连续耕作对荒漠绿洲农田土壤无机氮含量和硝化过程的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00337

摘要/Abstract

摘要：

在干旱区荒漠绿洲生态系统中，连续耕作对土壤无机氮转化与硝化过程的长期影响及其微生物学基础尚不清楚，制约了对氮素管理与温室气体减排的科学认知。为揭示荒漠绿洲农田连续耕作对土壤硝化过程的影响，本研究以河西走廊典型绿洲区未开垦沙地（USL）、连续耕作24 a新农田（YOF）和连续耕作54 a老农田（OOF）为研究对象，系统分析土壤理化性质、无机氮动态、硝化潜势（PNR）、净硝化速率（NNR）、氨氧化潜势（PAO）、N₂O排放速率及氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）的变化特征，并采用抑制剂法评估AOA和AOB对氨氧化潜势和N₂O排放的相对贡献。结果表明：连续耕作降低BD和沙粒含量，质地由砂质向壤质转变，NH $4 +$ -N、NO $3 -$ -N、TN、SOM和DOC等养分显著积累。连续耕作显著增强了土壤无机氮矿化和硝化强度，OOF处理的NH $4 +$ -N、NO $3 -$ -N及其排放强度均最高（P<0.05）。PNR和NNR随耕作年限增加显著升高，OOF分别较USL提高约7.4倍和3.9倍。PAO亦随耕作年限增加而增强，且AOA驱动的PAO贡献更大。N₂O排放在OOF处理中最高，且由AOB驱动的贡献占主导。qPCR结果表明，连续耕作显著提高AOA与AOB基因丰度（P=0.001），AOA拷贝数高出AOB 1~2个数量级。PLS-PM表明硝化功能基因丰度对PNR具有最强正向效应（0.575），PAO次之（0.274），而土壤物理性质表现为负效应（-0.516）。连续耕作通过改善土壤结构、促进氮素积累及氨氧化微生物活性显著增强了硝化潜势。

关键词: 绿洲农田, 氨氧化潜势, 潜在硝化速率, N₂O排放, 无机氮

Abstract:

To investigate the effects of continuous cultivation on soil nitrification in desert oasis farmland， this study was conducted in typical oasis fields of the Hexi Corridor， including an uncultivated sandy land （USL）， a young oasis field （YOF， 24 years） and a old oasis field （OOF， 54 years of cultivation）. Soil physicochemical properties， inorganic nitrogen dynamics， potential nitrification rate （PNR）， net nitrification rate （NNR）， potential ammonia oxidation （PAO）， N₂O emission rates， and the abundance of ammonia-oxidizing bacteria （AOB） and archaea （AOA） were systematically analyzed. The relative contributions of AOA and AOB to PAO and N₂O emissions were assessed using selective inhibitor assays. Results showed that continuous cultivation decreased bulk density and sand content， shifted soil texture from sandy to loamy， and significantly increased NH $4 +$ -N， NO $3 -$ -N， total nitrogen， soil organic matter， and dissolved organic carbon. Prolonged cultivation enhanced inorganic nitrogen mineralization and nitrification， with OOF showing the highest NH $4 +$ -N and NO $3 -$ -N concentrations and emission rates （P<0.05）. Both PNR and NNR increased significantly with cultivation duration， with OOF being 7.4- and 3.9-fold higher than USL， respectively. PAO also increased with cultivation， with AOA-driven PAO contributing more than AOB. N₂O emission rates were highest in OOF and dominated by AOB. qPCR analysis indicated that continuous cultivation significantly increased the abundance of both AOA and AOB （P=0.001）， with AOA gene copy numbers being 1-2 orders of magnitude higher than AOB. Partial least squares path modeling （PLS-PM） revealed that the abundance of nitrification functional genes had the strongest positive effect on PNR （0.575）， followed by PAO （0.274）， while soil physical properties exerted a negative effect （-0.516）. Overall， continuous cultivation significantly enhanced the soil nitrification potential by improving soil structure， increasing nitrogen accumulation， and stimulating ammonia-oxidizing microbial activity.

Key words: oasis farmland, potential ammonia oxidation, potential nitrification rate, N₂O emissions, inorganic nitrogen

中图分类号:

王丽莎, 戴伊婷, 王川, 陈龙飞, 何志斌. 连续耕作对荒漠绿洲农田土壤无机氮含量和硝化过程的影响[J]. 中国沙漠, 2026, 46(1): 63-73.

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图/表 6

图1 研究区和采样点位置示意图

Fig.1 Distribution of the study region and sample points

表1 不同采样点土壤理化性质

Table 1 Soil physicochemical properties across different sampling plots

样地

SMC

/(g·cm^-3)

Sand

/(g·kg^-1)

NH $4 +$ -N

/(mg·kg^-1)

NO $3 -$ -N

/(mg·kg^-1)

/(g·kg^-1)

SOM

/(g·kg^-1)

DOC

/(mg·L^-1)

表1 不同采样点土壤理化性质

Table 1 Soil physicochemical properties across different sampling plots

样地

SMC

/(g·cm^-3)

Sand

/(g·kg^-1)

NH $4 +$ -N

/(mg·kg^-1)

NO $3 -$ -N

/(mg·kg^-1)

/(g·kg^-1)

SOM

/(g·kg^-1)

DOC

/(mg·L^-1)

自然沙地

4.2±0.8^c

1.7±0.02^a

95.0±1.4^a

8.6±0.1^a

1.0±0.01^a

2.4±0.3^c

0.6±0.1^c

0.1±0.0^c

4.9±0.4^c

2.6±0.4^c

新农田

10.4±1.5^b

1.5±0.03^b

78.4±2.5^b

8.4±0.1^ab

1.0±0.01^a

63.6±3.7^b

3.5±0.2^b

0.5±0.0^b

16.0±1.6^b

22.4±2.4^b

老农田

13.6±1.6^a

1.4±0.02^c

64.4±3.8^c

8.2±0.1^b

1.1±0.01^a

92.4±3.4^a

4.5±0.3^a

0.9±0.1^a

21.5±1.0^a

30.0±3.5^a

图2 培养期间土壤无机氮动态变化特征注：不同小写字母表示不同样地间差异显著（P＜0.05）

Fig.2 Dynamic changes in soil inorganic nitrogen during incubation

图3 连续耕作对土壤NNR、PNR、PAO和N2O排放速率的影响

Fig.3 Effects of continuous cultivation on soil NNR， PNR， PAO， and N2O emissions

图4 连续耕作对土壤氨氧化微生物基因丰度的影响

Fig.4 Effects of continuous cultivation on soil ammonia-oxidizing microbial gene abundance

图5 PNR与环境因子间的偏最小二乘路径模型（PLS-PM）（A），标准化总效应（B）和载荷系数（C）注：路径系数强度由箭头的宽度反映，红色实线表示显著的正效应，蓝色实线表示显著的负效应，虚线表示该效应不显著；*表示P<0.05，**表示P<0.01；R2表示变量的解释率；GOF表示拟合优度，是模型预测优度的衡量标准；AVE表示提取平均方差，用于估计模型的聚合有效性

Fig.5 PLS-PM of PNR and environmental factors （A）， standardized total effects （B）， and loadings coefficients （C）

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