冻融时黑土耕层土壤氮素形态1)

单博　庄海艳　陈祥伟

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

氮素不仅是作物生长发育过程中必需的大量矿质营养元素之一[1]，而且常由于其较强的移动性及较高的损失率，使之成为作物生长的养分限制因子[2]。土壤氮素形态的差异既决定着植物吸收利用的有效性，也对氮素在土壤中的周转和养分平衡的维系产生重要影响。在影响土壤氮素形态及有效性的诸多因素中，普遍存在于东北及高海拔地区的冻融交替[3]是影响土壤碳、氮生物地球化学过程的重要驱动力之一[4]。冻融交替对土壤行为变化的影响主要取决于冻融速率、冻融温度、土壤含水量以及冻融循环次数等[3]。一方面，低温会减缓土壤有机氮的分解，进而导致植物可利用的氮素缺乏[5]；另一方面，频繁的冻融交替使土壤水分经历多次“液相—固相”转变，通过改变物理结构和化学性质影响微生物活动，进而促进有机质分解和氮素供应[6]。

近年来，关于冻融对土壤氮素形态及循环过程的影响多集中在高山草甸、森林、苔原和湿地等生态系统[7]，而对东北黑土耕地土壤的研究相对较少。为此，本研究以东北典型黑土区耕层土壤为研究对象，采用模拟冻融实验的方法，通过土壤铵态氮、硝态氮、铵态氮与硝态氮比值(ANR)、可溶性有机氮及微生物量氮等指标的测定、计算和分析，研究土壤前期含水量与冻融循环次数对土壤氮素主要形态的影响，以期加深对黑土氮循环的理解与认识，为科学评价冻融对黑土供氮能力的影响提供参考。

1　材料与方法

1.1　供试土壤及样品的制备

土壤样品取自位于黑龙江省克山农场的典型黑土区(N48°12′～48°23′，E125°8′～125°37′)。在耕作措施一致、前茬作物均为玉米的耕地中设置3块临时样地，采用自制内径和高均为10 cm的土壤原状土取样器采集0～20 cm的耕层土壤样品，保鲜膜密封低温保鲜后备用。供试土壤为黏壤土，有机质质量分数43.49 g/kg、pH值为5.13、土壤全氮质量分数1.67 g/kg、全磷质量分数0.42 g/kg。

模拟冻融循环设置3个处理，分别为无冻融(0次)、少次冻融(3次)和多次冻融(12次)，其中-15 ℃冻结24 h、5 ℃解冻24 h为一次完整的冻融循环；前期土壤含水量设置2个处理，即田间自然质量含水量(29.42%)和饱和含水量(39.93%)。冻融处理后土壤样品经充分混合，采用四分法取样用于氮素各形态指标的测定，重复4次。

1.2　指标测定与方法

土壤可溶性有机氮=可溶性全氮-(土壤铵态氮+土壤硝态氮)。

1.3　数据处理

所有数据均采用SPSS18.0和Microsoft Excel软件进行统计分析，采用多因素方差分析和最小显著差异法(LSD)检验不同数据组间的显著性差异，显著性水平设定为α=0.05。

2　结果与分析

2.1　铵态氮的变化

表1　不同冻融处理下土壤铵态氮质量分数　mg·kg-1

注：表中数据为“平均值±标准差”，同列不同大写字母表示相同循环次数不同前期含水量处理间差异显著(P<0.05)，同行不同小写字母表示相同前期含水量不同循环次数处理间差异显著(P<0.05)。

2.2　硝态氮的变化

研究发现，冻融引起了土壤硝态氮含量的变化，但因土壤含水量和冻融循环次数的不同而表现出不同的变化规律(表2)。自然含水量条件下，无论是少次还是多次冻融均显著地增加了土壤硝态氮质量分数(P<0.05)，增加幅度为349.01%～495.32%，但以少次冻融的增加幅度较大；而饱和含水量条件下，只有多次冻融显著增加了硝态氮质量分数(P<0.05)，而少次冻融却表现出硝态氮质量分数降低的趋势，但未达显著水平。此外，从表2还可以看出，无论是少次冻融还是多次冻融，土壤饱和含水量均会导致土壤硝态氮质量分数显著降低(P<0.05)，降低幅度以少次冻融相对较大。

