土壤质地与盐分水平对硝化相关氮转化（Nitrification-Related Nitrogen Transformations）交互作用的影响

《Agronomy》：Interactive Effects of Soil Texture and Salinity Levels on Nitrification-Related Nitrogen Transformations in Soils

　　

土壤盐分显著调控土壤氮（N）转化过程，但土壤质地如何介导盐分诱导的土壤氮转化变化仍缺乏定量评估。研究人员通过开展三种植质地（砂质壤土（loamy sand）、粉砂壤土（silt loam）和黏壤土（clay loam））与盐分梯度（0、3和6 g kg^?1）的56天柱培养实验，评估了土壤身份与盐胁迫对无机氮浓度的交互效应。实验在25 ± 1 °C和约60%持水量（WHC）条件下统一施用尿素（215 mg N kg^?1土壤），并监测了培养期间土壤无机氮组分及脲酶活性的动态变化。结果表明，盐扰动下土壤无机氮浓度呈现明显的土壤特异性变化模式：砂质壤土表现出显著的NO₃^?-N积累，而黏壤土表现出更强的NH₄⁺-N保持和更为显著的瞬时NO₂^{?-N积累。在非盐渍对照处理中，砂质壤土的最终NO₃?-N浓度达到202.14 mg kg?1，较黏壤土高48.4%。土壤盐分升高通常延长NH₄+-N保持和瞬时NO₂?-N积累，同时限制NO₃?-N形成，且这种盐诱导变化的高度依赖土壤质地和培养阶段。具体而言，3和6 g kg?1盐分处理使黏壤土的最终硝酸盐含量分别降低14.3%和15.4%。各处理间脲酶活性始终表现为黏壤土 > 粉砂壤土 > 砂质壤土，且该酶学差异与土壤硝酸盐积累能力解耦。冗余分析（RDA）进一步表明，电导率（EC）与NH₄+-N保持及NO₂?-N积累存在日期依赖性关联，而pH与NO₂?-N积累关系更为密切。研究结果表明，尽管初始化学性质差异排除了将土壤质地作为唯一归因因素的可能，但土壤质地与盐胁迫对无机氮响应存在异质性关联。这些结果描述的是实测无机氮库和脲酶活性，而非直接测定的硝化速率或微生物机制。在建立管理建议之前，仍需通过植物验证、混合盐处理和田间条件加以验证。}

氮肥投入是维系作物生产力与粮食安全的核心措施，然而当前氮肥平均利用率低于50%，大量未被作物吸收的氮素通过硝酸盐淋失、氧化亚氮（N₂O）排放及氨挥发等途径损失，这些损失过程与土壤硝化作用（nitrification）密切相关。硝化作用通过两步氧化反应将铵态氮转化为硝态氮，并以亚硝态氮为中间产物，直接决定土壤无机氮形态、迁移性及作物有效性。土壤质地（soil texture）作为相对稳定的物理属性，通过影响土壤通气、水分运移及离子保持能力调控硝化过程；土壤盐分则通过改变渗透势与离子毒性影响微生物介导的氮转化。然而，现有研究多独立考察土壤质地或盐分的单一效应，对于不同质地土壤在同等盐分胁迫下无机氮库变化的时序与幅度差异，以及这种差异是否与脲酶（urease，催化尿素水解的关键酶）活性变化相耦合，尚缺乏系统定量刻画。基于此，研究人员假设NaCl相关的无机氮持续性与分布变化在三种植质地土壤间存在分异，且较高的脲酶活性未必对应更强的硝酸盐积累。

研究人员在新疆喀什地区巴楚县采集0–20 cm耕层（Ap horizon）土壤，选取砂质壤土（loamy sand）、粉砂壤土（silt loam）和黏壤土（clay loam）三种对比质地（依据WRB分类均属Gleyic Fluvisols）。为消除原生可溶性盐分干扰，土壤经去离子水淋洗至淋滤液电导率（EC）低于0.5 mS cm^?1。实验采用完全随机设计，每处理3次重复，设置3（土壤质地）× 3（盐分梯度：0、3、6 g kg^?1 NaCl）共9个处理组合。土壤装入玻璃柱（内径8 cm、高30 cm），装填干重1870–2110 g，统一施加尿素（215 mg N kg^?1土壤），调节至60%持水量（WHC），在25 ± 1 °C恒温条件下培养56天，分别于第1、3、7、14、28、56天采集土样。研究系统测定了土壤NH₄⁺-N、NO₂^?-N、NO₃^?-N浓度、脲酶活性、pH及EC，采用SPSS进行双因素方差分析（ANOVA），并运用R语言vegan包开展冗余分析（RDA）以解析环境因子与氮转化指标的关联。

