东北黑土不同开垦年限稻田土壤有机氮矿化特征

高佳蕊，方胜志，张玉玲，安晶，虞娜，邹洪涛

东北黑土不同开垦年限稻田土壤有机氮矿化特征

高佳蕊，方胜志，张玉玲*，安晶，虞娜，邹洪涛

沈阳农业大学土地与环境学院/农业农村部东北耕地保育重点实验室，沈阳 110866

【目的】分析东北黑土自然荒地开垦种稻后土壤矿化氮含量、氮净矿化速率和氮净矿化率，探讨土壤供氮能力及其特点，揭示土壤氮素的演变规律，为东北黑土的合理利用和培肥提供理论依据。【方法】以东北黑土自然荒地（0 a，为对照土壤，原始自然草甸植被）和不同开垦年限（12、35、62和85 a）的稻田（地形、种植制度、施肥和水分管理等大致相同）土壤为研究对象，采用长期淹水密闭-间歇淋洗培养方法，研究黑土自然荒地开垦种稻后土壤有机氮矿化的特征。【结果】在培养初期（约1个月），各年限土壤累积矿化氮量迅速增加，之后呈缓慢增加趋势；在淹水培养结束（297 d）时，土壤累积矿化氮量为212.43—388.11 mg·kg-1，各开垦年限土壤累积矿化氮量大小顺序为0、12、35、85和62 a。土壤有机氮矿化过程可用混合模型（Special 模型）很好地进行描述，并可将土壤有机氮库分为增量氮库和其他组分氮库，与对照土壤（0 a）相比，各年限稻田土壤增量氮库的氮矿化势（N）均呈下降趋势，其中，开垦12 a与开垦35、62和85 a稻田土壤的N之间均无显著差异（＞0.05），但开垦12和35 a稻田土壤的N显著高于开垦62和85 a稻田土壤（＜0.05），而矿化速率常数（k）均呈上升趋势，但各年限田土壤的k之间均无显著差异（＞0.05）；开垦12和35 a稻田土壤其他组分氮库的矿化速率常数（0）无显著变化（＞0.05），但开垦62和85 a稻田土壤的0则显著下降（＜0.05）。各年限土壤氮净矿化速率在培养4 d时为最大，之后逐渐下降，在淹水培养结束（297 d）时，土壤氮净矿化速率大小顺序与其累积矿化氮量的大小顺序相一致；各年限土壤氮净矿化率在淹水培养初期较高，之后缓慢增加，在培养结束（297 d）时，土壤氮净矿化率为78.60—101.82 mg·g-1，各开垦年限土壤氮净矿化率的大小顺序为0 a、35 a、12 a、85和62 a；土壤全氮和C/N是影响土壤矿化氮量和氮净矿化速率的重要因素（＜0.05）。土壤初始矿质氮与N之和可用来表征当季稻田土壤供氮能力大小，与对照土壤（0 a）相比，各年限稻田土壤的供氮能力显著下降（＜0.05），开垦12和35 a稻田土壤的供氮能力显著高于开垦62和85 a的稻田土壤（＜0.05）。【结论】黑土自然荒地开垦种稻85 a间，稻田土壤的供氮能力均有所下降，种稻大于35 a时下降显著，因此在稻田土壤地力培育中应注重土壤有机质含量的提高。

