26 8.638 62 67.39% 03鄄19 04鄄01 04鄄14 04鄄26 05鄄06 05鄄20
2011 2010鄄11鄄12 2011鄄03鄄07 05鄄27 8.357 58 63.04% 03鄄24 04鄄02 04鄄12 04鄄22 05鄄02 05鄄12
1.6摇 土壤反硝化细菌的测定
根据文献[17]分别制备反硝化细菌液体富集培
养基与固体分离培养基。 采用 MPN(最大或然数)
法测定。 接种土壤悬液于液体富集试管,各浓度梯
度设置 4个重复,在 30 益恒温培养 14 d,根据阳性
管数查表得数量近似值,并经水分测定换算成 1 g干
土中反硝化细菌的数量。
1.7摇 土壤反硝化作用强度的测定
以氧化亚氮计测定土壤反硝化强度, 称取过 1
mm筛的新鲜土样 10 g于 250 mL培养瓶中,向其中
加入含硝酸钾和葡萄糖的混合溶液 5 mL(含 N 和 C
各 3 mg),并用丁基橡胶塞将培养瓶密封,利用真空
泵抽真空,然后再向培养瓶中充入体积分数为 10%
的乙炔来抑制氧化亚氮转化为氮气,在 28 益下培养
48 h,培养结束后从培养瓶中抽取气体 10 mL,装入
气袋, 室温下利用气相色谱进行分析。
1.8摇 数据统计分析
采用 DPS(Data processing system) [18]数据处理
系统软件处理数据,进行相关分析。
2摇 结果与分析
2.1摇 臭氧浓度升高对反硝化细菌数量的影响
4年间,对照组的反硝化细菌数量随小麦生长而
变化的时序特征为拔节期、孕穗期、抽穗期和灌浆期
没有显著差异,成熟期则增加了两个数量级;O3浓度
增加处理组与对照组的时序变化规律相同,不同的
是成熟期反硝化细菌数量增加了 3 个数量级。 在试
验生育期内,只有成熟期 T1、T2与对照差异显著,且
T1与 T2之间没有显著差异,其它时期 T1、T2 与对
照没有明显不同。 如表 2 所示。 结果说明,小麦生
长的前、中期,土壤反硝化细菌数量受小麦的生长调
节不大,对 O3浓度升高引起的环境变化因子不敏感,
3485摇 20期 摇 摇 摇 吴芳芳摇 等:麦田根际土壤反硝化作用对 O3熏气和太阳辐射减弱的响应 摇
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成熟期后,土壤反硝化细菌数量增加,O3在成熟期对 土壤反硝化细菌的生长繁殖有明显的促进作用。
表 2摇 臭氧浓度升高对土壤反硝化细菌数量的影响
Table 2摇 Effects of elevated ozone concentration on number of soil denitrifying bacteria
年份
Year
反硝化细菌数量 denitrifying bacteri ( lg(n / g))
拔节期
Reviving stage
孕穗期
Jointing stage
抽穗期
Booting stage
灌浆期
Filing stage
成熟期
Maturing stage
2008 CK 5.24依0.67 a 5.30依0.35 a 5.62依0.29a 5.95依0.34 a 7.54依0.76 a
T1 5.73依0.56 a 5.50依0.5 a 5.35依0.36 a 5.63依0.43 a 8.74依0.46 b
T2 5.44依0.20 a 5.06依0.41 a 5.37依0.72 a 5.55依0.52 a 8.48依0.43 b
2009 CK 5.44依0.25 a 5.35依0.23 a 5.60依0.54 a 5.36依0.50 a 7.35依0.32 a
T1 5.67依0.35 a 5.21依0.46a 5.45依0.46a 5.30依0.43 a 8.83依0.36b
T2 5.43依0.30 a 5.18依0.57 a 5.43依0.53 a 5.16依0.37 a 8.75依0.47 b
2010 CK 5.53依0.45 a 5.46依0.27 a 5.79依0.62 a 5.74依0.42 a 7.66依0.22 a
T1 5.35依0.53 a 5.38依0.37 a 5.66依0.75 a 5.82依0.13 a 8.48依0.26 b
