季節(jié)性凍融作用對不同栽植年限及不同土層蘋果梨園土壤pH值和有機碳變化的研究

廖睿恒， 冉麗萍， 董微巍， 梁運江*,徐同良

(1.延邊大學農(nóng)學院，吉林 延吉 133002；2.吉林省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，吉林 長春 1330000)

影響作物產(chǎn)量的因素很多，土壤的各項營養(yǎng)狀況是農(nóng)作物產(chǎn)量的決定性因素之一[1]。土壤酸堿性指的是土壤pH值的高低。由于近年來人類對土壤的不合理利用導致土壤退化，如有機質(zhì)下降和土壤酸化等。土壤酸化指隨著酸度提高導致土壤生產(chǎn)力等下降，對植物造成直接或間接影響。土壤有機質(zhì)是維持土壤肥力和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的重要組分,由一系列存在于土壤中、結(jié)構(gòu)組成不均一、主要元素為碳和氮的有機化合物組成[2]。有機質(zhì)含有植物生長需要的各種營養(yǎng)元素并影響土壤保水保肥能力和微生物活動等,可促進形成良好的土壤結(jié)構(gòu)并決定作物產(chǎn)量[3-5],同時還能減輕重金屬、農(nóng)藥污染等造成的影響[6-8]。土壤有機質(zhì)是大量元素庫,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的意義[9-11]。土壤活性有機碳是有效性較高、易被微生物分解礦化的有機碳[12]，Motavalli 等[13]研究表明，開墾農(nóng)田5年后，土壤活性有機碳首先迅速流失，礦化速率顯著下降?；钚杂袡C碳參與影響土壤化學物質(zhì)的遷移、吸附等行為，與土壤生產(chǎn)力密切相關(guān)，能夠在土壤總有機碳變化之前反映土壤微小的變化[14-17]。以上指標對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面十分重要，而研究土壤凍融作用的交替變化對土壤酸堿性、土壤有機質(zhì)含量及土壤活性有機碳的影響更是重中之重。凍融交替是指由于氣候原因?qū)е碌募竟?jié)或晝夜溫度變化，導致土壤在溫度變化過程中經(jīng)歷凍結(jié)和解凍交替的過程。前人研究表明，凍融過程會增強土壤硝化作用和促進溶解性有機酸的釋放，從而導致土壤溶液pH值降低[18]。在凍融條件下，由于水穩(wěn)性團聚體的降低，可促進有機物質(zhì)和細菌的接觸，從而加強有機物質(zhì)的礦化作用速度。研究發(fā)現(xiàn)，可提取的土壤有機質(zhì)和礦質(zhì)態(tài)氮的增加是由于凍融交替作用下土壤團聚體的破壞，導致粘土晶格開放，釋放出固定的NH4+等離子和結(jié)晶水等物質(zhì)。在凍結(jié)過程中土壤有機質(zhì)的礦化作用和凍融交替過程的反硝化作用都會提高土壤有機質(zhì)的含量,土壤有機質(zhì)在凍結(jié)期比消融期大[19]。凍融循環(huán)顯著增加了活性有機碳的濃度，隨著土壤深度的增加，凍融作用對土壤活性有機碳影響逐漸加強，凍融次數(shù)顯著影響土壤活性有機碳并表現(xiàn)出短期效應(yīng)。凍融幅度也可影響土壤活性有機碳濃度，其中小幅度凍融對有機碳濃度影響大[20]。該試驗分別對春秋兩季蘋果梨園土壤的pH值、有機質(zhì)含量及活性有機碳含量進行測定，比較春秋兩季pH值和有機碳含量的顯著性差異，探究凍融作用對pH值和有機碳含量的影響，為改善蘋果梨園土壤的農(nóng)藝性狀提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試果園概況

供試果園為龍井市延邊華龍果樹農(nóng)場蘋果梨園，果園面積1 200 hm2，該蘋果梨園位于吉林省東部長白山東麓，地理坐標為東經(jīng)128°54′～129°48′、北緯42°21′～43°24′，屬于中溫帶近似海洋性大陸季風氣候，季風特點顯著，4季分明。據(jù)統(tǒng)計，該蘋果梨園最低氣溫-20～-30 ℃，最低地溫隨土層的深入而升高，均高于-20 ℃。園地土壤為暗棕壤，果園管理條件較好。果園施肥以尿素、磷酸二銨、硫酸鉀為主，按N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶0.04施入。供試土樣為蘋果梨園內(nèi)不同栽植年限的蘋果梨樹下土壤。