黑土区；稻田土壤；种稻年限；矿化氮；土壤供氮能力

0 引言

【研究意义】东北黑土是我国重要的商品粮基地，约占全国粮食总产量的21%[1]。东北黑土的结构良好，有机质含量高，具有丰富的土壤养分及良好的物理性质[2]。土壤碳氮是衡量土壤肥力的重要指标[3]，是维系土壤质量的关键因素，对维持养分循环至关重要[4-5]。水稻在生长发育过程中所吸收的氮素有50%—80%来源于土壤[6]；土壤中90%以上氮素是以有机态氮的形式存在[7-8]，有机态氮需矿化转变成无机态氮（铵态氮或硝态氮）才能被作物吸收利用，土壤有机氮矿化过程生成的矿化氮（无机氮）是水稻生长发育过程中最主要的氮素来源[9]，因此土壤有机氮矿化能力可表征土壤的供氮潜力[10]。土壤含水量、温度、土壤pH[11-13]等因素影响土壤微生物的生活环境，进而影响土壤有机氮矿化过程及其矿化能力[14]。不同开垦年限稻田土壤的性质及环境条件会发生明显的变化，这可能会影响土壤有机氮的矿化能力，因此开展东北黑土不同开垦年限稻田土壤有机氮的矿化特征研究，对于明确黑土稻田土壤的有机氮转化具有重要意义。【前人研究进展】黑土开垦后土壤性质发生了很大的变化，随着种稻年限的延长，土壤有机碳、全氮含量和土壤质地[15-18]发生了很大的变化。黑土开垦种稻85年间，随着种稻年限的延长，土壤有机碳含量呈先增加后下降趋势，而全氮含量大体上呈现下降趋势[19]。东北黑土区不同有机碳水平水稻土氮矿化势及矿化速率常数具有明显差异，土壤有机碳（氮）、C/N和pH是影响土壤有机氮矿化的重要因素[20-21]，并认为基于一级反应理论的混合模型（Special模型）较一级模型（One-pool模型）和双组分模型（Two-pool模型）能够更好地描述黑土区水稻土有机氮的矿化过程[21]。土壤的供氮能力不仅包括土壤初始矿质氮（无机氮，主要为NH4+-N 和NO3--N），而且也包括当季作物生长发育过程中土壤有机氮矿化生成的矿化氮（无机氮，主要为NH4+-N和NO3--N）[22]。土壤有机氮矿化过程生成的矿化氮是土壤矿质氮的主要来源，土壤氮净矿化速率是氮初级矿化速率和初级固定速率的综合结果，可以用来表征土壤中无机氮供应能力的大小[23-24]。李平等[25]研究表明，开垦2年土壤氮净矿化速率显著低于开垦30年土壤。顾春朝[26]研究发现，80余年稻田土壤氮矿化势和氮净矿化速率显著高于120余年土壤。由此可见，不同开垦年限对稻田土壤全氮及有机氮的矿化能力影响的研究结果不尽相同。【本研究切入点】目前关于东北黑土不同有机碳水平水稻土有机碳矿化特征的研究有报道，但关于东北黑土不同开垦年限稻田土壤有机氮的矿化特征的研究比较薄弱，需进一步深入探讨。【拟解决的关键问题】本文采用长期淹水密闭培养-间歇淋洗法室内培养试验，研究东北黑土区不同开垦年限（0、12、35、62和85 a）稻田土壤有机氮的矿化特征，以期明确黑土区开垦种稻后土壤的供氮能力及供氮特点，为该地区黑土的合理利用及稻田土壤的合理培肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

东北黑土区（122—132° E，43—50° N）主要分布在松嫩平原山前波状起伏台地和漫岗丘陵区。本研究土壤样本采自黑龙江省绥化市庆安县，该研究区域地处中国黑龙江省中部，小兴安岭南麓向松嫩平原的过渡地带，地理位置为127°30'—128°35' E，46°30'—47°35' N，气候属寒温带大陆性季风气候，温热湿润；年平均日照时数为2 599 h，年平均气温1.69 ℃，无霜期128 d，年平均降水量577 mm，研究区黑土均为黄土性沉积物发育母质[21]。项目组于2015年10月通过详细的实地调查，确定庆安县勤劳镇张家炉村为供试土壤的采集区域，在研究区内选取典型黑土未开垦利用的荒地（0年，作为对照土壤，以自然草甸植被为主，坡度小于3°）和不同开垦种稻年限（12、35、62和85a）的种稻田块；其中，不同年限稻田田块的气候和地形大致相同，在开垦种稻前植被与未开垦利用的自然草甸植被状况相近，各年限种稻田块每年均未施有机肥，每年施用氮、磷、钾化肥用量（农户常规施用N 90—120 kg·hm-2、P2O545—60 kg·hm-2、K2O 45—75 kg·hm-2）和水分管理（农户常规灌溉的灌溉定额5 500—6 500 m3·hm-2）措施基本相同，但年限间存在差异；各年限种稻田块每年秋季水稻秸秆移除，水稻残茬随深翻入田。土壤样本采集时，将每个相同年限的田块作为一个采样区域，并确定面积大致相同的 3 个采样单元（0.13—0.2 hm2），每个采样单元“S”形布点，每点采样深度为0—20 cm，采集5—7点均匀混合后作为一个土壤样本，即每个年限的土壤样本均为3次重复样本。供试土壤的基本性质见表1。

