氮是土壤最重要的营养元素之一，其中土壤可溶性氮[硝态氮(NO₃^--N)、铵态氮(NH₄⁺-N)、可溶性有机氮(SON)、可溶性氨基酸等]是土壤中能被植物直接吸收利用的有效态氮，与植物的营养生长直接相关，也是衡量土壤肥力的重要指标之一^[1-4]。当前，在全球气候变暖作用下土壤温度持续上升^[5]，这一过程加速了土壤有机质的降解，提高了土壤中有效氮含量^[6]。研究表明，土壤增温处理能显著改变土壤无机氮含量，但对土壤可溶性有机碳无显著影响^[7]；土壤SON含量在夏季高温时高于冬季^[8]，也可能低于冬季^[9]，也可能与秋季、冬季相比无差异，但低于温度较低的春季^[10]。由于以上研究均在野外条件下，受到土壤质地及土壤其他的一些物理化学特性的变化、土壤植被类型、水文条件等因素的影响，使土壤可溶性氮对温度的反应出现尚有争议的结果，因此有必要加强温度对土壤可溶性氮的影响研究。

此外，温度还是影响土壤微生物生长和呼吸作用、酶动力的限制因子^[11]。温度影响土壤胞外酶的产生和周转，间接影响土壤腐殖质分解的温度敏感性^[12]，酶对温度的敏感性因季节性温度不同存在差异^[13]。已有大量的研究表明，在有机质含量较高的森林土壤和农田土壤中，温度与土壤脲酶、硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性密切相关^[14]；土壤增温能显著提高脲酶^[15-17]、转化酶、过氧化氢酶活性^{[15, 17]}，但降低了土壤碱性磷酸酶活性^[16]，改变与C、N和P相关的土壤生物化学过程^[18]，但目前关于温度对丘陵山地红壤可溶性氮及氮代谢酶的影响尚未见相关报道。为了摸清温度因素对山地红壤区果园土壤可溶性氮及氮代谢酶活性的影响，本研究采用室内恒湿培养试验探讨不同培养温度下山地果园土壤可溶性氮及氮代谢酶活性的变化规律，以期为丘陵红壤区土壤氮素管理提供科学依据。

1.   材料与方法

1.1   试验设计

培养用土为福州市郊的果园红壤，将取回的土壤去除砾石、草根等，捏碎后风干，待风干至土壤含水量约5%时过0.2 mm筛，采用室内好气恒湿培养法培养。土壤理化性状如下：总氮(TN)、总磷(TP)、总钾(TK)分别为1.10、1.62%、23.36 g·kg^-1，有机质2.13 g·kg^-1，pH值5.23，速效氮7.0 mg·kg^-1，有效磷痕量，速效钾32.1 mg·kg^-1。土壤未培养时土壤NO₃^--N、NH₄⁺-N、SON和TSN含量分别为：13.30、7.42、10.84、31.56 mg·kg^-1。准备108个容积200 mL的玻璃培养瓶，洗净烘干，然后称取100 g过0.20 mm筛后的土壤放入玻璃培养瓶中，调节其含水量至20%(相当于田间持水量的60%)，用封口膜封口，分别放入不同温度的培养箱中培养，培养温度分别为：10℃、15℃、20℃、25℃，每处理3次重复。培养3个月(2015年10月1日至12月29日)，第1个月每隔7 d取1次样，第2个月每隔10 d取1次样，第3个月每隔15 d取1次样。根据测定指标将土样放入冰箱保存或风干备用。

1.2   测定方法

1.2.1   土壤可溶性氮的测定

称取过1 mm筛的鲜土10 g，加入2 mol·L^-1 KCl提取液提取土壤溶液，参照鲁如坤^[19]《土壤农业化学分析方法》采用比色法测定NO₃^--N和NH₄⁺-N含量，采用TOC-TN分析仪测定提取液的可溶性全氮(TSN)含量，可溶性有机氮SON=TSN-(NH₄⁺-N)－(NO₃^--N)。

