東北黑土不同開墾年限稻田土壤有機氮礦化特征

高佳蕊，方勝志，張玉玲，安晶，虞娜，鄒洪濤

東北黑土不同開墾年限稻田土壤有機氮礦化特征

高佳蕊，方勝志，張玉玲*，安晶，虞娜，鄒洪濤

沈陽農業大學土地與環境學院/農業農村部東北耕地保育重點實驗室，沈陽 110866

【目的】分析東北黑土自然荒地開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，揭示土壤氮素的演變規律，為東北黑土的合理利用和培肥提供理論依據。【方法】以東北黑土自然荒地（0 a，為對照土壤，原始自然草甸植被）和不同開墾年限（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）土壤為研究對象，采用長期淹水密閉-間歇淋洗培養方法，研究黑土自然荒地開墾種稻后土壤有機氮礦化的特征。【結果】在培養初期（約1個月），各年限土壤累積礦化氮量迅速增加，之后呈緩慢增加趨勢；在淹水培養結束（297 d）時，土壤累積礦化氮量為212.43—388.11 mg·kg-1，各開墾年限土壤累積礦化氮量大小順序為0、12、35、85和62 a。土壤有機氮礦化過程可用混合模型（Special 模型）很好地進行描述，并可將土壤有機氮庫分為增量氮庫和其他組分氮庫，與對照土壤（0 a）相比，各年限稻田土壤增量氮庫的氮礦化勢（N）均呈下降趨勢，其中，開墾12 a與開墾35、62和85 a稻田土壤的N之間均無顯著差異（＞0.05），但開墾12和35 a稻田土壤的N顯著高于開墾62和85 a稻田土壤（＜0.05），而礦化速率常數（k）均呈上升趨勢，但各年限田土壤的k之間均無顯著差異（＞0.05）；開墾12和35 a稻田土壤其他組分氮庫的礦化速率常數（0）無顯著變化（＞0.05），但開墾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4 d時為最大，之后逐漸下降，在淹水培養結束（297 d）時，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初期較高，之后緩慢增加，在培養結束（297 d）時，土壤氮凈礦化率為78.60—101.82 mg·g-1，各開墾年限土壤氮凈礦化率的大小順序為0 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）。土壤初始礦質氮與N之和可用來表征當季稻田土壤供氮能力大小，與對照土壤（0 a）相比，各年限稻田土壤的供氮能力顯著下降（＜0.05），開墾12和35 a稻田土壤的供氮能力顯著高于開墾62和85 a的稻田土壤（＜0.05）。【結論】黑土自然荒地開墾種稻85 a間，稻田土壤的供氮能力均有所下降，種稻大于35 a時下降顯著，因此在稻田土壤地力培育中應注重土壤有機質含量的提高。

