摘要：土壤有機(jī)氮礦化是供應(yīng)無機(jī)氮的主導(dǎo)過程，研究其變化對于認(rèn)識土壤氮素有效性和指導(dǎo)氮肥施用具有重要意義，但在巖溶區(qū)不同土地類型土壤有機(jī)氮礦化研究薄弱。本研究分別在云南建水、蒙自和勐臘巖溶區(qū)選取臍橙地、玉米地和橡膠地作為研究對象，并以臨近未受人為擾動的草地或原始林地作為對照，采用15N同位素標(biāo)記方法，研究了巖溶區(qū)草地或原始林地開墾種植農(nóng)作物后石灰土有機(jī)氮礦化(MNorg)速率變化，并區(qū)分了易分解有機(jī)氮礦化(MNlab)和難分解有機(jī)氮礦化(MNrec)對MNorg的貢獻(xiàn)。

　　研究結(jié)果表明，原始林地土壤MNorg(8.94mgNkg-1d-1)顯著高于草地(1.41–2.46mgNkg-1d-1)，且均以MNlab為主。其中，草地MNlab對MNorg貢獻(xiàn)率可達(dá)80.6%~93.1%，而在原始林地中該貢獻(xiàn)率達(dá)到62.2%。巖溶區(qū)草地或林地開墾種植經(jīng)濟(jì)作物顯著降低MNorg速率，其MNorg速率為0.53~0.89Nkg-1d-1，下降比例達(dá)62.5%~90.1%。這種差異主要受MNlab和MNrec影響，由草地開墾種植臍橙和玉米后土壤MNorg下降主要歸于MNlab速率下降，而MNrec并未發(fā)生顯著變化;原始林地開墾種植橡膠后土壤MNorg下降主要歸于MNlab和MNrec速率的共同下降。巖溶區(qū)草地或原始林地開墾種植農(nóng)作物后土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鈣和全鎂含量及土壤田間持水量、pH、陽離子交換量均顯著降低，且與土壤MNorg和MNlab呈顯著正相關(guān)，表明農(nóng)業(yè)種植過程對土壤理化性質(zhì)的改變是影響礦化速率的重要因素。

　　關(guān)鍵詞：巖溶區(qū);農(nóng)業(yè)種植;15N標(biāo)記;礦化速率;易分解有機(jī)氮

　　農(nóng)業(yè)方向評職知識：農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站人員評職稱要求

　　作為主要完成人(限前10名)，參加完成省(部)級以上本專業(yè)重大科技項目2項以上，或參加完成省轄市(廳)級本專業(yè)重大科技項目3項(限前5名)以上。獨著或第一作者，在國家核心期刊上發(fā)表本專業(yè)學(xué)術(shù)論文2篇;或在CN期刊上發(fā)表本專業(yè)學(xué)術(shù)論文4篇(其中核心期刊發(fā)表1篇)。作為主要完成人(限前7名)，獲得與本專業(yè)有關(guān)的國家發(fā)明專利，在實際工作中應(yīng)用，并取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益。

　　0引言

　　氮素是植物生長發(fā)育所需的必須營養(yǎng)元素之一[1]，也是植物從土壤中吸收量最大的礦質(zhì)元素[2]。土壤中氮素主要以有機(jī)氮形態(tài)存在，大部分有機(jī)氮在微生物的作用下轉(zhuǎn)化成銨態(tài)氮(NH4+)或硝態(tài)氮(NO3-)，以無機(jī)氮形態(tài)才能被植物吸收利用[3]。土壤無機(jī)氮持續(xù)供給是維持植物生長的重要因子，但是土壤若累積過多的無機(jī)氮，也會因氮素?fù)p失而引起負(fù)面環(huán)境效應(yīng)，如溫室效應(yīng)[4]和水體富營養(yǎng)化[5]等。因此，調(diào)查土壤無機(jī)氮的供應(yīng)過程，對于認(rèn)識土壤氮的有效性和由此產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)具有重要意義。土壤有機(jī)氮礦化是產(chǎn)生無機(jī)氮的重要途徑，礦化速率決定了土壤中供給植物生長的氮素可利用性[6-7]。土壤有機(jī)氮礦化過程作為土壤氮循環(huán)的重要過程之一，受到越來越多的關(guān)注和研究。

