凍融時黑土耕層土壤氮素形態(tài)1)

單博　莊海艷　陳祥偉

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

氮素不僅是作物生長發(fā)育過程中必需的大量礦質營養(yǎng)元素之一[1]，而且常由于其較強的移動性及較高的損失率，使之成為作物生長的養(yǎng)分限制因子[2]。土壤氮素形態(tài)的差異既決定著植物吸收利用的有效性，也對氮素在土壤中的周轉和養(yǎng)分平衡的維系產(chǎn)生重要影響。在影響土壤氮素形態(tài)及有效性的諸多因素中，普遍存在于東北及高海拔地區(qū)的凍融交替[3]是影響土壤碳、氮生物地球化學過程的重要驅動力之一[4]。凍融交替對土壤行為變化的影響主要取決于凍融速率、凍融溫度、土壤含水量以及凍融循環(huán)次數(shù)等[3]。一方面，低溫會減緩土壤有機氮的分解，進而導致植物可利用的氮素缺乏[5]；另一方面，頻繁的凍融交替使土壤水分經(jīng)歷多次“液相—固相”轉變，通過改變物理結構和化學性質影響微生物活動，進而促進有機質分解和氮素供應[6]。

近年來，關于凍融對土壤氮素形態(tài)及循環(huán)過程的影響多集中在高山草甸、森林、苔原和濕地等生態(tài)系統(tǒng)[7]，而對東北黑土耕地土壤的研究相對較少。為此，本研究以東北典型黑土區(qū)耕層土壤為研究對象，采用模擬凍融實驗的方法，通過土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮與硝態(tài)氮比值(ANR)、可溶性有機氮及微生物量氮等指標的測定、計算和分析，研究土壤前期含水量與凍融循環(huán)次數(shù)對土壤氮素主要形態(tài)的影響，以期加深對黑土氮循環(huán)的理解與認識，為科學評價凍融對黑土供氮能力的影響提供參考。

1　材料與方法

1.1　供試土壤及樣品的制備

土壤樣品取自位于黑龍江省克山農(nóng)場的典型黑土區(qū)(N48°12′～48°23′，E125°8′～125°37′)。在耕作措施一致、前茬作物均為玉米的耕地中設置3塊臨時樣地，采用自制內(nèi)徑和高均為10 cm的土壤原狀土取樣器采集0～20 cm的耕層土壤樣品，保鮮膜密封低溫保鮮后備用。供試土壤為黏壤土，有機質質量分數(shù)43.49 g/kg、pH值為5.13、土壤全氮質量分數(shù)1.67 g/kg、全磷質量分數(shù)0.42 g/kg。

模擬凍融循環(huán)設置3個處理，分別為無凍融(0次)、少次凍融(3次)和多次凍融(12次)，其中-15 ℃凍結24 h、5 ℃解凍24 h為一次完整的凍融循環(huán)；前期土壤含水量設置2個處理，即田間自然質量含水量(29.42%)和飽和含水量(39.93%)。凍融處理后土壤樣品經(jīng)充分混合，采用四分法取樣用于氮素各形態(tài)指標的測定，重復4次。

1.2　指標測定與方法

土壤可溶性有機氮=可溶性全氮-(土壤銨態(tài)氮+土壤硝態(tài)氮)。

1.3　數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用SPSS18.0和Microsoft Excel軟件進行統(tǒng)計分析，采用多因素方差分析和最小顯著差異法(LSD)檢驗不同數(shù)據(jù)組間的顯著性差異，顯著性水平設定為α=0.05。

2　結果與分析

2.1　銨態(tài)氮的變化

表1　不同凍融處理下土壤銨態(tài)氮質量分數(shù)　mg·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2　硝態(tài)氮的變化

研究發(fā)現(xiàn)，凍融引起了土壤硝態(tài)氮含量的變化，但因土壤含水量和凍融循環(huán)次數(shù)的不同而表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律(表2)。自然含水量條件下，無論是少次還是多次凍融均顯著地增加了土壤硝態(tài)氮質量分數(shù)(P<0.05)，增加幅度為349.01%～495.32%，但以少次凍融的增加幅度較大；而飽和含水量條件下，只有多次凍融顯著增加了硝態(tài)氮質量分數(shù)(P<0.05)，而少次凍融卻表現(xiàn)出硝態(tài)氮質量分數(shù)降低的趨勢，但未達顯著水平。此外，從表2還可以看出，無論是少次凍融還是多次凍融，土壤飽和含水量均會導致土壤硝態(tài)氮質量分數(shù)顯著降低(P<0.05)，降低幅度以少次凍融相對較大。

