高佳蕊，方勝志，張玉玲，安晶，虞娜，鄒洪濤

東北黑土不同開(kāi)墾年限稻田土壤有機(jī)氮礦化特征

高佳蕊，方勝志，張玉玲*，安晶，虞娜，鄒洪濤

沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110866

【目的】分析東北黑土自然荒地開(kāi)墾種稻后土壤礦化氮含量、氮凈礦化速率和氮凈礦化率，探討土壤供氮能力及其特點(diǎn)，揭示土壤氮素的演變規(guī)律，為東北黑土的合理利用和培肥提供理論依據(jù)?！痉椒ā恳詵|北黑土自然荒地（0 a，為對(duì)照土壤，原始自然草甸植被）和不同開(kāi)墾年限（12、35、62和85 a）的稻田（地形、種植制度、施肥和水分管理等大致相同）土壤為研究對(duì)象，采用長(zhǎng)期淹水密閉-間歇淋洗培養(yǎng)方法，研究黑土自然荒地開(kāi)墾種稻后土壤有機(jī)氮礦化的特征?！窘Y(jié)果】在培養(yǎng)初期（約1個(gè)月），各年限土壤累積礦化氮量迅速增加，之后呈緩慢增加趨勢(shì)；在淹水培養(yǎng)結(jié)束（297 d）時(shí)，土壤累積礦化氮量為212.43—388.11 mg·kg-1，各開(kāi)墾年限土壤累積礦化氮量大小順序?yàn)?、12、35、85和62 a。土壤有機(jī)氮礦化過(guò)程可用混合模型（Special 模型）很好地進(jìn)行描述，并可將土壤有機(jī)氮庫(kù)分為增量氮庫(kù)和其他組分氮庫(kù)，與對(duì)照土壤（0 a）相比，各年限稻田土壤增量氮庫(kù)的氮礦化勢(shì)（N）均呈下降趨勢(shì)，其中，開(kāi)墾12 a與開(kāi)墾35、62和85 a稻田土壤的N之間均無(wú)顯著差異（＞0.05），但開(kāi)墾12和35 a稻田土壤的N顯著高于開(kāi)墾62和85 a稻田土壤（＜0.05），而礦化速率常數(shù)（k）均呈上升趨勢(shì)，但各年限田土壤的k之間均無(wú)顯著差異（＞0.05）；開(kāi)墾12和35 a稻田土壤其他組分氮庫(kù)的礦化速率常數(shù)（0）無(wú)顯著變化（＞0.05），但開(kāi)墾62和85 a稻田土壤的0則顯著下降（＜0.05）。各年限土壤氮凈礦化速率在培養(yǎng)4 d時(shí)為最大，之后逐漸下降，在淹水培養(yǎng)結(jié)束（297 d）時(shí)，土壤氮凈礦化速率大小順序與其累積礦化氮量的大小順序相一致；各年限土壤氮凈礦化率在淹水培養(yǎng)初期較高，之后緩慢增加，在培養(yǎng)結(jié)束（297 d）時(shí)，土壤氮凈礦化率為78.60—101.82 mg·g-1，各開(kāi)墾年限土壤氮凈礦化率的大小順序?yàn)? a、35 a、12 a、85和62 a；土壤全氮和C/N是影響土壤礦化氮量和氮凈礦化速率的重要因素（＜0.05）。土壤初始礦質(zhì)氮與N之和可用來(lái)表征當(dāng)季稻田土壤供氮能力大小，與對(duì)照土壤（0 a）相比，各年限稻田土壤的供氮能力顯著下降（＜0.05），開(kāi)墾12和35 a稻田土壤的供氮能力顯著高于開(kāi)墾62和85 a的稻田土壤（＜0.05）?！窘Y(jié)論】黑土自然荒地開(kāi)墾種稻85 a間，稻田土壤的供氮能力均有所下降，種稻大于35 a時(shí)下降顯著，因此在稻田土壤地力培育中應(yīng)注重土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高。

