雋英華，田路路，劉 艷，孫文濤*

（1．遼寧省農(nóng)業(yè)科學院植物營養(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，湖南 常德 415000）

凍融作用是指土壤溫度在0℃上下波動而出現(xiàn)的反復凍結(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力，通過改變土壤水分狀況而影響土壤的物理、化學、生物等性質(zhì)，是影響土壤氮素生物地球化學過程的重要驅(qū)動力之一［2］。氮素是植物生長不可缺少的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，同時也在生態(tài)系統(tǒng)生物化學循環(huán)中扮演至關(guān)重要的角色［3］。有機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）為土壤微生物活動及植物生長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氮礦化，提高有效氮水平［5］。但也有研究表明，凍融作用對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)于凍融作用對土壤氮素轉(zhuǎn)化過程影響研究的爭議，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］。可見，了解不同凍融條件下土壤有效氮組分構(gòu)成及其含量變化，對于正確理解凍融作用對土壤氮素轉(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，冬季凍融作用時間的長短和凍融循環(huán)次數(shù)直接影響土壤氮素養(yǎng)分的供應［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，在長達半年的冬春季節(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)田黑土為對象，采用室內(nèi)凍融模擬培養(yǎng)試驗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）對土壤無機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期定位監(jiān)測站（始建于1977 年），該站地處松遼平原公主嶺市吉林省農(nóng)業(yè)科學院試驗地內(nèi)（N43°30′、E124°48′），屬中溫帶半濕潤大陸性季風氣候，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1.5m。土壤類型為典型黑土，成土母質(zhì)為第四紀黃土狀沉積物。采樣時，先除去表層雜物，多點混合法采集0～20cm 耕層土壤，將新鮮樣品裝入塑料袋后迅速帶回實驗室，挑去肉眼可見的細根、石塊等雜物后分成兩份，一份過2mm 篩后4℃保存?zhèn)溆?，另一份風干后測定基礎化學性質(zhì)［13］：pH 值5.80±0.07、 有 機 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 凍融試驗設計

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)生時的平均氣溫）恒溫培養(yǎng)箱中恒溫預培養(yǎng)15d，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。

1.2.1 凍融溫度模擬試驗

稱取相當于200g 風干土的預培養(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，取樣進行無機氮組分分析。凍結(jié)溫度設定為-3、-6、-9、-12、-15℃；融化溫度設定為2、5℃。每個處理3 次重復，并設置恒溫2℃處理作為對照。試驗期間每隔2d稱重補充水分。

1.2.2 凍融循環(huán)次數(shù)模擬試驗

稱取相當于200g 風干土的預培養(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，取樣進行無機氮組分分析。凍融循環(huán)次數(shù)設定為1、3、6、10、15。其中，在-3℃凍結(jié)6d、在2℃融化1d設定為1 個凍融循環(huán)次數(shù)。每個處理3 次重復，并設置恒溫2℃處理作為對照。試驗期間每隔2d稱重補充水分。

1.2.3 水分含量凍融模擬試驗

稱取相當于200g 風干土的預培養(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 個循環(huán)的凍融后（凍融循環(huán)設定同1.2.2），取樣進行無機氮組分分析。每個處理3 次重復，并設置恒溫2℃處理作為對照。試驗期間每隔2d稱重補充水分。

1.3 測定方法

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

1.4 數(shù)據(jù)處理

凈氮礦化速率、硝化速率的計算公式如下［14］：凈氮礦化速率（mg·kg-1·d-1）=（培養(yǎng)后無機氮含量-培養(yǎng)前無機氮含量）/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 進行統(tǒng)計分析，采用Duncan’s 法進行多重比較；數(shù)值采用平均值±標準差的形式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融作用下農(nóng)田黑土無機氮組分含量變化特征

