氮素和多酚对不同类型植被下土壤氮转化影响及调控研究
马红亮
（一）立项依据与研究内容 1 立项依据
森林土壤中氮素转化既决定着土壤氮素的可利用性，也决定着土壤氮素保持性能，还会对环境友好产生一定压力。有机氮在土壤中所占比例高达92-98%，但是它分解缓慢，不易被植物利用；而外源氮素的输入，影响微生物群落结构（Yevdokimov et al.,2008），影响有机氮的矿化（Xue et al.,2003）和潜在有效性（崔晓阳，2007），也影响无机氮在有机物、土壤矿物、生物和非生命物质中的保持（Johnson et al.,2000; Corre et al .,2007; Fitzhugh et al.,2003; Corre, and Lamersdorf, 2004）。在氮素不足的条件下，氮素是限制植物生长的主要因素(Reich et al.,2006)，而目前生态环境正承受氮沉降的影响，特别是我国的南方，氮沉降可以达到12.9?100 kg N·hm-2·a-1（李德军等，2005），这些数字远高于森林在生长季对氮的需求量（5?8 kg N·hm-2·a-1）（郝吉明等，2001)。在这样的背景下，亚热带区域森林生态系统土壤氮素在有效性、环境友好、生态健康方面成为我们关心的问题。
有关氮沉降对生态系统可能带来的影响进行了很多研究，按照Aber et al.(1998)总结的，森林生态系统对氮输入的响应主要受两个方面的调控，一方面是输入氮素的量，另一方面是土壤自身的氮素状态，包括土壤类型、植物类型和土地利用历史。研究表明土壤中硝态氮和铵态氮的保持很大一部分是由于与酚类化合物发生反应，起非生物固定的作用保持在有机氮中（Johnson et al,2000; Kraus et al.,2004; Sotta et al.,2008; Xu et al.,2007），而且土壤原有的氮素肥力、土壤的质地（粘粒和砂粒等组成）也会影响氮素的矿化速率（Hall and Matson, 2003; Xue et al.,2003; Silver et al.,2005）；氮素的损失，比如N2O的排放也受到土壤氮状况和土地利用历史的影响（Zhang et al.,2008），不同的植被类型一方面通过对土壤氮素的吸收影响土壤氮素转化和保持（Templer et al,2005），再者，植物组织中木质素、多酚、单宁酸等次生代谢产物不同（Sean et al.,2005, Palumbo et al.,2007;
Kraus et al.,2004），在土壤中分解后对土壤中氮素的转化和保持产生的影响也不一样(Templer et al., 2005; Colman et al.,2007)，Hackl et al.(2004)对温带中性偏酸性不同植被土壤的微生物氮转化研究也发现，潜在氮的转化与土壤总氮含量和植被组成有一定关系，较高的外源氮输入土壤还会影响微生物群落结构（Yevdokimov et al.,2008），而且土壤中氮素的转化和保持受到土壤中其它养分元素的调控，比如铁（Colman et al.,2007; Davidson et al.,2008），而且氮素的转化及有效性也会影响土壤中钙、镁、磷等元素的变化，反馈调控氮素的转化（Hall and Matson, 2003），氮素转化与其它养分元素的相互作用日益得到广泛的重视（陈伏生，等, 2004），虽然在氮素对生态系统的影响做了很多工作，但每个工作都是发现了有哪些影响，有关氮素对不同类型植被下不同土壤特征中氮的转化、保持，以及与其它主要养分元素关系的影响的差异性比较不够，且有关原因探讨不深，因此这方面的工作需要加强。
已有的文献表明，有关氮素转化、保持、损失等的研究在温带开展较多（Hackl et al.,2004;Templer et al.,2005; Templer et al.,2007; Sotta et al.,2008），而对热带、亚热带也有所重视，但研究相对不足（Silver et al.,2005; Phoenix et al.,2006; Xu et al.,2007; Zhang et al., 2008），然而该区域具有丰富的水热资源、植被类型和复杂的群落结构，更为重要的它是氮沉降的多发区域，有关该区域主要森林植被下土壤氮素转化和调控因素的研究还远不够，因此本项目将针对氮素形态和多酚化合物对不同植被土壤氮素转化的差异性开展分析，研究外援氮和多酚对他们转化、以及对土壤主要养分含量和形态的影响，为深入了解氮沉降对亚热带区域生态系统土壤氮素土壤过程提供理论依据和数据支撑。