黑土區(qū)；稻田土壤；種稻年限；礦化氮；土壤供氮能力

0 引言

【研究意義】東北黑土是我國(guó)重要的商品糧基地，約占全國(guó)糧食總產(chǎn)量的21%[1]。東北黑土的結(jié)構(gòu)良好，有機(jī)質(zhì)含量高，具有豐富的土壤養(yǎng)分及良好的物理性質(zhì)[2]。土壤碳氮是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)[3]，是維系土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因素，對(duì)維持養(yǎng)分循環(huán)至關(guān)重要[4-5]。水稻在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中所吸收的氮素有50%—80%來(lái)源于土壤[6]；土壤中90%以上氮素是以有機(jī)態(tài)氮的形式存在[7-8]，有機(jī)態(tài)氮需礦化轉(zhuǎn)變成無(wú)機(jī)態(tài)氮（銨態(tài)氮或硝態(tài)氮）才能被作物吸收利用，土壤有機(jī)氮礦化過(guò)程生成的礦化氮（無(wú)機(jī)氮）是水稻生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中最主要的氮素來(lái)源[9]，因此土壤有機(jī)氮礦化能力可表征土壤的供氮潛力[10]。土壤含水量、溫度、土壤pH[11-13]等因素影響土壤微生物的生活環(huán)境，進(jìn)而影響土壤有機(jī)氮礦化過(guò)程及其礦化能力[14]。不同開(kāi)墾年限稻田土壤的性質(zhì)及環(huán)境條件會(huì)發(fā)生明顯的變化，這可能會(huì)影響土壤有機(jī)氮的礦化能力，因此開(kāi)展東北黑土不同開(kāi)墾年限稻田土壤有機(jī)氮的礦化特征研究，對(duì)于明確黑土稻田土壤的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】黑土開(kāi)墾后土壤性質(zhì)發(fā)生了很大的變化，隨著種稻年限的延長(zhǎng)，土壤有機(jī)碳、全氮含量和土壤質(zhì)地[15-18]發(fā)生了很大的變化。黑土開(kāi)墾種稻85年間，隨著種稻年限的延長(zhǎng)，土壤有機(jī)碳含量呈先增加后下降趨勢(shì)，而全氮含量大體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[19]。東北黑土區(qū)不同有機(jī)碳水平水稻土氮礦化勢(shì)及礦化速率常數(shù)具有明顯差異，土壤有機(jī)碳（氮）、C/N和pH是影響土壤有機(jī)氮礦化的重要因素[20-21]，并認(rèn)為基于一級(jí)反應(yīng)理論的混合模型（Special模型）較一級(jí)模型（One-pool模型）和雙組分模型（Two-pool模型）能夠更好地描述黑土區(qū)水稻土有機(jī)氮的礦化過(guò)程[21]。土壤的供氮能力不僅包括土壤初始礦質(zhì)氮（無(wú)機(jī)氮，主要為NH4+-N 和NO3--N），而且也包括當(dāng)季作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中土壤有機(jī)氮礦化生成的礦化氮（無(wú)機(jī)氮，主要為NH4+-N和NO3--N）[22]。土壤有機(jī)氮礦化過(guò)程生成的礦化氮是土壤礦質(zhì)氮的主要來(lái)源，土壤氮凈礦化速率是氮初級(jí)礦化速率和初級(jí)固定速率的綜合結(jié)果，可以用來(lái)表征土壤中無(wú)機(jī)氮供應(yīng)能力的大小[23-24]。李平等[25]研究表明，開(kāi)墾2年土壤氮凈礦化速率顯著低于開(kāi)墾30年土壤。顧春朝[26]研究發(fā)現(xiàn)，80余年稻田土壤氮礦化勢(shì)和氮凈礦化速率顯著高于120余年土壤。由此可見(jiàn)，不同開(kāi)墾年限對(duì)稻田土壤全氮及有機(jī)氮的礦化能力影響的研究結(jié)果不盡相同。【本研究切入點(diǎn)】目前關(guān)于東北黑土不同有機(jī)碳水平水稻土有機(jī)碳礦化特征的研究有報(bào)道，但關(guān)于東北黑土不同開(kāi)墾年限稻田土壤有機(jī)氮的礦化特征的研究比較薄弱，需進(jìn)一步深入探討?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文采用長(zhǎng)期淹水密閉培養(yǎng)-間歇淋洗法室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，研究東北黑土區(qū)不同開(kāi)墾年限（0、12、35、62和85 a）稻田土壤有機(jī)氮的礦化特征，以期明確黑土區(qū)開(kāi)墾種稻后土壤的供氮能力及供氮特點(diǎn)，為該地區(qū)黑土的合理利用及稻田土壤的合理培肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

東北黑土區(qū)（122—132° E，43—50° N）主要分布在松嫩平原山前波狀起伏臺(tái)地和漫崗丘陵區(qū)。本研究土壤樣本采自黑龍江省綏化市慶安縣，該研究區(qū)域地處中國(guó)黑龍江省中部，小興安嶺南麓向松嫩平原的過(guò)渡地帶，地理位置為127°30'—128°35' E，46°30'—47°35' N，氣候?qū)俸疁貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，溫?zé)釢駶?rùn)；年平均日照時(shí)數(shù)為2 599 h，年平均氣溫1.69 ℃，無(wú)霜期128 d，年平均降水量577 mm，研究區(qū)黑土均為黃土性沉積物發(fā)育母質(zhì)[21]。項(xiàng)目組于2015年10月通過(guò)詳細(xì)的實(shí)地調(diào)查，確定慶安縣勤勞鎮(zhèn)張家爐村為供試土壤的采集區(qū)域，在研究區(qū)內(nèi)選取典型黑土未開(kāi)墾利用的荒地（0年，作為對(duì)照土壤，以自然草甸植被為主，坡度小于3°）和不同開(kāi)墾種稻年限（12、35、62和85a）的種稻田塊；其中，不同年限稻田田塊的氣候和地形大致相同，在開(kāi)墾種稻前植被與未開(kāi)墾利用的自然草甸植被狀況相近，各年限種稻田塊每年均未施有機(jī)肥，每年施用氮、磷、鉀化肥用量（農(nóng)戶(hù)常規(guī)施用N 90—120 kg·hm-2、P2O545—60 kg·hm-2、K2O 45—75 kg·hm-2）和水分管理（農(nóng)戶(hù)常規(guī)灌溉的灌溉定額5 500—6 500 m3·hm-2）措施基本相同，但年限間存在差異；各年限種稻田塊每年秋季水稻秸稈移除，水稻殘茬隨深翻入田。土壤樣本采集時(shí)，將每個(gè)相同年限的田塊作為一個(gè)采樣區(qū)域，并確定面積大致相同的 3 個(gè)采樣單元（0.13—0.2 hm2），每個(gè)采樣單元“S”形布點(diǎn)，每點(diǎn)采樣深度為0—20 cm，采集5—7點(diǎn)均勻混合后作為一個(gè)土壤樣本，即每個(gè)年限的土壤樣本均為3次重復(fù)樣本。供試土壤的基本性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試土壤基本性質(zhì)

