岩溶区农业种植对土壤有机氮矿化的影响

　　摘要：土壤有机氮矿化是供应无机氮的主导过程，研究其变化对于认识土壤氮素有效性和指导氮肥施用具有重要意义，但在岩溶区不同土地类型土壤有机氮矿化研究薄弱。本研究分别在云南建水、蒙自和勐腊岩溶区选取脐橙地、玉米地和橡胶地作为研究对象，并以临近未受人为扰动的草地或原始林地作为对照，采用15N同位素标记方法，研究了岩溶区草地或原始林地开垦种植农作物后石灰土有机氮矿化(MNorg)速率变化，并区分了易分解有机氮矿化(MNlab)和难分解有机氮矿化(MNrec)对MNorg的贡献。

　　研究结果表明，原始林地土壤MNorg(8.94mgNkg-1d-1)显著高于草地(1.41–2.46mgNkg-1d-1)，且均以MNlab为主。其中，草地MNlab对MNorg贡献率可达80.6%~93.1%，而在原始林地中该贡献率达到62.2%。岩溶区草地或林地开垦种植经济作物显著降低MNorg速率，其MNorg速率为0.53~0.89Nkg-1d-1，下降比例达62.5%~90.1%。这种差异主要受MNlab和MNrec影响，由草地开垦种植脐橙和玉米后土壤MNorg下降主要归于MNlab速率下降，而MNrec并未发生显著变化;原始林地开垦种植橡胶后土壤MNorg下降主要归于MNlab和MNrec速率的共同下降。岩溶区草地或原始林地开垦种植农作物后土壤有机碳、全氮、全磷、全钙和全镁含量及土壤田间持水量、pH、阳离子交换量均显著降低，且与土壤MNorg和MNlab呈显著正相关，表明农业种植过程对土壤理化性质的改变是影响矿化速率的重要因素。

　　关键词：岩溶区;农业种植;15N标记;矿化速率;易分解有机氮

　　农业方向评职知识：农业技术推广站人员评职称要求

　　作为主要完成人(限前10名)，参加完成省(部)级以上本专业重大科技项目2项以上，或参加完成省辖市(厅)级本专业重大科技项目3项(限前5名)以上。独著或第一作者，在国家核心期刊上发表本专业学术论文2篇;或在CN期刊上发表本专业学术论文4篇(其中核心期刊发表1篇)。作为主要完成人(限前7名)，获得与本专业有关的国家发明专利，在实际工作中应用，并取得显著的经济效益、社会效益。

　　0引言

　　氮素是植物生长发育所需的必须营养元素之一[1]，也是植物从土壤中吸收量最大的矿质元素[2]。土壤中氮素主要以有机氮形态存在，大部分有机氮在微生物的作用下转化成铵态氮(NH4+)或硝态氮(NO3-)，以无机氮形态才能被植物吸收利用[3]。土壤无机氮持续供给是维持植物生长的重要因子，但是土壤若累积过多的无机氮，也会因氮素损失而引起负面环境效应，如温室效应[4]和水体富营养化[5]等。因此，调查土壤无机氮的供应过程，对于认识土壤氮的有效性和由此产生的环境效应具有重要意义。土壤有机氮矿化是产生无机氮的重要途径，矿化速率决定了土壤中供给植物生长的氮素可利用性[6-7]。土壤有机氮矿化过程作为土壤氮循环的重要过程之一，受到越来越多的关注和研究。

　　近年来，中国科研工作者已开展大量关于土壤氮矿化的研究工作，主要集中在热带及亚热带森林[8-10]、温带草原[11-13]和农田土壤等方面[14-16]，且开展的研究多针对于单一的生态系统，而对于岩溶区自然生态系统转变为农业生态系统后土壤有机氮矿化的变化研究还比较薄弱。受地质环境条件制约岩溶生态系统分布广泛[17]，按碳酸盐岩出露面积计算，我国岩溶生态系统面积可达90.7万km2[18]，约占我国国土面积的1/10。由于该地区地少人多，耕地资源匮乏，大面积的林地或草地等自然生态系统被破坏、被开垦而种植农作物。人为干扰条件下，自然生态系统转变为自然-人工复合生态系统[19]，施肥和耕作等管理措施可能导致土壤氮矿化过程发生显著变化。

