農(nóng)田黑土氮素轉(zhuǎn)化特征對(duì)凍融作用的響應(yīng)

雋英華，田路路，劉 艷，孫文濤*

（1．遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與環(huán)境資源研究所，遼寧 沈陽 110161；2．常德市農(nóng)業(yè)委員會(huì)，湖南 常德 415000）

凍融作用是指土壤溫度在0℃上下波動(dòng)而出現(xiàn)的反復(fù)凍結(jié)-融化過程，這一現(xiàn)象普遍存在于中、高緯度及高海拔地區(qū)［1］。凍融作用是作用于土壤的非生物應(yīng)力，通過改變土壤水分狀況而影響土壤的物理、化學(xué)、生物等性質(zhì)，是影響土壤氮素生物地球化學(xué)過程的重要驅(qū)動(dòng)力之一［2］。氮素是植物生長(zhǎng)不可缺少的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，同時(shí)也在生態(tài)系統(tǒng)生物化學(xué)循環(huán)中扮演至關(guān)重要的角色［3］。有機(jī)氮礦化是土壤氮素循環(huán)的重要組成部分，礦化產(chǎn)生的銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）為土壤微生物活動(dòng)及植物生長(zhǎng)提供了主要氮素來源［4］。研究表明，凍融作用能夠加速土壤有機(jī)氮礦化，提高有效氮水平［5］。但也有研究表明，凍融作用對(duì)土壤有效氮含量無顯著影響，甚至降低凈氮礦化速率［6-7］。關(guān)于凍融作用對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化過程影響研究的爭(zhēng)議，其原因可能是凍融土壤氮素轉(zhuǎn)化受凍融溫差、水分含量、土壤理化特性等多因素的協(xié)同影響［5，8］?？梢姡私獠煌瑑鋈跅l件下土壤有效氮組分構(gòu)成及其含量變化，對(duì)于正確理解凍融作用對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化過程的影響意義重大。

東北地區(qū)是氣候變化和土壤凍融循環(huán)研究的重要區(qū)域，冬季凍融作用時(shí)間的長(zhǎng)短和凍融循環(huán)次數(shù)直接影響土壤氮素養(yǎng)分的供應(yīng)［9］。中國黑土資源主要分布在東北地區(qū)松嫩平原東部及北部的山前盆地，在長(zhǎng)達(dá)半年的冬春季節(jié)里，土壤處于凍結(jié)和解凍狀態(tài)，存在明顯的季節(jié)性凍融現(xiàn)象［10］。關(guān)于凍融作用對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化過程的影響研究，以往多集中在高山草甸、森林、苔原、濕地等生態(tài)系統(tǒng)［11-12］，而對(duì)東北農(nóng)田黑土的研究較少。為此，本研究以東北農(nóng)田黑土為對(duì)象，采用室內(nèi)凍融模擬培養(yǎng)試驗(yàn)探討了不同凍融因子（凍融溫度、凍融循環(huán)次數(shù)、水分含量）對(duì)土壤無機(jī)氮組分含量及氮素轉(zhuǎn)化速率的影響行為，以期深入了解凍融作用下農(nóng)田黑土的供氮潛力，為農(nóng)田黑土氮素管理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤于2013 年10 月采自吉林省公主嶺市國家黑土土壤肥力和肥料效益長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)站（始建于1977 年），該站地處松遼平原公主嶺市吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)地內(nèi)（N43°30′、E124°48′），屬中溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均溫度4～5℃，年均降水量450～650mm，降水主要集中在7、8 月份，占全年的60%～70%，雨熱同季；年均無霜期125～140d，有效積溫2600～3000℃，年均蒸發(fā)量1200～1600mm，年均日照時(shí)間2500～2700h，每年12 月至第二年3 月為土壤凍結(jié)期，凍土厚度達(dá)1.5m。土壤類型為典型黑土，成土母質(zhì)為第四紀(jì)黃土狀沉積物。采樣時(shí)，先除去表層雜物，多點(diǎn)混合法采集0～20cm 耕層土壤，將新鮮樣品裝入塑料袋后迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，挑去肉眼可見的細(xì)根、石塊等雜物后分成兩份，一份過2mm 篩后4℃保存?zhèn)溆?，另一份風(fēng)干后測(cè)定基礎(chǔ)化學(xué)性質(zhì)［13］：pH 值5.80±0.07、 有 機(jī) 質(zhì)（29.97±0.84）g·kg-1、全氮（1.77±0.07）g·kg-1、全磷（0.72±0.04）g·kg-1、 全 鉀（21.00±0.70）g·kg-1、 堿解氮（180.45±4.12）mg·kg-1、有效磷（49.30± 3.13）mg·kg-1、速效鉀（273.99±6.89）mg·kg-1。