T2 5.47依0.38 a 5.22依0.84 a 5.47依0.43 a 5.58依0.27 a 8.58依0.62 b
2011 CK 5.44依0.30 a 5.60依0.37 a 5.62依0.67 a 5.38依0.25 a 7.74依0.36 a
T1 5.48依0.77 a 5.32依0.44 a 5.41依0.33 a 5.51依0.29 a 8.89依0.45b
T2 5.45依0.67a 5.12依0.43 a 5.49依0.57 a 5.78依0.34 a 8.72依0.49 b
摇 摇 T1: 100 nL / L臭氧; T2: 150 nL / L臭氧; 相同生育期内不同字母表示处理间经 Duncan氏多重极差检验差异显著(P<0.05)
2.2摇 臭氧浓度升高对反硝化作用强度的影响
土壤反硝化作用强度随小麦生育进程的推进而
变化,对照组呈现先降低后升高的趋势,抽穗期降到
最低值,成熟期升到最高值,4a试验期间变化规律一
致(表 3)。 第 1年(2008)和第 2年(2009)试验,T1、
T2与对照呈现相同的变化规律,即先降低后升高的
趋势;第 3年(2010)和第 4 年(2011)试验,T1 和 T2
则表现为从拔节期到灌浆期无显著变化,成熟期迅
速显著升高。 在相同生育期内,第 1 年和第 2 年试
验中,T1和 T2与 CK均没有显著差异;第 3年和第 4
年试验中,T1 和 T2 在孕穗期和抽穗期的反硝化强
度比对照显著升高,另外 T2 在第四年的成熟期也显
著促进了反硝化作用。 反硝化作用是土壤中氮素转
化的最主要过程之一,植物通过吸收同化 NO-3 而抑
制反硝化作用[19],在孕穗期和抽穗期小麦由营养生
长转入生殖生长,需吸取大量的 NO-3,由于土壤反硝
化作用受到 NO-3 限制,所以孕穗期和抽穗期反硝化
作用降低,在成熟期小麦减小了对NO-3的吸收,土
表 3摇 臭氧浓度升高对土壤反硝化作用强度的影响
Table 3摇 Effects of elevated ozone concentration on denitrification activity
年份
Year
反硝化作用强度 Intensity of denitrification / (滋g g-1 d-1)
拔节期
Reviving stage
孕穗期
Jointing stage
抽穗期
Booting stage
灌浆期
filing stage
成熟期
Maturing stage
2008 CK 20.04依0.37a 19.34依0.23a 16.65依0.09a 22.05依0.63a 26.54依0.76a
T1 21.72依0.41a 20.32依0.32a 17.45依0.36a 23.13依0.33a 26.74依0.36a
T2 21.74依0.24a 21.63依0.13a 17.07依0.77a 22.45依0.09a 26.88依0.18a
2009 CK 22.41依0.15a 20.37依0.23a 16.70依0.29a 22.34依0.20a 27.34依0.09a
T1 23.60依0.55a 21.21依0.56a 17.85依0.44a 23.70依0.43a 28.82依0.52a
T2 23.43依0.80a 20.78依0.27a 17.49依0.54a 23.48依0.82a 28.77依0.23a
2010 CK 23.53依0.45a 21.46依0.27a 18.79依0.62a 23.74依0.52a 27.66依0.28a
T1 25.35依0.53a 26.18依0.37b 25.66依0.85b 25.02依0.19a 30.48依0.57a
T2 25.47依0.38a 26.22依0.84b 25.47依0.44b 26.28依0.25a 32.58依0.42a
2011 CK 22.44依0.30a 20.60依0.37a 17.62依0.64a 23.38依0.27a 27.74依0.37a
T1 25.48依0.77a 25.02依0.44b 25.41依0.38b 24.71依0.69a 31.89依0.35ab
T2 26.45依0.67a 25.72依0.43b 25.49依0.54b 25.78依0.14a 33.72依0.45b
