岩溶区种植砂糖桔对石灰土有机氮矿化过程的影响

杨会　朱同彬　吴夏　郝玉培　吴华英

摘要：【目的】土壤有機氮矿化是产生无机氮的主要过程，研究岩溶区不同土地利用方式对有机氮矿化过程的影响，为岩溶区农业种植提供理论依据。【方法】选择岩溶区由灰岩和泥晶灰岩发育而来的石灰土作为研究对象，测定土壤的理化性质和碳化学结构，并采用15N同位素标记方法，研究由乔灌地开垦种植砂糖桔后土壤有机质的数量和质量对有机氮矿化速率的影响。【结果】乔灌地开垦种植砂糖桔后，两种石灰土的土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、钙（Ca）含量、土壤田间持水量（WHC）和pH均显著降低（P<0.05，下同），钾（K）含量显著增加。灰岩发育的石灰土铁（Fe）、铝（Al）含量和粘粒比例显著增加，泥晶灰岩发育的石灰土Fe、Al含量和粘粒比例无显著变化（P>0.05，下同）。灰岩发育的石灰土碳化学结构变化不显著，泥晶灰岩发育的石灰土烷基碳从21.9%显著增至25.7%，羰基碳从16.0%显著降至13.5%。由灰岩和泥晶灰岩发育成的石灰土有机氮总矿化速率（MNorg）分别由2.96和2.22 mg N/（kg·d）降至0.66和1.05 mg N/（kg·d），主要归于易利用有机氮矿化速率（MNlab）的降低。灰岩发育的石灰土难利用有机氮矿化速率（MNrec）变化不明显，泥晶灰岩发育的石灰土MNrec由0.36 mg N/（kg·d）提高至0.66 mg N/（kg·d）。泥晶灰岩发育的石灰土MNorg和MNlab主要受控于土壤有机质数量，与SOC和TN含量呈显著正相关;MNrec受有机质结构组成的影响，与烷基碳呈显著正相关。灰岩发育的石灰土MNorg和MNlab除受有机质数量影响外，还受土壤岩性的影响，与Ca含量呈极显著正相关（P<0.01，下同），与Fe、Al含量和粘粒比例呈极显著负相关。【结论】乔灌地开垦种植砂糖桔导致不同灰岩发育的石灰土有机氮总矿化速率均显著降低，土壤无机氮供应能力减弱。

关键词： 岩溶区石灰土;土地利用方式;岩性;矿化速率;有机质质量

中图分类号： S153.6                                 文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2020）11-2665-09

Effects of sugar orange plantation on organic nitrogen mineralization in different calcareous soils in karst region

YANG Hui， ZHU Tong-bin*， WU Xia， HAO Yu-pei， WU Hua-ying

（Institute of Karst Geology， Chinese Academy of Geological Sciences/Key Laboratory of Karst Dynamics，

