冻融时黑土耕层土壤活性有机碳响应特征1)

庄海艳　单博　陈祥伟

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

土壤碳是土壤质量评价的重要指标[1]，不仅影响着土壤的物理、化学和生物特征及其过程，而且在维持生态系统生产力以及全球碳平衡过程中起重要作用[2]。土壤碳中受植物、微生物影响强烈，具有一定溶解性，在土壤中移动比较快、不稳定、易氧化、易分解、易矿化的组分被称为土壤活性有机碳，常采用溶解性有机碳、微生物量碳、可矿化碳、轻组有机碳、颗粒有机碳等指标来进行表征[3]。虽然活性有机碳只占土壤有机碳总量的较小部分，却直接参与土壤生物化学转化过程。作为世界三大黑土带之一的东北黑土主要分布在我国温带地区，每年会经历6～8个月的季节性冻融期[4]。冻融交替作用通过改变土壤的结构和理化性质对生态系统碳氮循环过程产生影响[5]，加速土壤中碳库的流失和分解[6]，而这种影响主要是通过对土壤活性有机碳产生的影响得以实现的。

目前，关于冻融作用对土壤活性有机碳影响的研究大多集中在冻融循环次数和冻结温度方面[4,7]，而关于冻融前期含水量对活性有机碳影响的研究则较少。因此，本文以黑土耕层土壤为研究对象，采用室内模拟冻融实验的方法，探究冻融对黑土活性有机碳的影响，研究结果对进一步研究黑土耕层土壤碳库平衡和土壤肥力保持具有重要意义。

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。供试土壤有机碳质量分数25.22 g·kg-1，全氮质量分数1.67 g·kg-1，碱解氮质量分数184.88 mg·kg-1，全磷质量分数0.42 g·kg-1，有效磷质量分数21.54 μg·kg-1。

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活性有机碳指标的测定，重复4次。

1.2　指标及测定方法

土壤微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[8]，土壤可溶性有机碳(DOC)采用硫酸钾浸提法[9]，土壤易氧化有机碳(ROC)采用KMnO4氧化法[10]，土壤颗粒有机碳(POC)采用(NaPO3)6分离方法[11]，土壤轻组有机碳(LFOC)采用1.8 g·mL-1NaI重液分离方法[12]，土壤可矿化碳(PMC)采用室内培养法测定[13]，其他指标采用常规测定方法。

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　微生物量碳的变化

土壤微生物量碳(MBC)仅占土壤总有机碳的2%～3%，但对土壤有机碳的动态有不可忽视的影响[14]。研究发现，土壤微生物量碳对冻融循环的响应较为敏感，但前期含水量不同会导致冻融处理后MBC质量分数的变化规律有所不同(表1)。在饱和含水量条件下，无论多次冻融还是少次冻融均显著降低了MBC质量分数(P<0.05)，但以少次冻融后的降低幅度较大，与无冻融相比减少了69.60%；对自然含水量处理而言，仅表现出多次冻融显著提高了土壤微生物量碳质量分数(P<0.05)，较无冻融处理提高了149.94%。由表1还可知，前期含水量亦会对MBC质量分数产生影响，表现为无冻融条件下，饱和含水量处理显著增加了MBC质量分数(P<0.05)；冻融条件下饱和含水量处理会导致MBC质量分数降低，但仅表现为多次冻融后的这种影响达到显著水平。

2.2　可矿化碳的变化

可矿化碳(PMC)又称生物可降解碳，是微生物分解有机物质过程中每单位微生物量产生的CO2量,可广泛地评估土壤微生物活性[3]。测定结果表明，前期含水量对土壤PMC的影响程度显著大于冻融循环次数，表现出在无冻融和多次冻融条件下，饱和含水量处理可显著增加PMC质量分数(P<0.05)，分别较自然含水量处理增加了42.7%和92.7%；而在少次冻融条件下，饱和含水量处理有降低PMC质量分数的趋势，但未达显著水平(表2)。从表2还可以看出，在自然含水量条件下，少次冻融能够显著增加土壤PMC质量分数(P<0.05)，较无冻融相对增加了33.3%，多次冻融会导致PMC质量分数降低；对饱和含水量处理条件下而言，冻融循环次数对土壤可矿化碳质量分数的影响既无明显规律性也未达显著水平。