摇 摇 相同生育期内不同字母表示处理间经 Duncan氏多重极差检验差异显著(P<0.05)
4485 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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壤 NO-3 供应充足,小麦根际分泌物的存在促进了反
硝化作用,所以成熟期反硝化作用强度升高。 O3对
反硝化作用的影响具有一定的积累效应,O3剂量和
作用时间的累积量达到一定阈值,在小麦生长需 N
敏感期,由于 O3长时间的作用,土壤理化性质改变,
小麦的生长受严重抑制[20],O3显著增加土壤反硝化
强度。 反硝化过程是 N2O 产生的主要生物过程,在
一定的小麦生长期还会导致麦田土壤 N2O 排放的
增加。
2.3摇 太阳辐射减弱对土壤反硝化菌数量的影响
从拔节期至灌浆期,相同处理组反硝化细菌数
量在相同数量级,成熟期则至少增加两个数量级,反
硝化菌数量急剧增加。 成熟期小麦根系呼吸会消耗
O2, 根际有机物的微生物降解也是消耗 O2,成熟期
土壤处于低氧微区,而且根分泌物及残屑等有机物
质的分解使供碳充足,这样成熟期小麦促进了反硝
化细菌数量增加。 太阳辐射减弱在所有生育期中均
显著增加了反硝化菌数量,成熟期增加的幅度更大,
如表 4所示。 因为成熟期土壤 NO-2、C、O2等含量的
变化更有利于反硝化菌的生长繁殖。 反硝化细菌将
NO-3 还原为 NO
-
2 再还原为 N2O,而能够还原 N2O 的
微生物数量相对较少, 因而在反硝化过程中常有 N2
O的释放。 反硝化菌作为根际微生物群体的一部
分, 其活性受到小麦植株的影响,同时植物根分泌
物及残屑是反硝化细菌的主要碳源供给者,一方面
植物通过吸收同化 NO-3 而抑制反硝化作用, 另一方
面植物提供根分泌物及残屑等有机物质, 经矿化和
硝化作用而供给 NO-3 来促进反硝化作用。
表 4摇 太阳辐射减弱对土壤反硝化菌的影响
Table 4摇 Effects of declined solar irradiance on number of soil denitrifying bacteria
年份
Year
反硝化细菌数量 Number of denitrifying bacteria / ( lg(n / g)
拔节期
Reviving stage
孕穗期
Jointing stage
抽穗期
Booting stage
灌浆期
filing stage
成熟期
Maturing stage
2010 CK 5.53依0.45 a 5.46依0.27 a 5.79依0.62 a 5.74依0.42 a 7.66依0.22 a
S1 7.57依1.17b 7.73依1.26b 7.27依1.13ab 7.47依0.56b 9.9依0.76b
S2 7.37依1.21b 7.67依1.46b 7.84依1.00b 7.96依0.86b 10.76依0.65b
S3 8.89依1.01b 8.42依1.23b 8.97依0.96b 8.64依0.64c 12.72依0.62c
2011 CK 5.44依0.30 a 5.60依0.37 a 5.62依0.67 a 5.38依0.25 a 7.74依0.36 a
S1 7.09依1.34ab 7.84依1.06b 7.37依0.86b 7.63依0.63b 9.63依0.56b
S2 7.55依1.22b 7.86依0.96b 7.94依0.66b 7.64依0.66b 11.17依1.03bc
S3 9.06依1.16b 9.77依104b 9.07依0.77b 9.78依1.33b 12.98依0.60c
摇 摇 相同生育期内不同字母表示处理间经 Duncan 氏多重极差检验差异显著(P<0.05); S1: 太阳辐射强度比对照减弱(20依5)%; S2:(40依
5)%;S3:(60依5)%;
2.4摇 辐射减弱对反硝化强度的影响
土壤反硝化强度,对照组在抽穗期最低,因为此
时植物高效率吸收同化 NO-3,抑制了反硝化作用;太
阳辐射减弱处理组,随小麦生育期的推进有逐渐增
加的趋势,成熟期达最大。 如表 5 所示。 土壤生物
