摘要：土壤有機氮礦化是供應無機氮的主導過程，研究其變化對于認識土壤氮素有效性和指導氮肥施用具有重要意義，但在巖溶區不同土地類型土壤有機氮礦化研究薄弱。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同位素標記方法，研究了巖溶區草地或原始林地開墾種植農作物后石灰土有機氮礦化(MNorg)速率變化，并區分了易分解有機氮礦化(MNlab)和難分解有機氮礦化(MNrec)對MNorg的貢獻。

　　研究結果表明，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貢獻率可達80.6%~93.1%，而在原始林地中該貢獻率達到62.2%。巖溶區草地或林地開墾種植經濟作物顯著降低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。巖溶區草地或原始林地開墾種植農作物后土壤有機碳、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，表明農業種植過程對土壤理化性質的改變是影響礦化速率的重要因素。

　　關鍵詞：巖溶區;農業種植;15N標記;礦化速率;易分解有機氮

　　農業方向評職知識：農業技術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)級以上本專業重大科技項目2項以上，或參加完成省轄市(廳)級本專業重大科技項目3項(限前5名)以上。獨著或第一作者，在國家核心期刊上發表本專業學術論文2篇;或在CN期刊上發表本專業學術論文4篇(其中核心期刊發表1篇)。作為主要完成人(限前7名)，獲得與本專業有關的國家發明專利，在實際工作中應用，并取得顯著的經濟效益、社會效益。

　　0引言

　　氮素是植物生長發育所需的必須營養元素之一[1]，也是植物從土壤中吸收量最大的礦質元素[2]。土壤中氮素主要以有機氮形態存在，大部分有機氮在微生物的作用下轉化成銨態氮(NH4+)或硝態氮(NO3-)，以無機氮形態才能被植物吸收利用[3]。土壤無機氮持續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氮，也會因氮素損失而引起負面環境效應，如溫室效應[4]和水體富營養化[5]等。因此，調查土壤無機氮的供應過程，對于認識土壤氮的有效性和由此產生的環境效應具有重要意義。土壤有機氮礦化是產生無機氮的重要途徑，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]。土壤有機氮礦化過程作為土壤氮循環的重要過程之一，受到越來越多的關注和研究。

　　近年來，中國科研工作者已開展大量關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]和農田土壤等方面[14-16]，且開展的研究多針對于單一的生態系統，而對于巖溶區自然生態系統轉變為農業生態系統后土壤有機氮礦化的變化研究還比較薄弱。受地質環境條件制約巖溶生態系統分布廣泛[17]，按碳酸鹽巖出露面積計算，我國巖溶生態系統面積可達90.7萬km2[18]，約占我國國土面積的1/10。由于該地區地少人多，耕地資源匱乏，大面積的林地或草地等自然生態系統被破壞、被開墾而種植農作物。人為干擾條件下，自然生態系統轉變為自然-人工復合生態系統[19]，施肥和耕作等管理措施可能導致土壤氮礦化過程發生顯著變化。

　　先前研究發現，土壤有機氮礦化速率與有機碳或全氮含量呈顯著正相關關系[20]。與林地或草地相比，農田土壤有機物含量顯著下降，導致土壤有機氮礦化速率下降，這些研究多開展于黑土、紅壤等，對于由碳酸鹽巖發育而來的石灰土研究較少。巖溶區自然生態系統下的石灰土含有較高的鈣[21]，能夠與有機物絡合而產生穩定的胡敏酸鈣[21-22]，雖然能夠提高土壤有機碳氮含量，但可能導致其有效性較低，易分解有機氮含量下降，反而不利于有機氮礦化速率提高。當林地或草地開墾種植農作物，雖然有機碳氮含量降低，但鈣固持的胡敏酸可能被釋放出，加之有機肥施用，可能促進易分解有機氮含量提高，一定程度上增加土壤有機氮礦化速率。

