農田土壤氮素轉化特征對凍融作用的響應

雋英華 劉艷 宮亮 孫文濤

摘要：為了解非生長季農田土壤氮素轉化特征，采用室內凍融模擬培養(yǎng)方法研究凍融頻數對3種農田土壤（棕壤、褐土、草甸土）微生物量氮及可溶性氮組分含量的影響。結果表明，隨著凍融頻數增加，除微生物量氮含量呈現先增加后降低外，3種農田土壤可溶性無機氮、可溶性有機氮和可溶性全氮含量均顯著增加，這與凈氮礦化速率的變化趨勢正好相反。不同類型農田土壤氮素轉化過程對凍融頻數的響應能力不同，其大小順序為褐土>棕壤、草甸土。說明高肥力土壤對凍融頻數響應的緩沖性較強?？梢姡瑑鋈陬l數能夠促進農田土壤氮素轉化，有利于土壤有效氮的累積，為春季作物生長提供足夠的氮素，但同時也增加了土壤氮素流失風險。

關鍵詞：農田土壤;凍融頻數;氮素轉化;微生物量氮;可溶性氮組分

中圖分類號： S153.6+1文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）21-0282-03

收稿日期：2018-08-16

基金項目：公益性行業(yè)（農業(yè)）科研專項（編號：201503118-08）;國家重點研發(fā)計劃（編號：2017YFD0300702、2018YFD0300303）。

作者簡介：雋英華（1979—），男，山東莒南人，博士，研究員，主要從事作物施肥與土壤氮素轉化的生物化學調控研究。Tel：（024）31023018;E-mail：juanyong_001@sohu.com。

通信作者：孫文濤，博士，研究員，主要從事植物營養(yǎng)與高效施肥研究。Tel：（024）31029915;E-mail：wentaosw@163.com。

凍融作用是中高緯度和高海拔地區(qū)非生長季常見的自然現象[1]，其通過改變土壤水熱狀況而直接影響土壤的物理性狀和微生物活性[2]，進而影響土壤氮素轉化過程[3]，其作用機制包括增加細胞透性[4]、促進微生物群落轉化和微生物死亡分解[5]等多種方式。已有研究表明，凍融作用能夠提高土壤可溶性無機氮含量，促進土壤氮素轉化[6-7]。但也有研究表明，頻繁的凍融循環(huán)會對微生物群落和活性造成傷害并明顯降低土壤氮礦化速率，甚至還通過破壞土壤團聚體結構影響土壤可溶性氮組分含量的變化[8]。因此，了解不同凍融作用下土壤可溶性氮組分及微生物量氮含量的動態(tài)變化，對于正確理解凍融作用對土壤氮素轉化過程的影響很有意義。

目前，關于凍融作用對土壤氮素轉化過程的影響研究多集中在高山森林土壤[9]、濕地土壤[10]、極地苔原、高寒草地[11]等生態(tài)系統(tǒng)，而對農田生態(tài)系統(tǒng)土壤的影響研究鮮有報道。遼寧省位于全球變化研究中國東北樣帶內，是氣候變化、土壤凍融作用顯著和氮素循環(huán)研究的重要區(qū)域，同時也是重要的國家商品糧生產基地，非生長季的凍融作用顯著影響農田土壤氮素轉化過程和氮素養(yǎng)分供應能力[12]。因此，通過室內凍融模擬培養(yǎng)試驗，研究不同凍融頻數對3種典型農田土壤（棕壤、褐土、草甸土）微生物量氮含量、可溶性氮組分及凈氮礦化速率的影響行為，以期為區(qū)域農田土壤氮素肥力保持和氮素循環(huán)研究提供數據支持。

1材料與方法

1.1供試土壤

供試土壤為棕壤、褐土、草甸土，分別采自于沈陽農業(yè)大學長期試驗站（123°57′E、41°82′N）、遼寧省阜新蒙古族自治縣舊廟鄉(xiāng)（121°37′E、42°23′N）和遼寧省農業(yè)科學院試驗基地（123°32′E、41°49′N），采樣時間為2012年4月。采樣時，先除去表層雜物，多點混合法采集0～15 cm表層土壤，將新鮮樣品裝入塑料袋后迅速帶回實驗室，挑取肉眼可見的細根和石塊等雜物后分成2份，一份過2 mm篩后4 ℃保存?zhèn)溆?，另一份風干后測定基礎理化性質[13]（表1）。