　　近年來，中國科研工作者已開展大量關(guān)于土壤氮礦化的研究工作，主要集中在熱帶及亞熱帶森林[8-10]、溫帶草原[11-13]和農(nóng)田土壤等方面[14-16]，且開展的研究多針對于單一的生態(tài)系統(tǒng)，而對于巖溶區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)后土壤有機(jī)氮礦化的變化研究還比較薄弱。受地質(zhì)環(huán)境條件制約巖溶生態(tài)系統(tǒng)分布廣泛[17]，按碳酸鹽巖出露面積計算，我國巖溶生態(tài)系統(tǒng)面積可達(dá)90.7萬km2[18]，約占我國國土面積的1/10。由于該地區(qū)地少人多，耕地資源匱乏，大面積的林地或草地等自然生態(tài)系統(tǒng)被破壞、被開墾而種植農(nóng)作物。人為干擾條件下，自然生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀?人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[19]，施肥和耕作等管理措施可能導(dǎo)致土壤氮礦化過程發(fā)生顯著變化。

　　先前研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)氮礦化速率與有機(jī)碳或全氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[20]。與林地或草地相比，農(nóng)田土壤有機(jī)物含量顯著下降，導(dǎo)致土壤有機(jī)氮礦化速率下降，這些研究多開展于黑土、紅壤等，對于由碳酸鹽巖發(fā)育而來的石灰土研究較少。巖溶區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)下的石灰土含有較高的鈣[21]，能夠與有機(jī)物絡(luò)合而產(chǎn)生穩(wěn)定的胡敏酸鈣[21-22]，雖然能夠提高土壤有機(jī)碳氮含量，但可能導(dǎo)致其有效性較低，易分解有機(jī)氮含量下降，反而不利于有機(jī)氮礦化速率提高。當(dāng)林地或草地開墾種植農(nóng)作物，雖然有機(jī)碳氮含量降低，但鈣固持的胡敏酸可能被釋放出，加之有機(jī)肥施用，可能促進(jìn)易分解有機(jī)氮含量提高，一定程度上增加土壤有機(jī)氮礦化速率。

　　由此可見，巖溶區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)條件下的林地或草地開墾種植農(nóng)作物后土壤有機(jī)氮礦化變化特點可能與其他地帶性土壤有較大差別[23-24]。本研究分別在云南省建水縣、蒙自市和西雙版納勐臘縣勐遠(yuǎn)國家自然保護(hù)區(qū)典型巖溶區(qū)選擇臍橙地、玉米地和橡膠地等農(nóng)田土壤，并以臨近的自然生態(tài)系統(tǒng)下的草地或原始林地土壤作為對照組，采用15N同位素標(biāo)記方法，研究了巖溶區(qū)草地或原始林地開墾種植農(nóng)作物后石灰土有機(jī)氮礦化速率變化，并區(qū)分了易分解有機(jī)氮礦化和難分解有機(jī)氮礦化對總礦化過程的貢獻(xiàn)率。研究結(jié)果可加深對巖溶區(qū)農(nóng)業(yè)種植后土壤有機(jī)氮礦化過程的了解，對于評估巖溶農(nóng)田土壤氮素有效性及土地合理利用具有重要意義。

　　1材料與方法

　　1.1研究區(qū)概況

　　采樣點分別位于云南省建水縣、蒙自市和西雙版納勐臘縣分布的巖溶區(qū)，土壤類型均為石灰土。建水縣采樣區(qū)(23°37′13″N，102°54′12″E)位于建水縣面甸鎮(zhèn)閻把寺村，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，海拔高度約260~610m，年平均氣溫為19.8℃，全年降水量805mm，集中分布在5-10月。由于人類擾動較大，該地區(qū)產(chǎn)生嚴(yán)重的植被和土壤退化，石漠化問題嚴(yán)重。所選草地為石漠化區(qū)封育自然演替至草叢階段的樣地。選擇的臍橙地已連續(xù)種植臍橙5年，種植前3年施肥量約為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，同時每年基施18000kghm-2•yr-1腐熟牛糞，其中含全氮2.8g•kg-1，全磷2.1g·kg-1，，全鉀1.7g•kg-1。

