交替凍融對(duì)東北地區(qū)典型土壤氮磷濃度的影響

胡鈺，香寶 ，劉玉萍，汪太明，馬廣文，方廣玲

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

2.國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域生態(tài)過程與功能評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

3.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875

4.黑龍江省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150056

5.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012

交替凍融(freeze-thaw cycles，F(xiàn)TC)是由于季節(jié)或晝夜溫度變化在表土及以下一定深度形成的反復(fù)凍結(jié)-解凍的土壤過程，是中、高緯度地區(qū)和山地地區(qū)普遍存在的自然現(xiàn)象。我國(guó)東北地區(qū)位于中緯度，秋冬季節(jié)和初春存在明顯的交替凍融過程。交替凍融會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生較大影響，能夠改變土壤團(tuán)聚體、營(yíng)養(yǎng)元素含量［1-2］，通過增加細(xì)胞透性，促進(jìn)微生物群落轉(zhuǎn)化和微生物的死亡分解［3-4］等多種方式影響微生物活動(dòng)，改變土壤元素的生物地球化學(xué)循環(huán)過程，從而對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響［5］。交替凍融對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響主要取決于凍融速率、凍融溫度、交替凍融的次數(shù)，以及土壤含水率、容重、質(zhì)地等土壤自身的理化性質(zhì)［6］。

土壤全氮和全磷在一定程度上代表了土壤的供氮和供磷水平，反映的是土壤中氮和磷的整體情況。土壤有效氮和速效磷反映的是短期內(nèi)土壤的供氮和供磷水平，是評(píng)價(jià)土壤有效肥力的重要指標(biāo)［7］。土壤腐殖質(zhì)是在土壤中的微生物作用下有機(jī)物分解形成的特殊類型高分子有機(jī)化合物的混合物［8］。土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)是用稀堿液從土壤中提取出的腐殖質(zhì)，主要包括游離有機(jī)質(zhì)以及與活性鐵鋁氧化物結(jié)合的腐殖質(zhì)，是參與土壤碳氮循環(huán)最活躍的腐殖質(zhì)［9-10］。研究表明［11］，凍融條件下土壤腐殖質(zhì)的濃度及活性都會(huì)有所改變。因此，研究土壤氮磷各組分與腐殖質(zhì)間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，對(duì)于理解交替凍融對(duì)土壤氮磷濃度變化的影響很有意義。筆者以東北三種典型土壤即黑土、水稻土、暗棕壤為對(duì)象，以土壤氮磷濃度變化為基礎(chǔ)，通過模擬試驗(yàn)研究相同凍融速率、凍融溫度，不同交替凍融次數(shù)下，土壤全氮、有效氮、全磷、有效磷組分及腐殖質(zhì)的變化，以了解交替凍融次數(shù)對(duì)土壤中氮磷濃度的影響，及在交替凍融作用下，土壤中的氮磷濃度與腐殖質(zhì)的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 材料

樣品采集區(qū)位于黑龍江省哈爾濱市阿城區(qū)亞溝鎮(zhèn)，于2010年7月上旬分別采集黑土、暗棕壤和水稻土三種土壤樣品，各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示。采用對(duì)角線法均勻采集0～15 cm表層土壤，將采集的新鮮土壤樣品迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，完全凍結(jié)2 d，然后進(jìn)行室內(nèi)交替凍融試驗(yàn)。

表1 三種土壤樣品的各項(xiàng)指標(biāo)Table 1 The index of the three soil samples

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將采集的黑土、暗棕壤和水稻土壤樣品剔除草根及其他雜物后風(fēng)干，混勻，分別平均分成7份。將土壤樣品在-20℃下冷凍，待完全結(jié)凍(24 h)后在20℃下放置24 h使其完全融化，此為一個(gè)凍融周期。分別對(duì)未經(jīng)凍融處理的原始樣及凍融周期為1次、2次、4次、8次、10次、15次的土壤樣品進(jìn)行分析。為了模擬土壤交替凍融的實(shí)際情況，按照春季融雪期土壤含水率對(duì)樣品進(jìn)行水分校正。根據(jù)調(diào)研分析，春季融雪期黑土、暗棕壤和水稻土的含水率分別為27%、35%和41%，試驗(yàn)過程中不斷補(bǔ)充失去的水分，保持試驗(yàn)土壤樣品相應(yīng)的水分條件恒定。處理后土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后，研磨，分別進(jìn)行土壤全氮、有效氮、全磷、有效磷及松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的測(cè)試，每次試驗(yàn)均進(jìn)行3個(gè)平行樣的測(cè)定。

