来源：土壤物理园地（2024年12月16日）
· 前言
水稻是中国的重要粮食作物，东北黑土区和南方红壤区是我国主要的水稻种植区域。在耕作和淹水管理下，稻田耕层土壤容重通常较小，而犁底层土壤容重较高，容重影响土壤孔隙的大小、分布和连通性，从而影响土壤中气体、水分和溶质的渗透性及交换速率。土壤的物理结构变化进而影响土壤微生物群落的组成与功能，调节氮的矿化与转化过程。氮矿化潜力决定了土壤氮的供给能力，是作物生产力和土壤肥力的关键因素，同时对后续的硝化与反硝化过程有重要影响。因此，研究稻田土壤孔隙度对氮矿化及转化的作用机制，对于优化稻田耕作和氮肥管理、提高氮肥利用效率具有重要意义。
· 方法
本研究使用微计算机断层扫描（micro-CT）技术的微观成像方法，对土壤孔隙的分布进行了三维重建和可视化，研究了不同容重下的典型稻田土壤——东北黑土和南方红壤中的土壤孔隙度分布，在模拟水稻土厌氧淹水的环境下，测量了三种不同的土壤容重（BD1.0 g/cm³、BD1.2 g/cm³、BD1.4 g/cm³）的土壤氮矿化潜力、速率和微生物氮循环功能基因，分析了各孔径对氮矿化过程及氮转化的影响。研究的主要假设为：1)土壤孔隙度分布会影响稻田土壤中氮矿化的强度和持续时间，即使在厌氧水淹环境下；2)由于土壤有机质含量和微生物群落的差异，黑土和红壤的孔隙度变化对氮矿化的影响会有所不同；3)氮矿化后续的氮转化过程将受到矿化产物可用性及孔隙微环境变化的影响。
· 结果
研究表明，随着容重降低，土壤中大孔隙（>100 μm）和中孔隙（30–100 μm）的比例增加，显著促进了氮矿化。在黑土中，大孔和中孔延长了氮矿化的持续时间；而在红壤中，它们增强了矿化强度并加速了矿化过程的完成。溶解性有机碳（DOC）作为氮矿化的关键产物，其动态变化反映了两类土壤的矿化差异：黑土中DOC持续积累，显示矿化过程较长；红壤中DOC达到峰值后迅速下降，表明矿化潜力较低、过程提前结束。微生物生物量（MB）在黑土中是氮矿化的主要来源，MB与氮矿化负相关，土壤矿化的氮越多，剩余的MB越少，且大孔和中孔的增加促进了MB的矿化。而在红壤中，MB与氮矿化无显著相关性，表明MB可能不是红壤的主要氮源池。在水淹条件下，硝化作用基本停滞，而反硝化作用受孔隙大小的调控。黑土中，大孔和中孔通过改善氧化还原条件和限制微生物活性，抑制了反硝化过程，从而减少氮的反硝化损失。nosZ基因丰度在高容重和小孔隙比例较高的条件下显著增加。这可能是由于小孔隙的微环境中氧化还原电势更低，即便在淹水状态下，小孔隙的增多仍改变了微环境的氧化还原条件，从而对易受氧化还原电势影响的nosZ基因产生调控作用。
图1 东北黑土和南方红壤在BD1.0 g/cm³、BD1.2 g/cm³、BD1.4 g/cm³容重设定下的孔隙大小分布
图2 淹水厌氧条件下东北黑土和南方红壤的氮矿化速率和累积量动态
图3 东北黑土和南方红壤中孔隙分布与氮矿化参数的相关性分析
注：P＜30、P30-100和P＞100分别表示孔径小于30 µm、30 µm至100 µm和大于100 µm的孔隙百分比。N0是土壤氮矿化潜力，K0是一阶矿化速率常数。Cum7、Cum14、Cum21和Cum28分别是土壤培养第7天、14天、21天和28天时氮矿化累积量。
图4 对东北黑土和南方红壤的孔隙分布与土壤碳及氮循环功能基因的曼特尔相关分析
· 小结
本研究揭示了土壤孔隙度分布在调控东北稻田黑土和南方稻田红壤的氮矿化及后续氮转化过程中的重要作用。研究表明，土壤孔隙度，特别是大孔和中孔，对氮矿化的强度和持续时间具有显著影响，并且这种影响在不同土壤类型中表现出差异。研究结果为理解稻田水淹条件下的氮转化过程提供了新的视角，有助于更好地管理压实稻田土壤中的氮源，并有助于减少氧化亚氮的温室气体排放。
相关成果“Dynamics of nitrogen mineralization and nitrogen cycling functional genes in response to soil pore size distribution”发表在European Journal of Soil Biology期刊上，学生李丹妮为第一作者，中国农业科学院区划所孟熠黎为通讯作者。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ejsobi.2024.103692
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