表2　不同凍融處理下土壤硝態(tài)氮的質量分數(shù)　mg·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

2.3　銨態(tài)氮與硝態(tài)氮質量分數(shù)比值的變化

土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮質量分數(shù)比值(ANR)和微生物氮等土壤氮素指標存在著極顯著相關關系，比銨態(tài)氮和硝態(tài)氮更能反映土壤氮素形態(tài)及供應水平的變化[11]。計算結果表明，凍融對ANR的影響總體上表現(xiàn)出隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而下降的趨勢，但由于土壤含水量的差異導致其變化規(guī)律有所不同(表3)。自然含水量條件下，無論是少次還是多次凍融均顯著降低了土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮比(P<0.05)；而飽和含水量條件下，只有多次凍融才會導致ANR顯著降低(P<0.05)。從表3還可以發(fā)現(xiàn)，土壤含水量同樣會引起ANR的變化。其中，凍融前飽和含水量土壤的ANR顯著高于自然含水量土壤(P<0.05)，少次凍融可以顯著增加和擴大這種差異(P<0.05)，而多次凍融后則使不同含水量土壤ANR的差異趨于不顯著。

表3　不同凍融處理下銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的質量分數(shù)比值

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

2.4　可溶性有機氮的變化

土壤可溶性有機氮(SON)對氮素的礦化、固持、淋失和植物吸收等過程有著不同程度的影響，植物除主要吸收無機態(tài)氮外，還可以吸收少量小分子可溶性有機氮來補充營養(yǎng)[12]。測定結果表明，凍融對土壤SON的影響規(guī)律具有其特殊性，即僅表現(xiàn)為少次凍融會導致SON發(fā)生顯著變化(P<0.05)，在自然含水量條件下，少次凍融能夠顯著增加可溶性有機氮的質量分數(shù)，而土壤飽和含水量條件下則顯著降低其含量(表4)。從表4還可以看出，土壤含水量同樣會對可溶性有機氮質量分數(shù)產(chǎn)生影響，其中，無凍融情況下土壤飽和含水量可顯著增加SON含量，而少次凍融卻使SON含量顯著降低(P<0.05)。

表4　不同凍融處理下土壤可溶性有機氮質量分數(shù)　mg·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

2.5　微生物量氮的變化

土壤中可利用的氮主要來自于微生物對有機氮的礦化作用，而微生物量氮(MBN)是土壤活性氮中最活躍的組成部分，也是土壤活性氮的源和庫[13-14]。測定結果表明，凍融對土壤MBN質量分數(shù)有顯著的影響(P<0.05)，尤其在自然含水量條件下隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，MBN質量分數(shù)表現(xiàn)出顯著降低的規(guī)律性(表5)。

表5　不同凍融處理下土壤微生物量氮質量分數(shù)　mg·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

由表5還可知，土壤含水量同樣對微生物量氮產(chǎn)生了顯著性影響，飽和土壤含水量處理無論是多次凍融還是少次凍融后均會導致MBN質量分數(shù)顯著增加(P<0.05)，增加幅度可達66.17%～88.47%。

3　討論與結論

凍融可通過顯著影響黑土耕地土壤不同形態(tài)的氮素含量進而影響其有效性(表6)，不同處理以及處理間的交互作用程度和影響規(guī)律有所不同。與土壤含水量相比，凍融循環(huán)次數(shù)對各主要形態(tài)氮素的影響更大，所測定各指標的變化均達極顯著水平(P<0.01)；而土壤含水量僅對硝態(tài)氮和ANR的影響達極顯著水平(P<0.01)，對銨態(tài)氮的影響程度顯著(P<0.05)。凍融循環(huán)次數(shù)與土壤含水量的交互作用對硝態(tài)氮和SON的影響達極顯著水平(P<0.01),對MBN的影響程度顯著(P<0.05)。