黑土區；稻田土壤；種稻年限；礦化氮；土壤供氮能力

0 引言

【研究意義】東北黑土是我國重要的商品糧基地，約占全國糧食總產量的21%[1]。東北黑土的結構良好，有機質含量高，具有豐富的土壤養分及良好的物理性質[2]。土壤碳氮是衡量土壤肥力的重要指標[3]，是維系土壤質量的關鍵因素，對維持養分循環至關重要[4-5]。水稻在生長發育過程中所吸收的氮素有50%—80%來源于土壤[6]；土壤中90%以上氮素是以有機態氮的形式存在[7-8]，有機態氮需礦化轉變成無機態氮（銨態氮或硝態氮）才能被作物吸收利用，土壤有機氮礦化過程生成的礦化氮（無機氮）是水稻生長發育過程中最主要的氮素來源[9]，因此土壤有機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境，進而影響土壤有機氮礦化過程及其礦化能力[14]。不同開墾年限稻田土壤的性質及環境條件會發生明顯的變化，這可能會影響土壤有機氮的礦化能力，因此開展東北黑土不同開墾年限稻田土壤有機氮的礦化特征研究，對于明確黑土稻田土壤的有機氮轉化具有重要意義。【前人研究進展】黑土開墾后土壤性質發生了很大的變化，隨著種稻年限的延長，土壤有機碳、全氮含量和土壤質地[15-18]發生了很大的變化。黑土開墾種稻85年間，隨著種稻年限的延長，土壤有機碳含量呈先增加后下降趨勢，而全氮含量大體上呈現下降趨勢[19]。東北黑土區不同有機碳水平水稻土氮礦化勢及礦化速率常數具有明顯差異，土壤有機碳（氮）、C/N和pH是影響土壤有機氮礦化的重要因素[20-21]，并認為基于一級反應理論的混合模型（Special模型）較一級模型（One-pool模型）和雙組分模型（Two-pool模型）能夠更好地描述黑土區水稻土有機氮的礦化過程[21]。土壤的供氮能力不僅包括土壤初始礦質氮（無機氮，主要為NH4+-N 和NO3--N），而且也包括當季作物生長發育過程中土壤有機氮礦化生成的礦化氮（無機氮，主要為NH4+-N和NO3--N）[22]。土壤有機氮礦化過程生成的礦化氮是土壤礦質氮的主要來源，土壤氮凈礦化速率是氮初級礦化速率和初級固定速率的綜合結果，可以用來表征土壤中無機氮供應能力的大小[23-24]。李平等[25]研究表明，開墾2年土壤氮凈礦化速率顯著低于開墾30年土壤。顧春朝[26]研究發現，80余年稻田土壤氮礦化勢和氮凈礦化速率顯著高于120余年土壤。由此可見，不同開墾年限對稻田土壤全氮及有機氮的礦化能力影響的研究結果不盡相同。【本研究切入點】目前關于東北黑土不同有機碳水平水稻土有機碳礦化特征的研究有報道，但關于東北黑土不同開墾年限稻田土壤有機氮的礦化特征的研究比較薄弱，需進一步深入探討。【擬解決的關鍵問題】本文采用長期淹水密閉培養-間歇淋洗法室內培養試驗，研究東北黑土區不同開墾年限（0、12、35、62和85 a）稻田土壤有機氮的礦化特征，以期明確黑土區開墾種稻后土壤的供氮能力及供氮特點，為該地區黑土的合理利用及稻田土壤的合理培肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

東北黑土區（122—132° E，43—50° N）主要分布在松嫩平原山前波狀起伏臺地和漫崗丘陵區。本研究土壤樣本采自黑龍江省綏化市慶安縣，該研究區域地處中國黑龍江省中部，小興安嶺南麓向松嫩平原的過渡地帶，地理位置為127°30'—128°35' E，46°30'—47°35' N，氣候屬寒溫帶大陸性季風氣候，溫熱濕潤；年平均日照時數為2 599 h，年平均氣溫1.69 ℃，無霜期128 d，年平均降水量577 mm，研究區黑土均為黃土性沉積物發育母質[21]。項目組于2015年10月通過詳細的實地調查，確定慶安縣勤勞鎮張家爐村為供試土壤的采集區域，在研究區內選取典型黑土未開墾利用的荒地（0年，作為對照土壤，以自然草甸植被為主，坡度小于3°）和不同開墾種稻年限（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，在開墾種稻前植被與未開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肥，每年施用氮、磷、鉀化肥用量（農戶常規施用N 90—120 kg·hm-2、P2O545—60 kg·hm-2、K2O 45—75 kg·hm-2）和水分管理（農戶常規灌溉的灌溉定額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，將每個相同年限的田塊作為一個采樣區域，并確定面積大致相同的 3 個采樣單元（0.13—0.2 hm2），每個采樣單元“S”形布點，每點采樣深度為0—20 cm，采集5—7點均勻混合后作為一個土壤樣本，即每個年限的土壤樣本均為3次重復樣本。供試土壤的基本性質見表1。