反硝化过程是 N2O 的主要来源,是土壤中氮素转化
的最主要过程之一。 一方面植物通过吸收同化 NO-3
而抑制反硝化作用, 另一方面植物提供根分泌物及
残屑等有机物质, 经矿化和硝化作用而供给 NO-3 来
促进反硝化作用。 在孕穗期、抽穗期由于根系与微
生物竞争 NO-3土壤反硝化作用减弱,灌浆、成熟期小
麦吸氮量减少,对反硝化功能有促进作用。 太阳辐
射减弱对反硝化作用强度的促进作用从孕穗期开始
呈显著水平。 太阳辐射减弱后麦田光合有效辐射降
低,小麦光合积累减少,吸收同化 NO-3 的能力减弱,
反硝化作用增加。
2.5摇 O3浓度增加与太阳辐射减弱复合作用对土壤
反硝化细菌的影响
反硝化菌数量随小麦生长发育而发生的时序波
动不大,在灌浆期之前,相同的处理组反硝化菌数量
均在相同的数量级,而成熟期比之前的生育期增加
了 2—3个数量级。 这说明植物通过吸收同化 NO-3
而对反硝化作用的抑制程度约等于植物提供根分泌
物及残屑等有机物质, 经矿化和硝化作用而供给
NO-3 对反硝化作用的促进程度。 成熟期反硝化菌急
剧增加,因为成熟期小麦生长量很小,根系与微生物
竞争 NO-3 的能力减弱,当 NO
-
3 供应有富余时, 植物
向根际提供了有机碳源以及根系呼吸耗 O2, 因而促
5485摇 20期 摇 摇 摇 吴芳芳摇 等:麦田根际土壤反硝化作用对 O3熏气和太阳辐射减弱的响应 摇
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进反硝化作用。 从表 6 可看出,增加 O3浓度仅在成
熟期促进反硝化细菌的增长,其余时期效果不显著;
辐射减弱的处理组以及减弱辐射与增加 O3复合作用
的处理组,在每个试验生育期均显著增加了反硝化
菌数量,它们作用的效应依次为:(T1+S3) >(T1+
S2) >(T1+S1)>S1>CK。 这也说明 O3与太阳辐射减
弱对反硝化菌生长繁殖的促进作用具有协同效应。
表 5摇 太阳辐射减弱对土壤反硝化强度的影响
Table 5摇 Effects of declined solar irradiance on soil denitrifying activity
年份
Year
反硝化作用强度 Intensity of denitrification / (滋g g-1 d-1)
拔节期
Reviving stage
孕穗期
Jointing stage
抽穗期
Booting stage
灌浆期
filing stage
成熟期
Maturing stage
2010 CK 23.53依0.45 a 21.46依0.27 a 18.79依0.62 a 23.74依0.52 a 27.66依0.28 a
S1 24.73依0.67a 25.63依0.63 b 26.47依0.57b 27.37依0.73b 29.84依0.67b
S2 25.36依0.63a 26.28依0.66b 26.82依0.85b 28.84依0.79 b 29.73依0.48b
S3 25.55依0.74a 27.35依0.83 b 28.64依0.46b 28.72依0.93 b 30.64依0.73 b
2011 CK 22.44依0.30 a 20.60依0.37 a 17.62依0.64 a 23.38依0.27 a 27.74依0.37 a
S1 23.32依0.83a 24.12依0.69 b 25.36依0.38b 27.02依0.61b 31.38依0.68b
S2 24.83依0.57a 25.02依0.58 b 28.22依0.83c 29.78依0.65c 32.43依0.62b
S3 24.98依0.74a 25.99依0.63 b 30.38依0.82c 30.11依0.77c 32.94依0.34 b
表 6摇 O3浓度增加与太阳辐射减弱共同作用土壤反硝化菌数量的动态变化
Table 6摇 The changes of soil denitrifying bacteria under O3 combine with shading role
年份
Year
反硝化细菌数量 Number of denitrifying bacteria / ( lg(n / g))
