開(kāi)墾年限對(duì)黑土氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率和凈轉(zhuǎn)化速率的影響*

李 平，郎 漫

開(kāi)墾年限對(duì)黑土氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率和凈轉(zhuǎn)化速率的影響*

李 平，郎 漫?

（南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，南京 210044）

以東北黑土區(qū)開(kāi)墾2 a和開(kāi)墾30 a的典型旱作土壤為研究對(duì)象，采用15N同位素成對(duì)標(biāo)記技術(shù)開(kāi)展室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，利用數(shù)值計(jì)算模型（FLUAZ）計(jì)算不同開(kāi)墾年限土壤的氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率，以比較不同開(kāi)墾年限黑土氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率和凈轉(zhuǎn)化速率的差異，明確開(kāi)墾年限對(duì)黑土氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響。結(jié)果表明，與開(kāi)墾2 a土壤相比，開(kāi)墾30 a土壤的有機(jī)碳和水溶性有機(jī)碳含量顯著降低，導(dǎo)致土壤氮初級(jí)礦化速率和初級(jí)固定速率也顯著降低。但開(kāi)墾30 a土壤的初級(jí)硝化速率、凈硝化速率和凈氮礦化速率卻顯著高于開(kāi)墾2 a土壤。兩個(gè)開(kāi)墾年限土壤的初級(jí)硝化速率分別為凈硝化速率的1.15倍和1.02倍，說(shuō)明土壤微生物對(duì)硝態(tài)氮的固定很少。開(kāi)墾30 a土壤的值（氮初級(jí)礦化速率與初級(jí)固定速率之比）和值（初級(jí)硝化速率與初級(jí)銨態(tài)氮固定速率之比）均顯著大于1，而開(kāi)墾2 a土壤的值和值均接近1。表明開(kāi)墾2 a土壤的氮礦化與固定過(guò)程緊密偶聯(lián)，氮素?fù)p失的風(fēng)險(xiǎn)較小，而開(kāi)墾30 a土壤中氮礦化量超過(guò)了固定量，這為硝化作用的進(jìn)行提供了底物，增加了硝酸鹽反硝化和淋溶風(fēng)險(xiǎn)。

開(kāi)墾年限；黑土；15N標(biāo)記；氮轉(zhuǎn)化

土壤中氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程對(duì)土壤氮素有效性和氮肥利用效率有重要影響。目前，對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究包括氮凈轉(zhuǎn)化速率和氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率兩個(gè)方面。氮凈轉(zhuǎn)化速率是單位時(shí)間內(nèi)土壤中無(wú)機(jī)氮含量的凈變化量，氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率是土壤氮從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài)的實(shí)際轉(zhuǎn)化速率[1-2]。自然條件下，一種形態(tài)的氮有多種輸入和輸出途徑，因此，土壤氮凈轉(zhuǎn)化速率是控制其轉(zhuǎn)化的多個(gè)氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率的綜合結(jié)果[3]。比如，土壤氮凈礦化速率取決于土壤氮初級(jí)礦化速率與初級(jí)固定速率差值的大小[4]，當(dāng)一種土壤的氮初級(jí)礦化速率等于或者小于無(wú)機(jī)氮的固定速率時(shí)，氮凈礦化速率為0或?yàn)樨?fù)值，但這并不意味著土壤氮礦化潛勢(shì)低或者無(wú)氮礦化能力。由此可見(jiàn)，測(cè)定土壤中的氮凈轉(zhuǎn)化速率對(duì)于指示土壤中無(wú)機(jī)氮供應(yīng)能力的大小有一定意義，但如果要闡明土壤中無(wú)機(jī)氮含量變化的具體過(guò)程及原因，必須要認(rèn)識(shí)控制其含量變化的各個(gè)過(guò)程的初級(jí)轉(zhuǎn)化速率，這對(duì)于深入理解土壤氮循環(huán)具有重要意義[5]。