　　蒙自市采樣區(qū)(23°27’58”N，103°24’35”E)位于云南省蒙自市西北勒鄉(xiāng)碧色寨村，海拔為1800~2400m，屬典型南亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫19~21.5℃，年均降水量1572mm。上世紀(jì)50年代，該區(qū)域經(jīng)歷了大規(guī)模的砍伐開墾，石漠化問題較為嚴(yán)重，屬重度石漠化地區(qū)。研究區(qū)草地為石漠化區(qū)封育自然演替至草叢階段的樣地。選擇的玉米地已連續(xù)種植玉米2年，N、P2O5和K2O的施肥量均為90kghm-2·yr-1。

　　勐臘縣采樣區(qū)(21°43′54.47″N,101°23′14.49″E)位于西雙版納勐臘國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)勐遠(yuǎn)國家自然保護(hù)區(qū)，海拔約710~815m，屬熱帶季風(fēng)性半濕潤氣候，年平均氣溫約為21.5℃，年降水量約為1557mm，分布著石灰?guī)r山熱帶季節(jié)性雨林、半常綠或落葉季節(jié)林、竹林等，森林覆蓋率達(dá)95%以上。該區(qū)域由原始林地轉(zhuǎn)變而來的橡膠林面積較大。采樣的橡膠林種植年限為8年，種植前2年年施肥量約為12kgNhm-2•yr-1、6kgP2O5hm-2•yr-1和3.6kgK2Ohm-2•yr-1，2年之后施肥量提高至約30kgNhm-2•yr-1、15kgP2O5hm-2•yr-1和9.0kgK2Ohm-2•yr-1。

　　1.2土壤樣品采集

　　2016年9月在云南省建水縣面甸鎮(zhèn)閻把寺村、蒙自市西北勒鄉(xiāng)碧色寨村和西雙版納勐臘縣勐遠(yuǎn)國家自然保護(hù)區(qū)典型巖溶區(qū)采集臍橙地、玉米地和橡膠地等農(nóng)田土壤，并分別采集臨近的草地、草地和原始林地作為對照，每個區(qū)域采樣點坡度等條件相對一致。每個區(qū)域的草地或林地及農(nóng)田各選取3個代表性樣地作為空間重復(fù)，共采集得到18個土壤樣品。在每個樣地中間隔20m隨機(jī)選取5個1m×1m樣方，采用直徑5cm的土鉆采集0~15cm的表層土壤，剔除石塊和植物根系，將新鮮土壤混合均勻組成一個樣品，過2mm篩，保存于4℃冰箱。同時取出部分土樣在室溫下風(fēng)干，過2mm和0.25mm篩，用于測定土壤理化性質(zhì)。

　　1.315N標(biāo)記試驗

　　稱取相當(dāng)于30g干土重的新鮮土樣于250mL三角瓶中，在25℃恒溫培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)1d。預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后，每個土壤分為兩組，每組各12瓶，分別均勻加入1mL15NH4NO3或NH415NO3(15N豐度均為5%)溶液，加入的NH4+和NO3-含量分別達(dá)到50mgN•kg-1。隨后添加蒸餾水調(diào)節(jié)土壤含水量至60%WHC(田間持水量)，用封口膜封住瓶口，并用注射器針頭扎3個小孔，便于瓶內(nèi)外氣體交換，置于恒溫25℃條件下培養(yǎng)。分別在添加標(biāo)記液后0.5h、24h、48h和96h各取3瓶加入150mL2mol•L-1的KCl溶液，25℃、250rpm下振蕩1h，過濾，測定提取液中NH4+、NO3-濃度和15N豐度。