圖1 凍融溫度對農(nóng)田黑土無機氮組分含量的影響

凍融溫度對農(nóng)田黑土無機氮組分含量影響顯著（P＜0.05），且以硝態(tài)氮為主（圖1）。與對照相比，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。可見，較大的凍融溫差（-15℃/2～5℃）造成了凍融土壤無機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)對農(nóng)田黑土無機氮組分含量影響顯著（P＜0.05），且以硝態(tài)氮為主（圖2）。與對照相比，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 時達到極值，分別為74.68 和8.53mg·kg-1，較循環(huán)次數(shù)1 時分別降低了2.31%和9.69%。

圖2 凍融循環(huán)次數(shù)對農(nóng)田黑土無機氮組分含量的影響

水分含量對凍融農(nóng)田黑土無機氮組分含量影響顯著（P＜0.05），且以硝態(tài)氮為主（圖3）。與對照相比，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%時達到極值，分別為75.70 和11.34mg·kg-1，較 水 分 含 量10%時 分 別 增 加 了-3.72%和35.02%。說明適宜的水分含量（20%～30%）對凍融農(nóng)田黑土無機氮組分含量影響程度較大。

圖3 水分含量對凍融農(nóng)田黑土無機氮組分含量的影響

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)時最大（平均值2.13mg·kg-1·d-1），較-3℃凍結(jié)時平均增加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，而對照土壤顯著降低，以水分含量30%時最低（0.94mg·kg-1·d-1），較水分含量10%時降低了47.01%（圖4c）。

圖4 凍融作用對農(nóng)田黑土硝化速率的影響

凍融作用對農(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)時最大（平均值2.24mg·kg-1·d-1），較-3℃凍結(jié)時平均增加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，凍融土壤和對照土壤凈氮礦化速率均顯著降低，至循環(huán)次數(shù)15 時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，而對照土壤顯著降低，以水分含量30%時最低（1.27mg·kg-1·d-1），較水分含量10%時降低了22.98%（圖5c）。

圖5 凍融作用對農(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，進而導致土壤養(yǎng)分含量變化［15］。本研究表明，凍融作用造成農(nóng)田黑土無機氮組分含量顯著增加（圖1～3）。這是因為：一方面，凍融作用能夠殺死一部分微生物，造成細胞破裂，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，促進了土壤有機氮的礦化［17］。土壤中非生物源氮對無機氮也有貢獻。Freppaz 等［18］研究認為，凍融可能導致土壤中以前不可利用的有機和無機膠體中的NH4+-N 釋放出來。徐俊俊［19］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］通過凍融模擬試驗表明，土壤無機氮含量與凍融循環(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)氮和無機氮（NH4+-N+NO3--N）含量呈增加趨勢（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），這是因為土壤無機氮中硝態(tài)氮占優(yōu)勢的緣故。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），這是因為更低的凍結(jié)溫度造成更多的土壤物理結(jié)構(gòu)破壞和微生物死亡，進而釋放更多的養(yǎng)分［27］；再加上深凍期土壤溫度相對穩(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)分能夠抑制有機氮的進一步礦化及銨態(tài)氮的進一步硝化，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（圖4c、圖5c）；這是因為在田間持水量范圍內(nèi)，凍融作用對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，進而抑制了微生物的活動［30］。然而，Hentschel 等［31］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。可見，凍融作用對土壤凈氮礦化速率和硝化速率的影響結(jié)果受供試對象和試驗方法的影響。

可見，頻繁的凍融循環(huán)勢必會改變表層土壤氮素格局，提高土壤無機氮水平，改善生長季初期植物對養(yǎng)分的需求［32］。但凍融作用多發(fā)生在植物非生長季，造成土壤氮素供應與植物氮素利用在時間上的錯位，增加了土壤氮素的流失風險［33］，進而導致農(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)在作用機制有待于進一步研究。

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)動因子。可見，凍融作用顯著促進非生長季農(nóng)田黑土氮素轉(zhuǎn)化，有利于土壤有效氮的累積。