1.2試驗設計

取定量過篩后土壤，調節(jié)含水量至15%，放入10 ℃（模擬東北初春土壤凍融發(fā)生時的平均氣溫）的恒溫培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)10 d，使其恢復生物學活性。預培養(yǎng)期間每天透氣并補充損失的水分。

稱取相當于100 g風干土的預培養(yǎng)土壤于100 mL培養(yǎng)瓶中平鋪于瓶底，用帶孔的保鮮膜封口，凍融循環(huán)次數設定為1、5、10次。其中，在-2 ℃凍結6 d、在2 ℃融化1 d設定為1個凍融頻數。每個處理設3次重復，并設置未凍融的預培養(yǎng)土壤為對照。培養(yǎng)期間每天補充水分并保持水分含量不變。

1.3測定方法[13]

微生物量氮（microbial biomass nitrogen，MBN）含量采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定;可溶性無機氮（dissolved inorganic nitrogen，DIN;銨態(tài)氮+硝態(tài)氮）采用2 mol/L KCl溶液浸提，連續(xù)流動分析儀（AA3，德國布朗盧比公司）測定其含量;可溶性全氮（dissolved total nitrogen，DTN）含量采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定;可溶性有機氮（dissolved organic nitrogen，DON）含量=DTN-DIN;凈氮礦化速率（net nitrogen mineralization rate，NNMR）=（培養(yǎng)后DIN-培養(yǎng)前DIN）/培養(yǎng)時間。

1.4數據處理

所有數據采用Excel 2007和SPSS 19.0進行統(tǒng)計分析;試驗數值采用Duncans法進行多重比較;數值采用平均值的形式表示。

2結果與分析

2.1凍融頻數對土壤微生物量氮含量的影響

由圖1可知，除棕壤凍融5次外，凍融頻數對農田土壤MBN含量影響顯著（P<0.05）。與未凍融處理相比，除棕壤凍融5次外，3種凍融農田土壤MBN含量均顯著降低。隨著凍融頻數增加，棕壤、褐土和草甸土MBN含量均呈現先增加后降低的變化趨勢，以頻數5次時達到峰值，其MBN含量分別為6.51、4.60、4.99 mg/kg，較頻數1次處理分別增加2665%、46.96%、30.97%。頻數10次處理棕壤、褐土和草甸土MBN含量分別為3.43、2.00、3.10 mg/kg，較頻數1次處理分別降低33.27%、36.10%、18.64%。說明農田土壤MBN含量受凍融作用影響的緩沖能力因肥力水平而異，其大小順序為棕壤、草甸土>褐土。

2.2凍融頻數對土壤可溶性氮組分的影響

由圖2可知，凍融頻數對農田土壤DIN含量影響顯著（P<0.05），其作用程度因土壤類型而異。與未凍融處理相比，3種凍融農田土壤DIN含量均顯著增加。隨著凍融頻數增加，棕壤、褐土和草甸土DIN含量總體顯著增加，以頻數10次的含量最高，分別為34.95、47.37、43.21 mg/kg，較未凍融處理分別增加23.41%、42.34%、28.41%?？梢姡瑑鋈谧饔媚軌蛱岣咿r田土壤DIN含量。

由圖3可知，除棕壤凍融1次外，凍融頻數對農田土壤

DON含量影響顯著（P<0.05），其作用程度因土壤類型而異。與未凍融處理相比，除棕壤凍融1次外，3種凍融農田土壤DON含量均顯著增加。隨著凍融頻數增加，棕壤DON含量先增加后降低，以頻數5次時達到最大值，為5.18 mg/kg，較未凍融處理增加131.25%;褐土凍融頻數為5次時的DON含量與頻數為1次時相比變化不顯著，但顯著小于頻數為10次的處理;草甸土DON含量顯著增加，以頻數為10次的含量最高（6.61 mg/kg），較未凍融處理增加349.66%。農田土壤DON含量對凍融作用的響應行為受循環(huán)次數和土壤類型的多重制約。凍融1、5、10次后，棕壤DON含量的增加幅度分別為23.66%（與未凍融相比）、87.00%（與凍融1次相比）、-5.41%（與凍融5次相比），褐土DON含量的增加幅度分別為132.99%（與未凍融相比）、-2.18%（與凍融1次相比）、54.12%（與凍融5次相比），草甸土DON含量的增加幅度分別為92.52%（與未凍融相比）、83.75%（與凍融1次相比）、27.12%（與凍融5次相比）。