表1 供试土壤基本性质

数据后不同小写字母表示不同年限间差异达0.05显著水平

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

1.2 土壤有机氮矿化培养试验

土壤有机氮矿化培养试验采用长期淹水密闭培养-间歇淋洗法进行[21,27]。称取过2 mm筛的风干土15.0 g，置于100 mL离心管中，每管加过 2 mm筛的石英砂 7.5 g后均匀混合，每一年限样本 3 次重复。首先，初始矿质氮（无机氮，主要为NH4+-N 和 NO3--N）淋洗：向管中加入 30 mL蒸馏水，盖紧离心管盖，淋洗土样 1 次、再向管中加入 1 mol·L-1KCl 30 mL淋洗土样 2 次、最后向管中加 30 mL蒸馏水淋洗土样两次；每次淋洗时，加入蒸馏水或淋洗液后搅拌均匀，以 6 000 r/min转速离心 10 min，每次淋洗后将上清液倾入 200 mL容量瓶，最后将淋洗液定容至 200 mL。其次，矿化氮淋洗：将初始淋洗后样品加入 30 mL蒸馏水后搅拌均匀，置于 30 ℃恒温箱中培养（培养温度以土壤样本供试区域水稻生长旺盛时期的平均最高气温进行设置），分别于培养的第 4、7、14、21、28、42、56、70、84、122、241、297天全部取出淋洗，淋洗方法与初始矿质氮淋洗相同，并定容至 200 mL。初始淋洗液中测定矿质氮（主要为NH4+-N 和 NO3--N），矿化淋洗液中测定铵态氮（NH4+-N）。

采用非线性拟合建立实测累积矿化氮量与培养时间关系的混合模型（Special 模型）[21,28]，Special 模型为：

N=N[1 – exp(-kt)] +0

式中，N为培养时间时的累积矿化氮量（mg·kg-1）；N和k分别为培养时间趋于无限长时增量氮库（即土样风干过程中死亡微生物体氮）的氮矿化势（mg·kg-1）和矿化速率常数（d-1）；0为其他组分氮库的矿化速率常数（mg·kg-1·d-1）；为矿化培养时间（d）[21,29]。

根据时间实测的累积矿化氮量，进一步求得土壤氮净矿化速率和氮净矿化率；土壤氮净矿化速率（mg·kg-1·d-1）表示单位培养时间（d）内土壤矿化生成的矿化氮（NH4+-N）数量（mg·kg-1），土壤氮净矿化率（mg·g-1）表示一段培养时间内1 g土壤全氮矿化生成的矿化氮（NH4+-N）数量（mg），即一段培养时间内土壤净矿化氮量（mg·kg-1）与土壤全氮（g·kg-1）的比值。

1.3 测定方法

土壤有机碳、全氮采用元素分析仪测定（德国，Elementar 公司），淋洗液中 NH4+-N、NO3--N采用 AA3 自动分析仪（Seal Analytical USA）测定。

1.4 统计分析

利用Origin 2017软件进行作图，Excel 2016 和 SPSS window version 19.0 软件进行数据处理和统计分析，LSD法进行多重比较。文中数据为3次重复的平均值。