1.2 土樣采集

選擇龍井市延邊華龍果樹農(nóng)場采集地，于2015年秋季10月(結(jié)凍前)和2016年春季4月(解凍后)采集土壤樣品。分別選擇栽植年限為11、25、40、50、63年的蘋果梨園，按5點取樣法選取植株健康且長勢良好的5株果樹，避開施肥點，在距離樹干1 m處設(shè)置剖面點，分別采集0～20、20～40、40～60 cm土層的原狀土，同層混勻后分別放入塑料盒內(nèi)，帶回試驗室進行風干處理備用。以不同栽植年限果園行間空地或近果園荒地土壤作為對照組，采樣方法同上。

1.3 土壤酸堿性和有機碳的測定

分別采用電位法、重鉻酸鉀-硫酸氧化法和高錳酸鉀氧化法測定土壤pH值、土壤有機質(zhì)含量和土壤活性有機碳含量[21]，進行3次重復試驗，記錄結(jié)果。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗數(shù)據(jù)均采用Excel軟件和SPSS軟件統(tǒng)計學計算分析，表中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤，并繪制柱形圖，柱形圖上端用誤差線表示標準誤大小。多重比較顯著水平設(shè)為0.05水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 季節(jié)性凍融對pH值的影響

由表1可知，在0～20 cm土層，除栽植25和50年土壤外，不同栽植年限的果園土壤pH值經(jīng)凍融后均表現(xiàn)出上升趨勢，其中，栽植11、40和63年的果園土壤pH值分別比凍融前提高7.8%、5.8%和4.2%,凍融前后差異顯著；對照組中，除栽植40和50年土壤外，不同栽植年限的對照土壤pH值經(jīng)凍融后均表現(xiàn)出上升趨勢，凍融前后差異顯著。凍融前后不同栽植年限間土壤pH值存在顯著差異。凍融前，栽植25和40年的果園土壤以及栽植63年的對照土壤pH值各自顯著低于同期其他年限土壤。經(jīng)凍融后，栽植25和40年的果園土壤以及栽植40和50年的對照土壤pH值顯著低于同期其他年限土壤。

表1 不同栽植年限不同層次土壤春秋兩季pH值

在20～40 cm土層，除栽植40年土壤外，不同栽植年限的果園土壤經(jīng)凍融后pH值均表現(xiàn)出上升趨勢，栽植11、25、50和63年的果園土壤pH值分別比凍融前提高3.3%、13%、2.9%和2.7%，其中，僅栽植25年的果園土壤凍融前后pH值存在顯著差異；對照組中，不同栽植年限的對照土壤pH值經(jīng)凍融后均表現(xiàn)出上升趨勢，其中僅栽植25年的對照土壤凍融前后pH值差異不顯著。凍融前后不同栽植年限間土壤pH值存在顯著差異。凍融前，栽植25年的果園土壤和栽植63年的對照土壤pH值各自顯著低于同期其他年限土壤。經(jīng)凍融后，栽植40年果園及其栽植63年的對照土壤pH值顯著低于同期其他年限土壤。

在40～60 cm土層，除栽植11年土壤外，不同栽植年限的果園土壤pH值經(jīng)凍融后均表現(xiàn)出上升趨勢。栽植25、40、50和63年的果園土壤pH值分別比凍融前提高8.3%、12.6%、2.5%和3.2%，其中，僅栽植25和40年的果園土壤凍融前后pH值存在顯著差異；對照組中，不同栽植年限的對照土壤pH值經(jīng)凍融后均表現(xiàn)出下降趨勢，差異顯著。凍融前后不同栽植年限間土壤pH值存在顯著差異。凍融前，栽植40和63年的果園土壤以及栽植63年的對照土壤pH值各自顯著低于同期其他年限土壤。經(jīng)凍融后，栽植40和63年果園及其對照的土壤pH值顯著低于同期其他年限土壤。