1.2.2   酶活性测定

参照关松萌^[20]及林先贵^[21]的方法测定脲酶、蛋白酶、天冬酰胺酶和谷氨酰胺酶。其中脲酶采用靛酚蓝比色法测定，蛋白酶采用福林酚比色法测定，天冬酰胺酶和谷氨酰胺酶采用纳氏试剂法测定。

1.3   数据处理与分析

用Excel进行数据处理，SPSS 19.0进行统计分析，方差分析采用单因素方差分析法和LSD多重比较法分析。

2.   结果与分析

2.1   温度对土壤可溶性氮的影响

2.1.1   土壤NO₃^--N

培养温度对土壤NO₃^--N含量的影响如图 1所示。从图 1可知，随着培养时间的延长，土壤NO₃^--N含量呈先增加后降低的趋势，10℃培养NO₃^--N含量逐渐升高，在48 d达到最大值，为31.20 mg·kg^-1，随后降低，15℃、20℃和25℃培养NO₃^--N含量出现最大值时间较10℃晚，在58 d时达到最大值，分别为20.71、22.61、23.68 mg·kg^-1，表明该区域土壤硝化作用持续时间在58 d内，这与袁巧霞等研究结果^[22]一致，随后4种培养温度下，土壤NO₃^--N含量均降低，这可能与土壤微生物消耗或转化NO₃^--N有关。从培养温度看，9次取样均表现为随着培养温度升高，土壤NO₃^--N含量显著增加，其中25℃时土壤NO₃^--N含量最高，15℃、20℃和25℃在58 d出现最大值，而10℃时NO₃^--N含量最低，出现最大值的时间也最早，在培养48 d就出现最大值，且NO₃^--N含量曲线变化最为平缓。相关性分析表明，除7 d和48 d外，培养温度与土壤NO₃^--N含量均达到极显著正相关(P < 0.01)(表 1)，说明10~25℃范围内，温度对土壤硝化作用的增加效应达到显著水平，随着温度的升高，硝化作用增强。

图  1  不同培养温度条件下土壤NO₃^--N、NH₄⁺-N、TSN、SON含量动态变化规律

Figure  1.  Changes on NO₃^--N, NH₄⁺-N, TSN and SON under varied temperatures

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表  1  温度与土壤可溶性氮的相关性

Table  1.  Correlation between temperature and soluble N in soil

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2.1.2   土壤NH₄⁺-N

从图 1可知，随着培养时间的延长，土壤NH₄⁺-N含量总体呈降低趋势，10℃时NH₄⁺-N含量变化较为平缓，在培养48 d时其值最大，而15℃、20℃和25℃均在培养7 d时值最大，随后逐渐降低。表明土壤中存在持续的NH₄⁺-N转化为NO₃^--N的硝化作用过程，这与土壤NO₃^--N含量动态变化的结果一致。从培养温度看，除第一次取样外，均表现为随着培养温度的增加，土壤NH₄⁺-N含量呈显著降低趋势，其中25℃时土壤NH₄⁺-N含量最低，这可能是因25℃为土壤硝化作用最佳温度，因此NH₄⁺-N大量转化为NO₃^--N，也可能和温度升高土壤中的氨挥发；10℃土壤NH₄⁺-N含量最高。相关性分析表明，除7 d外，培养温度与土壤NH₄⁺-N含量均达到显著负相关(P < 0.05)，其中21、28、38、48、73 d取样达到极显著负相关(P < 0.01) (表 1)。