　　由此可見，巖溶區自然生態系統條件下的林地或草地開墾種植農作物后土壤有機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國家自然保護區典型巖溶區選擇臍橙地、玉米地和橡膠地等農田土壤，并以臨近的自然生態系統下的草地或原始林地土壤作為對照組，采用15N同位素標記方法，研究了巖溶區草地或原始林地開墾種植農作物后石灰土有機氮礦化速率變化，并區分了易分解有機氮礦化和難分解有機氮礦化對總礦化過程的貢獻率。研究結果可加深對巖溶區農業種植后土壤有機氮礦化過程的了解，對于評估巖溶農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，土壤類型均為石灰土。建水縣采樣區(23°37′13″N，102°54′12″E)位于建水縣面甸鎮閻把寺村，屬南亞熱帶季風氣候，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，該地區產生嚴重的植被和土壤退化，石漠化問題嚴重。所選草地為石漠化區封育自然演替至草叢階段的樣地。選擇的臍橙地已連續種植臍橙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(23°27’58”N，103°24’35”E)位于云南省蒙自市西北勒鄉碧色寨村，海拔為1800~2400m，屬典型南亞熱帶季風氣候，年平均氣溫19~21.5℃，年均降水量1572mm。上世紀50年代，該區域經歷了大規模的砍伐開墾，石漠化問題較為嚴重，屬重度石漠化地區。研究區草地為石漠化區封育自然演替至草叢階段的樣地。選擇的玉米地已連續種植玉米2年，N、P2O5和K2O的施肥量均為90kghm-2·yr-1。

　　勐臘縣采樣區(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區內勐遠國家自然保護區，海拔約710~815m，屬熱帶季風性半濕潤氣候，年平均氣溫約為21.5℃，年降水量約為1557mm，分布著石灰巖山熱帶季節性雨林、半常綠或落葉季節林、竹林等，森林覆蓋率達95%以上。該區域由原始林地轉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閻把寺村、蒙自市西北勒鄉碧色寨村和西雙版納勐臘縣勐遠國家自然保護區典型巖溶區采集臍橙地、玉米地和橡膠地等農田土壤，并分別采集臨近的草地、草地和原始林地作為對照，每個區域采樣點坡度等條件相對一致。每個區域的草地或林地及農田各選取3個代表性樣地作為空間重復，共采集得到18個土壤樣品。在每個樣地中間隔20m隨機選取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干，過2mm和0.25mm篩，用于測定土壤理化性質。

　　1.315N標記試驗

　　稱取相當于30g干土重的新鮮土樣于250mL三角瓶中，在25℃恒溫培養箱中預培養1d。預培養結束后，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-含量分別達到50mgN•kg-1。隨后添加蒸餾水調節土壤含水量至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，便于瓶內外氣體交換，置于恒溫25℃條件下培養。分別在添加標記液后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行蒸餾，將NO3-轉化為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同位素比質譜儀測定15N豐度。土壤樣品理化指標采用常規分析方法分析[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)采用室內環刀法進行測定;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氮素轉化模型[27]中，計算得到土壤易分解有機氮礦化速率(MNlab,mineralizationoflabileorganicNtoNH4+)和難分解有機氮礦化速率(MNrec,mineralizationofrecalcitrantorganicNtoNH4+)，總礦化速率(MNorg,mineralizationoforganicNtoNH4+)為易分解有機氮和難分解有機氮的礦化速率之和，即MNorg=MNlab+MNrec。

　　2結果與分析

　　2.1土壤理化性質

　　巖溶區受人類擾動較小的自然生態系統開墾種植農作物后土壤理化性質發生顯著改變。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碳、全氮、全磷、全鈣和全鎂含量以及WHC、CEC和pH，而無機氮和全鉀含量因研究區而呈現出不同的變化趨勢。建水地區草地開墾種植臍橙后土壤全鉀含量顯著提高，蒙自地區草地開墾種植玉米后全鉀含量無顯著性變化，而勐臘地區原始林地開墾種植橡膠后土壤全鉀含量顯著性降低。三個巖溶區自然生態系統下的土壤無機氮均以硝態氮為主，由于施肥措施不同，導致三個區域農田土壤無機氮含量差異較大。建水地區臍橙地土壤銨態氮和硝態氮含量分別達到170mgN•kg-1和144mgN•kg-1，顯著高于蒙自地區和勐臘地區。