2 结果

2.1 土壤累积矿化氮量—时间曲线

土壤有机氮矿化过程是有机态氮经微生物作用转化生成为铵态氮和硝态氮的过程；淹水培养过程中，淋洗液中仅检测出铵态氮。由图1可见，各年限土壤累积矿化氮量随时间变化的趋势大致相同，在淹水培养初期（约1个月）土壤有机氮矿化速率较快，累积矿化氮量迅速增加，之后随着培养时间的延长增加缓慢，淹水培养297 d时各年限土壤累积矿化氮量为212.43—388.11 mg·kg-1；在淹水培养的42 d内，开垦12和35 a的稻田土壤累积矿化氮量要高于对照土壤（0 a），在淹水培养42 d后，则明显低于对照土壤（0 a），但在整个培养期间，开垦12和35 a的稻田土壤与对照土壤相比，土壤累积矿化氮量无显著差异（＞0.05）；在培养1个月后，开垦62和85 a的稻田土壤累积矿化氮量均明显低于对照土壤（0 a）和开垦12和35 a的稻田土壤。总体上来看，在淹水培养42 d 后，各开垦年限土壤累积矿化氮量大小顺序为0、12、35、85和62 a，其中，开垦12和35 a的稻田土壤累积矿化氮量下降不显著（＞0.05），而开垦62和85 a稻田土壤累积矿化氮量则显著下降（＜0.05），但二者之间无显著差异（＞0.05）。相关分析显示，淹水培养297 d时土壤累积矿化氮量与其土壤全氮之间具有显著线性正相关（= 0.955，＜0.05），而与土壤C/N之间则呈显著曲线负相关（= -0.927，＜0.05），说明土壤全氮含量及C/N是影响土壤有机氮矿化的重要原因。

图中曲线为利用Special模型拟合的曲线；不同小写字母表示相同取样时间、不同年限差异达 0.05 显著水平

2.2 Special模型对土壤有机氮矿化过程的拟合参数

利用Special模型对实测累积矿化氮量进行拟合，其拟合参数见表2。从拟合方程的决定系数（2）和估计标准误差（）及拟合度（图1）综合来看，Special模型均能很好地描述各年限土壤有机氮的矿化过程。各年限土壤增量氮库的氮矿化势（N）为146.78— 254.50 mg·kg-1，矿化速率常数（k）为0.042—0.119 d-1；与对照土壤（0 a）相比，各年限稻田土壤的N均呈现下降趋势，其中，开垦12和35 a、62和85 a稻田土壤的N之间均无显著差异（＞0.05），但开垦12、35 a稻田土壤的N显著高于开垦62 a，开垦35 a稻田土壤的N显著高于开垦85 a（＜0.05）；各开垦年限稻田土壤的k均显著高于对照土壤（0 a），但各年限稻田间土壤的k均无显著差异（＞0.05）。N与N（297 d）的累积矿化氮量之间具有显著的正相关（=0.974，＜0.01），N与土壤C/N之间呈显著曲线负相关（=-0.957，＜0.05），k则与土壤C/N之间呈显著曲线正相关（=0.925，＜0.05），说明土壤C/N是影响土壤增量氮库矿化的重要因素。

表2 Special模型的拟合参数

和k分别为土样增量氮库的氮矿化势和氮矿化速率常数，0为其他组分氮库的氮矿化速率常数；2和分别为方程拟合的决定系数和估计标准误差；同列不同小写字母表示差异达 0.05 显著水平；**表示方程拟合达 0.01 显著水平

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

各年限土壤其他组分氮库的矿化速率常数（0）为0.21—0.48 mg·kg-1·d-1，稻田土壤的0随种稻年限延长呈下降趋势；其中，开垦12和35 a稻田土壤的0与对照土壤（0 a）之间无显著差异（＞0.05），但显著大于开垦62和85 a的稻田土壤（＜0.05），而开垦62与85 a稻田土壤的0之间则无显著差异（＞0.05）。0与土壤全氮、有机碳含量之间均具有线性正相关关系（=0.979，＜0.01；=0.899，＜0.05），但与土壤全氮的相关性更大，说明土壤有机碳、全氮含量影响着其他组分氮库，但土壤全氮对其他组分氮库的矿化影响更为明显。