土壤理化性質(zhì)顯著影響土壤氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率。一些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施如耕作、施肥、灌溉等會(huì)通過(guò)影響土壤基本理化性質(zhì)而對(duì)土壤氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率產(chǎn)生顯著影響[6-11]。有研究[6-9]指出，土壤有機(jī)碳含量越高，氮初級(jí)礦化速率越高，但氮初級(jí)固定速率不受有機(jī)碳含量影響，而與水溶性有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)。土壤pH對(duì)初級(jí)硝化速率影響顯著，pH越高，初級(jí)硝化速率越快[10]。土壤砂粒含量越高、黏粒含量越少，土壤通氣性就越好，初級(jí)硝化速率就越快[11]。

總面積達(dá)101.85萬(wàn)km2的東北黑土區(qū)是世界三大片黑土之一[12]。黑土是東北地區(qū)的主要耕作土壤，因其高有機(jī)質(zhì)含量、高肥力的特點(diǎn)而具有較高的生產(chǎn)力。東北黑土區(qū)是我國(guó)重要的商品糧基地，2017年?yáng)|三省糧食產(chǎn)量約1.39億t，占全國(guó)糧食總產(chǎn)量的21%[13]。黑土開(kāi)墾后土壤性質(zhì)發(fā)生了很大改變，如開(kāi)墾年限越長(zhǎng)，土壤有機(jī)碳和全氮含量越低[14-15]。黑土開(kāi)墾后長(zhǎng)期大量氮肥的施用使得土壤pH隨著開(kāi)墾年限的增加逐漸降低[16]。此外，黑土開(kāi)墾后土壤質(zhì)地也發(fā)生很大改變[17-18]。這些土壤理化性質(zhì)的改變會(huì)直接或者間接影響土壤微生物的活性，進(jìn)而影響土壤氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率。然而，有關(guān)不同開(kāi)墾年限對(duì)黑土氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率影響的研究尚未見(jiàn)諸報(bào)道。因此，本研究以東北黑土區(qū)開(kāi)墾2 a和開(kāi)墾30 a的典型旱作土壤為研究對(duì)象，利用15N同位素成對(duì)標(biāo)記技術(shù)研究開(kāi)墾年限對(duì)土壤氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率和凈轉(zhuǎn)化速率的影響規(guī)律和機(jī)制，研究結(jié)果可為深入認(rèn)識(shí)黑土氮循環(huán)、建立黑土區(qū)科學(xué)施肥和合理土地利用制度以促進(jìn)黑土的可持續(xù)發(fā)展提供重要理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自黑龍江省哈爾濱市賓縣賓西鎮(zhèn)，該地區(qū)屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，年均降水量為550 mm，年均氣溫為2.3℃，土壤類(lèi)型為中厚層黑土。于春季翻耕前選取地形和生產(chǎn)管理措施較為一致的開(kāi)墾2 a（Y2）和開(kāi)墾30 a（Y30）的田塊進(jìn)行采樣，采樣地常年種植玉米，年均施肥量約為120 kg·hm–2（以N計(jì)，下同）。采樣時(shí)在大于100 m的空間間隔上布置3個(gè)采樣點(diǎn)作為空間重復(fù)，每個(gè)采樣點(diǎn)按照S形多點(diǎn)采集耕作層（0～20 cm）土壤混勻。將采集的土樣于室溫下風(fēng)干、磨細(xì)過(guò)2 mm篩后4℃下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 分析方法

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率利用數(shù)值計(jì)算模型（FLUAZ）計(jì)算得出[22]，F(xiàn)LUAZ模型結(jié)合數(shù)值方法和非線(xiàn)性擬合方法，采用平均加權(quán)誤差（MWE，Mean weighed error）作為模型運(yùn)行的判斷標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化分析氮的初級(jí)轉(zhuǎn)化速率，能夠準(zhǔn)確反映數(shù)據(jù)之間的變異。土壤氮凈礦化速率和凈硝化速率分別用培養(yǎng)前后無(wú)機(jī)氮和硝態(tài)氮濃度差與培養(yǎng)時(shí)間的比值計(jì)算得出[23]。