　　3討論

　　本研究結果表明，巖溶區受人類擾動較小的自然生態系統(如草地和原始林地)開墾種植農作物后土壤MNorg顯著下降，表明農業種植顯著降低了土壤內在的無機氮供應能力。先前研究發現自然生態系統下植被種類的差異以及不同植被下凋落物質量的差異會對氮素礦化過程產生影響[28]。不同植被類型會對植物根系分泌物及其殘體產生的土壤有機質造成直接影響，從而使得土壤微生物群落發生改變，進一步影響土壤氮素礦化過程[29]。

　　由草地或林地開墾種植農作物后，土壤MNorg差異主要歸于土壤理化性質的改變。先前研究發現土壤有機碳和全氮是控制土壤有機氮礦化的關鍵因素[20]，有機碳氮含量增加能夠提高礦化速率[30-31]。本研究中，土壤MNorg與有機碳和全氮含量呈顯著正相關，進一步證實了土壤有機物在氮素礦化過程中的重要作用。巖溶區草地和原始林地開墾為農田后，土壤有機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物質，降低了微生物對有機物的有效分解，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。

　　先前研究發現隨著土壤pH下降，有機氮礦化呈下降趨勢[32-33]。本研究土壤MNorg與pH呈顯著正相關，證實了先前研究結果。草地和原始林地開墾為農田后，由于化肥施用導致pH顯著下降，進而可能會抑制微生物數量和活性[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境因子[33]，水分含量會影響有機氮礦化速率[36-38]。Stanford等[39]人研究發現，有機氮礦化在一定范圍內與水分條件呈顯著正相關關系。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]。

　　研究區土壤MNorg與WHC呈顯著正相關支持了這一觀點。與受人類擾動較小的草地和原始林地等相比，農業生產破壞了土壤環境(如保水性和pH等下降)，同時也降低礦化過程的底物濃度，從而抑制有機氮礦化速率。總體來看，巖溶區草地或原始林地土壤有機氮礦化主要由易利用的有機氮礦化主導，其比例高達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氮而非難利用的有機氮。當草地或林地種植農作物后，活性的、易利用的有機氮首先被消耗掉，進而導致有機氮總礦化速率顯著下降。建水和蒙自地區草地轉為農田地后，土壤MNorg降低主要歸于易利用的有機氮礦化速率下降，難利用的有機氮礦化速率并沒有發生顯著變化。值得注意的是，勐臘縣自然保護區原始林地轉為農田后，土壤MNorg降低主要歸于易利用的有機氮和難利用的有機氮礦化速率的共同下降，與建水和蒙自兩個采樣區表現出的有機氮礦化特點并不一致，這種差異可能是受土壤鈣含量影響。

　　先前研究發現除有機物的數量外，有機物的質量也會對土壤氮礦化過程產生影響[41]。勐臘縣自然保護區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物形成穩定的腐殖酸鈣[21-22]，導致活性組分含量及有效性降低而難利用有機物含量增加[42]。因此，勐臘縣自然保護區難利用的有機氮的比例高于其他兩個地區土壤，從而導致勐臘縣自然保護區原始林地石灰土有機氮礦化受易利用的有機氮和難利用的有機氮礦化共同控制。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物的保護作用，降低了土壤中難利用的有機氮含量，從而導致難利用的有機氮礦化速率下降。相反，建水和蒙自草地土壤鈣含量相對較低，導致土壤中難利用的有機氮在礦化過程中的貢獻較小。

　　4結論

　　巖溶區土地利用方式改變顯著影響土壤有機氮礦化過程速率。與受人類擾動較小的草地和原始林地相比，農業利用降低了土壤有機氮礦化速率，尤其是易利用的有機氮的礦化速率，這主要歸于土壤有機碳、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，巖溶區草地或原始林地開墾種植農作物后土壤質量下降，進而降低有機氮礦化過程速率，表明土壤內在的無機氮供應能力下降。