2.3 土壤氮净矿化速率和净矿化率

各年限土壤氮净矿化速率曲线的变化趋势基本相同（图2-A）。在培养最初4 d时为最大（13.52—23.18 mg·kg-1·d-1），各开垦年限土壤氮净矿化速率大小顺序为35、12、85、62和0 a；在培养约1个月时，土壤氮净矿化速率快速下降，随后呈缓慢下降趋势，在培养结束的297 d时数值较小且趋于稳定（0.72—1.31 mg·kg-1·d-1），各开垦年限土壤氮净矿化速率的大小顺序则表现为0、12、35、85和62 a，但各年限间土壤氮净矿化速率差异较小。在培养结束（297 d）时，各年限土壤氮净矿化速率与土壤全氮呈显著曲线正相关关系（=0.957，＜0.05），与土壤C/N呈显著曲线负相关（=-0.931，＜0.05），这也说明土壤氮净矿化速率大小也受土壤全氮和C/N的影响。

土壤氮净矿化率为一段时间内土壤中的矿化氮量与土壤全氮的比值，其数值大小表征单位数量土壤全氮中含有可矿化氮的数量或单位数量土壤全氮矿化生成的矿化氮的数量，其值越大意味着土壤中可矿化氮数量越多或矿化生成的矿化氮数量越多。各开垦年限土壤氮净矿化率随时间变化的趋势也大致相同（图2-B）。在培养42 d前，各年限稻田土壤氮净矿化率均要高于对照土壤（0 a），表现为开垦85 a＞开垦35 a＞开垦12 a＞开垦62 a＞自然荒地（0 a）；在培养42 d后，各年限土壤氮净矿化率逐渐增加，在培养至120 d左右，稻田土壤氮净矿化率均低于对照土壤，在培养结束（297 d）时，各年限土壤氮净矿化率为78.60—101.82 mg·g-1，表现为自然荒地（0 a）＞开垦35 a＞开垦12 a＞开垦85 a＞开垦62 a，这说明在淹水培养前期各年限稻田土壤可矿化有机氮数量较多，这些可矿化有机氮经过矿化生成铵态氮成为作物吸收利用的氮源。

图2 土壤氮净矿化速率和净矿化率

2.4 土壤的供氮能力

各年限土壤初始矿质氮含量为42.82—137.92 mg·kg-1，除开垦35 a外，其他年限稻田土壤初始矿质氮均显著低于对照土壤（＜0.05）（表1）。东北黑土区水稻生长期约为130 d，本试验培养时间为297 d，远超过了水稻当季生长周期，因此本试验以Special模型拟合曲线计算求得各年限土壤培养130 d时的矿化氮量，即开垦0、12、35、62和85 a土壤在当季水稻生长过程中的矿化氮量分别301.47、261.38、262.86、172.19和197.00 mg·kg-1，其数值与各年限土壤增量氮库的氮矿化势相接近，且二者之间具有显著线性正相关关系（=0.988，＜0.01）。因此可以土壤初始矿质氮与增量氮库的氮矿化势（N）之和来表征土壤的供氮能力（图3）。与对照土壤（0 a）相比，各年限稻田土壤的供氮能力均显著下降（＜0.05），降低幅度分别为21.22%、12.61%、47.19%和44.71%，但开垦12与35 a、62与85 a稻田土壤的供氮能力之间均无显著差异（＞0.05）。另外，各年限土壤初始矿质氮占土壤供氮能力的比例分别34.66%、31.98%、36.76%、29.05%和19.81%。由此可见，黑土自然荒地开垦种稻年限小于35 a时，土壤的供氮能力较大，初始矿质氮占比较大，而在种稻年限大于35 a时，稻田土壤的供氮能力显著下降，土壤初始矿质氮占比也相对较小。

柱上不同小写字母表示差异达0.05显著水平；NF为增量氮库的氮矿化势；Nmin为初始矿质氮

3 讨论

3.1 开垦年限对黑土稻田土壤有机氮矿化特征的影响

土壤有机氮矿化过程受土壤理化性质的影响，土地利用方式、年限的不同，其理化性质也会存在明显的差异[15-19]。已研究表明，淹水培养161 d时，土壤矿化氮数量与有机碳、全氮含量高度相关[20-21]，土壤氮矿化势与土壤C/N呈显著正相关，土壤氮矿化速率常数则与土壤C/N呈显著负相关[20]。在本研究中，各年限土壤有机碳、全氮含量、C/N、初始矿质氮等存在不同程度的差异（表1），在培养297 d时累积矿化氮量与土壤全氮含量呈显著正相关，与土壤C/N呈显著负相关，这与前人的研究结果相一致[20-21]。土壤增量氮库的氮矿化势（N）与土壤C/N呈显著负相关，而氮矿化速率常数（k）与土壤C/N呈显著正相关，其他组分氮库的矿化速率常数（k）与土壤全氮、有机碳含量均呈显著正相关，说明有机碳、全氮含量及其C/N在影响土壤有机氮矿化数量或氮矿化潜势方面具有非常重要的作用。