2 项目的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键问题 2.1研究内容：
? 硝态氮和铵态氮对土壤硝化、矿化和固持的影响
通过分析土壤中有机氮矿化、硝态氮还原、铵态氮氧化、硝态氮和铵态氮生物与非生物固持，研究外源氮素对土壤氮过程的影响。 ? 多酚化合物对土壤氮的固持的影响
通过分析土壤中与多酚化合物结合的氮含量，研究多酚化合物对不同土壤类型氮的固持差异性及机理。
? 外加氮素和多酚对土壤主要养分含量及形态的影响
通过分析土壤中主要养分元素，钙、镁、磷、钾、硫、铁、锰、铝的含量和形态变化，研究外加氮素和多酚化合物对其影响的差异性与相互关系。
2.2研究目标：
通过室内培养的方法，选取不同类型森林植被下土壤、不同氮含量土壤、不同质地土壤为研究对象，采用外源施加硝态氮和铵态氮、以及多酚化合物研究土壤氮素转化和其他养分元素与其关系，揭示氮沉降与多酚化合物可能对土壤氮转化与保持、养分平衡与调控影响的机理，为全面、系统的了解和认识氮沉降对亚热带区域生态系统氮素循环产生的影响提供理论支撑。
2.3 拟解决的关键问题：
? 外源氮和多酚对土壤氮素转化、保持影响的土壤差异机理分析。 ? 氮素转化与土壤其他主要养分元素的关系。
3 拟采取的研究方案及可行性分析 3.1 研究方案：
? 土壤采集：在武夷山选择几个不同海拔高度土壤，主要包括高山草甸土、
黄壤、红壤；在三明主要选取格式栲天然林、格式栲人工林、杉木人工林；在南平主要选取不同年龄序列的杉木林，有7年、22年和88年；在建瓯选取不同树种，包括阔叶树、针叶树、混交林。在不同的植被下，同一高度（选中坡）选取三个1m×1m范围的采样点，挖取0-20cm土壤，混匀，提取100kg鲜样，带回。
? 培养处理：土壤样品采集后，风干，过2mm，取200g准备培养，土壤含
水量控制在饱和持水量的50%，培养用广口瓶或塑料杯子，用塑料薄膜封口，定期加水，保持水分含量的稳定，于25培养周期为2个月，分别
于培养后第1，2，3，4，6，8周取样分析、计算。
? 实验设计：设计三种主要的处理方式：不做任何处理的土壤样品（对照，
CK）；土壤样品中添加外源物质，包括硝态氮、铵态氮和多酚化合物各两个水平（分别用NO，NH，PH表示，两个水平分别用1，2表示）；土壤样品经5%(w/v)的HgCl2溶液处理后，再添加外源物质，包括硝态氮、铵态氮和多酚化合物各两个水平（分别用TNO，TNH，TPH表示，两个水平分别用1，2表示），共有处理13个，每个处理三个重复，其中外加氮水平分别是：水平1：50mg N/kg土，水平2：150mg N/kg土；外加多酚化合物分别是：水平1：1mg /kg土，水平2：5mg /kg土。外加物以水溶液的形式加入。
? 分析方法：土壤全碳氮用CN分析仪测定，土壤提取液全氮、硝态氮、
亚硝态氮和铵态氮，磷和硫化物用流动分析仪测，主要养分（钙、镁、铁、锰、铝）含量用原子吸收分光光度计测定，钾用火焰光度计测，有机氮分组参考鲁如坤主编的《土壤农化分析》，主要利用SPSS13.0对实验结果进行统计分析。
3.2技术路线
通过室内培养的方法，选取不同类型森林植被下土壤、不同氮含量土壤、不同质地土壤为研究对象，采用外源施加硝态氮和铵态氮、以及多酚化合物研究土壤氮素转化和其他养分元素与其关系。
不同森林植被下土壤 不同氮含量土壤 不同质地土壤 室内培养 对照处理：土壤直接培养 土壤原样品 土壤经杀菌处理 外源物质
氮素和多酚对不同类型植被下土壤氮转化影响及调控研究 分析土壤中有机氮矿化、硝态氮还原、铵态氮氧化、硝态氮和铵态氮生物与非生物固持，土壤中与多酚化合物结合的氮含量，土壤中钙、镁、磷、钾、硫、铁、锰、铝的含量。 统计分析 结果计算 ? 硝态氮 ? 铵态氮 ? 多酚化合物 土壤样品 3.3可行性分析
? 项目申请者一直从事土壤碳氮循环和全球变化方面的工作，熟悉本领域
的研究动态和发展方向，具有丰富的实验经验，前期工作扎实。 ? 本课题依托福建师范大学地理学省级示范中心的基础实验室，拥有生化
培养箱，原子吸收分光光度计，火焰光度仪，离心机，全温摇床，TOC, CN分析仪、流动分析仪等先进仪器设备，可以满足本课题实验开展和分析需要，保证实验顺利地开展，取得预期成果。
? 各野外土壤采样点是我们团队长期从事研究和观测工作，已积累了大量
的土壤、植被、气候等相关基础数据，对土壤样品的选用和研究实验数据所能发挥的作用有很大保证。
? 项目参与人员科研作风严谨，责任感强，态度认真，参与积极性高。 ? 本项目的研究方案工作量适宜，课题组有足够的人员和时间开展工作，
且每年都有本科生参与实验。
4本项目的特色与创新之处
针对氮沉降可能对亚热带区域生态系统氮素转化、保持在不同植被类型和土