2.2 季節(jié)性凍融對有機質(zhì)含量的影響

由圖1可知，在0～20 cm土層，不同栽植年限的果園土壤經(jīng)凍融后有機質(zhì)含量均表現(xiàn)出下降趨勢，有機質(zhì)含量分別比凍融前降低4.0%、6.5%、0.7%、3.9%和0.6%,其中，栽植11、25和50年的果園土壤凍融前后有機質(zhì)含量差異顯著；對照組中，除栽植11年土壤外，不同栽植年限的對照土壤有機質(zhì)含量經(jīng)凍融后均表現(xiàn)出下降趨勢，其中，栽植11和25年的果園土壤凍融前后有機質(zhì)含量差異不顯著。凍融前后不同栽植年限間土壤有機質(zhì)含量存在顯著差異。凍融前，栽植63年的果園土壤和栽植50年的對照土壤有機質(zhì)含量各自顯著低于同期其他年限土壤。經(jīng)凍融后，栽植25、50和63年的果園土壤以及栽植50年的對照土壤有機質(zhì)含量顯著低于同期其他年限土壤。

注：*表示秋季和春季間有顯著性差異，P<0.05；ns表示無顯著性差異，下同

由圖2可知，在20～40 cm土層，除栽植63年土壤外，不同栽植年限的果園土壤有機質(zhì)含量經(jīng)凍融后均表現(xiàn)出下降趨勢，栽植11、25、40和50年的果園土壤有機質(zhì)含量分別比凍融前降低4.1%、6.2%、3.6%和4.3%,凍融前后差異顯著；對照組中，除栽植11和40年土壤外，不同栽植年限的對照土壤經(jīng)凍融后有機質(zhì)含量顯著下降。凍融前后不同栽植年限間土壤有機質(zhì)含量存在顯著差異。凍融前，栽植63年的果園土壤以及栽植11和25年的對照土壤有機質(zhì)含量各自顯著低于同期其他年限土壤。經(jīng)凍融后，栽植25和50年果園及其栽植25年的對照土壤有機質(zhì)含量顯著低于同期其他年限土壤。

圖2 各栽植年限20～40 cm土層土壤春秋兩季有機質(zhì)含量

由圖3可知，在40～60 cm土層，不同栽植年限的果園土壤有機質(zhì)含量經(jīng)凍融后均表現(xiàn)出下降趨勢，栽植11、25和40年的果園土壤有機質(zhì)含量分別比凍融前降低4.6%、5.4%和4.1%,凍融前后差異顯著；對照組中，除栽植50年土壤外，不同栽植年限的對照土壤有機質(zhì)含量經(jīng)凍融后均表現(xiàn)出下降趨勢，凍融前后差異顯著。凍融前后不同栽植年限間土壤有機質(zhì)含量存在顯著差異。凍融前，栽植50和63年的果園土壤和栽植50年的對照土壤有機質(zhì)含量各自顯著低于同期其他年限土壤。經(jīng)凍融后，栽植63年的果園土壤和栽植40和63年的對照土壤有機質(zhì)含量顯著低于同期其他年限土壤。

圖3 各栽植年限40～60 cm土層土壤春秋兩季有機質(zhì)含量

2.3 季節(jié)性凍融對活性有機碳含量的影響

由圖4可知，在0～20 cm土層，除栽植11和50年土壤外，不同栽植年限的果園土壤活性有機碳含量經(jīng)凍融后均表現(xiàn)出下降趨勢，栽植25、40和63年的果園土壤活性有機碳含量分別比凍融前降低7.6%、1.3%和1.5%。其中，栽植11和25年的果園土壤凍融前后活性有機碳含量差異顯著；對照組中，除栽植11和25年土壤外，不同栽植年限的對照土壤經(jīng)凍融后活性有機碳含量均表現(xiàn)出下降趨勢，其中，栽植11、40和63年的對照土壤凍融前后活性有機碳含量差異顯著。凍融前后不同栽植年限間土壤活性有機碳含量存在顯著差異。凍融前，栽植11、50和63年的果園土壤以及栽植11年的對照土壤活性有機碳含量各自顯著低于同期其他年限土壤。經(jīng)凍融后，栽植25年的果園土壤以及栽植40、50和63年的對照土壤活性有機碳含量顯著低于同期其他年限土壤。