表2　不同冻融处理下土壤硝态氮的质量分数　mg·kg-1

注：表中数据为“平均值±标准差”，同列不同大写字母表示相同循环次数不同前期含水量处理间差异显著(P<0.05)，同行不同小写字母表示相同前期含水量不同循环次数处理间差异显著(P<0.05)。

2.3　铵态氮与硝态氮质量分数比值的变化

土壤铵态氮与硝态氮质量分数比值(ANR)和微生物氮等土壤氮素指标存在着极显著相关关系，比铵态氮和硝态氮更能反映土壤氮素形态及供应水平的变化[11]。计算结果表明，冻融对ANR的影响总体上表现出随着冻融循环次数的增加而下降的趋势，但由于土壤含水量的差异导致其变化规律有所不同(表3)。自然含水量条件下，无论是少次还是多次冻融均显著降低了土壤铵态氮与硝态氮比(P<0.05)；而饱和含水量条件下，只有多次冻融才会导致ANR显著降低(P<0.05)。从表3还可以发现，土壤含水量同样会引起ANR的变化。其中，冻融前饱和含水量土壤的ANR显著高于自然含水量土壤(P<0.05)，少次冻融可以显著增加和扩大这种差异(P<0.05)，而多次冻融后则使不同含水量土壤ANR的差异趋于不显著。

表3　不同冻融处理下铵态氮与硝态氮的质量分数比值

注：表中数据为“平均值±标准差”，同列不同大写字母表示相同循环次数不同前期含水量处理间差异显著(P<0.05)，同行不同小写字母表示相同前期含水量不同循环次数处理间差异显著(P<0.05)。

2.4　可溶性有机氮的变化

土壤可溶性有机氮(SON)对氮素的矿化、固持、淋失和植物吸收等过程有着不同程度的影响，植物除主要吸收无机态氮外，还可以吸收少量小分子可溶性有机氮来补充营养[12]。测定结果表明，冻融对土壤SON的影响规律具有其特殊性，即仅表现为少次冻融会导致SON发生显著变化(P<0.05)，在自然含水量条件下，少次冻融能够显著增加可溶性有机氮的质量分数，而土壤饱和含水量条件下则显著降低其含量(表4)。从表4还可以看出，土壤含水量同样会对可溶性有机氮质量分数产生影响，其中，无冻融情况下土壤饱和含水量可显著增加SON含量，而少次冻融却使SON含量显著降低(P<0.05)。

表4　不同冻融处理下土壤可溶性有机氮质量分数　mg·kg-1

注：表中数据为“平均值±标准差”，同列不同大写字母表示相同循环次数不同前期含水量处理间差异显著(P<0.05)，同行不同小写字母表示相同前期含水量不同循环次数处理间差异显著(P<0.05)。

2.5　微生物量氮的变化

土壤中可利用的氮主要来自于微生物对有机氮的矿化作用，而微生物量氮(MBN)是土壤活性氮中最活跃的组成部分，也是土壤活性氮的源和库[13-14]。测定结果表明，冻融对土壤MBN质量分数有显著的影响(P<0.05)，尤其在自然含水量条件下随着冻融循环次数的增加，MBN质量分数表现出显著降低的规律性(表5)。

表5　不同冻融处理下土壤微生物量氮质量分数　mg·kg-1

注：表中数据为“平均值±标准差”，同列不同大写字母表示相同循环次数不同前期含水量处理间差异显著(P<0.05)，同行不同小写字母表示相同前期含水量不同循环次数处理间差异显著(P<0.05)。

由表5还可知，土壤含水量同样对微生物量氮产生了显著性影响，饱和土壤含水量处理无论是多次冻融还是少次冻融后均会导致MBN质量分数显著增加(P<0.05)，增加幅度可达66.17%～88.47%。

