季節(jié)性?xún)鋈趨^(qū)農(nóng)業(yè)土壤礦質(zhì)氮有效性變化規(guī)律原位試驗(yàn)

印祥民

摘要：由于我國(guó)可耕種土地資源非常有限，且不同區(qū)域農(nóng)業(yè)用地性狀存在較大差異，因此，研究季節(jié)性?xún)鋈趨^(qū)農(nóng)業(yè)土壤礦質(zhì)氮有效性的變化規(guī)律具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文從實(shí)際出發(fā)，提出當(dāng)前季節(jié)性?xún)鋈趨^(qū)土壤原位試驗(yàn)中的不足，因此采用改進(jìn)的樹(shù)脂芯法表層土壤氮素原位培養(yǎng)試驗(yàn)，希望可以給相關(guān)研究人員提供一些有用的建議。

關(guān)鍵詞：季節(jié)性?xún)鋈趨^(qū)；土壤；氮素

根據(jù)現(xiàn)有的研究資料來(lái)看，全球約55%～70%的陸地面積會(huì)受到季節(jié)性?xún)鋈诮惶娴挠绊?，而在凍融區(qū)環(huán)境下，由于季節(jié)和晝夜溫差的變化，土壤中有機(jī)物分解緩慢，有機(jī)氮向無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)變受限，可供植物吸收的礦質(zhì)氮相對(duì)缺乏，所以該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力受土壤氮素有效性的限制非常明顯。因此，研究季節(jié)性?xún)鋈趨^(qū)農(nóng)業(yè)土壤礦質(zhì)氮有效性的變化規(guī)律具有非常重要的意義。本文從實(shí)際情況出發(fā)，首先分析了季節(jié)性?xún)鋈趨^(qū)農(nóng)業(yè)土壤氮素存在的特點(diǎn)以及現(xiàn)有研究中關(guān)于凍融區(qū)土壤礦質(zhì)氮有效性研究中存在的問(wèn)題，而后闡述了原位試驗(yàn)原理以及凍融區(qū)原位試驗(yàn)的具體過(guò)程，最后對(duì)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行總結(jié)分析，旨在推進(jìn)凍融區(qū)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高該地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)收益。

土壤凍融現(xiàn)象普遍存在于中、高緯度及高海拔地區(qū)，我國(guó)的東北、內(nèi)蒙古、新疆、西藏等主要農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)都處于凍融區(qū)影響范圍內(nèi)。土壤凍融主要指的是土壤因?yàn)榧竟?jié)溫差過(guò)大，土層中的水在氣溫周期性的正負(fù)變化影響下，不斷發(fā)生相變和遷移，使土層反復(fù)凍結(jié)融化，導(dǎo)致土體或巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的破壞、擾動(dòng)。而土壤中氮素含量及自然循環(huán)是保證農(nóng)作物正常生長(zhǎng)的重要影響因素，因此，了解季節(jié)性?xún)鋈趨^(qū)農(nóng)業(yè)土壤氮素存在的特點(diǎn)，是保證凍融區(qū)農(nóng)業(yè)正常生產(chǎn)的先決條件。

第一，凍融交替會(huì)影響土壤氮素的固持。氮素固持指的是土壤中微生物將土壤中無(wú)機(jī)氮進(jìn)行同化的過(guò)程，而通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)表明，土壤的凍融過(guò)程會(huì)顯著影響土壤中生物氮含量，具體原因包括土壤質(zhì)地、凍融強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、凍融交替的頻率、植被覆蓋率以及水分含量等多種因素。從實(shí)際情況出發(fā)，在短時(shí)間內(nèi)多次進(jìn)行凍融會(huì)增強(qiáng)微生物的固氮能力，但如果凍融變化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則很可能不利于微生物的固氮能力。

第二，凍融交替會(huì)影響土壤氮礦化?？晒┲参镂盏牡刂饕缘V物質(zhì)無(wú)機(jī)氮的形式存在，但土壤中氮素主要以有機(jī)氮的形式存在，因此，想要為植物提供生長(zhǎng)所需的氮素就需要將有機(jī)氮轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)機(jī)氮。凍融交替對(duì)土壤氮礦化的影響是非常復(fù)雜的，一方面，土壤的凍融會(huì)在一定程度上破壞原有的土壤結(jié)構(gòu)，使得無(wú)機(jī)氮成分增加；另一方面，死亡微生物提供的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有利于微生物的礦化作用，但隨著凍融交替次數(shù)的增加，積累的礦質(zhì)氮反而會(huì)抑制新的礦化作用。