1.3 測(cè)定方法

將風(fēng)干土壤樣品過0.149 mm篩，取1.0 g(精確到0.0001 g)進(jìn)行土壤全氮濃度分析，采用半微量凱氏法測(cè)定，土壤中全氮在硫酸銅、硫酸鉀與硒粉的存在下，用濃硫酸消煮，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩岚?，然后用氫氧化鈉堿化，加熱蒸餾出氮，經(jīng)硼酸吸收，用標(biāo)準(zhǔn)酸滴定其濃度;取0.25 g(精確到0.0001 g)土壤樣品進(jìn)行全磷濃度分析，以高氯酸-硫酸消化溶解土壤中的磷，采用鉬銻抗比色法測(cè)定［7］。

將風(fēng)干土壤樣品過2 mm篩，取1.00～2.00 g用于有效氮濃度分析，采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，在擴(kuò)散皿中土壤于堿性條件下進(jìn)行水解，使易水解態(tài)氮經(jīng)堿解轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，擴(kuò)散后由硼酸溶液吸收，用標(biāo)準(zhǔn)酸滴定，計(jì)算有效氮濃度。取5.0 g(精確到0.01 g)土壤樣品用于有效磷濃度分析，采用鹽酸-硫酸浸提，用0.05 mol/L鹽酸和0.025 mol/L硫酸的雙酸浸提液50 mL振蕩浸提土壤樣品，使土壤中活性較高的磷酸鐵、鋁鹽陸續(xù)被溶解釋放，用鉬銻抗比色法測(cè)定有效磷濃度［7］。

土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的提取與表征［12］，采用0.1 mol/L NaOH溶液提取土壤中的松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)，將浸提液在4000 r/min下離心15 min，取上清液，上清液通過0.45μm玻璃纖維濾膜(Whatman GF/F)過濾，濾液即為松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)溶液，成分為胡敏酸和富里酸。采用TOC-VCPH測(cè)定儀(島津公司，日本)測(cè)定溶液的TOC，以此來表征土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)使用 Excel 2003、Origin 7.5、SPSS 16.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，3個(gè)平行樣品結(jié)果計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)誤差，土壤氮磷濃度變化與交替凍融次數(shù)之間顯著性檢驗(yàn)采用單因子方差分析(ANOVA)處理，土壤氮磷濃度和腐殖質(zhì)之間的相關(guān)性用Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 交替凍融對(duì)全氮和有效氮的影響

未凍融和經(jīng)過凍融處理的土壤樣品全氮和有效氮濃度見圖1和圖2。由圖1可見，交替凍融次數(shù)對(duì)三種土壤全氮濃度影響顯著，三種土壤的全氮濃度均在第2次凍融后有所升高，與處理前相比，水稻土、黑土、暗棕壤的漲幅分別為16.03%、44.24%和2.72%。但經(jīng)過15次凍融后，全氮濃度變化不大。方差分析表明，不同交替凍融次數(shù)處理三種土壤全氮濃度差異均顯著(P＜0.05)。

由圖2可見，交替凍融次數(shù)對(duì)三種土壤有效氮濃度影響顯著。水稻土有效氮濃度呈現(xiàn)上升→下降→上升→趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，2次凍融后有效氮濃度達(dá)到最大值，與處理前相比，漲幅為47.32%，15次交替凍融后有效氮濃度由4.83 mg/kg升高到6.30 mg/kg，上升了31.25%。黑土有效氮濃度逐漸升高，4次交替凍融后達(dá)到最大值，與處理前相比漲幅為19.13%，之后略有下降并趨于穩(wěn)定。暗棕壤有效氮濃度在8次交替凍融后達(dá)到最大值，與處理前相比漲幅為15.01%，10次交替凍融后有效氮濃度略有下降，并趨于穩(wěn)定。方差分析表明，不同交替凍融次數(shù)處理三種土壤有效氮濃度差異均顯著(P＜0.05)。