文中數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值，利用Origin 9軟件做圖。利用SPSS 22軟件的成對(duì)比較法分析開(kāi)墾2 a和開(kāi)墾30 a土壤的氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率和凈轉(zhuǎn)化速率在<0.05和<0.01水平上的差異顯著性。

2 結(jié) 果

2.1 不同開(kāi)墾年限土壤理化性質(zhì)的變化

由表1可知，黑土開(kāi)墾年限顯著影響土壤理化性質(zhì)。與開(kāi)墾2 a土壤相比，開(kāi)墾30 a土壤pH、銨態(tài)氮、有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳和砂粒含量顯著降低，硝態(tài)氮和水溶性有機(jī)氮含量則顯著增加。兩個(gè)供試土壤的最大持水量、全氮含量、碳氮比、粉粒和黏粒含量無(wú)顯著差異。

2.2 不同開(kāi)墾年限土壤中無(wú)機(jī)氮含量的動(dòng)態(tài)變化

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

注：Y2：開(kāi)墾2年土壤；Y30：開(kāi)墾30年土壤。括號(hào)中數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)差，同列數(shù)據(jù)后不同字母表示兩個(gè)土壤間差異顯著（<0.05）。下同 Note：Y2：Soil 2 years in cultivation; Y30：Soil 30 years in cultivation. The data in the brackets are standard deviations，different lowercase letters in the same column indicate significant difference between the two soils at<0.05. The same below

2.3 不同開(kāi)墾年限土壤中無(wú)機(jī)氮15N豐度的動(dòng)態(tài)變化

圖1 開(kāi)墾2年（Y2）和開(kāi)墾30年（Y30）土壤中無(wú)機(jī)氮含量的動(dòng)態(tài)變化

圖2 開(kāi)墾2年（Y2）和開(kāi)墾30年（Y30）土壤中無(wú)機(jī)氮15N豐度的動(dòng)態(tài)變化

2.4 不同開(kāi)墾年限土壤氮轉(zhuǎn)化速率

開(kāi)墾2 a和開(kāi)墾30 a土壤的氮初級(jí)礦化速率（）和初級(jí)固定速率（）在培養(yǎng)后的0～1 d內(nèi)達(dá)到峰值，然后隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸下降（表2）。不同時(shí)間段內(nèi)，開(kāi)墾2 a土壤的氮初級(jí)礦化速率均大于開(kāi)墾30 a土壤（表2）。培養(yǎng)期間開(kāi)墾2 a土壤的平均氮初級(jí)礦化速率為2.38 mg·kg–1·d–1（以N計(jì)，下同），顯著高于開(kāi)墾30 a土壤（1.49 mg·kg–1·d–1）（圖3，<0.05）。開(kāi)墾年限對(duì)氮凈礦化速率的影響則與氮初級(jí)礦化速率相反，表現(xiàn)為開(kāi)墾2 a土壤的氮凈礦化速率（0.17 mg·kg–1·d–1）顯著低于開(kāi)墾30 a土壤（1.24 mg·kg–1·d–1）（圖3，<0.05）。

不同培養(yǎng)時(shí)間段內(nèi)，開(kāi)墾2 a土壤的氮初級(jí)固定速率均大于開(kāi)墾30 a土壤（表2）。開(kāi)墾2 a和開(kāi)墾30 a土壤的平均氮初級(jí)固定速率分別為2.09 mg·kg–1·d–1和0.88 mg·kg–1·d–1，差異顯著（圖3，<0.05）。表2結(jié)果顯示，整個(gè)培養(yǎng)期間銨態(tài)氮的固定量占無(wú)機(jī)氮總量的60%～97%，說(shuō)明微生物對(duì)銨態(tài)氮的固定量顯著大于硝態(tài)氮。