1.2 凍融試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取定量過篩后鮮土，用蒸餾水調(diào)節(jié)含水量至10%（質(zhì)量含水量），放入10℃（模擬采樣地區(qū)10月末～11 月初田間原位土壤凍融作用初次發(fā)生時(shí)的平均氣溫）恒溫培養(yǎng)箱中恒溫預(yù)培養(yǎng)15d，使其恢復(fù)生物學(xué)活性。預(yù)培養(yǎng)期間每天透氣并補(bǔ)充損失的水分。

1.2.1 凍融溫度模擬試驗(yàn)

稱取相當(dāng)于200g 風(fēng)干土的預(yù)培養(yǎng)土壤于100mL 培養(yǎng)瓶中平鋪于瓶底，用蒸餾水調(diào)節(jié)含水量至15%（質(zhì)量含水量），用帶孔的保鮮膜封口，在某一凍結(jié)溫度下凍結(jié)6d，然后在某一融化溫度下融化1d，取樣進(jìn)行無機(jī)氮組分分析。凍結(jié)溫度設(shè)定為-3、-6、-9、-12、-15℃；融化溫度設(shè)定為2、5℃。每個(gè)處理3 次重復(fù)，并設(shè)置恒溫2℃處理作為對(duì)照。試驗(yàn)期間每隔2d稱重補(bǔ)充水分。

1.2.2 凍融循環(huán)次數(shù)模擬試驗(yàn)

稱取相當(dāng)于200g 風(fēng)干土的預(yù)培養(yǎng)土壤于100mL 培養(yǎng)瓶中平鋪于瓶底，用蒸餾水調(diào)節(jié)含水量至15%（質(zhì)量含水量），用帶孔的保鮮膜封口，經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)的凍融后，取樣進(jìn)行無機(jī)氮組分分析。凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)定為1、3、6、10、15。其中，在-3℃凍結(jié)6d、在2℃融化1d設(shè)定為1 個(gè)凍融循環(huán)次數(shù)。每個(gè)處理3 次重復(fù)，并設(shè)置恒溫2℃處理作為對(duì)照。試驗(yàn)期間每隔2d稱重補(bǔ)充水分。

1.2.3 水分含量?jī)鋈谀M試驗(yàn)

稱取相當(dāng)于200g 風(fēng)干土的預(yù)培養(yǎng)土壤于100mL 培養(yǎng)瓶中平鋪于瓶底，通過注射器均勻加蒸餾水調(diào)節(jié)含水量至10%、20%和30%（質(zhì)量含水量），用帶孔的保鮮膜封口，經(jīng)過1 個(gè)循環(huán)的凍融后（凍融循環(huán)設(shè)定同1.2.2），取樣進(jìn)行無機(jī)氮組分分析。每個(gè)處理3 次重復(fù)，并設(shè)置恒溫2℃處理作為對(duì)照。試驗(yàn)期間每隔2d稱重補(bǔ)充水分。

1.3 測(cè)定方法

土壤無機(jī)氮含量（NH4+-N+NO3--N）采 用2mol·L-1KCl 溶液浸提，連續(xù)流動(dòng)分析儀（AA3，德國）測(cè)定［13］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