表1 供試土壤基本性質

數據后不同小寫字母表示不同年限間差異達0.05顯著水平

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

1.2 土壤有機氮礦化培養試驗

土壤有機氮礦化培養試驗采用長期淹水密閉培養-間歇淋洗法進行[21,27]。稱取過2 mm篩的風干土15.0 g，置于100 mL離心管中，每管加過 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。首先，初始礦質氮（無機氮，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，加入蒸餾水或淋洗液后攪拌均勻，以 6 000 r/min轉速離心 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（培養溫度以土壤樣本供試區域水稻生長旺盛時期的平均最高氣溫進行設置），分別于培養的第 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氮淋洗相同，并定容至 200 mL。初始淋洗液中測定礦質氮（主要為NH4+-N 和 NO3--N），礦化淋洗液中測定銨態氮（NH4+-N）。

采用非線性擬合建立實測累積礦化氮量與培養時間關系的混合模型（Special 模型）[21,28]，Special 模型為：

N=N[1 – exp(-kt)] +0

式中，N為培養時間時的累積礦化氮量（mg·kg-1）；N和k分別為培養時間趨于無限長時增量氮庫（即土樣風干過程中死亡微生物體氮）的氮礦化勢（mg·kg-1）和礦化速率常數（d-1）；0為其他組分氮庫的礦化速率常數（mg·kg-1·d-1）；為礦化培養時間（d）[21,29]。

根據時間實測的累積礦化氮量，進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）表示單位培養時間（d）內土壤礦化生成的礦化氮（NH4+-N）數量（mg·kg-1），土壤氮凈礦化率（mg·g-1）表示一段培養時間內1 g土壤全氮礦化生成的礦化氮（NH4+-N）數量（mg），即一段培養時間內土壤凈礦化氮量（mg·kg-1）與土壤全氮（g·kg-1）的比值。

1.3 測定方法

土壤有機碳、全氮采用元素分析儀測定（德國，Elementar 公司），淋洗液中 NH4+-N、NO3--N采用 AA3 自動分析儀（Seal Analytical USA）測定。

1.4 統計分析

利用Origin 2017軟件進行作圖，Excel 2016 和 SPSS window version 19.0 軟件進行數據處理和統計分析，LSD法進行多重比較。文中數據為3次重復的平均值。

2 結果

2.1 土壤累積礦化氮量—時間曲線

土壤有機氮礦化過程是有機態氮經微生物作用轉化生成為銨態氮和硝態氮的過程；淹水培養過程中，淋洗液中僅檢測出銨態氮。由圖1可見，各年限土壤累積礦化氮量隨時間變化的趨勢大致相同，在淹水培養初期（約1個月）土壤有機氮礦化速率較快，累積礦化氮量迅速增加，之后隨著培養時間的延長增加緩慢，淹水培養297 d時各年限土壤累積礦化氮量為212.43—388.11 mg·kg-1；在淹水培養的42 d內，開墾12和35 a的稻田土壤累積礦化氮量要高于對照土壤（0 a），在淹水培養42 d后，則明顯低于對照土壤（0 a），但在整個培養期間，開墾12和35 a的稻田土壤與對照土壤相比，土壤累積礦化氮量無顯著差異（＞0.05）；在培養1個月后，開墾62和85 a的稻田土壤累積礦化氮量均明顯低于對照土壤（0 a）和開墾12和35 a的稻田土壤。總體上來看，在淹水培養42 d 后，各開墾年限土壤累積礦化氮量大小順序為0、12、35、85和62 a，其中，開墾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），但二者之間無顯著差異（＞0.05）。相關分析顯示，淹水培養297 d時土壤累積礦化氮量與其土壤全氮之間具有顯著線性正相關（= 0.955，＜0.05），而與土壤C/N之間則呈顯著曲線負相關（= -0.927，＜0.05），說明土壤全氮含量及C/N是影響土壤有機氮礦化的重要原因。