數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示不同年限間差異達(dá)0.05顯著水平

Different lowercase letters indicate the significance difference at 0.05 level between different years

1.2 土壤有機(jī)氮礦化培養(yǎng)試驗(yàn)

土壤有機(jī)氮礦化培養(yǎng)試驗(yàn)采用長(zhǎng)期淹水密閉培養(yǎng)-間歇淋洗法進(jìn)行[21,27]。稱(chēng)取過(guò)2 mm篩的風(fēng)干土15.0 g，置于100 mL離心管中，每管加過(guò) 2 mm篩的石英砂 7.5 g后均勻混合，每一年限樣本 3 次重復(fù)。首先，初始礦質(zhì)氮（無(wú)機(jī)氮，主要為NH4+-N 和 NO3--N）淋洗：向管中加入 30 mL蒸餾水，蓋緊離心管蓋，淋洗土樣 1 次、再向管中加入 1 mol·L-1KCl 30 mL淋洗土樣 2 次、最后向管中加 30 mL蒸餾水淋洗土樣兩次；每次淋洗時(shí)，加入蒸餾水或淋洗液后攪拌均勻，以 6 000 r/min轉(zhuǎn)速離心 10 min，每次淋洗后將上清液傾入 200 mL容量瓶，最后將淋洗液定容至 200 mL。其次，礦化氮淋洗：將初始淋洗后樣品加入 30 mL蒸餾水后攪拌均勻，置于 30 ℃恒溫箱中培養(yǎng)（培養(yǎng)溫度以土壤樣本供試區(qū)域水稻生長(zhǎng)旺盛時(shí)期的平均最高氣溫進(jìn)行設(shè)置），分別于培養(yǎng)的第 4、7、14、21、28、42、56、70、84、122、241、297天全部取出淋洗，淋洗方法與初始礦質(zhì)氮淋洗相同，并定容至 200 mL。初始淋洗液中測(cè)定礦質(zhì)氮（主要為NH4+-N 和 NO3--N），礦化淋洗液中測(cè)定銨態(tài)氮（NH4+-N）。

采用非線(xiàn)性擬合建立實(shí)測(cè)累積礦化氮量與培養(yǎng)時(shí)間關(guān)系的混合模型（Special 模型）[21,28]，Special 模型為：

N=N[1 – exp(-kt)] +0

式中，N為培養(yǎng)時(shí)間時(shí)的累積礦化氮量（mg·kg-1）；N和k分別為培養(yǎng)時(shí)間趨于無(wú)限長(zhǎng)時(shí)增量氮庫(kù)（即土樣風(fēng)干過(guò)程中死亡微生物體氮）的氮礦化勢(shì)（mg·kg-1）和礦化速率常數(shù)（d-1）；0為其他組分氮庫(kù)的礦化速率常數(shù)（mg·kg-1·d-1）；為礦化培養(yǎng)時(shí)間（d）[21,29]。

根據(jù)時(shí)間實(shí)測(cè)的累積礦化氮量，進(jìn)一步求得土壤氮凈礦化速率和氮凈礦化率；土壤氮凈礦化速率（mg·kg-1·d-1）表示單位培養(yǎng)時(shí)間（d）內(nèi)土壤礦化生成的礦化氮（NH4+-N）數(shù)量（mg·kg-1），土壤氮凈礦化率（mg·g-1）表示一段培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)1 g土壤全氮礦化生成的礦化氮（NH4+-N）數(shù)量（mg），即一段培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)土壤凈礦化氮量（mg·kg-1）與土壤全氮（g·kg-1）的比值。

1.3 測(cè)定方法

土壤有機(jī)碳、全氮采用元素分析儀測(cè)定（德國(guó)，Elementar 公司），淋洗液中 NH4+-N、NO3--N采用 AA3 自動(dòng)分析儀（Seal Analytical USA）測(cè)定。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

利用Origin 2017軟件進(jìn)行作圖，Excel 2016 和 SPSS window version 19.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，LSD法進(jìn)行多重比較。文中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果

2.1 土壤累積礦化氮量—時(shí)間曲線(xiàn)