氮净矿化速率是氮初级矿化速率和初级固定速率的综合结果[23-24]，当土壤中能源物质缺乏或C/N较小时，土壤氮初级矿化速率强于土壤生物的初级固定速率，此时土壤氮素转化表现为土壤无机氮素的累积过程，即土壤氮净矿化速率为正值；反之，当土壤能源物质充足或C/N较高时，土壤氮素转化主要表现为生物的固定，土壤氮素以消耗为主[30]。一般情况下土壤C/N越低，土壤氮素矿化速率一般较大[31]。自然黑土经开垦种稻后，种稻62和85 a土壤全氮含量显著降低，各年限稻田土壤C/N显著增加（表1），说明不同种稻年限土壤有机碳、全氮含量发生了明显变化，同时土壤有机质的组成结构、复杂程度也随之发生了变化。本研究中，氮净矿化速率与土壤C/N呈显著负相关关系，与土壤全氮含量呈显著正相关关系，因此，不同年限土壤氮净矿化速率的差异可能与土壤全氮含量及C/N有关。开垦年限显著影响稻田土壤氮净矿化速率和NH4+-N含量[25-26]。已有研究表明，开垦年限对旱地土壤氮净矿化速率影响显著，好氧培养7 d时开垦30 a土壤氮净矿化速率显著高于开垦2 a土壤[25]，开垦种稻年限越长，越不利于土壤NH4+-N的积累[26]。在淹水培养297 d时，各年限土壤累积矿化氮（NH4+-N）量也具有显著差异，种稻时间为62和85 a土壤累积矿化氮（NH4+-N）量显著低于对照土壤和其他两个开垦年限稻田土壤（图1），说明自然黑土经开垦种稻时间较长时土壤中NH4+-N的累积数量有所下降。本研究中，在淹水培养4 d时，各年限稻田土壤氮净矿化速率均大于对照土壤，而在淹水培养120 d后，各年限稻田土壤氮净矿化速率均低于对照土壤（图2-a），这说明自然黑土开垦种稻后，短时间淹水可使稻田土壤氮净矿化速率增大，矿化氮数量增加，但随着淹水时间的延长，稻田土壤氮净矿化速率减小，矿化氮数量降低，淹水时间长短也是影响稻田土壤氮净矿化速率大小的重要因素。

土壤氮库可分为增量氮库和其他组分氮库，其中，增量氮库是指土样风干过程中死亡微生物体氮库[21,29]，增量氮库的氮矿化势（N）是在一定条件下土壤中这一部分氮库能够矿化成无机态氮的数量的最大值，可以用来表征土壤中这一部分氮库的供氮容量指标，增量氮库的矿化速率常数（k）可用来表征这一部分氮库矿化速率快慢的供氮强度指标，而其他组分氮库的矿化速率常数（0）则可用来表示土壤中这一部分氮库的矿化速率快慢的供氮强度指标。研究表明，土壤有机碳是影响氮矿化势的主要因素[32-33]，土壤有机碳可以为微生物的生存提供养分和能量，有机碳含量越高，微生物活性越大，土壤风干过程中死亡微生物体氮库越多，氮矿化势也会越大[34-35]。本研究中，与对照土壤（0 a）相比，各年限稻田土壤增量氮库的氮矿化势（N）均呈现逐渐降低的趋势，开垦后种稻12和35 a的稻田土壤的氮矿化势（N）显著高于开垦62与85 a的稻田土壤（表2），这与土壤有机碳的变化趋势不完全一致（表 1），各年限稻田土壤增量氮库的矿化速率常数（k）显著高于对照土壤，但各年限之间k则无显著差异（表2），N和k两个参数与土壤C/N关系密切。从土壤其他组分氮库的矿化速度常数（k）来看，开垦后种稻62和85 a稻田土壤的0则显著低于其他年限土壤（表2），0与土壤有机碳、全氮含量关系密切。这一结果说明自然黑土开垦种稻后土壤有机碳、全氮含量及其结构等发生变化，一方面影响了稻田土壤增量氮库，种稻年限越长，土壤增量氮库的供氮容量减少、供氮强度增大；另一方面也影响了其他组分氮库，种稻年限越长，土壤其他组分氮库的供氮容量和强度均有所下降。但土壤增量氮库的供氮潜力要明显大于其他组分氮库的供氮潜力。另外，土壤有机氮的矿化数量及速率与土壤温度有关，本研究中培养试验温度（30 ℃）设置以供试区域水稻生长旺盛时期平均最高气温进行设置，这一温度设置在一定程度上增加了水稻生长非旺盛时期土壤有机氮的矿化数量和氮净矿化速率，进而也会高估各年限土壤的供氮潜力。