圖中曲線為利用Special模型擬合的曲線；不同小寫字母表示相同取樣時間、不同年限差異達 0.05 顯著水平

2.2 Special模型對土壤有機氮礦化過程的擬合參數

利用Special模型對實測累積礦化氮量進行擬合，其擬合參數見表2。從擬合方程的決定系數（2）和估計標準誤差（）及擬合度（圖1）綜合來看，Special模型均能很好地描述各年限土壤有機氮的礦化過程。各年限土壤增量氮庫的氮礦化勢（N）為146.78— 254.50 mg·kg-1，礦化速率常數（k）為0.042—0.119 d-1；與對照土壤（0 a）相比，各年限稻田土壤的N均呈現下降趨勢，其中，開墾12和35 a、62和85 a稻田土壤的N之間均無顯著差異（＞0.05），但開墾12、35 a稻田土壤的N顯著高于開墾62 a，開墾35 a稻田土壤的N顯著高于開墾85 a（＜0.05）；各開墾年限稻田土壤的k均顯著高于對照土壤（0 a），但各年限稻田間土壤的k均無顯著差異（＞0.05）。N與N（297 d）的累積礦化氮量之間具有顯著的正相關（=0.974，＜0.01），N與土壤C/N之間呈顯著曲線負相關（=-0.957，＜0.05），k則與土壤C/N之間呈顯著曲線正相關（=0.925，＜0.05），說明土壤C/N是影響土壤增量氮庫礦化的重要因素。

表2 Special模型的擬合參數

和k分別為土樣增量氮庫的氮礦化勢和氮礦化速率常數，0為其他組分氮庫的氮礦化速率常數；2和分別為方程擬合的決定系數和估計標準誤差；同列不同小寫字母表示差異達 0.05 顯著水平；**表示方程擬合達 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的礦化速率常數（0）為0.21—0.48 mg·kg-1·d-1，稻田土壤的0隨種稻年限延長呈下降趨勢；其中，開墾12和35 a稻田土壤的0與對照土壤（0 a）之間無顯著差異（＞0.05），但顯著大于開墾62和85 a的稻田土壤（＜0.05），而開墾62與85 a稻田土壤的0之間則無顯著差異（＞0.05）。0與土壤全氮、有機碳含量之間均具有線性正相關關系（=0.979，＜0.01；=0.899，＜0.05），但與土壤全氮的相關性更大，說明土壤有機碳、全氮含量影響著其他組分氮庫，但土壤全氮對其他組分氮庫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的變化趨勢基本相同（圖2-A）。在培養最初4 d時為最大（13.52—23.18 mg·kg-1·d-1），各開墾年限土壤氮凈礦化速率大小順序為35、12、85、62和0 a；在培養約1個月時，土壤氮凈礦化速率快速下降，隨后呈緩慢下降趨勢，在培養結束的297 d時數值較小且趨于穩定（0.72—1.31 mg·kg-1·d-1），各開墾年限土壤氮凈礦化速率的大小順序則表現為0、12、35、85和62 a，但各年限間土壤氮凈礦化速率差異較小。在培養結束（297 d）時，各年限土壤氮凈礦化速率與土壤全氮呈顯著曲線正相關關系（=0.957，＜0.05），與土壤C/N呈顯著曲線負相關（=-0.931，＜0.05），這也說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間內土壤中的礦化氮量與土壤全氮的比值，其數值大小表征單位數量土壤全氮中含有可礦化氮的數量或單位數量土壤全氮礦化生成的礦化氮的數量，其值越大意味著土壤中可礦化氮數量越多或礦化生成的礦化氮數量越多。各開墾年限土壤氮凈礦化率隨時間變化的趨勢也大致相同（圖2-B）。在培養42 d前，各年限稻田土壤氮凈礦化率均要高于對照土壤（0 a），表現為開墾85 a＞開墾35 a＞開墾12 a＞開墾62 a＞自然荒地（0 a）；在培養42 d后，各年限土壤氮凈礦化率逐漸增加，在培養至120 d左右，稻田土壤氮凈礦化率均低于對照土壤，在培養結束（297 d）時，各年限土壤氮凈礦化率為78.60—101.82 mg·g-1，表現為自然荒地（0 a）＞開墾35 a＞開墾12 a＞開墾85 a＞開墾62 a，這說明在淹水培養前期各年限稻田土壤可礦化有機氮數量較多，這些可礦化有機氮經過礦化生成銨態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氮含量為42.82—137.92 mg·kg-1，除開墾35 a外，其他年限稻田土壤初始礦質氮均顯著低于對照土壤（＜0.05）（表1）。東北黑土區水稻生長期約為130 d，本試驗培養時間為297 d，遠超過了水稻當季生長周期，因此本試驗以Special模型擬合曲線計算求得各年限土壤培養130 d時的礦化氮量，即開墾0、12、35、62和85 a土壤在當季水稻生長過程中的礦化氮量分別301.47、261.38、262.86、172.19和197.00 mg·kg-1，其數值與各年限土壤增量氮庫的氮礦化勢相接近，且二者之間具有顯著線性正相關關系（=0.988，＜0.01）。因此可以土壤初始礦質氮與增量氮庫的氮礦化勢（N）之和來表征土壤的供氮能力（圖3）。與對照土壤（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%，但開墾12與35 a、62與85 a稻田土壤的供氮能力之間均無顯著差異（＞0.05）。另外，各年限土壤初始礦質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，黑土自然荒地開墾種稻年限小于35 a時，土壤的供氮能力較大，初始礦質氮占比較大，而在種稻年限大于35 a時，稻田土壤的供氮能力顯著下降，土壤初始礦質氮占比也相對較小。