土壤有機(jī)氮礦化過(guò)程是有機(jī)態(tài)氮經(jīng)微生物作用轉(zhuǎn)化生成為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的過(guò)程；淹水培養(yǎng)過(guò)程中，淋洗液中僅檢測(cè)出銨態(tài)氮。由圖1可見(jiàn)，各年限土壤累積礦化氮量隨時(shí)間變化的趨勢(shì)大致相同，在淹水培養(yǎng)初期（約1個(gè)月）土壤有機(jī)氮礦化速率較快，累積礦化氮量迅速增加，之后隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)增加緩慢，淹水培養(yǎng)297 d時(shí)各年限土壤累積礦化氮量為212.43—388.11 mg·kg-1；在淹水培養(yǎng)的42 d內(nèi)，開(kāi)墾12和35 a的稻田土壤累積礦化氮量要高于對(duì)照土壤（0 a），在淹水培養(yǎng)42 d后，則明顯低于對(duì)照土壤（0 a），但在整個(gè)培養(yǎng)期間，開(kāi)墾12和35 a的稻田土壤與對(duì)照土壤相比，土壤累積礦化氮量無(wú)顯著差異（＞0.05）；在培養(yǎng)1個(gè)月后，開(kāi)墾62和85 a的稻田土壤累積礦化氮量均明顯低于對(duì)照土壤（0 a）和開(kāi)墾12和35 a的稻田土壤。總體上來(lái)看，在淹水培養(yǎng)42 d 后，各開(kāi)墾年限土壤累積礦化氮量大小順序?yàn)?、12、35、85和62 a，其中，開(kāi)墾12和35 a的稻田土壤累積礦化氮量下降不顯著（＞0.05），而開(kāi)墾62和85 a稻田土壤累積礦化氮量則顯著下降（＜0.05），但二者之間無(wú)顯著差異（＞0.05）。相關(guān)分析顯示，淹水培養(yǎng)297 d時(shí)土壤累積礦化氮量與其土壤全氮之間具有顯著線(xiàn)性正相關(guān)（= 0.955，＜0.05），而與土壤C/N之間則呈顯著曲線(xiàn)負(fù)相關(guān)（= -0.927，＜0.05），說(shuō)明土壤全氮含量及C/N是影響土壤有機(jī)氮礦化的重要原因。

圖中曲線(xiàn)為利用Special模型擬合的曲線(xiàn)；不同小寫(xiě)字母表示相同取樣時(shí)間、不同年限差異達(dá) 0.05 顯著水平

2.2 Special模型對(duì)土壤有機(jī)氮礦化過(guò)程的擬合參數(shù)

利用Special模型對(duì)實(shí)測(cè)累積礦化氮量進(jìn)行擬合，其擬合參數(shù)見(jiàn)表2。從擬合方程的決定系數(shù)（2）和估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差（）及擬合度（圖1）綜合來(lái)看，Special模型均能很好地描述各年限土壤有機(jī)氮的礦化過(guò)程。各年限土壤增量氮庫(kù)的氮礦化勢(shì)（N）為146.78— 254.50 mg·kg-1，礦化速率常數(shù)（k）為0.042—0.119 d-1；與對(duì)照土壤（0 a）相比，各年限稻田土壤的N均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中，開(kāi)墾12和35 a、62和85 a稻田土壤的N之間均無(wú)顯著差異（＞0.05），但開(kāi)墾12、35 a稻田土壤的N顯著高于開(kāi)墾62 a，開(kāi)墾35 a稻田土壤的N顯著高于開(kāi)墾85 a（＜0.05）；各開(kāi)墾年限稻田土壤的k均顯著高于對(duì)照土壤（0 a），但各年限稻田間土壤的k均無(wú)顯著差異（＞0.05）。N與N（297 d）的累積礦化氮量之間具有顯著的正相關(guān)（=0.974，＜0.01），N與土壤C/N之間呈顯著曲線(xiàn)負(fù)相關(guān)（=-0.957，＜0.05），k則與土壤C/N之間呈顯著曲線(xiàn)正相關(guān)（=0.925，＜0.05），說(shuō)明土壤C/N是影響土壤增量氮庫(kù)礦化的重要因素。

表2 Special模型的擬合參數(shù)

和k分別為土樣增量氮庫(kù)的氮礦化勢(shì)和氮礦化速率常數(shù)，0為其他組分氮庫(kù)的氮礦化速率常數(shù)；2和分別為方程擬合的決定系數(shù)和估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差；同列不同小寫(xiě)字母表示差異達(dá) 0.05 顯著水平；**表示方程擬合達(dá) 0.01 顯著水平

andkare the potentially mineralizable nitrogen (N) and rate constant of mineralization of the increment N pool, respectively,kis the rate constant of mineralization of the resistant N pool;2andare the determination coefficient and the standard error of estimation of equation fitting, respectively; Different lowercase letters indicate the significantly difference at 0.05 levelamong different years; ** indicates that the equation fitting reaches a significant at 0.01 level

各年限土壤其他組分氮庫(kù)的礦化速率常數(shù)（0）為0.21—0.48 mg·kg-1·d-1，稻田土壤的0隨種稻年限延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)；其中，開(kāi)墾12和35 a稻田土壤的0與對(duì)照土壤（0 a）之間無(wú)顯著差異（＞0.05），但顯著大于開(kāi)墾62和85 a的稻田土壤（＜0.05），而開(kāi)墾62與85 a稻田土壤的0之間則無(wú)顯著差異（＞0.05）。0與土壤全氮、有機(jī)碳含量之間均具有線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系（=0.979，＜0.01；=0.899，＜0.05），但與土壤全氮的相關(guān)性更大，說(shuō)明土壤有機(jī)碳、全氮含量影響著其他組分氮庫(kù)，但土壤全氮對(duì)其他組分氮庫(kù)的礦化影響更為明顯。