　　先前研究发现，土壤有机氮矿化速率与有机碳或全氮含量呈显著正相关关系[20]。与林地或草地相比，农田土壤有机物含量显著下降，导致土壤有机氮矿化速率下降，这些研究多开展于黑土、红壤等，对于由碳酸盐岩发育而来的石灰土研究较少。岩溶区自然生态系统下的石灰土含有较高的钙[21]，能够与有机物络合而产生稳定的胡敏酸钙[21-22]，虽然能够提高土壤有机碳氮含量，但可能导致其有效性较低，易分解有机氮含量下降，反而不利于有机氮矿化速率提高。当林地或草地开垦种植农作物，虽然有机碳氮含量降低，但钙固持的胡敏酸可能被释放出，加之有机肥施用，可能促进易分解有机氮含量提高，一定程度上增加土壤有机氮矿化速率。

　　由此可见，岩溶区自然生态系统条件下的林地或草地开垦种植农作物后土壤有机氮矿化变化特点可能与其他地带性土壤有较大差别[23-24]。本研究分别在云南省建水县、蒙自市和西双版纳勐腊县勐远国家自然保护区典型岩溶区选择脐橙地、玉米地和橡胶地等农田土壤，并以临近的自然生态系统下的草地或原始林地土壤作为对照组，采用15N同位素标记方法，研究了岩溶区草地或原始林地开垦种植农作物后石灰土有机氮矿化速率变化，并区分了易分解有机氮矿化和难分解有机氮矿化对总矿化过程的贡献率。研究结果可加深对岩溶区农业种植后土壤有机氮矿化过程的了解，对于评估岩溶农田土壤氮素有效性及土地合理利用具有重要意义。

　　1材料与方法

　　1.1研究区概况

　　采样点分别位于云南省建水县、蒙自市和西双版纳勐腊县分布的岩溶区，土壤类型均为石灰土。建水县采样区(23°37′13″N，102°54′12″E)位于建水县面甸镇阎把寺村，属南亚热带季风气候，海拔高度约260~610m，年平均气温为19.8℃，全年降水量805mm，集中分布在5-10月。由于人类扰动较大，该地区产生严重的植被和土壤退化，石漠化问题严重。所选草地为石漠化区封育自然演替至草丛阶段的样地。选择的脐橙地已连续种植脐橙5年，种植前3年施肥量约为160kgNhm-2·yr-1、70kgP2O5hm-2•yr-1和60kgK2Ohm-2•yr-1，3年之后年施肥量提高至280kgNhm-2•yr-1、200kgP2O5hm-2•yr-1和160kgK2Ohm-2·yr-1，同时每年基施18000kghm-2•yr-1腐熟牛粪，其中含全氮2.8g•kg-1，全磷2.1g·kg-1，，全钾1.7g•kg-1。

　　蒙自市采样区(23°27’58”N，103°24’35”E)位于云南省蒙自市西北勒乡碧色寨村，海拔为1800~2400m，属典型南亚热带季风气候，年平均气温19~21.5℃，年均降水量1572mm。上世纪50年代，该区域经历了大规模的砍伐开垦，石漠化问题较为严重，属重度石漠化地区。研究区草地为石漠化区封育自然演替至草丛阶段的样地。选择的玉米地已连续种植玉米2年，N、P2O5和K2O的施肥量均为90kghm-2·yr-1。

　　勐腊县采样区(21°43′54.47″N,101°23′14.49″E)位于西双版纳勐腊国家级自然保护区内勐远国家自然保护区，海拔约710~815m，属热带季风性半湿润气候，年平均气温约为21.5℃，年降水量约为1557mm，分布着石灰岩山热带季节性雨林、半常绿或落叶季节林、竹林等，森林覆盖率达95%以上。该区域由原始林地转变而来的橡胶林面积较大。采样的橡胶林种植年限为8年，种植前2年年施肥量约为12kgNhm-2•yr-1、6kgP2O5hm-2•yr-1和3.6kgK2Ohm-2•yr-1，2年之后施肥量提高至约30kgNhm-2•yr-1、15kgP2O5hm-2•yr-1和9.0kgK2Ohm-2•yr-1。