3.2 开垦年限对黑土稻田土壤供氮能力的影响

土壤无机态氮（以NH4+-N和NO3--N为主）可直接被作物吸收，是表征土壤供氮能力的重要指标[36]，也是国内外研究土壤氮素有效性的热点之一[37-38]。土壤氮净矿化率是衡量氮素有效性的重要指标，氮净矿化率是指在一定时间内土壤矿化氮数量与全氮的比例，其比值的意义为1 g全氮可矿化的氮的毫克数，其数值大小在一定程度上可以反映土壤有机氮的品质，其值越大说明可矿化的有机氮数量越多[39]。本研究中，各年限土壤初始矿质氮含量（主要以NH4+-N含量为主）具有显著差异，稻田土壤初始矿质氮及其占全氮的比例均低于对照土壤（0 a）（表1），说明自然黑土开垦种稻后土壤中可供给当季水稻吸收利用的无机态氮数量有所减少，种稻年限较长时减少更为明显。各年限土壤增量氮库的氮矿化势（N）占全氮的比例各不相同，开垦0、12、35、62和85 a土壤的N占全氮的比例分别为66.83、56.88、65.47、53.60和69.11 mg·g-1，分别占培养297 d时氮净矿化率的65.64%、61.52%、65.84%、68.19%和74.89%，这一结果说明各年限土壤中增量氮库和其他组分氮库在土壤有机氮矿化过程中都发挥着作用，共同决定着一定时间内土壤矿化氮数量的多少，但土壤增量氮库的供氮潜力要明显大于其他组分氮库的供氮潜力。

东北黑土区水稻种植制度为一年一熟制，土壤的供氮能力大小主要体现在水稻生长季土壤能够提供无机氮的数量，既包括土壤初始质氮，也包括水稻生长季土壤有机氮矿化生成的矿化氮[22]。本研究结果显示，除了各年限土壤初始矿质氮外，土壤增量氮库的供氮潜力是衡量各年限土壤供氮能力大小的重要指标，各年限稻田土壤的供氮能力显著低于对照土壤，且随种稻年限延长呈下降趋势，且种稻年限大于35 a稻田土壤的供氮能力显著低于种稻年限小于35 a的稻田土壤（图3）。这一结果显示，黑土自然荒地开垦种稻一定年限（大于35 a）后，不仅土壤有机碳（氮）水平有所下降，而且土壤的供氮能力也会随之下降，因此在东北黑土区稻田土壤地力培育中应注意土壤有机质含量的提高。

4 结论

开垦年限对东北黑土区稻田土壤有机氮的矿化量、氮净矿化速率和氮净矿化率以及供氮能力具有显著的影响。淹水培养297 d，经历不同种植年限稻田土壤的矿化氮量和氮净矿化速率均显著低于自然荒地土壤。土壤初始矿质氮和土壤氮增量氮库的氮矿化势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显著低于自然荒地土壤，种稻大于35 a稻田土壤的供氮能力显著低于种稻小于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

国家自然科学基金面上项目（41571280）

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

（责任编辑 李云霞）