由圖4可知，凍融頻數對農田土壤DTN含量影響顯著（P<0.05），其作用程度因土壤類型而異。與未凍融處理相比，3種凍融農田土壤DTN含量均顯著增加。隨著凍融頻數增加，棕壤、褐土和草甸土DTN含量均顯著增加，以頻數10次的含量最高，分別為39.95、54.28、49.83 mg/kg，較未凍融處理分別增加30.73%、53.94%、41.88%。由此可見，褐土DTN含量對凍融作用的響應程度最大，其次為草甸土。隨著凍融頻數增加，棕壤、褐土和草甸土DTN含量的增加幅度逐漸降低，以頻數1次的增加幅度最大，分別為17.64%、2411%、17.20%。說明短期凍融更有利于農田土壤DTN的釋放。

2.3凍融頻數對土壤凈氮礦化速率的影響

由圖5可知，凍融頻數對農田土壤凈氮礦化速率影響顯著（P<0.05），其作用程度因土壤類型而異，其大小順序為褐土>棕壤、草甸土。隨著凍融頻數增加，棕壤、褐土和草甸土凈氮礦化速率均顯著降低，以頻數10次的最小，分別為012、0.20、0.14 mg/（kg·d），較頻數1次分別降低8378%、76.19%、79.10%。說明，較棕壤和草甸土相比，褐土氮素轉化過程對凍融作用的響應程度更大。

3討論與結論

凍融作用對土壤微生物量氮含量的影響程度受到凍融頻數、凍融強度、土壤含水量、土壤質地、植被覆蓋等多因素的綜合制約[14]，因而在不同地區(qū)可能存在較大差異[15-16]。本研究表明，除棕壤凍融5次外，凍融頻數對農田土壤微生物量氮含量影響顯著（P<0.05），這也佐證了范志平等的研究結論[17];與其不同的是，本研究在經過1次凍融后，土壤微生物量氮含量顯著降低，之后隨著凍融頻數增加又顯著升高。這是因為凍融初期環(huán)境因子的劇烈變化導致一部分微生物死亡;之后連續(xù)凍融使得微生物產生了較快的適應性，同時死亡微生物也為殘留微生物提供了足夠的營養(yǎng)物質，刺激了存活的微生物活性[18]。凍融作用引起農田土壤微生物量氮的變化行為因土壤類型而異，變化幅度大小順序為褐土>棕壤、草甸土。說明高肥力農田土壤微生物量氮含量對凍融作用的響應程度較小。這是因為高肥力土壤能夠為微生物提供充足的碳源、氮源，促進微生物的生長及發(fā)育，使其存留在土壤中的微生物數量明顯增加，活性明顯增強，大大緩沖了凍融作用對土壤微生物的影響程度?？梢?，本試驗條件下造成微生物量氮含量變化的主要原因是凍融頻數和土壤類型，為了進一步探知凍融過程對土壤微生物變化的影響，須要進行長期凍融試驗來驗證。

凍融作用通過改變土壤水分狀況和分布，直接影響土壤理化性質與微生物活動，導致土壤養(yǎng)分含量的變化[19]。在本研究中，凍融作用引起土壤可溶性氮組分含量顯著增加，且隨著凍融頻數增加，各組分含量均顯著增加，這與Zhou等的研究結果[14，19-20]一致。這是因為凍融作用過程中土壤結構、孔隙等物理性狀的變化，破壞了土壤團聚體和微生物群落結構，有利于土壤包裹吸附著的小分子釋放出來，造成土壤可溶性氮組分釋放量的增加[21-22]。不同類型土壤可溶性氮組分含量對凍融作用的響應程度不同，以褐土最大，這可能與褐土初始可溶性無機氮含量比較高有關。本試驗條件下，凍融作用顯著影響了農田土壤凈氮礦化速率（P<0.05）;隨著凍融頻數增加，土壤凈氮礦化速率的降低幅度逐漸減小。這可能是由于室內培養(yǎng)試驗排除了植物的吸收和降雨的淋溶，造成土壤中氮素礦化量積累，累積的養(yǎng)分能夠抑制有機氮的進一步礦化，使得土壤礦化氮量增加緩慢或降低[23]。然而，Hentschel等在森林流域野外試驗研究表明，土壤凈氮礦化速率受凍融作用影響不顯著[24]?？梢?，凍融作用對土壤凈氮礦化速率的影響結果受供試對象和試驗方法的影響。

可見，凍融作用通過影響土壤物理性狀和微生物活性增加了土壤可溶性無機氮含量[19]，由于農田土壤融化期作物對氮素的吸收量較小，造成春季土壤根系吸收與微生物礦化釋放養(yǎng)分過程在時間和空間上不同步[25]，增加了土壤氮素的淋溶流失風險。

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