2.2 交替凍融對(duì)全磷和有效磷的影響

未凍融和經(jīng)過凍融處理的土壤樣品全磷和有效磷濃度變化見圖3和圖4。由圖3可見，交替凍融次數(shù)對(duì)三種土壤全磷濃度影響顯著。三種土壤全磷濃度均在初次凍融后有大幅增高，與處理前相比，水稻土、黑土、暗棕壤的漲幅分別為8.07%、7.11%和12.62%。15次交替凍融后三種土壤的全磷濃度均較未處理時(shí)有所增長(zhǎng)，與處理前相比，水稻土、黑土、暗棕壤的漲幅分別為7.93%、5.45%和9.05%。方差分析表明，不同交替凍融次數(shù)處理三種土壤全磷濃度差異均顯著(P＜0.05)。

圖3 全磷濃度的變化Fig.3 The variation trend of total phosphorous in soil samples

由圖4可見，交替凍融次數(shù)對(duì)三種土壤有效磷濃度影響顯著。水稻土有效磷濃度隨著交替凍融次數(shù)的增加總體呈升高形勢(shì)，15次交替凍融后有效磷濃度由 14.6 mg/kg升高到 22.8 mg/kg，上升了56.16%。黑土有效磷呈現(xiàn)上升→下降→上升→趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，15次交替凍融后有效磷濃度與處理前相比由39.5 mg/kg升高到46.5 mg/kg，上升了17.72%。而暗棕壤有效磷濃度呈逐漸下降的趨勢(shì)，15次交替凍融后下降35.19%。方差分析表明，不同交替凍融次數(shù)處理三種土壤有效磷濃度也是差異均顯著(P＜0.05)。

圖4 有效磷濃度的變化Fig.4 The variation trend of available phosphorous in soil samples

2.3 土壤氮磷濃度和腐殖質(zhì)之間相關(guān)性

未凍融和經(jīng)過凍融處理土壤樣品松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)濃度見圖5。

圖5 土壤樣品松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)濃度變化Fig.5 The variation trend of active humus content in soil samples

將三種土壤的原始樣及經(jīng)過1次、2次、4次、8次、10次、15次凍融處理的土壤樣品(n=7)的松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)濃度與相對(duì)應(yīng)的氮磷濃度進(jìn)行Pearson相關(guān)系數(shù)及其顯著性檢驗(yàn)，分析表明(表2)，隨著交替凍融次數(shù)的變化，松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)濃度與土壤氮磷濃度存在一定相關(guān)性，但特點(diǎn)各異。松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)和水稻土的全氮、有效氮、全磷以及有效磷濃度分別呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但未達(dá)到顯著水平(P＞0.05)，黑土有效氮濃度與松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。已有研究表明，凍融過程并未完全抑制微生物活動(dòng)，微生物的分解作用使黑土土壤腐殖質(zhì)濃度上升［11］，而微生物的作用也提高土壤有機(jī)氮礦化效率，從而使有效氮濃度增加，這與該結(jié)果相符。黑土全磷與松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。暗棕壤的有效氮和全磷濃度與松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)濃度呈正相關(guān)關(guān)系，但未達(dá)到顯著水平(P＞0.05)。三種類型的總氮指標(biāo)與松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)濃度均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但未達(dá)到顯著水平(P＞0.05)。目前還不能充分解釋凍融作用時(shí)土壤氮磷濃度和腐殖質(zhì)之間的相互作用機(jī)理，這方面的研究有待于進(jìn)一步加強(qiáng)。

表2 交替凍融下松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)與氮磷濃度的相關(guān)系數(shù)(n=7)Table 2 Correlation coefficients between loose humus and nitrogen phosphorus under freezing and thawing cycles

3 討論

3.1 交替凍融對(duì)土壤全氮和有效氮的影響

經(jīng)過15次凍融后全氮濃度均未發(fā)生明顯變化，這與Schimel等［13］的研究結(jié)果一致，認(rèn)為遇劇烈低溫可能導(dǎo)致微生物數(shù)量明顯下降，但低溫過后微生物數(shù)量的快速恢復(fù)在一定程度上可以抵消這種不利影響，因而對(duì)土壤氮濃度變化沒有明顯的影響。另一方面，由于土壤凍融界面及附近區(qū)域有一定含水量，在凍融的作用下土壤含水部分產(chǎn)生缺氧區(qū)域，加快了微生物的反硝化作用，引起氮的損失［14］，所以在初次凍融時(shí)水稻土全氮濃度呈下降趨勢(shì)。隨著交替凍融次數(shù)的增加，土壤結(jié)構(gòu)的改變，提高了微生物的活性［15］，加快了土壤中的硝化過程［16］，從而導(dǎo)致全氮濃度變化不大。