Ministry of Natural Resources & Guangxi， Guilin， Guangxi  541004， China）

Abstract：【Objective】Soil organic nitrogen mineralization is the main process of producing inorganic nitrogen. The study of the effects of different land use patterns on organic nitrogen mineralization in karst regions could provide theoretical basis for agricultural planting in karst regions. 【Method】Soil samples were collected from calcareous soils developed from limestone and mudstone limestone in karst region.The physical and chemical properties and carbonization structural of the soil were determined. The 15N tracing technique was used to study the effects of the quantity and quality of organic matter on the mineralization rate in calcareous soil when arbor-bush was converted to sugar orange. 【Result】The results showed that soil organic carbon（SOC）， total nitrogen（TN）， calcium（Ca）， field water-holding capacity（WHC）， pH were significantly reducedin the two calcareous soils（P<0.05， the same below）， and thecontentof potassium（K） was increased significantly during the conversion of arbor-bush to sugar orange. The content of iron（Fe）， aluminium（Al） and clay proportions in calcareous soils developed from limestone were significantly increased， while was not significantly changed in calcareous soils developed from mudstone limestone（P<0.05， the same below）. Carbonization structure in calcareous soil developed from limestone did not change significantly. The alkyl carbon increased significantly from 21.9% to 25.7%， and the carbonyl carbon decreased significantly from 16.0% to 13.5% in calcareous soils developed from mudstone limestone.The total organic nitrogen mineralization rate（MNorg） of calcareous soils developed from limestone and mudstone limestone was significantly decreased from 2.96 and 2.22 mg N/（kg·d） to 0.66  and 1.05 mg N/（kg·d）during the conversion of arbor-bush to sugar orange， which was mainly due to the reduction of the labile organic nitrogen minerali-zation（MNlab）. The mineralization rate of recalcitrant organic N（MNrec） in calcareous soils developed from limestone was not obviously changed， while the calcareous soils developed from mudstone limestone increased significantly from 0.36 mg N/（kg·d） to 0.66 mg N/（kg·d）. MNorg and MNlab in calcareous soils developed from mudstone limestone was mainly controlled by the quantity of soil organic matter， and was positively correlated with the contents of SOC and TN. MNrec was mainly controlled by the composition of soil organic matter and significantly positively correlated with alkyl carbon. MNorg and MNlab in calcareous soils developed from limestone was not only related to the quantity of organic matter， but also affected by the soil lithology， which was extremely positively correlated with Ca content（P<0.01， the same below）， and was extremely negatively correlated with Fe， Al contents and clay proportion. 【Conclusion】The total organic nitrogen mineralization rate is decreased and soil inorganic nitrogen supply capacity is weakened after arbor-bush converting to sugar orange in calcareous soil developed from different limestone.

Key words： calcareous soil in karst area; land use pattern; lithology; mineralization rate; quality of organic matter

Foundation item： Guangxi Natural Science Foundation（2018GXNSFBA138042， 2018GXNSFAA281320）

0 引言

【研究意义】作为植物生长的必需营养元素，土壤氮素限制着陆地生态系统生产力和稳定性（Fu et al.，2019;Hu et al.，2019）。适量的氮能促进植物生长（Sheshbahreh et al.，2019），但当氮量超过植物需求，不仅对植物无益，还会引起一系列生态环境问题，如温室效应和水体富营养化等（刘玉萍等，2017;曹文超等，2019）。除小分子有机物外，植物吸收利用的氮主要为无机氮（铵态氮和硝态氮），无外源氮肥投入情况下，土壤有机质矿化是无机氮供应的主要过程（Booth et al.，2005）。因此，研究土壤有机氮矿化能力，有效评估无机氮供应及有效性，对农业种植具有重要现实意义。【前人研究进展】国内外在自然（林地和草地等）和农业（旱地和水田等）生态系统已开展了大量土壤氮转化过程的研究工作（Zhu et al.，2014;Song et al.，2018;李平和郎漫，2020）。由碳酸盐岩发育的石灰性土壤具有富钙、偏碱性、土壤黏重等特点（曹建华等，2004;王世杰和李阳兵，2007），使得岩溶区土壤氮的转化过程有别于其他地區的土壤。岩溶区林地石灰土的氮矿化速率显著低于林地红壤的矿化速率（Zhu et al.，2016）。在岩溶区，林地土壤氮素的总矿化速率最高，农作物土壤如玉米—大豆和饲草田较低，甘蔗地和桑园中最低（Li et al.，2018）。土地利用方式的改变及不同农田管理措施（施用无机氮肥、有机肥和石灰）会显著影响土壤的物理和化学性质，进而影响土壤氮循环（Zhang et al.，2013）。我国西南岩溶区的碳酸盐出露面积达51万km2，因特殊的地质条件，整个西南岩溶区山地多且土地资源有限，导致贫困地区较多（Jiang et al.，2014）。为了提高经济收入，当地人们经常在坡地毁林种植果树，如柑桔和砂糖桔等。这种土地利用方式的改变可能通过影响土壤性质（有机质数量和质量、微生物活性和数量等）而改变土壤有机氮矿化过程（López-Poma et al.，2020）。人为扰动较少的石灰土包含较多的钙，利于土壤有机质累积，砍伐乔木或灌丛种植果树会降低土壤钙和有机氮含量，可能导致矿化过程下降（文冬妮等，2020）。果树种植过程中常施用有机肥，可能提高土壤活性及有机氮含量而促进矿化过程（Zhang et al.，2012）。【本研究切入点】乔灌地改种砂糖桔不仅改变土壤有机质数量，还改变土壤有机质的化学结构，进而影响土壤有机质的矿化速率。但目前关于土壤有机质数量和化学结构影响矿化过程的研究相对较少。岩溶区石灰土由于存在较大的异质性，不同岩性发育的土壤性质不同，将会影响土壤有机氮矿化过程。【拟解决的关键问题】选择灰岩和泥晶灰岩两种不同岩性发育的石灰土为研究对象，利用15N标记法，测定坡地乔灌开垦种植砂糖桔后土壤有机氮矿化速率的变化，以及土地利用方式发生改变后土壤有机质浓度和化学结构的变化，从土壤有机质的数量和结构角度阐述其对有机氮矿化过程的影响，为岩溶区农业种植提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 研究区概况