表6　不同處理土壤主要形態(tài)氮素含量的差異性結果

注：表中ES表示差異極顯著，S表示差異顯著，NS表示差異不顯著；n=18。

凍融循環(huán)次數(shù)對土壤主要形態(tài)氮素的影響主要是通過顯著降低銨態(tài)氮和MBN的質量分數(shù)、顯著增加硝態(tài)氮和SON的質量分數(shù)得以實現(xiàn)的。首先，由于土壤在凍結過程中土壤溫度明顯降低，土壤中的部分微生物因受到凍結脅迫而死亡[15]，直接降低土壤中微生物的數(shù)量，進而在少次凍融后表現(xiàn)為土壤MBN質量分數(shù)顯著減小。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，死亡的部分微生物在分解過程中釋放出大量的活性營養(yǎng)物質，增加了SON和無機氮的質量分數(shù)[16]。所增加的營養(yǎng)物質為能較耐低溫的微生物增加了可利用底物，不僅可以刺激其活性、減小MBN質量分數(shù)的降低程度[17]，而且促進了有機氮的礦化作用，使得硝態(tài)氮不斷積累[18-19]。其次，多次凍融過程中由于土壤水分形態(tài)的改變，使土壤水和微生物細胞內(nèi)水分之間的水勢失衡導致部分微生物死亡，同樣不僅導致土壤MBN質量分數(shù)的近一步降低[20]，而且因礦化作用減弱[21]，使土壤銨態(tài)氮的質量分數(shù)有所降低。此外，模擬凍融試驗過程中，一方面土壤中殘存的植物根系會少量地消耗供試土壤中無機氮導致銨態(tài)氮質量分數(shù)降低；另一方面因未考慮田間土壤養(yǎng)分的淋溶和轉化為氣態(tài)氮的損失[22]亦可能是造成硝態(tài)氮質量分數(shù)有所增加的原因。

凍融對土壤SON質量分數(shù)的影響較復雜。除上述原因外，一方面，由于凍融過程中土體結構的膨脹與收縮，造成與土壤相結合的較大分子量有機質中的氫鍵遭到破壞，釋放出其中的小分子量有機質，從而增加了SON的質量分數(shù)[23]；另一方面，凍融改變了土壤團聚體的穩(wěn)定性和大小，使大團聚體破碎成小團聚體[24]，促進了被大團聚體包裹吸附的某些小分子物質的釋放，也能提高SON的質量分數(shù)[25]。凍融后，自然含水量條件下的MBN、銨態(tài)氮質量分數(shù)及ANR均顯著低于飽和含水量，而SON和硝態(tài)氮質量分數(shù)則顯著高于飽和含水量?？梢哉J為，凍融過程中土壤含水量對土壤主要形態(tài)氮素的影響，是通過顯著影響土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮質量分數(shù)及ANR得以實現(xiàn)的。首先，土壤含水量主要是通過影響硝化和反硝化過程而對土壤無機氮質量分數(shù)產(chǎn)生影響[26]，凍融過程中，較低土壤含水量有利于硝化作用的進行，有利于硝態(tài)氮的積累；而高含水量則有利于土壤氮素的反硝化作用，即有利于銨態(tài)氮的積累[27]。其次，土壤含水量增加，微生物感知凍融變化而活性增強，促使MBN質量分數(shù)增加[27]。此外，凍融可以顯著降低土壤團聚體穩(wěn)定性，且以飽和含水量對土壤團聚體破碎能力最強[28]，團聚體破碎過程中釋放的部分無機氮可能是造成土壤銨態(tài)氮增加的另一原因。

綜上，凍融對黑土耕地土壤氮素形態(tài)產(chǎn)生了影響，凍融循環(huán)次數(shù)對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、ANR、可溶性有機氮、微生物量氮的影響均達極顯著水平(P<0.01)，土壤含水量對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、ANR的影響達到了顯著水平(P<0.05)?？梢哉J為與土壤含水量相比，凍融循環(huán)次數(shù)對黑土耕地土壤主要形態(tài)氮素的影響更大；凍融循環(huán)次數(shù)對土壤主要形態(tài)氮素的影響主要是通過顯著降低銨態(tài)氮和MBN的質量分數(shù)、顯著增加硝態(tài)氮和SON的質量分數(shù)實現(xiàn)的，而土壤含水量的影響主要是通過顯著影響土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮質量分數(shù)及ANR得以實現(xiàn)。