Tree Species Influence Nitrate and Nitrous Oxide Production in Forested Riparian Soils  

樹種對森林河岸土壤中硝酸鹽和一氧化二氮產生的影響  

來源：Nitrogen 2023, 4

氮 2023年 第4卷  

 

摘要內容

 

研究探討了六種樹種（包括ECM菌根關聯的北美紅櫟、美洲山毛櫸和AM菌根關聯的糖楓、美國梧桐等）在兩種氮輸入水平（高氮與低氮子流域）的河岸土壤中，對硝酸鹽（NO??）和一氧化二氮（N?O）產生的影響。關鍵發現包括：  

樹種與氮富集交互作用：高氮子流域中，黑櫻桃（AM關聯）土壤的NO??濃度、潛在N?O產量、pH和有機質均顯著低于其他樹種（圖2, 圖4）。  

 

 

關鍵驅動因子：  

 

土壤NO??的主要預測因子是氮富集程度（高/低子流域）和土壤濕度（表2）。  

 

 

N?O產量的最強預測因子是土壤pH（正相關），其次為有機質含量（圖5）。  

 

微生物基因作用：  

 

反硝化基因（nirK, nosZ）豐度與土壤pH呈正相關（圖5），但基因豐度與N?O產量的直接關聯較弱。  

 

nirK:nosZ比率未顯著預測N?O排放，但AM關聯樹種土壤中該比率較高（圖3）。  

 

菌根類型影響：ECM關聯樹種（如紅櫟）在高氮條件下保留更多無機氮（NH??），可能減少氮流失（圖3）。  

 

研究目的

量化樹種和菌根類型（ECM vs. AM）對河岸土壤氮循環（NO??和N?O產生）的影響。  

 

探究土壤微生物功能基因（nirK, nosZ）豐度與氮轉化過程的關系。  

 

評估氮富集（農業徑流輸入）如何調控上述關系。  

 

研究思路

實驗設計：  

 

選取美國西弗吉尼亞州West Run流域兩個子流域（高氮：受農業徑流影響；低氮：未受干擾）。  

 

采集六種代表性樹種（ECM: 北美紅櫟、美洲山毛櫸；AM: 糖楓、美國梧桐等）根際土壤（0–10 cm）。  

測量指標：  

 

土壤理化性質：pH、有機質（OM）、濕度、NO??、NH??濃度（表1）。  

 

 

N?O潛在產量：30小時厭氧培養后測定（圖4）。  

 

微生物功能基因：qPCR定量反硝化基因nirK和nosZ（表1, 圖3）。  

統計分析：  

 

非參數檢驗比較樹種/菌根類型差異。  

 

逐步回歸分析環境變量對NO??、NH??、N?O的預測作用（表2）。  

 

測量數據及研究意義

土壤氮含量（圖2, 表1）：  

 

數據：高氮子流域NO??濃度（43.01 mg N/kg）顯著高于低氮子流域（15.67 mg N/kg）。  

 

意義：證實農業徑流導致氮積累，凸顯河岸帶截留氮污染的重要性。  

潛在N?O產量（圖4, 表3）：  

 

 

數據：高氮子流域中，美國梧桐土壤N?O產量最高（0.83 mg N/kg），糖楓最低（0.26 mg N/kg）。  

 

意義：樹種選擇可調控溫室氣體排放，如優先種植糖楓可能降低N?O釋放。  

功能基因豐度（圖3, 表1）：  

 

數據：nirK和nosZ基因豐度與土壤pH正相關（圖5）；高氮區AM樹種下nirK:nosZ比率更高。  

 

意義：pH通過影響反硝化微生物活性間接調控N?O產生，但基因豐度不能直接預測過程速率。  

丹麥Unisense電極測量數據：  

 

數據：溶解N?O微傳感器定量培養液中N?O濃度，計算潛在N?O產量（單位：mg N/kg土壤）。  

 

研究意義：  

 

高精度監測：直接測定溶解態N?O，避免氣態采樣誤差，反映土壤真實產氣潛力。  

 

機制解析：結合培養實驗，揭示pH對N?O還原酶（nosZ編碼）活性的抑制效應（如pH<6.1時酶活性降低）。  

 

環境預測：證實pH是N?O排放的關鍵驅動因子（圖5），為模型參數提供實證支持。  

 

結論

樹種篩選：黑櫻桃（AM）在高氮條件下顯著降低NO??和N?O產量，適合用于減少氮污染的河岸緩沖帶。  

 

關鍵調控因子：  

 

氮富集程度主導NO??累積，土壤pH是N?O排放的最強預測因子（正相關）。  

 

微生物基因豐度（nirK, nosZ）受pH調控，但與N?O產量無直接因果關系。  

菌根類型影響：ECM樹種（如紅櫟）可能通過保留更多NH??減少氮流失，但菌根類型對N?O的預測作用不穩定。  

 

實踐意義：河岸帶管理需優先考慮土壤pH調控，并依據氮輸入水平選擇樹種（如高氮區避免種植美國梧桐）。