凈氮礦化速率、硝化速率的計(jì)算公式如下［14］：凈氮礦化速率（mg·kg-1·d-1）=（培養(yǎng)后無機(jī)氮含量-培養(yǎng)前無機(jī)氮含量）/培養(yǎng)天數(shù)

硝化速率（mg·kg-1·d-1）=（培養(yǎng)后硝態(tài)氮含量-培養(yǎng)前硝態(tài)氮含量）/培養(yǎng)天數(shù)

數(shù)據(jù)采用Excel2007 和SPSS19.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan’s 法進(jìn)行多重比較；數(shù)值采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融作用下農(nóng)田黑土無機(jī)氮組分含量變化特征

圖1 凍融溫度對(duì)農(nóng)田黑土無機(jī)氮組分含量的影響

凍融溫度對(duì)農(nóng)田黑土無機(jī)氮組分含量影響顯著（P＜0.05），且以硝態(tài)氮為主（圖1）。與對(duì)照相比，凍融土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均顯著增加，增加幅度分別在2.31%～9.11%和1.12%～20.87%之間。隨著凍結(jié)溫度降低，凍融土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均顯著增加，以-15℃凍結(jié)時(shí)最大，分別為80.20mg·kg-1（平均值）和9.64mg·kg-1（平均值），較-3℃凍結(jié)時(shí)分別增加了7.45%和19.34%（平均值）。隨著融化溫度升高，除-6℃凍結(jié)銨態(tài)氮含量和-9℃凍結(jié)硝態(tài)氮含量顯著增加外，其它凍融土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均無顯著性變化?？梢姡^大的凍融溫差（-15℃/2～5℃）造成了凍融土壤無機(jī)氮組分含量顯著增加，且凍結(jié)溫度的作用程度高于融化溫度。

凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)農(nóng)田黑土無機(jī)氮組分含量影響顯著（P＜0.05），且以硝態(tài)氮為主（圖2）。與對(duì)照相比，凍融土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均顯著增加，增加范圍分別在0.87～4.05 和1.54～2.20mg·kg-1之間，且以循環(huán)次數(shù)1 硝態(tài)氮含量和循環(huán)次數(shù)15 銨態(tài)氮含量的增加幅度最大，分別為5.60%和30.69%。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，凍融土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量從循環(huán)次數(shù)3 開始均顯著降低，以循環(huán)次數(shù)15 時(shí)達(dá)到極值，分別為74.68 和8.53mg·kg-1，較循環(huán)次數(shù)1 時(shí)分別降低了2.31%和9.69%。

圖2 凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)農(nóng)田黑土無機(jī)氮組分含量的影響

水分含量對(duì)凍融農(nóng)田黑土無機(jī)氮組分含量影響顯著（P＜0.05），且以硝態(tài)氮為主（圖3）。與對(duì)照相比，除水分含量20%和30%硝態(tài)氮含量顯著增加外，其它凍融土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均無顯著性變化。隨著水分含量增加，凍融土壤硝態(tài)氮含量顯著降低，而銨態(tài)氮含量顯著增加，以水分含量30%時(shí)達(dá)到極值，分別為75.70 和11.34mg·kg-1，較 水 分 含 量10%時(shí) 分 別 增 加 了-3.72%和35.02%。說明適宜的水分含量（20%～30%）對(duì)凍融農(nóng)田黑土無機(jī)氮組分含量影響程度較大。

