硝化作用普遍存在于土壤当中,土壤中的硝化作用受众多因素影响,如：土壤pH、土壤温度、土壤水分、铵态氮含量等,其中土壤pH是最为重要的影响因素之一。早年的研究表明：硝化作用广泛存在于中性和石灰性土壤中并且具有较高的氨氧化活性,但酸性土壤中几乎检测不到硝化作用的存在。随着对硝化作用的研究不断深入,越来越多的证据均表明酸性土壤中同样存在着硝化作用,一些酸性土壤中的硝化作用甚至比在中性和石灰性土壤中更为强烈。随着分子技术的快速发展,土壤硝化强度及其影响因素在土壤学领域得到了高度关注,土壤硝化过程的微生物机理逐渐成为研究热点。
土壤pH显著影响硝化作用的过程,首先硝化微生物在低pH条件下生长缓慢,其生长速率甚至不可检测；硝化微生物作为土壤中硝化作用的推动者,其生长速率极可能影响硝化作用的进行。其次,土壤pH显著影响硝化作用底物的含量；硝化作用的直接底物为分子态的氨,而土壤中氨分子和铵离子处于一个动态平衡,pH是影响这个动态平衡的重要条件,当土壤处于低pH条件下,土壤中氨分子趋向于转变为铵离子,在高pH条件下则相反。第三,土壤pH会影响硝化微生物的硝化活性,从而影响硝化作用。
本实验选用了重庆缙云山马尾松林酸性黄壤(pH=4.2)和附近自然植被条件下的紫色土(pH=7.0)以及酸性(pH=5.6)和石灰性(pH=8.2)稻田土壤,酸性稻田土壤采自重庆市合川县大石镇大石街道观龙村,石灰性稻田土壤采自西南大学长期定位试验田。
酸性黄壤和中性紫色土共设13C标记处理、1。C对照处理以及73C+乙炔处理三个处理。土壤样品放置在28℃的恒温培养箱中培养56天,于培养的第0、28、56天采样。通过无机分析方法测定样品的pH、铵态氮、硝态氮,定量PCR方法测定分析土壤中氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA) amoA功能基因的丰度,克隆文库方法测定分析AOB和AOA群落结构组成。结果如下：
经过8周的培养,紫色土12C对照处理、13C+乙炔处理以及13C标记处理三个处理中的硝态氮分别由培养初期的1.9mg/kg增加到54.5、1.6、54.8mg/kg,相应的三个处理中铵态氮的含量分别为75.4、249.9、102.8mg/kg,13C标记处理和12C对照处理中铵态氮含量相较于13C+乙炔处理明显降低,而黄壤三个处理土壤中硝态氮含量分别为0.8、0.9、0.6mg/kg,相较于培养初期的0.6mg/kg并没有明显增加,铵态氮含量为411、468、378mg/kg,13C标记处理和12C对照处理中铵态氮含量相较于73C+乙炔处理也没有明显减少。可见,在中性紫色土中发生了明显的硝化作用,而在酸性黄壤中硝化作用几乎没有进行。
经过培养,紫色土12C对照处理和13C标记处理中AOB的amoA功能基因拷贝数分别由培养初期的1.48×107增加到1.08E×108和1.13×108,而13C+乙炔处理的amoA功能基因拷贝数为1.88×107,相较于培养初期并没有明显变化；培养初期AOA的amoA功能基因拷贝数为8.23×107,经过培养后12C对照处理、13C+乙炔处理和13C标记处理中AOA的amoA功能基因拷贝数分别由培养初期的8.23×107减少到1.73×107、3.56×107和1.96×107。黄壤经过培养后,12C对照处理、13C+乙炔处理和13C标记处理中AOA amoA功能基因拷贝数分别为3.05×106、1.60×107、3.23×106,与培养初期相比并显著减少；AOB amoA功能基因拷贝数分别为3.09×107、1.77×107、1.30×107,与培养初期相比并没有明显变化。培养初期紫色土中的AOA、 AOB amoA功能基因拷贝数均高于黄壤。
酸性水稻土和石灰性水稻土共设13C标记处理和12C对照处理两个处理。结果如下：
在8周培养过程中,石灰性水稻土12C对照处理和13C标记处理土壤中的硝态氮分别由培养初期的0.9mg/kg增加到215.4和205.4mg/kg,加入的800mg/kg铵态氮含量分别减少到了10.8和40.4mg/kg;而酸性水稻土两个处理土壤中硝态氮含量分别为60.0和60.8mg/kg,相较于培养初期的4.0mg/kg并没有明显增加,铵态氮含量分别减少到了556和561mg/kg。表明,在石灰性水稻土和酸性水稻土中均发生了明显的硝化作用。
在培养过程中,石灰性水稻土12C对照处理和13C标记处理中AOB amoA功能基因拷贝数由培养初期的9.99×107增加到6.68×108和8.67×108,而AOA的amoA功能基因拷贝数与培养初期相比差异不明显；酸性水稻土13C标记处理和12C对照处理AOA amoA功能基因拷贝数由培养初期的9.58×106增加到2.98×108和1.35×108,而AOB amoA功能基因拷贝数与培养初期相比没有明显差异。在石灰性水稻土中AOA、AOB amoA功能基因拷贝数均高于酸性水稻土。
本研究阐述了土壤pH对硝化作用和氨氧化微生物的影响,以及在中性紫色土和水稻土中硝化作用的主要推动者。由实验结果可得到如下结论：(1)土壤pH显著影响土壤的硝化作用,土壤pH在4.2-8.2之间,pH越高,硝化作用越强。(2)土壤pH显著影响土壤中氨氧化微生物的种类,在中性和石灰性土壤中,氨氧化微生物在数量上以AOB为主导,在酸性土壤中以AOA为主导。(3)土壤pH显著影响硝化微生物活性。(4)中性紫色土和石灰性水稻土中推动硝化作用的AOB100%属于Nitrosospira Cluster3类群。酸性水稻土中AOB主要类群为Nitrosomonas Cluster。酸性水稻土中AOA主要类群为Group1.1b,而石灰性水稻土中AOA均属于Group1.1a。石灰性水稻土中AOA16S主要类群为Group1.1a,在酸性水稻土中AOA16S主要类群为Group1.1b。