2.3 土壤氮凈礦化速率和凈礦化率

各年限土壤氮凈礦化速率曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)基本相同（圖2-A）。在培養(yǎng)最初4 d時(shí)為最大（13.52—23.18 mg·kg-1·d-1），各開(kāi)墾年限土壤氮凈礦化速率大小順序?yàn)?5、12、85、62和0 a；在培養(yǎng)約1個(gè)月時(shí)，土壤氮凈礦化速率快速下降，隨后呈緩慢下降趨勢(shì)，在培養(yǎng)結(jié)束的297 d時(shí)數(shù)值較小且趨于穩(wěn)定（0.72—1.31 mg·kg-1·d-1），各開(kāi)墾年限土壤氮凈礦化速率的大小順序則表現(xiàn)為0、12、35、85和62 a，但各年限間土壤氮凈礦化速率差異較小。在培養(yǎng)結(jié)束（297 d）時(shí)，各年限土壤氮凈礦化速率與土壤全氮呈顯著曲線(xiàn)正相關(guān)關(guān)系（=0.957，＜0.05），與土壤C/N呈顯著曲線(xiàn)負(fù)相關(guān)（=-0.931，＜0.05），這也說(shuō)明土壤氮凈礦化速率大小也受土壤全氮和C/N的影響。

土壤氮凈礦化率為一段時(shí)間內(nèi)土壤中的礦化氮量與土壤全氮的比值，其數(shù)值大小表征單位數(shù)量土壤全氮中含有可礦化氮的數(shù)量或單位數(shù)量土壤全氮礦化生成的礦化氮的數(shù)量，其值越大意味著土壤中可礦化氮數(shù)量越多或礦化生成的礦化氮數(shù)量越多。各開(kāi)墾年限土壤氮凈礦化率隨時(shí)間變化的趨勢(shì)也大致相同（圖2-B）。在培養(yǎng)42 d前，各年限稻田土壤氮凈礦化率均要高于對(duì)照土壤（0 a），表現(xiàn)為開(kāi)墾85 a＞開(kāi)墾35 a＞開(kāi)墾12 a＞開(kāi)墾62 a＞自然荒地（0 a）；在培養(yǎng)42 d后，各年限土壤氮凈礦化率逐漸增加，在培養(yǎng)至120 d左右，稻田土壤氮凈礦化率均低于對(duì)照土壤，在培養(yǎng)結(jié)束（297 d）時(shí)，各年限土壤氮凈礦化率為78.60—101.82 mg·g-1，表現(xiàn)為自然荒地（0 a）＞開(kāi)墾35 a＞開(kāi)墾12 a＞開(kāi)墾85 a＞開(kāi)墾62 a，這說(shuō)明在淹水培養(yǎng)前期各年限稻田土壤可礦化有機(jī)氮數(shù)量較多，這些可礦化有機(jī)氮經(jīng)過(guò)礦化生成銨態(tài)氮成為作物吸收利用的氮源。

圖2 土壤氮凈礦化速率和凈礦化率

2.4 土壤的供氮能力

各年限土壤初始礦質(zhì)氮含量為42.82—137.92 mg·kg-1，除開(kāi)墾35 a外，其他年限稻田土壤初始礦質(zhì)氮均顯著低于對(duì)照土壤（＜0.05）（表1）。東北黑土區(qū)水稻生長(zhǎng)期約為130 d，本試驗(yàn)培養(yǎng)時(shí)間為297 d，遠(yuǎn)超過(guò)了水稻當(dāng)季生長(zhǎng)周期，因此本試驗(yàn)以Special模型擬合曲線(xiàn)計(jì)算求得各年限土壤培養(yǎng)130 d時(shí)的礦化氮量，即開(kāi)墾0、12、35、62和85 a土壤在當(dāng)季水稻生長(zhǎng)過(guò)程中的礦化氮量分別301.47、261.38、262.86、172.19和197.00 mg·kg-1，其數(shù)值與各年限土壤增量氮庫(kù)的氮礦化勢(shì)相接近，且二者之間具有顯著線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系（=0.988，＜0.01）。因此可以土壤初始礦質(zhì)氮與增量氮庫(kù)的氮礦化勢(shì)（N）之和來(lái)表征土壤的供氮能力（圖3）。與對(duì)照土壤（0 a）相比，各年限稻田土壤的供氮能力均顯著下降（＜0.05），降低幅度分別為21.22%、12.61%、47.19%和44.71%，但開(kāi)墾12與35 a、62與85 a稻田土壤的供氮能力之間均無(wú)顯著差異（＞0.05）。另外，各年限土壤初始礦質(zhì)氮占土壤供氮能力的比例分別34.66%、31.98%、36.76%、29.05%和19.81%。由此可見(jiàn)，黑土自然荒地開(kāi)墾種稻年限小于35 a時(shí)，土壤的供氮能力較大，初始礦質(zhì)氮占比較大，而在種稻年限大于35 a時(shí)，稻田土壤的供氮能力顯著下降，土壤初始礦質(zhì)氮占比也相對(duì)較小。

