岩溶区农业种植对土壤有机氮矿化的影响

岩溶区农业种植对土壤有机氮矿化的影响内容摘要：

第 39 卷 第2期 中 国 岩 CARSOLOGICA 2020 年 4 月 溶 Vol. 39 SINICA No. 2 Apr. 2020 文冬妮，杨 程，杨 霖，等 . 岩溶区农业种植对土壤有机氮矿化的影响［J］. 中国岩溶，2020，39（2）：189-195. DOI：10. 11932/karst20200207 岩溶区农业种植对土壤有机氮矿化的影响 文冬妮 1 ， 杨 程 2， 杨 霖 1， 秦兴华 1 ， 孟 磊 1， 何秋香 1 ， 朱同彬 3 ， Christoph Müller4 （1. 海南大学热带作物学院，海口 570228；2. 江苏省地质调查研究院，南京 210018；3. 中国 地质科学院岩溶地质所/自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室，广西 桂林 541004； 4. Department of Plant Ecology，Justus-Liebig University Giessen， Heinrich-Buff-Ring 26，35392 Giessen，Germany） 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 。 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 。 结 果 表 明 ，原 始 林 地 土 壤 MNorg（8.94 mg N ∙ kg-1 d-1）显著高于草地（1.41~2.46 mg N ∙ kg-1 d-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 0.53~0.89 mg N ∙ kg-1 d-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 中图分类号:S153.6 文献标识码:A 文章编号:1001-4810（2020）02-0189-07 0 引 开放科学（资源服务）标识码（OSID）： 言 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 氮素是植物生长发育所必须营养元素之一［1］，也 ［2］ 是植物从土壤中吸收量最大的矿质元素 。土壤中 氮素主要以有机氮形态存在，大部分有机氮在微生 + 4 3 物的作用下转化成铵态氮（NH ）或硝态氮（NO ），以 ［3］ 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 无机氮形态才能被植物吸收利用 。土壤无机氮持 性［6－7］。土壤有机氮矿化过程作为土壤氮循环的重 续供给是维持植物生长的重要因子，但是土壤若累 要过程之一，受到越来越多的关注和研究。近年来， 基金项目：国家自然科学基金（41771340, 41877348）；中国地质科学院岩溶地质研究所基本科研业务费项目（2020003） 作者简介：文冬妮（1994-），女，硕士研究生，主要从事土壤氮循环研究。E-mail:494897684@qq.com。 通信作者：何秋香（1972-），女，助理研究员，主要从事土壤 C、N 循环及其环境效应研究。E-mail:43060398@qq.com。 收稿日期：2020-02-18 190 建 水 县 采 样 区（23°37'13″N，102°54'12″E）位 于 中国科研工作者已开展大量关于土壤氮矿化的研究 ［8-10］ 工 作 ，主 要 集 中 在 热 带 及 亚 热 带 森 林 ［11-13］ 原 、温 带 草 ［14-16］ 和农田土壤等方面 ，且多针对于单一的生 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 ［17］ 泛 2020 年 中国岩溶 ，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 km ，约占我国国土面积的 1/10。 2［18］ 由于该地区地少人多，耕地资源匮乏，大面积林地或 草地等自然生态系统遭到破坏、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 ［19］ 工复合生态系统 ，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，而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 ［21］ 石灰土含有较高的钙 拔高度 260~610 m，年平均气温为 19. 8 ℃，全年降水 量 805 mm，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 160 kg N·hm-2 a-1 、70 kg P2O5·hm-2 a-1 和 60 kg K2O·hm-2 a-1，3 年之后年施肥量 提高至 280 kg N·hm-2 a-1、200 kg P2O5·hm-2 a-1 和 160 kg K2O·hm-2 a-1，同时每年基施 18 000 kg·hm-2 a-1 腐熟 牛 粪 ，其 中 含 全 氮 2. 8 g·kg-1，全 磷 2. 1 g·kg-1，全 钾 1. 7 g·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 1 800~ 2 400 m，属典型南亚热带季风气候，年平均气温 19~ 21. 5 ℃，年均降水量 1 572 mm。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 ，能够与有机物络合而产生 重 ，属 重 度 石 漠 化 地 区 。 研 究 区 草 地 为 石 漠 化 区 ，虽然能够提高土壤有机碳氮含 封育自然演替至草丛阶段的样地。选择的玉米地 ［21-22］ 稳定的胡敏酸钙 建水县面甸镇阎把寺村，属南亚热带季风气候，海 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，并以临近自然生态 系统下的草地或原始林地土壤作为对照组，采用 N 15 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 已 连续种植玉米 2 年，N、P2O5 和 K2O 的施肥量均为 90 kg·hm-2 a-1 。 勐腊县采样区（21°43'54″N，101°23'14″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 710~815 m，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 1 557 mm，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 12 kg N ∙ hm-2 a-1 、6 kg P2O5 ·hm-2 a-1 和 3. 6 kg K2O·hm-2 a-1 ， 2 年 之 后 施 肥 量 提 高 至 约 30 kg N·hm-2 a-1 、15 kg P2O5 ·hm-2 a-1 和 9. 0 kg K2O·hm-2 a-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 后土壤有机氮矿化过程的了解，对于评估岩溶农田 自市西北勒乡碧色寨村和西双版纳勐腊县勐远国家 土壤氮素有效性及土地合理利用具有重要意义。 自然保护区典型岩溶区采集脐橙地、玉米地和橡胶 1 1. 1 材料与方法 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。 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 20 m 随机选取 5 个 1 m×1 m 样方， 采用直径 5 cm 的土钻采集 0~15 cm 的表层土壤，剔除 第 39 卷 第2期 石块和植物根系