表2 不同培養(yǎng)時(shí)間段土壤氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率

開(kāi)墾30 a土壤的初級(jí)硝化速率隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低，0～1 d的速率最高（表2）。開(kāi)墾2 a土壤的初級(jí)硝化速率則隨著培養(yǎng)的進(jìn)行先增加，于1～2 d達(dá)到峰值后逐漸下降。開(kāi)墾年限顯著影響土壤氮初級(jí)硝化速率和凈硝化速率（圖3），開(kāi)墾2 a土壤0～7 d的加權(quán)平均初級(jí)硝化速率和凈硝化速率分別為2.25 mg·kg–1·d–1和1.96 mg·kg–1·d–1，顯著低于開(kāi)墾30 a土壤（3.98 mg·kg–1·d–1和3.92 mg·kg–1·d–1）（<0.05）。

注：分別是土壤氮凈礦化速率和凈硝化速率。同一速率的不同字母表示兩個(gè)土壤間差異顯著（<0.05）。下同。 Note：andstands for net N mineralization rate and net nitrification rate in the soils，respectively. Different lowercase letters in the same rate indicate significant difference between the two soils at<0.05. The same below

圖3 開(kāi)墾2年（Y2）和開(kāi)墾30年（Y30）土壤的平均氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率和凈轉(zhuǎn)化速率

Fig. 3 Average gross and net N transformation rates in soils 2 and 30 years in cultivation

初級(jí)硝化速率與初級(jí)銨態(tài)氮固定速率的比值（/）可用來(lái)表征土壤硝態(tài)氮淋溶能力的大小，氮初級(jí)礦化速率與初級(jí)固定速率的比值（/）可用來(lái)指示土壤無(wú)機(jī)氮礦化—固定耦合程度的高低。本研究結(jié)果顯示（圖4），開(kāi)墾2 a土壤的/值和/值分別為1.20和1.14，顯著低于開(kāi)墾30 a土壤（4.77和1.91），表明開(kāi)墾2 a土壤中氮的耦合程度高，發(fā)生硝態(tài)氮淋溶的風(fēng)險(xiǎn)低于開(kāi)墾30 a土壤。

圖4 開(kāi)墾2年（Y2）和開(kāi)墾30年（Y30）土壤的氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率比

3 討 論

3.1 開(kāi)墾年限對(duì)黑土氮初級(jí)礦化速率和初級(jí)固定速率的影響

本研究結(jié)果表明，開(kāi)墾2 a土壤的氮初級(jí)礦化速率顯著高于開(kāi)墾30 a土壤，這可能與開(kāi)墾2 a土壤具有較高的有機(jī)碳含量有關(guān)，因?yàn)橛袡C(jī)碳是影響氮素礦化潛勢(shì)的主要因素[24]。有機(jī)碳可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，礦化潛勢(shì)也越大[25-26]。Barrett和Burke[27]指出，有機(jī)碳可以解釋不同土壤間礦化潛勢(shì)大小的60%差異。一些其他[25-26]的研究結(jié)果也表明，土壤有機(jī)碳含量與氮初級(jí)礦化速率具有顯著正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明有機(jī)碳含量在影響土壤氮素礦化潛勢(shì)方面具有非常重要的作用。開(kāi)墾年限對(duì)土壤氮初級(jí)固定速率的影響與初級(jí)礦化速率相同，也表現(xiàn)為開(kāi)墾2 a土壤的初級(jí)固定速率顯著高于開(kāi)墾30 a土壤。Hoyle等[9]認(rèn)為，土壤氮初級(jí)固定速率主要受有效碳含量的影響，與土壤有機(jī)碳含量無(wú)關(guān)。因?yàn)閰⑴c氮素礦化過(guò)程的微生物可以利用各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)化合物，而參與氮固定過(guò)程的微生物僅能利用簡(jiǎn)單的易分解有效碳化合物[7]。黑土經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期開(kāi)墾耕作后，不僅總有機(jī)碳含量顯著下降，水溶性有機(jī)碳含量也顯著降低（表1）。因此，與開(kāi)墾30 a土壤相比，開(kāi)墾2 a土壤中較高的水溶性有機(jī)碳含量可能是該土壤具有較高氮初級(jí)固定速率的原因。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不同培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)微生物既固定了銨態(tài)氮，也固定了硝態(tài)氮，但是微生物對(duì)銨態(tài)氮固定的比率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硝態(tài)氮（表2），這與他人[28-29]的研究結(jié)果一致。微生物固定銨態(tài)氮需要消耗的能量較固定硝態(tài)氮少[8]，因此，當(dāng)土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮同時(shí)存在時(shí)，微生物會(huì)優(yōu)先利用銨態(tài)氮，只有當(dāng)銨態(tài)氮數(shù)量不足時(shí)，微生物才會(huì)利用硝態(tài)氮。Rice和Tiedje[30]的研究表明，土壤中銨態(tài)氮含量大于0.1 μg·g–1時(shí)就會(huì)顯著抑制對(duì)硝態(tài)氮的吸收。因此，本研究中硝態(tài)氮的微量固定可能發(fā)生在銨態(tài)氮濃度極低的土粒微區(qū)內(nèi)。