3　讨论与结论

冻融可通过显著影响黑土耕地土壤不同形态的氮素含量进而影响其有效性(表6)，不同处理以及处理间的交互作用程度和影响规律有所不同。与土壤含水量相比，冻融循环次数对各主要形态氮素的影响更大，所测定各指标的变化均达极显著水平(P<0.01)；而土壤含水量仅对硝态氮和ANR的影响达极显著水平(P<0.01)，对铵态氮的影响程度显著(P<0.05)。冻融循环次数与土壤含水量的交互作用对硝态氮和SON的影响达极显著水平(P<0.01),对MBN的影响程度显著(P<0.05)。

表6　不同处理土壤主要形态氮素含量的差异性结果

注：表中ES表示差异极显著，S表示差异显著，NS表示差异不显著；n=18。

冻融循环次数对土壤主要形态氮素的影响主要是通过显著降低铵态氮和MBN的质量分数、显著增加硝态氮和SON的质量分数得以实现的。首先，由于土壤在冻结过程中土壤温度明显降低，土壤中的部分微生物因受到冻结胁迫而死亡[15]，直接降低土壤中微生物的数量，进而在少次冻融后表现为土壤MBN质量分数显著减小。随着冻融循环次数的增加，死亡的部分微生物在分解过程中释放出大量的活性营养物质，增加了SON和无机氮的质量分数[16]。所增加的营养物质为能较耐低温的微生物增加了可利用底物，不仅可以刺激其活性、减小MBN质量分数的降低程度[17]，而且促进了有机氮的矿化作用，使得硝态氮不断积累[18-19]。其次，多次冻融过程中由于土壤水分形态的改变，使土壤水和微生物细胞内水分之间的水势失衡导致部分微生物死亡，同样不仅导致土壤MBN质量分数的近一步降低[20]，而且因矿化作用减弱[21]，使土壤铵态氮的质量分数有所降低。此外，模拟冻融试验过程中，一方面土壤中残存的植物根系会少量地消耗供试土壤中无机氮导致铵态氮质量分数降低；另一方面因未考虑田间土壤养分的淋溶和转化为气态氮的损失[22]亦可能是造成硝态氮质量分数有所增加的原因。

冻融对土壤SON质量分数的影响较复杂。除上述原因外，一方面，由于冻融过程中土体结构的膨胀与收缩，造成与土壤相结合的较大分子量有机质中的氢键遭到破坏，释放出其中的小分子量有机质，从而增加了SON的质量分数[23]；另一方面，冻融改变了土壤团聚体的稳定性和大小，使大团聚体破碎成小团聚体[24]，促进了被大团聚体包裹吸附的某些小分子物质的释放，也能提高SON的质量分数[25]。冻融后，自然含水量条件下的MBN、铵态氮质量分数及ANR均显著低于饱和含水量，而SON和硝态氮质量分数则显著高于饱和含水量。可以认为，冻融过程中土壤含水量对土壤主要形态氮素的影响，是通过显著影响土壤铵态氮、硝态氮质量分数及ANR得以实现的。首先，土壤含水量主要是通过影响硝化和反硝化过程而对土壤无机氮质量分数产生影响[26]，冻融过程中，较低土壤含水量有利于硝化作用的进行，有利于硝态氮的积累；而高含水量则有利于土壤氮素的反硝化作用，即有利于铵态氮的积累[27]。其次，土壤含水量增加，微生物感知冻融变化而活性增强，促使MBN质量分数增加[27]。此外，冻融可以显著降低土壤团聚体稳定性，且以饱和含水量对土壤团聚体破碎能力最强[28]，团聚体破碎过程中释放的部分无机氮可能是造成土壤铵态氮增加的另一原因。

综上，冻融对黑土耕地土壤氮素形态产生了影响，冻融循环次数对铵态氮、硝态氮、ANR、可溶性有机氮、微生物量氮的影响均达极显著水平(P<0.01)，土壤含水量对铵态氮、硝态氮、ANR的影响达到了显著水平(P<0.05)。可以认为与土壤含水量相比，冻融循环次数对黑土耕地土壤主要形态氮素的影响更大；冻融循环次数对土壤主要形态氮素的影响主要是通过显著降低铵态氮和MBN的质量分数、显著增加硝态氮和SON的质量分数实现的，而土壤含水量的影响主要是通过显著影响土壤铵态氮、硝态氮质量分数及ANR得以实现。