　　1.2土壤样品采集

　　2016年9月在云南省建水县面甸镇阎把寺村、蒙自市西北勒乡碧色寨村和西双版纳勐腊县勐远国家自然保护区典型岩溶区采集脐橙地、玉米地和橡胶地等农田土壤，并分别采集临近的草地、草地和原始林地作为对照，每个区域采样点坡度等条件相对一致。每个区域的草地或林地及农田各选取3个代表性样地作为空间重复，共采集得到18个土壤样品。在每个样地中间隔20m随机选取5个1m×1m样方，采用直径5cm的土钻采集0~15cm的表层土壤，剔除石块和植物根系，将新鲜土壤混合均匀组成一个样品，过2mm筛，保存于4℃冰箱。同时取出部分土样在室温下风干，过2mm和0.25mm筛，用于测定土壤理化性质。

　　1.315N标记试验

　　称取相当于30g干土重的新鲜土样于250mL三角瓶中，在25℃恒温培养箱中预培养1d。预培养结束后，每个土壤分为两组，每组各12瓶，分别均匀加入1mL15NH4NO3或NH415NO3(15N丰度均为5%)溶液，加入的NH4+和NO3-含量分别达到50mgN•kg-1。随后添加蒸馏水调节土壤含水量至60%WHC(田间持水量)，用封口膜封住瓶口，并用注射器针头扎3个小孔，便于瓶内外气体交换，置于恒温25℃条件下培养。分别在添加标记液后0.5h、24h、48h和96h各取3瓶加入150mL2mol•L-1的KCl溶液，25℃、250rpm下振荡1h，过滤，测定提取液中NH4+、NO3-浓度和15N丰度。

　　1.4分析方法

　　提取液NH4+-N和NO3--N含量用SkalarplusSan流动分析仪测定;浸提液中的NH4+-15N和NO3--15N用MgO-定氮合金蒸馏法，即先在浸提液中加入MgO蒸出NH4+，之后加入定氮合金再次进行蒸馏，将NO3-转化为NH4+蒸出，馏出液均用硼酸+混合指示剂(甲基红+溴甲酚绿)吸收液吸收，用0.02mol•L-1硫酸溶液滴定。将含有NH4+的溶液放置于80℃烘箱烘干，用SerconIntegra2同位素比质谱仪测定15N丰度。土壤样品理化指标采用常规分析方法分析[25-26]，其中：pH值(水土比为2.5:1)采用电位法测定;有机碳和全氮用SerconIntegra2元素分析仪测定;土壤田间持水量(WHC)采用室内环刀法进行测定;阳离子交换量(CEC)采用乙酸铵交换法测定;土壤中全磷、全钙、全镁、全钾含量采用XRD法测定。

　　1.5土壤矿化速率的计算

　　将测定得到的土壤NH4+和NO3-含量和15N丰度输入到MCMC氮素转化模型[27]中，计算得到土壤易分解有机氮矿化速率(MNlab,mineralizationoflabileorganicNtoNH4+)和难分解有机氮矿化速率(MNrec,mineralizationofrecalcitrantorganicNtoNH4+)，总矿化速率(MNorg,mineralizationoforganicNtoNH4+)为易分解有机氮和难分解有机氮的矿化速率之和，即MNorg=MNlab+MNrec。

　　2结果与分析

　　2.1土壤理化性质

　　岩溶区受人类扰动较小的自然生态系统开垦种植农作物后土壤理化性质发生显著改变。草地开垦种植脐橙、草地开垦种植玉米和原始林地开垦种植橡胶均显著降低土壤有机碳、全氮、全磷、全钙和全镁含量以及WHC、CEC和pH，而无机氮和全钾含量因研究区而呈现出不同的变化趋势。建水地区草地开垦种植脐橙后土壤全钾含量显著提高，蒙自地区草地开垦种植玉米后全钾含量无显著性变化，而勐腊地区原始林地开垦种植橡胶后土壤全钾含量显著性降低。三个岩溶区自然生态系统下的土壤无机氮均以硝态氮为主，由于施肥措施不同，导致三个区域农田土壤无机氮含量差异较大。建水地区脐橙地土壤铵态氮和硝态氮含量分别达到170mgN•kg-1和144mgN•kg-1，显著高于蒙自地区和勐腊地区。