表1　不同冻融处理下土壤微生物量碳的质量分数　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)。

表2　不同冻融处理下土壤可矿化碳质量分数　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　可溶性有机碳的变化

土壤可溶性有机碳(DOC)是土壤有机物转化和微生物代谢活动的中间产物，其含量高低是土壤微生物对有机物分解与利用的综合反映[15]。研究结果表明，冻融循环次数对土壤DOC质量分数的影响程度高于前期含水量。在自然含水量处理条件下，土壤可溶性有机碳的变化表现为少次冻融可显著增加其含量、多次冻融却显著降低其质量分数(P<0.05)；在饱和含水量处理条件下，虽然表现出少次冻融有增加DOC质量分数、多次冻融降低DOC质量分数的趋势，但与无冻融处理相比均未达显著水平(表3)。此外，从表3还可以看出，前期土壤含水量同样会对DOC质量分数产生影响，但仅表现为多次冻融处理条件下饱和含水量可显著增加其质量分数(P<0.05)。

2.4　易氧化有机碳的变化

土壤易氧化有机碳(ROC)是反映土壤有机碳有效性和土壤质量的重要指标，是土壤有机碳中周转最快的组分[16]。研究发现，土壤ROC质量分数的变化对冻融的响应较不敏感，仅表现出在自然含水量处理条件下少次冻融可显著增加ROC质量分数(P<0.05)；无冻融处理条件下饱和含水量可显著增加ROC质量分数，少次冻融处理条件下饱和含水量可显著降低ROC质量分数(P<0.05)；其他各种处理对土壤易氧化有机碳的影响均未达显著水平(表4)。

表3　不同冻融处理下土壤可溶性有机碳的质量分数　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)。

表4　不同冻融处理下土壤易氧化有机碳的质量分数　g·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　颗粒有机碳的变化

土壤颗粒有机碳(POC)是指以较轻的自由态存在或被包裹在土壤颗粒中的较大的有机质颗粒[17]。测定过表明，前期含水量对土壤POC质量分数的影响程度高于冻融循环次数的影响。在自然含水量处理条件下，土壤POC质量分数的变化呈现随冻融循环次数的增加而逐渐下降的趋势，并以多次冻融的影响达显著水平(P<0.05)。由表5可知，前期含水量对土壤POC质量分数的显著影响仅表现在多次冻融处理条件下(P<0.05)，饱和含水量处理较自然含水量处理土壤POC质量分数相对增加了24.5%。

2.6　轻组有机碳的变化

土壤轻组有机碳(LFOC)与微生物紧密相关，微生物的代谢产物常成为其重要组成部分[18]。研究结果发现，冻融循环次数和前期含水量对土壤LFOC质量分数的影响均表现出较强的规律性(表6)。无论是在自然含水量还是饱和含水量处理条件下，均表现出随冻融循环次数的增加LFOC质量分数下降的趋势。其中，饱和含水量处理条件下仅多次冻融可显著降低LFOC质量分数，而自然含水量处理条件下无论少次还是多次冻融都对LFOC质量分数产生了显著影响(P<0.05)。从表6还可以看出，无论少次还是多次冻融，都会导致饱和含水量处理较自然含水量显著增加轻组有机碳的质量分数(P<0.05)。