第三，凍融交替會(huì)影響土壤硝化與反硝化作用。土壤硝化作用與反硝化作用是土壤氮素的自然循環(huán)過(guò)程，一種是將氮素進(jìn)行固化提升土壤肥力，一種是將氮素以N2O的形式從土壤中排出造成土壤氮素流失。從已收集的實(shí)驗(yàn)資料來(lái)看，土壤凍融交替的過(guò)程會(huì)抑制自然狀態(tài)下的硝化作用，且在一定程度上增加土壤的反硝化速率。因此，總的來(lái)說(shuō)，凍融交替過(guò)程會(huì)減少土壤氮素含量，造成土地肥力流失。

第四，凍融交替會(huì)影響土壤氣態(tài)氮排放。氣態(tài)氮的排放是凍融土壤的重要特點(diǎn)之一，其影響因素不僅包括土壤自身成分和構(gòu)成，還有土壤凍結(jié)溫度、凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)以及凍結(jié)頻率等因素。研究人員需要結(jié)合實(shí)際情況，因地制宜地進(jìn)行土壤氣態(tài)氮排放研究，通過(guò)多種方式減少氣態(tài)氮的排放，提升土壤氮素利用率，提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物產(chǎn)量。

2 當(dāng)前季節(jié)性?xún)鋈趨^(qū)土壤礦質(zhì)氮有效性研究存在的問(wèn)題

隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到凍融區(qū)土壤礦質(zhì)氮含量對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要性，并通過(guò)不斷試驗(yàn)對(duì)凍融區(qū)土壤氮素構(gòu)成與循環(huán)有了更深層次的發(fā)現(xiàn)，但從當(dāng)前土壤礦質(zhì)氮有效性研究的過(guò)程來(lái)看，在實(shí)驗(yàn)方式和方法上依舊存在很多問(wèn)題，具體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。

第一，現(xiàn)如今對(duì)凍融區(qū)土壤礦質(zhì)氮有效性的實(shí)驗(yàn)多在室內(nèi)進(jìn)行，雖然實(shí)驗(yàn)硬件和軟件水平得到顯著提升，可以較為準(zhǔn)確地進(jìn)行凍融溫度控制、凍融土壤成分控制以及凍融頻率控制，但其依舊與自然原始狀態(tài)下的凍融土壤存在較大的差異性，使得最終得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不具有普適性。

第二，從具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及結(jié)論推導(dǎo)來(lái)看，當(dāng)前大部分礦質(zhì)氮有效性實(shí)驗(yàn)的研究重心集中在土壤凍結(jié)溫度、土壤凍融循環(huán)次數(shù)上，但對(duì)土壤水分含量這一重要影響因素鮮有關(guān)注，很容易導(dǎo)致研究結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。

第三，基于對(duì)多份相關(guān)論文的研究，當(dāng)前凍融區(qū)土壤礦質(zhì)氮有效性研究多以高緯度地區(qū)森林、苔原、草地作為課題研究的對(duì)象，但這些地區(qū)具有一個(gè)統(tǒng)一特性，就是很少受到人為因素的影響，與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)地區(qū)土壤成分有著較為明顯的區(qū)別，因此，所得出的研究結(jié)果并不適用于凍融區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。所以，研究人員需要更換研究角度，對(duì)現(xiàn)有研究方式進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)。

原位試驗(yàn)是研究巖土結(jié)構(gòu)和成分變化的重要方式，其主要原理就是在巖土原來(lái)所處的位置和自然環(huán)境中，盡可能地減少人為因素干擾，在設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)觀察巖土內(nèi)部在自然因素影響下所產(chǎn)生的理化性質(zhì)變化。實(shí)驗(yàn)的主要目的是希望通過(guò)局部測(cè)試，“以點(diǎn)帶面”的總結(jié)區(qū)域范圍內(nèi)巖土結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。