2.1.3   土壤TSN和SON

从图 1可知，随着培养时间的延长，10、15、20和25℃4种培养温度下，土壤SON均在48 d出现最大值，分别为34.01、49.01、44.37、41.22 mg·kg^-1，在21 d和58 d出现2个小峰值。4种培养温度下土壤TSN也是在48 d出现最大值，而48 d前变化较为平缓，48 d后逐渐降低。表明土壤中微生物对有机质存在“水解-消耗-水解”的过程，使土壤TSN和SON含量出现折线变化趋势。从培养温度看，培养前期(7~21 d)，土壤TSN和SON含量随着培养温度的升高而增加。这可能是由于该时期为培养的初始时期，随着温度升高，土壤微生物活性升高^[11]，对有机质的分解也加强，因此导致使TSN和SON含量随温度的升高而增加；中后期(28~88 d)，微生物的大量繁殖，其对养分需求也不断增加，TSN和SON含量随着培养温度的升高而降低。相关性分析表明，土壤TSN与培养温度之间无显著相关性，而SON仅培养中期(28 d、38 d)与培养温度之间达到极显著相关性，培养后期(73 d)显著相关，其他取样时间均无显著相关性(表 1)。

2.2   温度对氮代谢酶活性的影响

如图 2所示，随着培养时间的延长，土壤脲酶活性呈“升-降-升-降”的抛物线动态变化趋势，10℃和15℃处理在58 d取样时脲酶活性最大，为312.02 mg·kg^-1和317.94 mg·kg^-1，这与TSN和SON含量变化趋势一致，20℃处理在21 d达到最大值，为324.38 mg·kg^-1，而25℃处理达到最大值的时间最早(14 d)，4种培养温度均在培养中期(38 d)脲酶活性达到最小值，分别为73.79、65.40、69.84、64.92 mg·kg^-1。培养温度对脲酶活性无显著影响。土壤蛋白酶活性随培养时间的延长无明显的变化规律，培养前期、中期(7~58 d)，蛋白酶活性较为稳定，到培养后期(73 d和88 d)时，蛋白酶活性突然降低。而蛋白酶活性总体变化趋势为15℃、20℃的蛋白酶活性高于10℃和25℃，说明在本研究条件下，蛋白酶活性最适合的温度为15~20℃。土壤天冬酰胺酶活性随培养时间的延长呈折线上升后下降的变化规律，4种培养温度均在58 d取样土壤天冬酰胺酶达到最大值，分别为156.64、211.16、182.71、191.69 mg·kg^-1，到培养后期(73 d和88 d)天冬酰胺酶活性降低。天冬酰胺酶活性表现为随着培养温度的增加而增强，其他取样时间则表现为温度对天冬酰胺酶活性无显著影响。土壤谷氨酰胺酶活性随培养时间的延长呈折线上升的变化趋势，其中88 d土壤谷氨酰胺酶达到最大值，分别为2 292.80、2 288.31、2 216.43、2 174.49 mg·kg^-1。培养中期(28~58 d)，谷氨酰胺酶活性的整体趋势表现为随着培养温度的增加而增强，7 d 15℃和20℃处理显著高于10℃和25℃，48 d和73 d，15℃、20℃和25℃处理显著高于10℃，58 d 15℃显著高于10℃和25℃，其他取样时间则表现为温度对谷氨酰胺酶活性无显著影响。

图  2  不同培养温度条件下4种酶活性变化规律

Figure  2.  Changes on activities of 4 enzymes under varied temperatures

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表  2  4种温度下可溶性氮与氮代谢酶的相关性

Table  2.  Correlation between soluble N and N metabolism enzymes in soil under 4 varied temperatures

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脲酶、蛋白酶、天冬酰胺酶和谷氨酰胺酶是和土壤有机氮水解相关的酶，4种氮代谢酶活性与土壤可溶性氮相关性分析结果(表 2)表明，15℃、20℃、25℃蛋白酶与土壤硝态氮含量显著正相关(P < 0.05)，10℃天冬酰胺酶活性与SON含量显著正相关(P < 0.05)，15℃和25℃蛋白酶与土壤铵态氮含量显著正相关(P < 0.05)，15℃天冬酰胺酶与土壤硝态氮含量显著正相关(P < 0.05)，20℃脲酶与SON含量显著正相关(P < 0.05)，蛋白酶与TSN含量显著正相关(P < 0.05)。