3.2 開(kāi)墾年限對(duì)黑土氮凈礦化速率的影響

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[1-2]。本研究中土壤氮初級(jí)礦化速率大于初級(jí)固定速率，因此土壤產(chǎn)生了氮凈礦化。但是，開(kāi)墾年限對(duì)土壤氮凈礦化速率的影響規(guī)律與氮初級(jí)礦化速率正好相反，開(kāi)墾2 a土壤的氮凈礦化速率顯著低于開(kāi)墾30 a土壤，但其初級(jí)礦化速率顯著高于開(kāi)墾30 a土壤（圖3）。這說(shuō)明土壤氮凈礦化速率較低并不意味著該土壤的氮初級(jí)礦化速率也會(huì)低，氮凈礦化速率不能真正反映土壤氮礦化過(guò)程。與開(kāi)墾30 a土壤相比，開(kāi)墾2 a土壤由于具有較高的有機(jī)碳含量導(dǎo)致具有較高的氮初級(jí)礦化速率，但高水溶性有機(jī)碳含量使得開(kāi)墾2 a土壤的氮初級(jí)固定速率也較高，從而導(dǎo)致開(kāi)墾2 a土壤的氮凈礦化速率（氮初級(jí)礦化速率—氮初級(jí)固定速率）低于開(kāi)墾30 a土壤。因此，本研究結(jié)果證實(shí)了氮凈礦化速率僅能表征土壤中可利用無(wú)機(jī)氮數(shù)量的高低，并不能真實(shí)反映土壤氮素供應(yīng)潛勢(shì)的大小，只有研究氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率才能客觀真實(shí)地反映土壤氮素的轉(zhuǎn)化能力。

3.3 開(kāi)墾年限對(duì)黑土氮初級(jí)硝化速率和凈硝化速率的影響

氮肥施入土壤后，銨態(tài)氮的硝化過(guò)程會(huì)釋放H+，進(jìn)而影響土壤pH。研究[31]表明，由于肥料氮的大量施用，我國(guó)農(nóng)田土壤的pH自1980年以來(lái)顯著降低。本研究中開(kāi)墾30 a土壤的pH（5.23）也顯著低于開(kāi)墾2 a土壤（5.74）。一般認(rèn)為，土壤pH是硝化作用的重要影響因素，隨著pH增加，凈硝化速率和初級(jí)硝化速率顯著升高[11，32]。然而本研究中開(kāi)墾30 a土壤的初級(jí)硝化速率和凈硝化速率卻顯著高于開(kāi)墾2 a土壤（圖3），這說(shuō)明長(zhǎng)期生存在低pH條件下的土壤硝化微生物產(chǎn)生了適應(yīng)性[10]。黑土經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期開(kāi)墾后，機(jī)械擾動(dòng)增強(qiáng)了土壤的通透性，促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的分解和酶活性的提高，有利于硝化微生物的生長(zhǎng)和繁殖[17]，從而使得開(kāi)墾30 a土壤的初級(jí)硝化速率顯著大于開(kāi)墾2 a土壤。凈硝化速率是初級(jí)硝化速率與初級(jí)硝態(tài)氮固定速率的差值。本研究中初級(jí)硝化速率數(shù)值與凈硝化速率數(shù)值大小相當(dāng)，開(kāi)墾2 a和30 a土壤的初級(jí)硝化速率分別為凈硝化速率的1.15倍和1.02倍，再次證明本研究中土壤微生物對(duì)硝態(tài)氮的固定很少，這與初級(jí)硝態(tài)氮固定速率顯著低于初級(jí)銨態(tài)氮固定速率的結(jié)果相一致。