采样点位于广西桂林市境内，该地区属于亚热带季风气候，境内四季分明，雨量充沛，平均海拔150 m，年平均降水量1860 mm，年平均蒸发量1038～1566 mm，雨季主要发生在4—7月，年平均气温19.8 ℃。

本研究包含土壤类型和土地利用方式两因素，土壤类型包括由灰岩和泥晶灰岩分别发育的土壤，土地利用方式包括乔灌和砂糖桔。灰岩和泥晶灰岩发育的土壤分别位于桂林市灵川县大境乡灯明村（东经110°32′27″，北纬25°12′33″）和雁山区大埠乡长流水村（东经110°22′44″，北纬25°1′36″）。通过前期调查，灯明村和长流水村的砂糖桔种植年限均为4年左右，由灌丛地砍伐焚荒开垦而来，施肥措施基本一致，相对坡度12°～15°。灯明村乔灌植被以檵木（Loropetalum chinensis）为主，同时包括山麻杆（Alchornea davidii）、葛藤（Pueraria lobota）和野葡萄（Amepelopsis sinica）等，该区域地层为泥盆纪上统融县组（D3r），岩性为灰岩，土层5～25 cm，坡度约12°。长流水村乔灌群落也以檵木为主，包括枫树（Aceraceae）、山麻杆和蔷薇（Rosa multifora）等，地层为泥盆纪上统桂林组（D3g），岩性为泥晶灰岩，土层5～20 cm，坡度约14°。

1. 2 土壤样品采集

于2018年12月分别在灯明村和长流水村的乔灌地和砂糖桔地采集土壤样品。乔灌地和砂糖桔地均选择3个样地作为空间重复，样地间隔约100 m，每个样地随机选取3个1 m×1 m的样点，采样深度为0～10 cm，混匀组成1个样品。土壤样品去除根系、石块和植物残体，过2 mm筛，置于密封的保鲜袋中，4 ℃下保存培养。另取一部分样品风干后测定土壤理化性质。

1. 3 15N标记试验

称取相当于30 g干土重的新鲜土样（过2 mm筛）置于250 mL三角瓶中，在室温25 ℃的室内预培养1 d，分别加入1 mL 15NH4NO3和NH415NO3（丰度均为5%）溶液，加入的铵态氮（NH4+）和硝态氮（NO3-）浓度均达50 mg N/kg。同时加入去离子水，调节土壤含水量至60%的田间持水量（WHC），用封口膜封住瓶口，并用注射器针头扎3个小孔，便于瓶内外气体交换，置于恒温25 ℃条件下培养。分别在添加标记物后的0.5、24、48和72 h各取3瓶，加入150 mL 2 mol/L KCl溶液，25 ℃、250 r/min下振荡提取1 h，过滤，立即测定提取液中NH4+、NO3-浓度和15N丰度。