3.   讨论和结论

土壤SON作为土壤有机氮库中最活跃的组分之一，与土壤无机氮之间互为源和汇，不仅影响土壤无机氮(铵态氮、硝态氮)营养供给，自身也是植物和微生物的直接营养物质^{[3, 23]}。土壤SON的含量与土壤类型、土地利用类型、覆盖的植被类型、土壤管理措施、环境因素及抽提方法等相关^[24-25]。在野外条件下，Mcell等^[8]研究发现，冬季低温时土壤SON含量较低，随着温度的升高SON含量增加，到夏季高温时其含量高于冬季。然而Huang等^[9]发现，因夏季温度高，矿化速率较高，SON含量反而比较低。而Farrell等^{[10, 26]}研究发现，春季当植物生长时，土壤可溶性有机氮含量增加，当随着温度升高时，含量反而降低，当进入秋季温度降低时，无明显变化。Lipson等^[27]研究表明，春季高寒草地以蛋白质形式存在的可溶性有机氮含量迅速增加。而本研究发现，在人工培养条件下，10~25℃范围内，土壤SON和TSN与的相关性不显著，表明土壤SON含量可能主要受外源有机质、植物生长消耗的影响，而受10~25℃范围的土壤温度影响不大。本研究还发现，土壤硝态氮含量随温度的增加而增加，这与大多数研究的结果一致^[28-29]，表明在10~25℃范围内，土壤硝态氮对温度的敏感性强于土壤SON。

土壤酶是影响土壤中生化反应的重要参与者，温度是酶活性变化的重要限制因子。秦纪洪等^[17]研究发现，在0~37℃内，亚高山森林土壤酶活性随着培养温度增加^[17]；陈书涛等^[15]研究发现农田土壤温度增加，土壤脲酶、转化酶和过氧化氢酶活性显著提高；施入高分子缓释肥后，土壤温度从25℃升至35℃时土壤脲酶活性提高，土壤碱性磷酸酶活性则降低^[16]。以上研究所取的土壤为森林土壤、农田土壤，其有机质含量较高。而本研究发现，在相同含水量下，不同培养温度对脲酶活性无显著影响，这可能与本研究的土壤性质有关。当土壤中缺乏发挥酶活性的基质时，土壤酶活性对温度的敏感性较弱^[30], 土壤蛋白水解酶活性受到温度的影响仅在土壤温度接近4℃时较为显著，而基质对蛋白水解酶的影响贯穿所有的生长季节^[31]，由于本研究采用丘陵山地采用清耕方式耕作的土壤，其质地较为瘠薄，有机质含量低，这可能是导致4种酶对土壤温度不敏感的主要原因。

至此，得出如下结论：

(1) 随着培养时间的延长，土壤NO₃^--N含量呈先增加后降低的趋势，在培养48~58 d期间达到最大值；土壤NH₄⁺-N含量呈降低趋势，培养73 d后趋于稳定；土壤TSN和SON含量呈先升高后降低再升高的趋势。

(2) 培养温度对TSN和SON影响不显著，但与土壤NO₃^--N含量显著正相关，随着培养温度升高，NO₃^--N含量呈显著增加趋势；与土壤NH₄⁺-N含量显著负相关，随着培养温度的增加显著降低。

(3) 随着培养时间的延长，土壤脲酶活性呈“升-降-升-降”的抛物线动态变化趋势；土壤蛋白酶活性表现为培养前期、中期(7~58 d)高于培养后期(73 d和88 d)；土壤天冬酰胺酶活性呈折线上升后下降的变化规律；土壤谷氨酰胺酶活性呈折线上升的变化趋势。从培养温度看，在本研究设定的温度范围内，土壤温度的变化对脲酶活性无显著影响，但在部分取样时间内对蛋白酶、天冬酰胺酶和谷氨酰胺酶活性有显著影响。