圖3 水分含量對(duì)凍融農(nóng)田黑土無機(jī)氮組分含量的影響

2.2 凍融作用下農(nóng)田黑土氮素轉(zhuǎn)化速率變化特征

凍融作用對(duì)農(nóng)田黑土硝化速率影響顯著（P＜0.05），且變化行為因凍融溫度、凍融循環(huán)次數(shù)和水分含量而異（圖4）。與對(duì)照相比，凍融土壤硝化速率明顯增加，但增加幅度因凍融溫度、凍融循環(huán)次數(shù)和水分含量而異（圖4）。隨著凍結(jié)溫度降低，凍融土壤硝化速率顯著增加，以-15℃凍結(jié)時(shí)最大（平均值2.13mg·kg-1·d-1），較-3℃凍結(jié)時(shí)平均增加53.93%。隨著融化溫度升高，凍融土壤硝化速率無顯著性變化（圖4a）。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，凍融土壤和對(duì)照土壤硝化速率均顯著降低，至循環(huán)次數(shù)3 以后兩者之間均無顯著性差異（圖4b）；說明短期凍融（循環(huán)次數(shù)1～3）對(duì)土壤硝化速率影響程度較大。隨著水分含量增加，凍融土壤硝化速率無顯著性變化，而對(duì)照土壤顯著降低，以水分含量30%時(shí)最低（0.94mg·kg-1·d-1），較水分含量10%時(shí)降低了47.01%（圖4c）。

圖4 凍融作用對(duì)農(nóng)田黑土硝化速率的影響

凍融作用對(duì)農(nóng)田黑土凈氮礦化速率影響顯著（P＜0.05），且變化行為因凍融溫度、凍融循環(huán)次數(shù)和水分含量而異（圖5）。與對(duì)照相比，凍融土壤凈氮礦化速率明顯增加，但增加幅度因凍融溫度、凍融循環(huán)次數(shù)和水分含量而異（圖5）。隨著凍結(jié)溫度降低，凍融土壤凈氮礦化速率顯著增加，以-15℃凍結(jié)時(shí)最大（平均值2.24mg·kg-1·d-1），較-3℃凍結(jié)時(shí)平均增加83.65%。隨著融化溫度升高，凍融土壤凈氮礦化速率無顯著性變化（圖5a）。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，凍融土壤和對(duì)照土壤凈氮礦化速率均顯著降低，至循環(huán)次數(shù)15 時(shí)兩者之間無顯著性差異，差值僅為0.02mg·kg-1·d-1（圖5b）。隨著水分含量增加，凍融土壤凈氮礦化速率無顯著性變化，而對(duì)照土壤顯著降低，以水分含量30%時(shí)最低（1.27mg·kg-1·d-1），較水分含量10%時(shí)降低了22.98%（圖5c）。

圖5 凍融作用對(duì)農(nóng)田黑土凈氮礦化速率的影響

3 討論

凍融作用通過改變土壤水分狀況及分布影響土壤理化性質(zhì)和微生物活動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量變化［15］。本研究表明，凍融作用造成農(nóng)田黑土無機(jī)氮組分含量顯著增加（圖1～3）。這是因?yàn)椋阂环矫?，凍融作用能夠殺死一部分微生物，造成?xì)胞破裂，直接將微生物體內(nèi)的小分子糖、氨基酸等養(yǎng)分釋放到土壤中［16］；另一方面，由于死亡微生物為殘留微生物提供了足夠的底物養(yǎng)分，激發(fā)了殘留微生物活性，促進(jìn)了土壤有機(jī)氮的礦化［17］。土壤中非生物源氮對(duì)無機(jī)氮也有貢獻(xiàn)。Freppaz 等［18］研究認(rèn)為，凍融可能導(dǎo)致土壤中以前不可利用的有機(jī)和無機(jī)膠體中的NH4+-N 釋放出來。徐俊?。?9］和胡霞等［20］研究發(fā)現(xiàn)，季節(jié)性凍融后土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均增加，這也證實(shí)了本文的研究結(jié)論。而劉金玲等［21］和李志萍等［22］研究發(fā)現(xiàn)，季節(jié)性凍融后土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均減少，表現(xiàn)出明顯的氮素固持現(xiàn)象；這可能與植被類型、土壤特性等因素有關(guān)。