土壤NH₄⁺-N动态：培养期间土壤NH₄⁺-N总体呈先积累后消耗趋势，积累量始终遵循黏壤土 > 粉砂壤土 > 砂质壤土。砂质壤土在第7天达较高水平（38.64–57.28 mg kg^?1）后迅速下降；黏壤土中C1和C2处理第7天分别达117.66和128.64 mg kg^?1，保持更为持久。盐分处理普遍增强各质地NH₄⁺-N保持，其中黏壤土响应最强，土壤质地与盐分交互作用在培养第7天后显著（p < 0.001）。

土壤NO₂^?-N动态：NO₂<sup>?-N浓度远低于其他形态，主要作为硝化中间产物瞬时积累，幅度同样遵循黏壤土 > 粉砂壤土 > 砂质壤土。砂质壤土CK1和S1于第7天出现峰值，S2延迟至第14天（16.80 mg N kg?1）；黏壤土C1和C2第14天分别达34.63和31.19 mg N kg?1，瞬时积累最为明显。培养后期盐分主效应减弱，但土壤间差异持续存在。

土壤NO₃?-N动态：NO₃?-N在培养期间持续增加，成为主要氧化态无机氮库，其积累模式与NH₄+和NO₂?相反，表现为砂质壤土 > 粉砂壤土 > 黏壤土。非盐渍对照下砂质壤土CK1最终NO₃?-N浓度达202.14 mg kg?1，较黏壤土高48.4%。盐分显著降低砂质壤土NO₃?-N积累，第7天S1和S2较CK1分别降低25.3%和42.0%。黏壤土NO₃?-N始终最低，第56天CK3、C1、C2分别为136.20、116.71和115.21 mg kg?1，盐分处理使其最终硝酸盐含量分别降低14.3%和15.4%。

脲酶活性：各处理间脲酶活性表现为黏壤土 > 粉砂壤土 > 砂质壤土。砂质壤土CK1于第7天达峰值82.21 μg N g?1鲜土d?1；粉砂壤土CK2第14天达182.78；黏壤土CK3第14天达203.91。NaCl添加普遍抑制脲酶活性，6 g kg?1处理下尤为明显。值得注意的是，黏壤土尽管脲酶活性最高，却积累了最少的NO₃?-N，表明酶活性与土壤硝酸盐积累能力之间并无必然耦合关系。

土壤pH和EC：土壤pH总体表现为砂质壤土高于粉砂壤土，黏壤土相对较低，重度盐渍化下砂质壤土pH进一步升高。各土壤内EC均呈现高盐处理 > 低盐处理 > 对照的规律；高盐处理中黏壤土EC总体高于砂质壤土。

硝化指标与pH、EC关系：冗余分析显示NO₃?-N与NH₄+及NO₂?在排序空间中方向相反，砂质壤土与NO₃?-N积累关联更密切，而黏壤土及盐分处理与还原态无机氮保持关联更强。pH与NO₂?-N形成关系较为密切，EC与NH₄+及NO₂?-N积累呈日期依赖性关联。

土壤质地通过调控孔隙结构、通气性及比表面积显著影响氮转化过程。砂质壤土因大孔隙比例高、通气条件较好，有利于好氧硝化作用进行，因而NO₃?-N积累更强；黏壤土则因比表面积大、阳离子交换量高，增强了对NH₄+的吸附与层间固定，同时其较高的脲酶活性可能与黏土表面及有机-矿物复合体对酶的稳定作用有关，但这种高酶活性并未转化为更高的硝酸盐积累。盐分胁迫通过渗透胁迫和离子毒性降低微生物生物量与酶活性，延缓NH₄+消耗及NO₃?-N形成，且抑制作用随盐浓度升高而增强。不同盐离子组成对氮转化的影响存在差异，本研究仅采用NaCl处理，未来需考虑混合盐条件。此外，土壤pH缓冲能力受黏土和有机质含量调控，盐添加可通过改变离子平衡及氮转化过程影响pH。研究人员指出，该控制培养实验难以完全复现田间复杂条件，未来研究需在独立采集的土壤样品中结合直接氮过程速率测定、混合盐处理、植物参与及田间验证，以确认所观测到的质地依赖性响应在自然盐渍化农田中的普适性。研究结论表明：三种土壤在NaCl添加下呈现截然不同的无机氮动态，砂质壤土表现更强的NO₃?-N积累，而黏壤土维持更强的NH₄+-N保持及瞬时NO₂?-N积累；非盐渍条件下砂质壤土最终NO₃?-N积累量较黏壤土高48.4%，显示出脲酶活性与硝酸盐积累模式相分离的规律。土壤盐分通常延长铵态氮和亚硝态氮的持续时间并降低最终硝酸盐浓度，其响应的幅度、时序与持续时间因土壤质地而异，其中黏壤土在盐分处理下最终硝酸盐浓度下降14.3–15.4%。上述结果凸显了土壤质地在调控盐渍化土壤硝化相关氮转化响应中的关键作用，为评估盐渍化农田氮素有效性及优化氮肥管理提供了重要依据。</sup>