3.4 開(kāi)墾年限對(duì)黑土氮損失的影響

在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下，由于無(wú)植物的吸收，偏酸性土壤中的銨態(tài)氮的去向主要是發(fā)生硝化作用或者被微生物固定[9]。有研究表明[25]，初級(jí)硝化速率與初級(jí)銨態(tài)氮固定速率之比（/）可以用來(lái)表征硝化作用和固定作用的相對(duì)重要性，而且可有效指示土壤硝態(tài)氮淋溶能力和反硝化能力的高低。若/值大于1，說(shuō)明土壤中的銨態(tài)氮主要發(fā)生硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，被微生物固定的數(shù)量很低，這樣產(chǎn)生的硝態(tài)氮就會(huì)在降雨時(shí)或者灌溉后直接通過(guò)淋溶損失，或是發(fā)生反硝化作用后轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w氮損失。相反，若/值小于或等于1，說(shuō)明土壤微生物對(duì)銨態(tài)氮固定的數(shù)量大于或者等于發(fā)生硝化作用的數(shù)量，土壤中的銨態(tài)氮主要被固持，發(fā)生反硝化作用或者硝態(tài)氮淋溶的幾率就會(huì)減小[33]。此外，氮初級(jí)礦化速率與初級(jí)固定速率之比（/）可用來(lái)表征土壤中氮素礦化作用和固定作用偶聯(lián)程度的大小[34]。若/值等于1，說(shuō)明土壤有機(jī)氮礦化產(chǎn)生的無(wú)機(jī)氮可以再次被微生物固定轉(zhuǎn)化為微生物氮，這樣就會(huì)減少對(duì)硝化微生物的底物供應(yīng)，降低反硝化和硝態(tài)氮的淋溶風(fēng)險(xiǎn)。相反，若/值大于1，說(shuō)明土壤有機(jī)氮礦化產(chǎn)生的銨態(tài)氮除了被微生物部分固定外，還會(huì)為硝化微生物所利用，轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。本研究中，開(kāi)墾30 a土壤的/值為4.77，/值為1.91（圖4），均顯著大于1，說(shuō)明開(kāi)墾30 a土壤中有機(jī)氮礦化產(chǎn)生銨態(tài)氮的數(shù)量超過(guò)了微生物對(duì)銨態(tài)氮固定的數(shù)量，由此為硝化作用的發(fā)生提供了大量的底物，在土壤水分含量高的條件下可能發(fā)生反硝化損失或者硝態(tài)氮的淋溶損失。而在開(kāi)墾2 a土壤中，/值和/值分別為1.20和1.14，兩者都接近1（圖4），表明在開(kāi)墾2 a土壤中氮素礦化作用和銨態(tài)氮固定作用緊密偶聯(lián)，相比開(kāi)墾30 a土壤而言，土壤發(fā)生硝化作用以及隨后可能產(chǎn)生的反硝化和淋溶風(fēng)險(xiǎn)幾率較低。本研究結(jié)果證明，開(kāi)墾年限的不同會(huì)顯著影響黑土各個(gè)氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率和凈轉(zhuǎn)化速率，進(jìn)而影響土壤氮的利用效率及氮轉(zhuǎn)化過(guò)程可能帶來(lái)的環(huán)境效應(yīng)。