交替凍融作用下，三種土壤有效氮濃度總體是增加的，這與Fitzhugh等［1］的研究結(jié)果一致，由于凍融作用增強(qiáng)了土壤的釋水性和水分的滲透性，使得融化后土壤水分顯著提高，養(yǎng)分易于溶出，或吸附在礦物顆粒內(nèi)以及土壤膠體表面，由于交替凍融加快了土壤中有機(jī)質(zhì)礦化與硝化速率，造成土壤中的可溶性有機(jī)物和養(yǎng)分濃度有所增加。另一方面，土壤C/N是指有機(jī)物中碳素總量與氮素總量的比值，微生物生命活動(dòng)需要的C/N約為24，若C/N＜24，有機(jī)物分解時(shí)多余的氮會(huì)釋放出來［17］。本研究中，黑土、暗棕壤和水稻土的C/N分別為17.27、17.60和19.15，均低于24，所以在生物分解過程中，多余的氮釋放出來，因而有效氮濃度增加。

3.2 交替凍融對(duì)全磷和有效磷的影響

交替凍融作用下，三種土壤全磷濃度總體均增加，這與Freppaz等［18］的研究結(jié)果一致，分析原因主要是由于測(cè)試方法和凍融作用破壞了土壤團(tuán)聚體造成的。測(cè)試土壤全磷濃度時(shí)，采用高氯酸-硫酸消化的方法將不溶性磷酸鹽轉(zhuǎn)化為可溶性磷酸鹽，整個(gè)消化時(shí)間約為40 min，消化時(shí)間遠(yuǎn)低于測(cè)試土壤全氮的消化時(shí)間(約為90 min)，在較短的消化時(shí)間內(nèi)可能存在由于土壤大團(tuán)聚體的吸附和包覆作用，使部分不可溶性磷酸鹽未能與消化液充分反應(yīng)，而凍融作用破壞了土壤團(tuán)聚體，使土壤大團(tuán)聚體變?。?］，增加了與消化液反應(yīng)的機(jī)會(huì)，因而出現(xiàn)初次凍融后三種類型土壤全磷濃度均大幅增高的現(xiàn)象。

黑土和暗棕壤的有效磷濃度隨著交替凍融過程總體呈增加趨勢(shì)，這與 Taskin等［19］的研究結(jié)果一致，土壤有效磷濃度增加是由于磷從土壤固相向液相的釋放過程加劇，包括無機(jī)磷的溶解，吸附態(tài)磷的解吸，有機(jī)磷的礦化、遷移過程中與其他土壤組分的反應(yīng)等［20］。經(jīng)過交替凍融過程后，隨著有機(jī)質(zhì)濃度的增加，土壤內(nèi)有機(jī)質(zhì)礦化速率提高，導(dǎo)致有效磷濃度升高。也有部分因素是由于凍融作用增強(qiáng)土壤釋水性和水分滲透性［1］，增加了無機(jī)磷的溶解，同時(shí)使得包含于土壤礦物顆粒內(nèi)或吸附于土壤膠體表面的磷在隨水分遷移的過程中發(fā)生了賦存形態(tài)的轉(zhuǎn)化。另一方面，土壤C/P＜200，有機(jī)物分解時(shí)多余的磷會(huì)釋放出來［21］。本研究中，黑土和水稻土的C/P分別為67和49，所以在生物分解過程中，多余的磷釋放出來，因而有效磷濃度增加。暗棕壤的C/P為98，但是由于暗棕壤采樣點(diǎn)的土地利用類型是林地，林下土中生物可利用磷的濃度較低，因而可能發(fā)生磷的凈固定，導(dǎo)致有效磷濃度降低。

4 結(jié)論

交替凍融對(duì)水稻土、黑土及暗棕壤中氮磷濃度影響顯著，隨著交替凍融次數(shù)的變化，全氮、有效氮、全磷、有效磷濃度差異顯著;其中，交替凍融次數(shù)是導(dǎo)致氮磷濃度變化的主要原因。交替凍融過程中腐殖質(zhì)與氮磷濃度之間存在一定相關(guān)性，但未達(dá)到顯著差異?？梢?，頻繁發(fā)生的交替凍融事件，是東北地區(qū)土壤氮磷濃度的影響因素之一，使得秋冬季節(jié)和初春季節(jié)不同坡向地帶土壤氮磷循環(huán)產(chǎn)生差異。

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