柱上不同小寫(xiě)字母表示差異達(dá)0.05顯著水平；NF為增量氮庫(kù)的氮礦化勢(shì)；Nmin為初始礦質(zhì)氮

3 討論

3.1 開(kāi)墾年限對(duì)黑土稻田土壤有機(jī)氮礦化特征的影響

土壤有機(jī)氮礦化過(guò)程受土壤理化性質(zhì)的影響，土地利用方式、年限的不同，其理化性質(zhì)也會(huì)存在明顯的差異[15-19]。已研究表明，淹水培養(yǎng)161 d時(shí)，土壤礦化氮數(shù)量與有機(jī)碳、全氮含量高度相關(guān)[20-21]，土壤氮礦化勢(shì)與土壤C/N呈顯著正相關(guān)，土壤氮礦化速率常數(shù)則與土壤C/N呈顯著負(fù)相關(guān)[20]。在本研究中，各年限土壤有機(jī)碳、全氮含量、C/N、初始礦質(zhì)氮等存在不同程度的差異（表1），在培養(yǎng)297 d時(shí)累積礦化氮量與土壤全氮含量呈顯著正相關(guān)，與土壤C/N呈顯著負(fù)相關(guān)，這與前人的研究結(jié)果相一致[20-21]。土壤增量氮庫(kù)的氮礦化勢(shì)（N）與土壤C/N呈顯著負(fù)相關(guān)，而氮礦化速率常數(shù)（k）與土壤C/N呈顯著正相關(guān)，其他組分氮庫(kù)的礦化速率常數(shù)（k）與土壤全氮、有機(jī)碳含量均呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明有機(jī)碳、全氮含量及其C/N在影響土壤有機(jī)氮礦化數(shù)量或氮礦化潛勢(shì)方面具有非常重要的作用。

氮凈礦化速率是氮初級(jí)礦化速率和初級(jí)固定速率的綜合結(jié)果[23-24]，當(dāng)土壤中能源物質(zhì)缺乏或C/N較小時(shí)，土壤氮初級(jí)礦化速率強(qiáng)于土壤生物的初級(jí)固定速率，此時(shí)土壤氮素轉(zhuǎn)化表現(xiàn)為土壤無(wú)機(jī)氮素的累積過(guò)程，即土壤氮凈礦化速率為正值；反之，當(dāng)土壤能源物質(zhì)充足或C/N較高時(shí)，土壤氮素轉(zhuǎn)化主要表現(xiàn)為生物的固定，土壤氮素以消耗為主[30]。一般情況下土壤C/N越低，土壤氮素礦化速率一般較大[31]。自然黑土經(jīng)開(kāi)墾種稻后，種稻62和85 a土壤全氮含量顯著降低，各年限稻田土壤C/N顯著增加（表1），說(shuō)明不同種稻年限土壤有機(jī)碳、全氮含量發(fā)生了明顯變化，同時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)、復(fù)雜程度也隨之發(fā)生了變化。本研究中，氮凈礦化速率與土壤C/N呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤全氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，因此，不同年限土壤氮凈礦化速率的差異可能與土壤全氮含量及C/N有關(guān)。開(kāi)墾年限顯著影響稻田土壤氮凈礦化速率和NH4+-N含量[25-26]。已有研究表明，開(kāi)墾年限對(duì)旱地土壤氮凈礦化速率影響顯著，好氧培養(yǎng)7 d時(shí)開(kāi)墾30 a土壤氮凈礦化速率顯著高于開(kāi)墾2 a土壤[25]，開(kāi)墾種稻年限越長(zhǎng)，越不利于土壤NH4+-N的積累[26]。在淹水培養(yǎng)297 d時(shí)，各年限土壤累積礦化氮（NH4+-N）量也具有顯著差異，種稻時(shí)間為62和85 a土壤累積礦化氮（NH4+-N）量顯著低于對(duì)照土壤和其他兩個(gè)開(kāi)墾年限稻田土壤（圖1），說(shuō)明自然黑土經(jīng)開(kāi)墾種稻時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)土壤中NH4+-N的累積數(shù)量有所下降。本研究中，在淹水培養(yǎng)4 d時(shí)，各年限稻田土壤氮凈礦化速率均大于對(duì)照土壤，而在淹水培養(yǎng)120 d后，各年限稻田土壤氮凈礦化速率均低于對(duì)照土壤（圖2-a），這說(shuō)明自然黑土開(kāi)墾種稻后，短時(shí)間淹水可使稻田土壤氮凈礦化速率增大，礦化氮數(shù)量增加，但隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，稻田土壤氮凈礦化速率減小，礦化氮數(shù)量降低，淹水時(shí)間長(zhǎng)短也是影響稻田土壤氮凈礦化速率大小的重要因素。