圖4 各栽植年限不同土層土壤春秋兩季活性有機碳含量

由圖5可知，在20～40 cm土層，不同栽植年限的果園土壤活性有機碳含量經(jīng)凍融后均表現(xiàn)出下降趨勢，栽植11、25、40和63年的果園土壤活性有機碳含量分別比凍融前降低6.4%、8.1%、7.4%和7.7%，凍融前后差異顯著；對照組中，除栽植40年土壤外，不同栽植年限的對照土壤經(jīng)凍融后活性有機碳含量均表現(xiàn)出下降趨勢，凍融前后差異顯著。凍融前后不同栽植年限間土壤活性有機碳含量存在顯著差異，其中，凍融前栽植50年的果園土壤和栽植11年的對照土壤活性有機碳含量各自顯著低于同期其他年限土壤，而凍融后栽植50年的果園土壤和栽植25、50和63年的對照土壤活性有機碳含量顯著低于同期其他年限土壤。

圖5 各栽植年限不同土層土壤春秋兩季活性有機碳含量

由圖6可知，在40～60 cm土層，除栽植50年土壤外，不同栽植年限的果園土壤活性有機碳含量經(jīng)凍融后均表現(xiàn)出下降趨勢，栽植25、40和63年的果園土壤活性有機碳含量分別比凍融前降低8.1%、6.4%和6.5%，凍融前后差異顯著；對照組中，除栽植25和50年土壤外，不同栽植年限的對照土壤活性有機碳含量經(jīng)凍融后均表現(xiàn)出下降趨勢，其中，僅栽植11和63年的對照土壤經(jīng)凍融后活性有機碳含量顯著下降。凍融前后不同栽植年限間土壤活性有機碳含量存在顯著差異。凍融前，栽植50年的果園及其對照土壤活性有機碳含量各自顯著低于同期其他年限土壤。經(jīng)凍融后，栽植25年的果園土壤以及栽植11和63年的對照土壤活性有機碳含量顯著低于同期其他年限土壤。

圖6 各栽植年限不同土層土壤春秋兩季活性有機碳含量

3 討論與結(jié)論

3.1 季節(jié)性凍融對pH值的影響

受季節(jié)性凍融影響，在0～20和20～40 cm土層，不同栽植年限土壤pH值普遍上升，在40～60 cm土層，pH值普遍下降。這可能是因為在0～20和20～40 cm土層凍融交替作用下土壤團聚體的破壞。凍結(jié)土壤孔隙中由于冰晶膨脹，顆粒之間的原有聯(lián)結(jié)狀態(tài)被破壞,大粒徑團聚體破碎成小粒徑團聚體，同時，細顆粒物表現(xiàn)出向中等大小顆粒物聚集的趨勢[22]。目前，凍融過程對團聚體穩(wěn)定性的影響說法不一，既有凍融能夠促進土壤顆粒團聚、增強團聚體穩(wěn)定性的報道[23]；也有凍融導致土壤大團聚體破碎、團聚體穩(wěn)定性下降的研究結(jié)果[24]。更多的研究表明，凍融循環(huán)是降低團聚體的穩(wěn)定性的，會導致團聚體的破碎化，并且凍結(jié)對大團聚體的破壞程度大于小團聚體[25-26]。劉亞紅等[19]發(fā)現(xiàn)，凍融交替作用下團聚體的破壞導致粘土晶格開放，釋放出固定的NH4+等離子和結(jié)晶水等物質(zhì)，從而導致土壤堿性增加，pH值上升。而在40～60 cm土層，pH值下降可能是因為凍融作用下溶解性有機酸的釋放和凍結(jié)溫度的影響。研究表明，凍融過程會增強土壤硝化作用和促進溶解性有機酸的釋放，從而導致土壤溶液pH值降低[27]。由于溫度升高可提高土壤硝化速率，因而土壤 pH值表現(xiàn)出隨著凍結(jié)溫度的上升而降低的趨勢[28-29]。綜合分析，季節(jié)性凍融對果園土壤pH值影響顯著。對比不同栽植年限，栽植25年的果園土壤受凍融作用影響大于其他栽植年限的土壤,pH值差異顯著。而栽植63年的果園土壤由于栽植年限較久，受凍融作用影響小于其他栽植年限的土壤,pH值差異不顯著。對比不同土層，經(jīng)2015年秋季至2016年春季凍融后，20～40 cm受季節(jié)性凍融作用的影響大于其它土層。在20～40 cm土層，除栽植40年的土壤春季與前一年秋季相比pH值無顯著變化外，其它種植年限果園土壤pH值均表現(xiàn)出上升趨勢。