原位實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)具有較為明顯的差異性，其優(yōu)點(diǎn)在于可以較為準(zhǔn)確和直觀地反映巖土結(jié)構(gòu)和成分在自然環(huán)境下的演變過(guò)程，且實(shí)驗(yàn)消耗較小，具備重復(fù)性、多點(diǎn)測(cè)試、區(qū)域測(cè)試等特點(diǎn)。此外，原位實(shí)驗(yàn)本身也存在一些不可忽視的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)較為繁雜，實(shí)驗(yàn)人員需要在眾多數(shù)據(jù)中找尋符合自身需要的數(shù)據(jù)信息，這就給后續(xù)的數(shù)據(jù)整理和理論推導(dǎo)帶來(lái)一定的困難，也因此對(duì)數(shù)值測(cè)定的準(zhǔn)確性有著較高要求。

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備材料

本文在傳統(tǒng)土壤原位實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定程度的創(chuàng)新，采用改進(jìn)的樹(shù)脂芯法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，實(shí)驗(yàn)前期需要準(zhǔn)備的材料主要有直徑為3厘米，長(zhǎng)度為30厘米的PVC管材；用于封底的塑料薄膜；長(zhǎng)約3厘米的塑料支架；總質(zhì)量為10克的陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂；以及封頂?shù)哪猃埦W(wǎng)等。

4.2 實(shí)驗(yàn)方式和具體過(guò)程

首先，為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)選址應(yīng)該具備多樣性，即選擇凍融區(qū)林地、農(nóng)田、河岸、牧場(chǎng)等不同類(lèi)型區(qū)域進(jìn)行，盡可能地選擇3種或3種以上區(qū)域同時(shí)進(jìn)行。其次，設(shè)置土壤礦質(zhì)氮原位培養(yǎng)皿的過(guò)程中應(yīng)該按照以下步驟進(jìn)行。一是用PVC管材進(jìn)行取土作業(yè)，將PVC管材埋入地下20厘米后重新取出，在底部纏繞塑料薄膜用以隔絕底部土壤與周?chē)寥赖奈镔|(zhì)流通，再重新埋入土壤中，露出地表10厘米。二是在管內(nèi)土壤頂端放置好3厘米的塑料支架，再塞入陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。三是用尼龍網(wǎng)將管口進(jìn)行封堵，在保證培養(yǎng)皿內(nèi)部氣體交換的基礎(chǔ)上，減少飄入管內(nèi)的降雨、降雪，保證土壤中的含水量，提升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性。最后，在同一地點(diǎn)選擇不同時(shí)間段設(shè)置實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行對(duì)比，以此來(lái)保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的多樣性。

通過(guò)改進(jìn)的樹(shù)脂芯法原位實(shí)驗(yàn)，對(duì)季節(jié)性?xún)鋈谵r(nóng)業(yè)區(qū)域的表層土壤進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，探究了凍融交替過(guò)程對(duì)農(nóng)業(yè)區(qū)域表層土壤礦質(zhì)氮有效性的影響。具體研究結(jié)果有以下幾點(diǎn)。

第一，凍融區(qū)土壤凍結(jié)過(guò)程中，表層土壤銨態(tài)氮含量明顯增加，數(shù)量值約為170%，而硝態(tài)氮的含量有所減少，數(shù)量值約為20%，得出土壤凍融過(guò)程中礦質(zhì)氮含量得到一定程度的提升，有利于土壤肥力的提高。

第二，凍融區(qū)土壤融化過(guò)程中，土壤銨態(tài)氮含量無(wú)顯著變化，但硝態(tài)氮含量經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的增長(zhǎng)后逐漸趨于平穩(wěn)，主要原因還在于土壤中硝化與反硝化作用共同影響導(dǎo)致的。

第三，在凍融過(guò)程中，雖然因?yàn)榉e雪融化導(dǎo)致土壤含水率增加，但土壤含水率的增加對(duì)土壤礦質(zhì)氮含量無(wú)明顯影響。

為了更好地提升凍融區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，研究季節(jié)性?xún)鋈趨^(qū)農(nóng)業(yè)土壤礦質(zhì)氮有效性是非常有必要的。本文基于土壤礦質(zhì)氮原位實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)，在凍融區(qū)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程時(shí)，可以通過(guò)改變土壤水熱狀況來(lái)影響凍土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和土壤微生物特性，進(jìn)而影響地區(qū)氮素的生物循環(huán)，提高凍融區(qū)土壤肥力，促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)快速發(fā)展。