　　1.4分析方法

　　提取液NH4+-N和NO3--N含量用SkalarplusSan流動分析儀測定;浸提液中的NH4+-15N和NO3--15N用MgO-定氮合金蒸餾法，即先在浸提液中加入MgO蒸出NH4+，之后加入定氮合金再次進(jìn)行蒸餾，將NO3-轉(zhuǎn)化為NH4+蒸出，餾出液均用硼酸+混合指示劑(甲基紅+溴甲酚綠)吸收液吸收，用0.02mol•L-1硫酸溶液滴定。將含有NH4+的溶液放置于80℃烘箱烘干，用SerconIntegra2同位素比質(zhì)譜儀測定15N豐度。土壤樣品理化指標(biāo)采用常規(guī)分析方法分析[25-26]，其中：pH值(水土比為2.5:1)采用電位法測定;有機(jī)碳和全氮用SerconIntegra2元素分析儀測定;土壤田間持水量(WHC)采用室內(nèi)環(huán)刀法進(jìn)行測定;陽離子交換量(CEC)采用乙酸銨交換法測定;土壤中全磷、全鈣、全鎂、全鉀含量采用XRD法測定。

　　1.5土壤礦化速率的計算

　　將測定得到的土壤NH4+和NO3-含量和15N豐度輸入到MCMC氮素轉(zhuǎn)化模型[27]中，計算得到土壤易分解有機(jī)氮礦化速率(MNlab,mineralizationoflabileorganicNtoNH4+)和難分解有機(jī)氮礦化速率(MNrec,mineralizationofrecalcitrantorganicNtoNH4+)，總礦化速率(MNorg,mineralizationoforganicNtoNH4+)為易分解有機(jī)氮和難分解有機(jī)氮的礦化速率之和，即MNorg=MNlab+MNrec。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1土壤理化性質(zhì)

　　巖溶區(qū)受人類擾動較小的自然生態(tài)系統(tǒng)開墾種植農(nóng)作物后土壤理化性質(zhì)發(fā)生顯著改變。草地開墾種植臍橙、草地開墾種植玉米和原始林地開墾種植橡膠均顯著降低土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鈣和全鎂含量以及WHC、CEC和pH，而無機(jī)氮和全鉀含量因研究區(qū)而呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。建水地區(qū)草地開墾種植臍橙后土壤全鉀含量顯著提高，蒙自地區(qū)草地開墾種植玉米后全鉀含量無顯著性變化，而勐臘地區(qū)原始林地開墾種植橡膠后土壤全鉀含量顯著性降低。三個巖溶區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)下的土壤無機(jī)氮均以硝態(tài)氮為主，由于施肥措施不同，導(dǎo)致三個區(qū)域農(nóng)田土壤無機(jī)氮含量差異較大。建水地區(qū)臍橙地土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別達(dá)到170mgN•kg-1和144mgN•kg-1，顯著高于蒙自地區(qū)和勐臘地區(qū)。

　　3討論

　　本研究結(jié)果表明，巖溶區(qū)受人類擾動較小的自然生態(tài)系統(tǒng)(如草地和原始林地)開墾種植農(nóng)作物后土壤MNorg顯著下降，表明農(nóng)業(yè)種植顯著降低了土壤內(nèi)在的無機(jī)氮供應(yīng)能力。先前研究發(fā)現(xiàn)自然生態(tài)系統(tǒng)下植被種類的差異以及不同植被下凋落物質(zhì)量的差異會對氮素礦化過程產(chǎn)生影響[28]。不同植被類型會對植物根系分泌物及其殘體產(chǎn)生的土壤有機(jī)質(zhì)造成直接影響，從而使得土壤微生物群落發(fā)生改變，進(jìn)一步影響土壤氮素礦化過程[29]。

　　由草地或林地開墾種植農(nóng)作物后，土壤MNorg差異主要歸于土壤理化性質(zhì)的改變。先前研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳和全氮是控制土壤有機(jī)氮礦化的關(guān)鍵因素[20]，有機(jī)碳氮含量增加能夠提高礦化速率[30-31]。本研究中，土壤MNorg與有機(jī)碳和全氮含量呈顯著正相關(guān)，進(jìn)一步證實了土壤有機(jī)物在氮素礦化過程中的重要作用。巖溶區(qū)草地和原始林地開墾為農(nóng)田后，土壤有機(jī)碳和全氮含量顯著下降，較低的碳氮含量可能無法為微生物生長提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)，降低了微生物對有機(jī)物的有效分解，從而使得土壤MNorg降低。除碳氮含量外，pH也是影響礦化過程的一個重要因素。