1. 4 样品分析

土壤pH（水∶土=2.5∶1）采用电位法测定。土壤有机碳（SOC）和全氮（TN）含量测定：采用0.5 mol/L稀盐酸处理土壤，洗净后烘干、磨碎，过60目筛，经SerCon Integra 2元素分析仪测定。土壤中钙（Ca）、铝（Al）、铁（Fe）、钾（K）和磷（P）含量采用XRD法测定。土壤WHC采用室内环刀法进行测定。土壤粒径采用Beckman Coulter LS 230激光粒度分析仪测定。土壤NH4+和NO3-浓度采用Skalarplus San流动分析仪进行测定。浸提液中NH4+和NO3-的15N采用MgO和定氮合金蒸馏法提取：首先在KCl浸提液中加入MgO进行蒸馏，分离出NH4+，然后在蒸馏管中加入定氮合金，再次进行蒸馏，分离出NO3-;蒸馏出的NH3被收集在装有硼酸溶液的锥形瓶中，用0.02 mol/L的H2SO4溶液进行滴定，将收集的NH3转化为（NH4）2SO4;将含有NH4+的溶液置于80 ℃烘箱进行烘干，然后采用SerCon Integra 2同位素比质谱计分析15N丰度。

1. 5 碳化学结构分析

利用固体CPMAS 13C核磁共振光谱定量比较土壤有机质的化学组成。为提高光谱的信噪比，对土壤样品进行氢氟酸预处理，去除Fe3+和Mn2+（Zhang et al.，2013）。氢氟酸处理后的土壤使用Bruker AvanceⅢ WB 400 MHz核磁共振仪测定，13C共振频率100 MHz，魔角自旋频率10 KHz，接触時间2 ms，采样时间34 ms，循环延迟时间5 s，数据点2048个，化学位移用外标甘氨酸（Glycine）校正，积分面积由仪器自动给出，各类型碳所占比例用某化学位移区间积分面积占总积分面积的百分数表示。按照土壤有机质化学结构波谱可分为四大官能区：（1）烷基碳区（δ=0～45，Alkyl C），是难以降解、较稳定的有机碳组分;（2）烷氧碳区（δ=45～110，O-Alkyl C），代表易被微生物代谢利用的碳水化合物;（3）芳香碳区（δ=110～160，Aromatic C），主要来自单宁、木质素和不饱和烯烃等，表征难以被微生物利用的碳化合物;（4）羰基碳区（δ=160～220，Carbonyl C），大多来自于脂肪酸、氨基酸、酰胺、酯和酮醛类物质的吸收。Alkyl C/O-Alkyl C比值（A/A-O）可用来反映腐殖物质烷基化程度的高低（李娜等，2019）。

1. 6 统计分析

将4次采样时间取得的NH4+和NO3-浓度和15N丰度输入土壤氮素转化模型（Müller et al.，2007），经Matlab 2019b运行得到土壤易利用有机氮矿化速率（MNlab）和难利用有机氮矿化速率（MNrec）。采用SPSS 25.0对土壤基本理化性质进行显著性分析，并对土壤理化性质与有机氮矿化速率的相关性进行分析。

2 结果与分析

2. 1 土壤理化性质测定结果

土壤基本理化性质受土壤类型和土地利用方式的影响明显（表1）。乔灌地改种砂糖桔显著降低土壤SOC、TN、Ca含量和WHC、pH（P<0.05，下同），而显著提高K含量，且两种土壤表现出相同趋势。乔灌地改种砂糖桔后，灰岩发育的土壤Fe、Al含量和粘粒比例显著增加，而泥晶灰岩发育的土壤Fe、Al含量和粘粒比例无显著变化（P>0.05，下同）。对于乔灌地而言，灰岩发育的土壤SOC、TN、NO3-、Ca、P含量和砂粒比例显著高于泥晶灰岩发育的土壤，而C/N和K含量显著低于泥晶灰岩发育的土壤。对于砂糖桔地而言，灰岩发育的土壤Fe、Al含量和粘粒比例显著高于泥晶灰岩发育的土壤，而K含量和粉粒比例显著低于泥晶灰岩发育的土壤。