4 結(jié) 論

開(kāi)墾年限對(duì)黑土氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率和凈轉(zhuǎn)化速率具有顯著的影響，開(kāi)墾30 a土壤的初級(jí)硝化速率和凈硝化速率均顯著高于開(kāi)墾2 a土壤。但開(kāi)墾年限對(duì)土壤氮凈礦化速率、氮初級(jí)礦化速率和初級(jí)固定速率的影響有所不同，開(kāi)墾2 a土壤相對(duì)于開(kāi)墾30 a土壤而言具有較低的氮凈礦化速率，而氮初級(jí)礦化速率和初級(jí)固定速率卻顯著高于開(kāi)墾30 a土壤。由此可見(jiàn)，土壤氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率更能真實(shí)地反映土壤氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程。開(kāi)墾2 a土壤的初級(jí)硝化速率與初級(jí)銨態(tài)氮固定速率比值（）以及初級(jí)礦化速率和初級(jí)固定速率比值（/）均接近于1，而開(kāi)墾30 a土壤的值和值均顯著大于1，表明在開(kāi)墾2 a土壤中，氮素礦化與固定過(guò)程緊密偶聯(lián)，硝化作用發(fā)生的幾率較低。而開(kāi)墾年限延長(zhǎng)至30 a后，硝化作用及其可能產(chǎn)生的反硝化和淋溶風(fēng)險(xiǎn)增加，隨之可能帶來(lái)更大的負(fù)面環(huán)境效應(yīng)。

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Effect of Cultivation on Gross and Net N Transformation Rates in Black Soil Relative to Duration

LI Ping, LANG Man?

(Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology, College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China)

This paper was oriented to explore effect of cultivation, relative to duration, on gross and net N transformation rates in black soil in Northeast China.Two tracts of upland farmlands of typical black soils, different in cultivation history, 2 and 30 years, were selected in Northeast China for the study. Soil samples were collected for in-lab incubation using the15N pair-labeled technique. Gross N transformation rates in the soils were calculated using the numerical algorithm model (FLUAZ), and net mineralization rates and net nitrification rates were by duration of the incubation and variation of the samples in inorganic nitrogen content or nitrate nitrogen content with the incubation.The soil of the farmland, 30 years in cultivation, was 20.8% and 16.0% lower, respectively, than the one 2 years in cultivation in organic C and water soluble organic C content, and only 62.6% and 42.1% of the latter, respectively, in gross mineralization and immobilization rate. However, the former was significantly higher than or 1.77, 2.00, and 7.29 times as high as the latter, respectively, in gross nitrification rate, net nitrification rate, and net mineralization rate. The gross nitrification rate was 1.15 and 1.02 times as high as the net nitrification rate, respectively, in the latter and former, and the immobilized ammonium nitrogen accounted for 60%～97% of the total inorganic nitrogen during the whole incubation period, indicating that little nitrate nitrogen was immobilized by soil microorganisms in these two soils. The values of(the ratio of gross N mineralization rate to immobilization rate) and(the ratio of gross nitrification rate to ammonium immobilization rate)of the former were both significantly higher than 1, while those of the latter were approximate to 1.The processes of mineralization and immobilization of nitrogen in the soil, 2 years in cultivation, were coupled tightly, posing little risk of nitrogen loss to environment, whereas the amount of mineralized nitrogen was much higher than that of immobilized nitrogen in the soil 30 years in cultivation, thus providing substrate for nitrification and increasing denitrification and leaching risk of nitrate.

Duration of cultivation; Black soil;15N trace; Nitrogen transformation

S153

A

10.11766/trxb201902180022

李平，郎漫. 開(kāi)墾年限對(duì)黑土氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率和凈轉(zhuǎn)化速率的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2020，57（1）：165–173.

LI Ping，LANG Man. Effect of Cultivation on Gross and Net N Transformation Rates in Black Soil Relative to Duration[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（1）：165–173.

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41301345，41101284）資助Supported by the National Natural Science Foundation of China（Nos. 41301345 and 41101284）

，E-mail：mlang@nuist.edu.cn

李 平（1982—），男，江西吉水人，博士，副教授，主要從事土壤氮循環(huán)及其環(huán)境效應(yīng)研究。E-mail：pli@nuist.edu.cn

2019–02–18；

2019–03–12；

2019–03–22

（責(zé)任編輯：陳榮府）