　　3讨论

　　本研究结果表明，岩溶区受人类扰动较小的自然生态系统(如草地和原始林地)开垦种植农作物后土壤MNorg显著下降，表明农业种植显著降低了土壤内在的无机氮供应能力。先前研究发现自然生态系统下植被种类的差异以及不同植被下凋落物质量的差异会对氮素矿化过程产生影响[28]。不同植被类型会对植物根系分泌物及其残体产生的土壤有机质造成直接影响，从而使得土壤微生物群落发生改变，进一步影响土壤氮素矿化过程[29]。

　　由草地或林地开垦种植农作物后，土壤MNorg差异主要归于土壤理化性质的改变。先前研究发现土壤有机碳和全氮是控制土壤有机氮矿化的关键因素[20]，有机碳氮含量增加能够提高矿化速率[30-31]。本研究中，土壤MNorg与有机碳和全氮含量呈显著正相关，进一步证实了土壤有机物在氮素矿化过程中的重要作用。岩溶区草地和原始林地开垦为农田后，土壤有机碳和全氮含量显著下降，较低的碳氮含量可能无法为微生物生长提供充足的营养物质，降低了微生物对有机物的有效分解，从而使得土壤MNorg降低。除碳氮含量外，pH也是影响矿化过程的一个重要因素。

　　先前研究发现随着土壤pH下降，有机氮矿化呈下降趋势[32-33]。本研究土壤MNorg与pH呈显著正相关，证实了先前研究结果。草地和原始林地开垦为农田后，由于化肥施用导致pH显著下降，进而可能会抑制微生物数量和活性[34-35]，从而抑制矿化速率。土壤水分也是影响土壤矿化过程的一个重要环境因子[33]，水分含量会影响有机氮矿化速率[36-38]。Stanford等[39]人研究发现，有机氮矿化在一定范围内与水分条件呈显著正相关关系。同时有研究表明，土壤水分含量较低时将抑制微生物的繁殖和活动[40]。

　　研究区土壤MNorg与WHC呈显著正相关支持了这一观点。与受人类扰动较小的草地和原始林地等相比，农业生产破坏了土壤环境(如保水性和pH等下降)，同时也降低矿化过程的底物浓度，从而抑制有机氮矿化速率。总体来看，岩溶区草地或原始林地土壤有机氮矿化主要由易利用的有机氮矿化主导，其比例高达62.2%~80.6%，这主要是因为微生物衍化过程中更愿意利用土壤中易利用的有机氮而非难利用的有机氮。当草地或林地种植农作物后，活性的、易利用的有机氮首先被消耗掉，进而导致有机氮总矿化速率显著下降。建水和蒙自地区草地转为农田地后，土壤MNorg降低主要归于易利用的有机氮矿化速率下降，难利用的有机氮矿化速率并没有发生显著变化。值得注意的是，勐腊县自然保护区原始林地转为农田后，土壤MNorg降低主要归于易利用的有机氮和难利用的有机氮矿化速率的共同下降，与建水和蒙自两个采样区表现出的有机氮矿化特点并不一致，这种差异可能是受土壤钙含量影响。

　　先前研究发现除有机物的数量外，有机物的质量也会对土壤氮矿化过程产生影响[41]。勐腊县自然保护区原始林地石灰土钙含量显著高于蒙自和建水草地，含量较高的钙能够与有机物形成稳定的腐殖酸钙[21-22]，导致活性组分含量及有效性降低而难利用有机物含量增加[42]。因此，勐腊县自然保护区难利用的有机氮的比例高于其他两个地区土壤，从而导致勐腊县自然保护区原始林地石灰土有机氮矿化受易利用的有机氮和难利用的有机氮矿化共同控制。原始林地种植橡胶后，施肥和耕作等管理措施加快钙元素对有机物的保护作用，降低了土壤中难利用的有机氮含量，从而导致难利用的有机氮矿化速率下降。相反，建水和蒙自草地土壤钙含量相对较低，导致土壤中难利用的有机氮在矿化过程中的贡献较小。

　　4结论

　　岩溶区土地利用方式改变显著影响土壤有机氮矿化过程速率。与受人类扰动较小的草地和原始林地相比，农业利用降低了土壤有机氮矿化速率，尤其是易利用的有机氮的矿化速率，这主要归于土壤有机碳、全氮、全磷、全钾、全钙和全镁含量以及WHC、pH和CEC下降。总体来看，岩溶区草地或原始林地开垦种植农作物后土壤质量下降，进而降低有机氮矿化过程速率，表明土壤内在的无机氮供应能力下降。