表5　不同冻融处理下土壤颗粒有机碳的质量分数　g·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)。

表6　不同冻融处理下土壤轻组有机碳的质量分数　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)。

3　结论与讨论

研究发现，冻融能够对黑土耕层土壤活性有机碳组分产生影响，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(表7)。土壤前期含水量对PMC、POC和LFOC的影响达极显著水平(P<0.01)，而冻融循环次数对MBC、DOC和LFOC的影响达极显著水平(P<0.01)；冻融循环次数与土壤含水量的交互作用的结果，表现出对MBC、PMC、ROC和LFOC具有显著性影响。

表7　不同处理土壤活性有机碳组分的差异性结果

注：表中ES表示差异极显著，NS表示差异不显著；n=18。

土壤活性有机碳是土壤中较活跃的化学组分，对冻融的响应较为敏感。一方面，冻融可以导致部分微生物死亡，死亡的微生物细胞作为基质进而刺激残余微生物的活性，加速土壤有机碳的矿化过程[19]；另一方面，冻融过程可以造成不同粒径团聚体间相互转化，促进土壤有机质和微生物的接触，从而增强有机质的分解和矿化作用[20]。尤其是多次冻融后，土壤有机质的分解损失很难通过死亡微生物的代谢来补充，伴随着土壤微生物量降低，来自微生物排放的CO2也会减少[21]，从而导致土壤MBC和PMC质量分数的减少。

正是由于土壤DOC属于土壤有机物转化和微生物代谢活动的中间产物，冻融交替与干湿交替或氯仿熏蒸等作用相似，同样会造成部分微生物死亡，降低土壤活体微生物数量[22]。死亡的微生物在分解过程中释放出一些小分子糖和氨基酸等，可以提高土壤中DOC的质量分数[23]。此外，冻融过程使土壤孔隙中的冰晶膨胀从而打破颗粒之间的联结，破坏土壤团聚体，并呈将大团聚体破碎成小团聚体的趋势，进而使一些小分子的有机质被释放出来[24]，增加土壤中DOC的质量分数。但多次冻融过后，土壤中原有的DOC不断的被活着的微生物利用分解，土壤DOC质量分数开始不断减少，这与Grogan,et al.对冻融过程中土壤可溶性有机碳质量分数变化的研究结果相吻合[25]。

由于土壤POC是以较轻的自由态存在或被包裹在土壤颗粒中的较大的有机质颗粒(0.25～2.00 mm)，冻融循环导致团聚体的破碎化[26]，由此导致冻融循环过程中土壤POC含量有减少的趋势。鉴于微生物代谢产物是轻组有机碳的重要组成部分[18]，而冻融能影响微生物的数量和活性。少次冻融时冻融造成部分微生物死亡，使得微生物代谢产物减少；而多次冻融后土壤微生物死亡殆尽使得土壤LFOC含量趋于稳定。

此外，土壤前期含水量对PMC和LFOC影响显著。这主要是由于，冻结过程中水分主要通过两方面作用来影响土壤碳素的循环与迁移。一方面，冻结过程使土壤孔隙中的冰晶膨胀从而打破颗粒之间的联结，破坏土壤团聚体的大小与稳定性[24]；另一方面，水分状况会引起土壤微生物数量、活性和种类的改变[27]，进而对对土壤活性有机碳组分产生一定的影响。在较低水分条件下，土壤DOC溶出较少，不能为驱动有机碳矿化过程的微生物提供足够的能源；而较高的水分条件有利于DOC的溶出。因此，自然含水量条件下的PMC含量低于饱和含水量。

综上，冻融确实对黑土耕层土壤活性有机碳组分产生了影响，但土壤前期含水量和冻融循环次数活性有机碳各组分的影响程度和作用有所不同。土壤前期含水量主要是通过影响PMC、POC和LFOC的含量使土壤活性有机碳组分特征发生变化，而冻融循环次数的影响则主要是通过对MBC、DOC和LFOC质量分数的影响得以实现。可以认为，少次冻融会增加黑土耕层土壤活性有机碳的质量分数，较高的水分条件不利于活性有机碳的积累。