拔节期
Reviving stage
孕穗期
Jointing stage
抽穗期
Booting stage
灌浆期
filing stage
成熟期
Maturing stage
2010 CK 5.53依0.45 a 5.46依0.27a 5.79依0.62 a 5.74依0.42 a 7.66依0.22 a
T1 5.35依0.53 a 5.38依0.37 a 5.66依0.75 a 5.82依0.13 a 8.48依0.26 b
S1 7.57依1.17b 7.73依1.26b 7.27依1.13ab 7.47依0.56b 9.9依0.76c
T1+S1 7.85依0.85b 7.89依1.03b 7.64依0.66b 7.82依0.66bc 10.41依0.95c
T1+S2 8.86依0.75b 8.58依1.11bc 8.53依0.76bc 8.82依0.73bc 11.61依0.56cd
T1+S3 9.16依0.75b 9.37依1.22c 9.32依0.89c 9.21依0.56c 12.43依0.56d
2011 CK 5.44依0.30 a 5.60依0.37 a 5.62依0.67 a 5.38依0.25 a 7.74依0.36 a
T1 5.48依0.77 a 5.32依0.44 a 5.41依0.33 a 5.51依0.29 a 8.89依0.45b
S1 7.09依1.34ab 7.84依1.06b 7.37依0.86b 7.63依0.63b 9.63依0.56bc
T1+S1 7.43依0.75ab 7.58依0.93b 7.78依0.72b 7.95依0.66b 10.73依0.66c
T1+S2 8.37依0.75b 8.73依0.67bc 8.53依0.98b 8.74依0.48c 11.22依0.88cd
T1+S3 9.26依0.75b 9.68依0.64c 9.24依1.06b 9.45依0.85c 12.46依0.94d
2.6摇 O3浓度增加与太阳辐射减弱复合作用对土壤
反硝化强度的影响
O3浓度增加与太阳辐射减弱复合作用下土壤反
硝化强度增强,增强效应显著大于他们的各自的单
独作用。 O3浓度增加或太阳辐射减弱及它们的复合
处理,土壤反硝化强度随小麦的生长发育逐渐升高,
改变了对照在孕穗期和抽穗期反硝化强度降低的时
序变化特征 (表 7)。 对照在生长过程中植株的代谢
对反硝化强度的调节占较大比重,孕穗期和抽穗期
小麦吸 N能力强,硝化活性高抑制了反硝化过程,而
当地表 O3浓度增加和太阳辐射减少时,小麦植株生
长量减小,植株的代谢对反硝化强度的调节较弱,而
O3导致土壤氧压变小,辐射减弱后有利于小麦对 O3
的吸收等因素促进了反硝化过程。 农业生产中应加
强小麦生长后期土壤环境管理减少土壤 N 素损失,
减少农田 N2O排放。
3摇 讨论
土壤生物反硝化是土壤中氮素转化最重要的过
程之一。 N2O 是反硝化作用的主要产物,反硝化速
率和反硝化菌的数量是 N2O释放量的决定因素[19]。
降低土壤含水量或消耗 NO-3 则抑制反硝化过程,而
6485 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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根分泌物和残屑为反硝化菌提供有机碳并在降解过 程中降低 O2分压则促进反硝化作用。 反硝化细菌作
表 7摇 O3浓度增加与太阳辐射减弱共同作用土壤反硝化强度的动态变化
Table 7摇 The changes of soil denitrifying activity under O3 combine with shading role
年份
Year
反硝化作用强度 Intensity of denitrification / (滋g g-1 d-1)
拔节期
Reviving stage
孕穗期
Jointing stage
抽穗期
Booting stage
灌浆期
filing stage
成熟期
Maturing stage
2010 CK 23.53依0.45 a 21.46依0.27 a 18.79依0.62 a 23.74依0.52 a 27.66依0.28a