土壤氮庫(kù)可分為增量氮庫(kù)和其他組分氮庫(kù)，其中，增量氮庫(kù)是指土樣風(fēng)干過(guò)程中死亡微生物體氮庫(kù)[21,29]，增量氮庫(kù)的氮礦化勢(shì)（N）是在一定條件下土壤中這一部分氮庫(kù)能夠礦化成無(wú)機(jī)態(tài)氮的數(shù)量的最大值，可以用來(lái)表征土壤中這一部分氮庫(kù)的供氮容量指標(biāo)，增量氮庫(kù)的礦化速率常數(shù)（k）可用來(lái)表征這一部分氮庫(kù)礦化速率快慢的供氮強(qiáng)度指標(biāo)，而其他組分氮庫(kù)的礦化速率常數(shù)（0）則可用來(lái)表示土壤中這一部分氮庫(kù)的礦化速率快慢的供氮強(qiáng)度指標(biāo)。研究表明，土壤有機(jī)碳是影響氮礦化勢(shì)的主要因素[32-33]，土壤有機(jī)碳可以為微生物的生存提供養(yǎng)分和能量，有機(jī)碳含量越高，微生物活性越大，土壤風(fēng)干過(guò)程中死亡微生物體氮庫(kù)越多，氮礦化勢(shì)也會(huì)越大[34-35]。本研究中，與對(duì)照土壤（0 a）相比，各年限稻田土壤增量氮庫(kù)的氮礦化勢(shì)（N）均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，開(kāi)墾后種稻12和35 a的稻田土壤的氮礦化勢(shì)（N）顯著高于開(kāi)墾62與85 a的稻田土壤（表2），這與土壤有機(jī)碳的變化趨勢(shì)不完全一致（表 1），各年限稻田土壤增量氮庫(kù)的礦化速率常數(shù)（k）顯著高于對(duì)照土壤，但各年限之間k則無(wú)顯著差異（表2），N和k兩個(gè)參數(shù)與土壤C/N關(guān)系密切。從土壤其他組分氮庫(kù)的礦化速度常數(shù)（k）來(lái)看，開(kāi)墾后種稻62和85 a稻田土壤的0則顯著低于其他年限土壤（表2），0與土壤有機(jī)碳、全氮含量關(guān)系密切。這一結(jié)果說(shuō)明自然黑土開(kāi)墾種稻后土壤有機(jī)碳、全氮含量及其結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化，一方面影響了稻田土壤增量氮庫(kù)，種稻年限越長(zhǎng)，土壤增量氮庫(kù)的供氮容量減少、供氮強(qiáng)度增大；另一方面也影響了其他組分氮庫(kù)，種稻年限越長(zhǎng)，土壤其他組分氮庫(kù)的供氮容量和強(qiáng)度均有所下降。但土壤增量氮庫(kù)的供氮潛力要明顯大于其他組分氮庫(kù)的供氮潛力。另外，土壤有機(jī)氮的礦化數(shù)量及速率與土壤溫度有關(guān)，本研究中培養(yǎng)試驗(yàn)溫度（30 ℃）設(shè)置以供試區(qū)域水稻生長(zhǎng)旺盛時(shí)期平均最高氣溫進(jìn)行設(shè)置，這一溫度設(shè)置在一定程度上增加了水稻生長(zhǎng)非旺盛時(shí)期土壤有機(jī)氮的礦化數(shù)量和氮凈礦化速率，進(jìn)而也會(huì)高估各年限土壤的供氮潛力。

3.2 開(kāi)墾年限對(duì)黑土稻田土壤供氮能力的影響

土壤無(wú)機(jī)態(tài)氮（以NH4+-N和NO3--N為主）可直接被作物吸收，是表征土壤供氮能力的重要指標(biāo)[36]，也是國(guó)內(nèi)外研究土壤氮素有效性的熱點(diǎn)之一[37-38]。土壤氮凈礦化率是衡量氮素有效性的重要指標(biāo)，氮凈礦化率是指在一定時(shí)間內(nèi)土壤礦化氮數(shù)量與全氮的比例，其比值的意義為1 g全氮可礦化的氮的毫克數(shù)，其數(shù)值大小在一定程度上可以反映土壤有機(jī)氮的品質(zhì)，其值越大說(shuō)明可礦化的有機(jī)氮數(shù)量越多[39]。本研究中，各年限土壤初始礦質(zhì)氮含量（主要以NH4+-N含量為主）具有顯著差異，稻田土壤初始礦質(zhì)氮及其占全氮的比例均低于對(duì)照土壤（0 a）（表1），說(shuō)明自然黑土開(kāi)墾種稻后土壤中可供給當(dāng)季水稻吸收利用的無(wú)機(jī)態(tài)氮數(shù)量有所減少，種稻年限較長(zhǎng)時(shí)減少更為明顯。各年限土壤增量氮庫(kù)的氮礦化勢(shì)（N）占全氮的比例各不相同，開(kāi)墾0、12、35、62和85 a土壤的N占全氮的比例分別為66.83、56.88、65.47、53.60和69.11 mg·g-1，分別占培養(yǎng)297 d時(shí)氮凈礦化率的65.64%、61.52%、65.84%、68.19%和74.89%，這一結(jié)果說(shuō)明各年限土壤中增量氮庫(kù)和其他組分氮庫(kù)在土壤有機(jī)氮礦化過(guò)程中都發(fā)揮著作用，共同決定著一定時(shí)間內(nèi)土壤礦化氮數(shù)量的多少，但土壤增量氮庫(kù)的供氮潛力要明顯大于其他組分氮庫(kù)的供氮潛力。