2. 2 土壤碳化学结构

由表2可知，灰岩和泥晶灰岩发育的土壤有机碳官能团均以烷氧碳所占比例最大，其次是烷基碳和芳香碳，羰基碳所占比例最小。乔灌地改种砂糖桔后，灰岩发育的土壤四大官能团所占比例无显著变化，泥晶灰岩发育的土壤烷基碳从21.9%显著增至25.7%，羰基碳从16.0%显著降至13.5%，A/A-O从0.53显著增至0.62。对于砂糖桔地而言，灰岩发育的土壤烷基碳所占比例显著低于泥晶灰岩发育的土壤。

2. 3 土壤有机氮的矿化速率

通过NH4+、NO3-浓度和15N丰度变化（图1～图3）运算得出土壤有机氮的矿化速率。对于乔灌地而言，MNlab主导矿化过程，约为MNrec的5倍，两类土壤表现相同趋势（图4）。乔灌地改种砂糖桔，两种土壤的总矿化速率（MNorg）均明显降低，其中灰岩发育的土壤MNorg由2.96 mg N/（kg·d）降至0.66 mg N/（kg·d），泥晶灰岩发育的土壤MNorg由2.22 mg N/（kg·d）降至1.05 mg N/（kg·d）。乔灌地改种砂糖桔后，MNrec在有机氮矿化中的比例提高，对于灰岩和泥晶灰岩发育的土壤而言，其比例分别达65%和63%。灰岩发育的土壤MNrec变化不明显，泥晶灰岩发育的土壤MNrec由0.36 mg N/（kg·d）增至0.66 mg N/（kg·d）。

由表3可知，在两类土壤中，MNlab和MNorg均与SOC、TN、Ca含量及pH、WHC呈显著或极显著（P<0.01，下同）正相关，与K含量呈显著负相关。灰岩发育的土壤MNlab和MNorg还与Fe、Al含量和粘粒比例呈极显著负相关，与粉粒和砂粒比例呈极显著或显著正相关;泥晶灰岩发育的土壤MNlab和MNorg与Alkyl C比例呈显著负相关。灰岩发育的土壤MNrec与O-Alkyl C比例呈显著正相关，而与Fe含量和Aromatic C比例呈显著负相关;泥晶灰岩发育的土壤MNrec与Alkyl C比例呈显著正相关。

3 讨论

本研究结果表明，乔灌地开垦种植砂糖桔明显降低土壤MNorg。土壤MNorg的降低主要由MNlab下降造成，灰岩和泥晶灰岩发育的石灰土均表现出相同趋势。两种石灰土中MNorg与MNlab的影响因素基本一致。土地利用方式发生改变，MNorg和MNlab首先受到土壤有机质数量的影响。土壤有机氮矿化的底物有机质主要来源于地表植物的凋落物和植物根系的分泌物（Ste-Marie and Houle，2006）。受植被根系及凋落物生物量的影响，植物所产生的枯枝落叶和根系在土壤中分解、积累和矿化，根系及凋落物均会为土壤提供较多的有机质（单志杰等，2019）。已有研究表明，土壤有机氮矿化速率与土壤有机质含量呈显著正相关，土壤有机质含量是影响有机氮矿化的主要因素（Li et al.，2018）。本研究中，MNorg和MNlab均与土壤SOC和TN含量呈显著或极显著正相关，进一步证实了土壤有机质在氮素矿化过程中的重要作用。土壤SOC和TN含量显著下降，较低的碳氮含量可能无法为微生物生长提供充足的营养物质，降低了微生物对有机物的有效分解，从而使得土壤MNorg和MNlab降低。灰岩发育的土壤MNlab降低了90.8%，泥晶灰岩发育的土壤MNlab降低了79.0%。灰岩发育的土壤MNlab较泥晶灰岩发育的土壤下降多，是因为灰岩发育的土壤MNlab除与有机质数量减少有关外，还与不同岩性发育的土壤性质有关。不同岩性的土壤在演变过程中物理和化学性质均具有明显差异（刘炜，2018）。乔灌地，灰岩发育的土壤Ca含量显著高于泥晶灰岩发育的土壤。Ca含量高的石灰土能累积更多的有机碳氮（曹建华等，2003），在石灰土演化过程中由于淋溶迁移Ca含量会降低，积累的有机碳氮也会随之减少（Ye et al.，2018）。在本研究中，乔灌地改种砂糖桔后，灰岩发育的土壤Ca含量降低66.8%，泥晶灰岩发育的土壤Ca含量降低53.7%。灰岩发育的土壤Ca含量降低幅度大，导致土壤中有机碳氮含量大量减少，从而降低了土壤MNorg和MNlab。乔灌地开垦种植砂糖桔，灰岩发育的土壤Fe和Al含量均显著增加。土壤中Fe和Al金属元素的积累，会导致土壤中微生物活性和数量的降低（王世强等，2011;刘亚利等，2018）。灰岩发育的土壤粉粒和砂粒含量显著减少，粘粒含量几乎增加一倍，则土壤通透性变差，影响土壤中微生物活性。土壤中有机氮矿化均是微生物参与的活动（Zhang et al.，2019），微生物活性和数量的降低会导致土壤有机氮矿化速率降低。不同岩性发育的石灰土MNorg和MNlab均明显降低，但影响因素有所不同。泥晶灰岩发育的土壤MNorg和MNlab主要受土壤有机质数量的影响，灰岩发育的土壤MNorg和MNlab受土壤有机质数量和不同岩性发育土壤性质的共同影响。