T1 25.35依0.53 b 26.18依0.37 b 25.66依0.85b 25.02依0.19 b 30.48依0.57b
S1 24.73依0.67a 25.63依0.63 b 26.47依0.57b 27.37依0.73c 29.84依0.67b
T1+S1 27.37依0.59c 28.48依0.54c 29.47依0.44c 30.63依0.79d 32.75依0.62c
T1+S2 28.42依0.63c 28.97依0.37c 30.27依0.73c 31.37依0.85d 33.27依0.67c
T1+S3 27.98依0.62c 29.46依0.63c 30.86依0.62c 31.86依0.69d 34.51依0.76c
2011 CK 22.44依0.30 a 20.60依0.37 a 17.62依0.64 a 23.38依0.27 a 27.74依0.37a
T1 25.48依0.77 b 25.02依0.44b 25.41依0.38b 24.71依0.69 a 31.89依0.35b
S1 23.32依0.83a 24.12依0.69 b 25.36依0.38b 27.02依0.61b 31.38依0.68b
T1+S1 26.76依0.49bc 28.47依0.63c 30.27依0.59c 32.38依0.54c 33.79依0.89c
T1+S2 27.86依0.61c 29.71依0.59c 31.11依0.79c 33.27依0.63c 35.02依0.79c
T1+S3 29.03依0.56c 30.16依0.66c 31.78依0.87c 33.89依0.69c 35.26依0.99c
为根际微生物群体的一部分,其活性受到植物的显
著影响,当土壤反硝化作用主要受到 NO-3 限制时,那
么由于根系与微生物竞争 NO-3, 就会减弱反硝化作
用,当 NO-3 供应有富余时,植物的存在, 向根际提供
了有机碳源以及根系呼吸耗 O2,因而促进反硝化作
用。 在小麦成熟期地上部分收割后, 土壤 N2O 释放
量增加特别显著,这是由于植物受伤后根系有效碳
的释放造成的。 植物根际在对反硝化作用产生影响
的同时, 对土壤 N2O 释放也起了重要的通道作用。
近地层臭氧浓度日益升高, 太阳辐射日趋减弱,O3
引起的植物叶面伤害以及有效光合辐射减少引起光
合积累的降低,已引起植物生物量和根系分泌物的
变化[21], 并将通过植物的介导影响土壤生态系统氮
素循环过程以及相关功能微生物的活性[22]。 研究
发现, 当受到环境胁迫时, 作物会做出必要的生理
调节, 即通过吸收更多的营养来弥补外界胁迫对其
自身的损伤[23],经过几个小麦生长季 O3的累积作
用,以及辐射减弱条件下,成熟期反硝化细菌数量和
反硝化强度增强,影响土壤氮库的调节,影响土壤氮
营养的供给和 N2O的排放。
4摇 结论
(1) O3对土壤反硝化细菌数量仅在小麦成熟期
有明显促进作用,在较短时间里 O3对土壤反硝化强
度没有显著影响,而 O3连续作用 3个生长季后,土壤
反硝化强度显著升高,特别是小麦生长旺盛、吸氮高
峰期,反硝化强度增强辐度最大。 长时间的 O3胁迫
条件下,O3对反硝化作用强度的影响超过了小麦生
长活性对反硝化作用强度的调节,O3成为影响反硝
化强度的主要因素。
(2)太阳辐射减弱在小麦各生育期促进反硝化
细菌数量增加和反硝化强度增强,反硝化菌数量在
成熟期有最显著响应,而反硝化强度则在小麦吸氮
旺盛的孕穗期、抽穗期受太阳辐射减弱的促进效应
最明显。 反硝化菌增多和反硝化强度增加,则温室
气体 N2O排放的风险增加。
(3) O3浓度增加与太阳辐射减弱两因素复合作
用对反硝化菌数量和反硝化强度的影响存在协作关
系,减弱的太阳辐射与增加的 O3复合作用,比较它们
各自的单独作用,显著增加了小麦各生育期反硝化
菌数量和反硝化强度。 太阳辐射减弱小麦叶片的水
汽压差变化,小麦气孔张开,有利 O3的吸收,增加了
O3伤害。 O3浓度增加则土壤中 O2分量减少促进了
反硝化过程,加剧了土壤氮素营养的损失和温室气
体 N2O的排放。
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