3.2 季節(jié)性凍融對有機質(zhì)含量的影響

受季節(jié)性凍融影響，各個土層不同栽植年限土壤有機質(zhì)含量普遍下降。這可能是因為土壤的礦化作用對微生物活性的影響。前人研究表明，土壤凍融對有機質(zhì)礦化作用的影響主要表現(xiàn)為土壤有機氮和碳礦化作用的增強[30-31]。土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分增加的原因一方面是細菌和微生物的死亡，其胞內(nèi)物質(zhì)滲出變?yōu)橛行荚?刺激土壤中剩余微生物的活性，提高土壤中有機碳和氮的礦化效率[32-33]；另一方面是凍融交替作用下土壤團聚體破壞而釋放出有機質(zhì)，而且大部分是易于分解的有機物質(zhì) ,反映了凍融交替過程中土壤微生物對有機質(zhì)礦化作用的增強[34]。土壤中剩余的微生物將死的微生物細胞作為基質(zhì)而使自身活性在某種程度上增強 ,土壤中有機質(zhì)和養(yǎng)分通過土壤團聚體破壞、交換位點暴露而變?yōu)橛行юB(yǎng)分。

綜合分析，季節(jié)性凍融對果園土壤有機質(zhì)含量影響顯著。對于不同栽植年限的果園土壤，栽植25年的果園土壤2016年春季與前一年秋季相比有機質(zhì)含量下降幅度最大，差異顯著。栽植63年的果園土壤由于栽植年限較久差異不顯著。對比不同土層，經(jīng)2015年秋季至2016年春季凍融后，20～40 cm受季節(jié)性凍融作用的影響大于其它土層。在20～40 cm土層，除栽植63年的土壤春季與前一年秋季相比有機質(zhì)無顯著變化外，其它種植年限果園土壤有機質(zhì)含量均表現(xiàn)出顯著下降趨勢。

3.3 季節(jié)性凍融對活性有機碳含量的影響

土壤有機碳是土壤有機質(zhì)的一種化學量度，土壤有機碳占土壤有機質(zhì)的60%～80%。土壤有機碳中有一些組分對土地利用方式等因子變化的反應(yīng)比總有機碳更敏感,這部分碳被稱為活性有機碳,可作為有機碳早期變化的指示物[35]。受季節(jié)性凍融影響，各個土層各栽植年限土壤活性有機碳含量普遍下降。這可能與土壤微生物的活性有關(guān)。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的分解者，在土壤物質(zhì)循環(huán)和能量流動中起著重要的作用。研究表明，土壤中碳組成對氣候變暖的響應(yīng)程度取決于土壤微生物對其利用效率的高低[36]。土壤凍融通過影響土壤溫度變化速率、通氣性以及水分和營養(yǎng)物質(zhì)的遷移而影響微生物的生物量和活性[37],凍結(jié)過程中低溫或水分不適當造成的缺氧會使微生物的活動受到限制，使其不能分解，而在消融期，溫度升高，土壤活性有機碳被分解[38]，所以春季與前一年秋季相比活性有機碳含量降低。綜合分析，季節(jié)性凍融對果園土壤活性有機碳含量的影響顯著。對于不同栽植年限的果園土壤，栽植25和40年的果園土壤2016年春季與前一年秋季相比活性有機碳含量下降幅度大，差異顯著。栽植11和50年的果園土壤差異不顯著。對比不同土層，20～40 cm受季節(jié)性凍融作用的影響大于其它土層。經(jīng)2015年秋季至2016年春季凍融后，在20～40 cm土層，除栽植50年的土壤春季與前一年秋季相比有機質(zhì)無顯著變化外，其它種植年限果園土壤有機質(zhì)含量均表現(xiàn)出顯著下降趨勢。

4 結(jié)論

季節(jié)性凍融對果園土壤pH值、有機質(zhì)含量和活性有機碳含量影響顯著。經(jīng)過2015年秋季至2016年春季1次季節(jié)性的凍融作用，不同栽植年限土壤pH值在0～20和20～40 cm土層普遍上升，在40～60 cm土層普遍下降，有機質(zhì)含量和活性有機碳含量在各個土層普遍下降。對比不同土層，20～40 cm土層土壤受凍融交替作用影響大于0～20和40～60 cm土層。對比不同栽植年限果園，栽植25年的果園土壤受凍融作用影響大于其他栽植年限的土壤，栽植63年的果園土壤受凍融作用影響小于其他栽植年限的土壤。