柱上不同小寫字母表示差異達0.05顯著水平；NF為增量氮庫的氮礦化勢；Nmin為初始礦質氮

3 討論

3.1 開墾年限對黑土稻田土壤有機氮礦化特征的影響

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

氮凈礦化速率是氮初級礦化速率和初級固定速率的綜合結果[23-24]，當土壤中能源物質缺乏或C/N較小時，土壤氮初級礦化速率強于土壤生物的初級固定速率，此時土壤氮素轉化表現為土壤無機氮素的累積過程，即土壤氮凈礦化速率為正值；反之，當土壤能源物質充足或C/N較高時，土壤氮素轉化主要表現為生物的固定，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]。自然黑土經開墾種稻后，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），說明不同種稻年限土壤有機碳、全氮含量發生了明顯變化，同時土壤有機質的組成結構、復雜程度也隨之發生了變化。本研究中，氮凈礦化速率與土壤C/N呈顯著負相關關系，與土壤全氮含量呈顯著正相關關系，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。開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，開墾年限對旱地土壤氮凈礦化速率影響顯著，好氧培養7 d時開墾30 a土壤氮凈礦化速率顯著高于開墾2 a土壤[25]，開墾種稻年限越長，越不利于土壤NH4+-N的積累[26]。在淹水培養297 d時，各年限土壤累積礦化氮（NH4+-N）量也具有顯著差異，種稻時間為62和85 a土壤累積礦化氮（NH4+-N）量顯著低于對照土壤和其他兩個開墾年限稻田土壤（圖1），說明自然黑土經開墾種稻時間較長時土壤中NH4+-N的累積數量有所下降。本研究中，在淹水培養4 d時，各年限稻田土壤氮凈礦化速率均大于對照土壤，而在淹水培養120 d后，各年限稻田土壤氮凈礦化速率均低于對照土壤（圖2-a），這說明自然黑土開墾種稻后，短時間淹水可使稻田土壤氮凈礦化速率增大，礦化氮數量增加，但隨著淹水時間的延長，稻田土壤氮凈礦化速率減小，礦化氮數量降低，淹水時間長短也是影響稻田土壤氮凈礦化速率大小的重要因素。