在乔灌地，有机氮的矿化速率以MNlab为主，土地利用方式发生改变后，灰岩和泥晶灰岩发育的土壤有机氮矿化均是以MNrec为主。灰岩发育的土壤MNrec变化不明显，泥晶灰岩发育的土壤MNrec明显增加。在本研究中，MNrec与土壤SOC和TN含量无显著相关性，说明土壤有机质数量不是影响MNrec的因素，而是土壤有机质质量。乔灌地改种砂糖桔后，泥晶灰岩发育的土壤有机质化学结构发生改变，代表难降解、较稳定的烷基碳比例显著增加，即难利用有机氮矿化的底物浓度增加，导致土壤MNrec增加，而灰岩发育的土壤有机质的化学结构变化不明显。土壤有机碳主要来源于外源植物残体，植物残体化学结构的相似性导致土壤化学结构非常相似（李娜等，2019），但泥晶灰岩发育的土壤活性有机氮较少时难利用有机氮可能更多地保存在晶状物质中，从而增加MNrec的底物，提高了土壤MNrec。

乔灌地改种砂糖桔，由于MNlab下降的幅度大，最终导致MNorg的大幅降低。灰岩和泥晶灰岩发育的土壤MNorg均与土壤有机质数量呈显著正相关，为了提高石灰土有機氮的供应能力，可通过增施有机肥料提高氮的有效性。灰岩发育的土壤MNorg还受土壤黏重和金属元素含量的影响，因此在增施有机肥料的同时还要考虑减少土壤的黏重和金属元素含量。在岩溶区不同岩性发育的土壤中有机氮矿化降低的因素有所不同，因此了解不同岩性土壤有机氮矿化过程特征，可以帮助指导农业生产。

4 结论

土地利用方式的改变影响土壤有机氮的矿化过程。岩溶区乔灌地改种砂糖桔显著降低土壤有机氮矿化速率，主要通过易利用有机氮矿化速率下降造成，土壤无机氮的供应能力减弱。

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（责任编辑 罗 丽）

收稿日期：2020-04-23

基金項目：广西自然科学基金项目（2018GXNSFBA138042，2018GXNSFAA281320）

作者简介：*为通讯作者，朱同彬（1983-），博士，副研究员，主要从事土壤氮循环及环境效应研究工作，E-mail：ztb@karst.ac.cn。杨会（1982-），高级工程师，主要从事同位素地球化学研究工作，E-mail：hy5302230@163.com