本研究表明，較大的凍融溫差（-15℃/2～5℃）造成了凍融土壤無機(jī)氮組分含量顯著增加（圖1），這也佐證了范志平等［23］的研究結(jié)論。Zhou 等［24］通過凍融模擬試驗(yàn)表明，土壤無機(jī)氮含量與凍融循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系；這與本文的研究結(jié)果（圖2）相反，這可能與銨態(tài)氮同化和反硝化作用的協(xié)同效應(yīng)有關(guān)。隨著水分含量增加，凍融土壤硝態(tài)氮含量顯著降低，而銨態(tài)氮和無機(jī)氮（NH4+-N+NO3--N）含量呈增加趨勢(shì)（圖3），這也佐證了Bernhard-Reversat［25］和Stanford 等［26］的研究結(jié)論：在最大田間持水量范圍內(nèi)，凍融土壤無機(jī)氮含量隨著濕度增加而增大。

本研究表明，凍融土壤凈氮礦化速率和硝化速率均高于未凍結(jié)的對(duì)照土壤，且凈氮礦化速率的變化行為與硝化速率一致（圖4～5），這是因?yàn)橥寥罒o機(jī)氮中硝態(tài)氮占優(yōu)勢(shì)的緣故。隨著凍結(jié)溫度降低，凍融土壤凈氮礦化速率和硝化速率均顯著增加（圖4a、圖5a），這是因?yàn)楦偷膬鼋Y(jié)溫度造成更多的土壤物理結(jié)構(gòu)破壞和微生物死亡，進(jìn)而釋放更多的養(yǎng)分［27］；再加上深凍期土壤溫度相對(duì)穩(wěn)定，為幸存微生物提供了良好的生存環(huán)境，激發(fā)了殘留微生物活性［28］。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，凍融土壤凈氮礦化速率和硝化速率均顯著降低（圖4b、圖5b）；這是由于室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)排除了植物吸收和降雨淋溶，造成土壤中氮礦化產(chǎn)物積累，累積的養(yǎng)分能夠抑制有機(jī)氮的進(jìn)一步礦化及銨態(tài)氮的進(jìn)一步硝化，使得土壤礦化及硝化氮量增加緩慢或降低［29］。隨著水分含量增加，凍融土壤凈氮礦化速率和硝化速率總體均呈降低趨勢(shì)（圖4c、圖5c）；這是因?yàn)樵谔镩g持水量范圍內(nèi)，凍融作用對(duì)土壤物理性狀和微生物活性的破壞作用隨著水分含量增加而增大，進(jìn)而抑制了微生物的活動(dòng)［30］。然而，Hentschel 等［31］在森林流域野外試驗(yàn)研究表明，土壤凈氮礦化速率受凍融作用影響不顯著?？梢?，凍融作用對(duì)土壤凈氮礦化速率和硝化速率的影響結(jié)果受供試對(duì)象和試驗(yàn)方法的影響。

可見，頻繁的凍融循環(huán)勢(shì)必會(huì)改變表層土壤氮素格局，提高土壤無機(jī)氮水平，改善生長(zhǎng)季初期植物對(duì)養(yǎng)分的需求［32］。但凍融作用多發(fā)生在植物非生長(zhǎng)季，造成土壤氮素供應(yīng)與植物氮素利用在時(shí)間上的錯(cuò)位，增加了土壤氮素的流失風(fēng)險(xiǎn)［33］，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分的虧缺和氮素利用率的下降，這些現(xiàn)象的內(nèi)在作用機(jī)制有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

研究表明，隨著凍融溫度、凍融循環(huán)次數(shù)和水分含量的變化，凍融農(nóng)田黑土銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、凈氮礦化速率和硝化速率均明顯變化。在本試驗(yàn)條件下，較大的凍融溫差（-15℃/2～5℃）、適宜的凍融循環(huán)次數(shù)（1～3，其中在-3℃凍結(jié)6d、2℃融化1d為1 個(gè)凍融循環(huán)次數(shù)）和水分含量（20%～30%）是影響凍融農(nóng)田黑土氮素轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動(dòng)因子?？梢?，凍融作用顯著促進(jìn)非生長(zhǎng)季農(nóng)田黑土氮素轉(zhuǎn)化，有利于土壤有效氮的累積。