土壤氮庫可分為增量氮庫和其他組分氮庫，其中，增量氮庫是指土樣風干過程中死亡微生物體氮庫[21,29]，增量氮庫的氮礦化勢（N）是在一定條件下土壤中這一部分氮庫能夠礦化成無機態氮的數量的最大值，可以用來表征土壤中這一部分氮庫的供氮容量指標，增量氮庫的礦化速率常數（k）可用來表征這一部分氮庫礦化速率快慢的供氮強度指標，而其他組分氮庫的礦化速率常數（0）則可用來表示土壤中這一部分氮庫的礦化速率快慢的供氮強度指標。研究表明，土壤有機碳是影響氮礦化勢的主要因素[32-33]，土壤有機碳可以為微生物的生存提供養分和能量，有機碳含量越高，微生物活性越大，土壤風干過程中死亡微生物體氮庫越多，氮礦化勢也會越大[34-35]。本研究中，與對照土壤（0 a）相比，各年限稻田土壤增量氮庫的氮礦化勢（N）均呈現逐漸降低的趨勢，開墾后種稻12和35 a的稻田土壤的氮礦化勢（N）顯著高于開墾62與85 a的稻田土壤（表2），這與土壤有機碳的變化趨勢不完全一致（表 1），各年限稻田土壤增量氮庫的礦化速率常數（k）顯著高于對照土壤，但各年限之間k則無顯著差異（表2），N和k兩個參數與土壤C/N關系密切。從土壤其他組分氮庫的礦化速度常數（k）來看，開墾后種稻62和85 a稻田土壤的0則顯著低于其他年限土壤（表2），0與土壤有機碳、全氮含量關系密切。這一結果說明自然黑土開墾種稻后土壤有機碳、全氮含量及其結構等發生變化，一方面影響了稻田土壤增量氮庫，種稻年限越長，土壤增量氮庫的供氮容量減少、供氮強度增大；另一方面也影響了其他組分氮庫，種稻年限越長，土壤其他組分氮庫的供氮容量和強度均有所下降。但土壤增量氮庫的供氮潛力要明顯大于其他組分氮庫的供氮潛力。另外，土壤有機氮的礦化數量及速率與土壤溫度有關，本研究中培養試驗溫度（30 ℃）設置以供試區域水稻生長旺盛時期平均最高氣溫進行設置，這一溫度設置在一定程度上增加了水稻生長非旺盛時期土壤有機氮的礦化數量和氮凈礦化速率，進而也會高估各年限土壤的供氮潛力。

3.2 開墾年限對黑土稻田土壤供氮能力的影響

土壤無機態氮（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[36]，也是國內外研究土壤氮素有效性的熱點之一[37-38]。土壤氮凈礦化率是衡量氮素有效性的重要指標，氮凈礦化率是指在一定時間內土壤礦化氮數量與全氮的比例，其比值的意義為1 g全氮可礦化的氮的毫克數，其數值大小在一定程度上可以反映土壤有機氮的品質，其值越大說明可礦化的有機氮數量越多[39]。本研究中，各年限土壤初始礦質氮含量（主要以NH4+-N含量為主）具有顯著差異，稻田土壤初始礦質氮及其占全氮的比例均低于對照土壤（0 a）（表1），說明自然黑土開墾種稻后土壤中可供給當季水稻吸收利用的無機態氮數量有所減少，種稻年限較長時減少更為明顯。各年限土壤增量氮庫的氮礦化勢（N）占全氮的比例各不相同，開墾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297 d時氮凈礦化率的65.64%、61.52%、65.84%、68.19%和74.89%，這一結果說明各年限土壤中增量氮庫和其他組分氮庫在土壤有機氮礦化過程中都發揮著作用，共同決定著一定時間內土壤礦化氮數量的多少，但土壤增量氮庫的供氮潛力要明顯大于其他組分氮庫的供氮潛力。

東北黑土區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在水稻生長季土壤能夠提供無機氮的數量，既包括土壤初始質氮，也包括水稻生長季土壤有機氮礦化生成的礦化氮[22]。本研究結果顯示，除了各年限土壤初始礦質氮外，土壤增量氮庫的供氮潛力是衡量各年限土壤供氮能力大小的重要指標，各年限稻田土壤的供氮能力顯著低于對照土壤，且隨種稻年限延長呈下降趨勢，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）。這一結果顯示，黑土自然荒地開墾種稻一定年限（大于35 a）后，不僅土壤有機碳（氮）水平有所下降，而且土壤的供氮能力也會隨之下降，因此在東北黑土區稻田土壤地力培育中應注意土壤有機質含量的提高。

4 結論

開墾年限對東北黑土區稻田土壤有機氮的礦化量、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297 d，經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。土壤初始礦質氮和土壤氮增量氮庫的氮礦化勢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

國家自然科學基金面上項目（41571280）

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

（責任編輯 李云霞）