東北黑土區(qū)水稻種植制度為一年一熟制，土壤的供氮能力大小主要體現(xiàn)在水稻生長(zhǎng)季土壤能夠提供無(wú)機(jī)氮的數(shù)量，既包括土壤初始質(zhì)氮，也包括水稻生長(zhǎng)季土壤有機(jī)氮礦化生成的礦化氮[22]。本研究結(jié)果顯示，除了各年限土壤初始礦質(zhì)氮外，土壤增量氮庫(kù)的供氮潛力是衡量各年限土壤供氮能力大小的重要指標(biāo)，各年限稻田土壤的供氮能力顯著低于對(duì)照土壤，且隨種稻年限延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，且種稻年限大于35 a稻田土壤的供氮能力顯著低于種稻年限小于35 a的稻田土壤（圖3）。這一結(jié)果顯示，黑土自然荒地開(kāi)墾種稻一定年限（大于35 a）后，不僅土壤有機(jī)碳（氮）水平有所下降，而且土壤的供氮能力也會(huì)隨之下降，因此在東北黑土區(qū)稻田土壤地力培育中應(yīng)注意土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高。

4 結(jié)論

開(kāi)墾年限對(duì)東北黑土區(qū)稻田土壤有機(jī)氮的礦化量、氮凈礦化速率和氮凈礦化率以及供氮能力具有顯著的影響。淹水培養(yǎng)297 d，經(jīng)歷不同種植年限稻田土壤的礦化氮量和氮凈礦化速率均顯著低于自然荒地土壤。土壤初始礦質(zhì)氮和土壤氮增量氮庫(kù)的氮礦化勢(shì)之和可表征土壤的供氮能力，且不同年限稻田土壤的供氮能力均顯著低于自然荒地土壤，種稻大于35 a稻田土壤的供氮能力顯著低于種稻小于35 a的稻田土壤。

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Characteristics of Organic Nitrogen Mineralization in Paddy Soil with Different Reclamation Years in Black Soil of Northeast China

GAO JiaRui, FANG ShengZhi, ZHANG YuLing*, AN Jing, YU Na, ZOU HongTao

College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University/Key Laboratory of Northeast Arable Land Conservation, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Shenyang 110866

【Objective】 The aim of this study was to analyze the mineralized nitrogen (N) content, net N mineralized rate and net N mineralized ratio (the ratio of mineralized N to total N) in paddy soil with different reclamation years in black soil, and to explore the soil N supply capacity and its characteristics, and to reveal the soil N evolution law, so as to provide the theoretical basis for rational utilization and fertilization of black soil in Northeast China.【Method】 The natural wasteland (0 years, as the control soil, original natural meadow vegetation) and paddy soils with different reclamation years (12, 35, 62 and 85 a) (topography and cropping system, fertilization, and water management, roughly the same) in black soil region were selected as the research object, and the characteristics of soil organic N mineralization after cultivated rice form natural wasteland in black soil were studied by the water-logged incubation method.【Result】 During the early stages of incubation (about 1 month) , the cumulative mineralized N increased rapidly in each year, then showed a slow increase trend.At the end of incubation (297 d), the cumulative mineralized N ranged from 212.43 to 388.11 mg·kg-1, and the order of cumulative mineralized N was 0, 12, 35, 85 and 62 a.The mineralization process of soil organic N could be well described by a hybrid model (Special model), and the soil organic N pools could be divided into the increment N pool (the N pool made available after a drying and rewetting event) and the resistant N pool.Compared with the control soil (0 a), the potentially mineralisable N (N) of the increment N pool in all paddy soils showed a decreasing trend in each year.There was no significant difference between paddy soils of 12 and 35 years, as well as 62 and 85 years, but theNin paddy soils of 12 and 35 years were significantly higher than that of 62 and 85 years (＜0.05).The rate constant (k) of mineralization of the increment N pool in paddy soils all showed an upward trend, but there was no significant difference betweenkof all paddy soils in each year (＞0.05).Compared with the control soil (0 a), the rate constant (0) of mineralization of the resistant N pool in paddy soils of 12 and 35 years did not change significantly (＞0.05), but0in 62 and 85 years decreased significantly (＜0.05).The net N mineralization rate of the soils in each year were the largest at 4 days of incubation, and then decreased gradually.At the end of water-logged incubation (297 d), the order of the soil net N mineralization rate was consistent with that of the cumulative mineralization N.The net N mineralized ratio was relatively high at the beginning of incubation, and then increased slowly.At the end of incubation (297 d), the net N mineralized ratio ranged from 78.60 to 101.82 mg·g-1, and the order was 0, 35, 12, 85 and 62 a.Soil total N and C/N were important factors affecting the amount of mineralization N and the net N mineralization rate in paddy soils with different reclamation years (＜0.05).The sum of initial mineral N andNcould be used to characterize the N supply capacity of paddy soil in rice growing season;compared with the control soil (0 a), the N supply capacity of paddy soil in each year decreased significantly (＜0.05), and the soils of 12 and 35 years were significantly higher than that of 62 and 85 years (＜0.05).【Conclusion】 During 85 years of rice cultivation from natural wasteland in black soil, the N supply capacity in paddy soil have declined, and the decline was significant after 35 years rice cultivation.Therefore, the improvement of soil organic matter content should be paid attention in the soil fertility cultivation in paddy fields.

black soil region; paddy soil; rice cultivation year; mineralizated nitrogen; soil nitrogen suppying capacity

2021-03-12；

2021-11-11

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41571280）

高佳蕊，E-mail：1203997865@qq.com。通信作者張玉玲，E-mail：zhangyuling@syau.edu.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）