　　先前研究發(fā)現(xiàn)隨著土壤pH下降，有機(jī)氮礦化呈下降趨勢[32-33]。本研究土壤MNorg與pH呈顯著正相關(guān)，證實了先前研究結(jié)果。草地和原始林地開墾為農(nóng)田后，由于化肥施用導(dǎo)致pH顯著下降，進(jìn)而可能會抑制微生物數(shù)量和活性[34-35]，從而抑制礦化速率。土壤水分也是影響土壤礦化過程的一個重要環(huán)境因子[33]，水分含量會影響有機(jī)氮礦化速率[36-38]。Stanford等[39]人研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)氮礦化在一定范圍內(nèi)與水分條件呈顯著正相關(guān)關(guān)系。同時有研究表明，土壤水分含量較低時將抑制微生物的繁殖和活動[40]。

　　研究區(qū)土壤MNorg與WHC呈顯著正相關(guān)支持了這一觀點。與受人類擾動較小的草地和原始林地等相比，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)破壞了土壤環(huán)境(如保水性和pH等下降)，同時也降低礦化過程的底物濃度，從而抑制有機(jī)氮礦化速率。總體來看，巖溶區(qū)草地或原始林地土壤有機(jī)氮礦化主要由易利用的有機(jī)氮礦化主導(dǎo)，其比例高達(dá)62.2%~80.6%，這主要是因為微生物衍化過程中更愿意利用土壤中易利用的有機(jī)氮而非難利用的有機(jī)氮。當(dāng)草地或林地種植農(nóng)作物后，活性的、易利用的有機(jī)氮首先被消耗掉，進(jìn)而導(dǎo)致有機(jī)氮總礦化速率顯著下降。建水和蒙自地區(qū)草地轉(zhuǎn)為農(nóng)田地后，土壤MNorg降低主要歸于易利用的有機(jī)氮礦化速率下降，難利用的有機(jī)氮礦化速率并沒有發(fā)生顯著變化。值得注意的是，勐臘縣自然保護(hù)區(qū)原始林地轉(zhuǎn)為農(nóng)田后，土壤MNorg降低主要歸于易利用的有機(jī)氮和難利用的有機(jī)氮礦化速率的共同下降，與建水和蒙自兩個采樣區(qū)表現(xiàn)出的有機(jī)氮礦化特點并不一致，這種差異可能是受土壤鈣含量影響。

　　先前研究發(fā)現(xiàn)除有機(jī)物的數(shù)量外，有機(jī)物的質(zhì)量也會對土壤氮礦化過程產(chǎn)生影響[41]。勐臘縣自然保護(hù)區(qū)原始林地石灰土鈣含量顯著高于蒙自和建水草地，含量較高的鈣能夠與有機(jī)物形成穩(wěn)定的腐殖酸鈣[21-22]，導(dǎo)致活性組分含量及有效性降低而難利用有機(jī)物含量增加[42]。因此，勐臘縣自然保護(hù)區(qū)難利用的有機(jī)氮的比例高于其他兩個地區(qū)土壤，從而導(dǎo)致勐臘縣自然保護(hù)區(qū)原始林地石灰土有機(jī)氮礦化受易利用的有機(jī)氮和難利用的有機(jī)氮礦化共同控制。原始林地種植橡膠后，施肥和耕作等管理措施加快鈣元素對有機(jī)物的保護(hù)作用，降低了土壤中難利用的有機(jī)氮含量，從而導(dǎo)致難利用的有機(jī)氮礦化速率下降。相反，建水和蒙自草地土壤鈣含量相對較低，導(dǎo)致土壤中難利用的有機(jī)氮在礦化過程中的貢獻(xiàn)較小。

　　4結(jié)論

　　巖溶區(qū)土地利用方式改變顯著影響土壤有機(jī)氮礦化過程速率。與受人類擾動較小的草地和原始林地相比，農(nóng)業(yè)利用降低了土壤有機(jī)氮礦化速率，尤其是易利用的有機(jī)氮的礦化速率，這主要歸于土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、全鈣和全鎂含量以及WHC、pH和CEC下降。總體來看，巖溶區(qū)草地或原始林地開墾種植農(nóng)作物后土壤質(zhì)量下降，進(jìn)而降低有機(jī)氮礦化過程速率，表明土壤內(nèi)在的無機(jī)氮供應(yīng)能力下降。