冻融作用对辽东山地古冰缘地貌不同植被类型土壤无机氮的影响

韩青 范志平* 白洁 陈寒 李一凡

（1. 辽宁石油化工大学环境与安全工程学院，辽宁抚顺 113001；2. 辽宁大学环境学院，辽宁沈阳 110011）

1 引言

冻融作用是由于气温的变化致使土壤温度上下波动而出现的季节性冻融过程［1］，多发生于高海拔、中高纬度和部分温带地区［2］。辽东山地属季节性冻土类型，秋冬季节和初春存在明显的交替冻融过程［3］，通过改变土壤水热运动规律［4］，影响微生物活性、植物凋落物分解以及有机质矿化作用，从而影响土壤养分循环过程［5-6］，进而导致流域内不同植被类型土壤有机氮的转化和无机氮的动态变化，对流域地表水环境质量产生潜在影响。因此，开展冻融作用对不同植被类型土壤无机氮变化影响的研究，揭示该地区冻融作用对土壤理化性质的影响，可以为流域土壤生物地球化学过程及地表水环境质量动态变化提供依据［7-8］。

2 材料与方法

2.1 区域概况

本文研究区域位于辽宁老秃顶子自然保护区古冰缘地貌区，受第四纪期末次冰期影响，区内分布有石海、石河、石流坡等古冰缘地貌类型。11 月初至翌年3 月上旬是土壤冻融循环的发生期。该区域属北温带大陆性季风湿润气候，年均气温6 ℃，年降雨量651～1 315 mm，是长白植物区系与华北植物区系的交错地带，植物物种资源丰富［9］，土壤类型主要是棕色森林土和暗棕色森林土。根据研究地区气候数据资料，该地区11 月表土开始经历冻融过程（冻融初期），随着气温降低土壤冻结强度不断发展，之后至翌年3 月随着气温回升表土经历解冻过程的冻融阶段（冻融末期）。

2.2 试验材料

在研究区域设置5 个类型样地，冻融初期（11月中旬）和冻融末期（翌年3 月下旬）分别于色木槭—蒙古栎林（AM）、白桦—山杨林（BP）、落叶松—红松林（LK）、红松—蒙古栎林（KM）、蒙古栎—东北红豆杉林（MO）等5 个植被类型的样地多点采集表层（0～10 cm）土壤样品后混合均匀。将新鲜土壤去除根系等杂质带回实验室，用于各项指标测定分析。

2.3 分析方法

土壤含水量采用105 ℃烘干法测定；土壤pH 利用pH 计（PHS-25，上海仪电科学仪器股份有限公司）测定（土水比为1 ∶2.5）；土壤电导率（EC）利用电导率仪（DDS-11A，上海霄盛仪器制造有限公司）测定（土水比为1 ∶5）；土壤无机氮（SIN，包括NH4＋-N，NO3--N）含量利用2 mol/L 氯化钾溶液浸提土壤，流动分析仪（Autoanalyzer Ⅲ，Bran＋Luebbe GmbH，Germany）测定［10］；土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化—外加热法测定（GB 7857—87）；土壤全氮（TN）采用浓硫酸消煮—半微量凯氏定氮法测定［11］。

2.4 数据分析

所得数据采用Microsoft Excel 2010 进行整理和计算，采用SPSS22.0 软件进行数据统计分析。分别对AM，BP，LK，KM，MO 这5 种植被类型的土壤测定值运用单因素方差分析（One-way ANOVA）和组间比较（Tukey HSD）对土壤理化指标进行数据分析，比较不同冻融阶段和不同植被类型土壤含水量、pH、电导率、全氮、有机质、无机氮的差异，利用Origin9.0 软件完成制图。

3 结果与分析

3.1 冻融作用对土壤pH 和电导率的影响

土壤pH 在冻融过程中变化幅度不大［见图1。图中不同大写字母表示同一指标同一冻融阶段不同植被类型间差异显著（P＜0.05）；不同小写字母表示同一指标同一植被类型不同冻融阶段间差异显著（P＜0.05），下同］，冻融初期（BFT）土壤pH 为5.77～6.77，冻融末期（EFT）为5.70～7.18。冻融作用对土壤pH 影响因植被类型不同而有所差异，其中，AM，MO 2 种植被类型土壤pH 无显著变化，LK 植被土壤pH呈下降趋势，而BP 和KM 2 种植被类型呈上升趋势。

冻融作用显著影响不同植被类型土壤电导率值（见图2），冻融初期土壤电导率变化范围为57.2～160.2 μs/cm，冻融末期为41.2～111.5 μs/cm，不同植被类型土壤电导率值变化不同，其中AM，LK，KM 和MO 4 种植被类型土壤电导率值显著下降，而BP 植被类型土壤电导率值呈上升趋势。

图2 冻融作用对不同植被类型土壤电导率的影响

分析结果表明，冻融作用和植被类型交互作用对土壤pH 与电导率变化产生一定的影响。

3.2 冻融作用期土壤含水量的动态变化

冻融作用对不同植被类型土壤含水量产生显著影响（见图3），在冻融初期土壤含水量为39.14%～67.86%，冻融末期为62.90%～128.15%，呈显著上升趋势，AM，BP，LK，KM，MO 5 种植被类型土壤含水率分别增加了0.32，2.14，0.09，1.10，0.59 倍。

图3 冻融作用对不同植被类型土壤含水量的影响

3.3 冻融作用对土壤有机质的影响

土壤有机质含量受冻融作用的影响较小（见图4），AM，BP，LK，KM，MO 5 种植被类型土壤有机质含量在冻融初期为79.57～147.51 g/kg，至冻融末期为81.30～143.20 g/kg，不同植被类型土壤有机质含量对冻融作用响应有所不同，AM，BP 和KM 3 种植被类型土壤有机质含量稍有增加，LK 和MO 2 种植被类型土壤有机质含量略有下降。

图4 冻融作用对不同植被类型土壤有机质的影响

3.4 冻融作用对土壤无机氮及总氮的影响

土壤无机氮含量经冻融过程变化差异显著（见图5），在冻融初期为34.37～68.38 mg/kg，至冻融末期为8.25～20.73 mg/kg，整个冻融过程中，AM，BP，LK，KM，MO 5 种植被类型土壤无机氮含量对冻融作用 的 响 应 不 同，分 别 降 低 了82.70%，39.69%，80.05%，62.28%，82.55%。冻融作用和植被类型的交互作用显著影响土壤无机氮含量。

图5 冻融作用对不同植被类型土壤无机氮的影响

在冻融作用下，土壤全氮含量由3.97～7.27 g/kg变化为4.23～7.88 g/kg（见图6）。冻融作用对土壤全氮含量的影响因植被类型的不同而有所差异，其中，AM，LK 和KM 3 种植被类型土壤全氮含量无显著变化，BP 植被类型土壤全氮含量增加，MO 植被类型土壤全氮含量减少。

图6 冻融作用对不同植被类型土壤全氮的影响

4 讨论与结论

冻融作用引起土壤多孔介质中水分的液固相变化，进而导致土壤团聚体结构的变化［3］。冻融过程中土壤水分的迁移过程发生变化，冻结时土体的冻结缘水势梯度大，水分自非冻结土壤向上层迁移；融化时土壤冻结层阻碍表层水分下渗，表层水分滞留导致土壤含水量提高。受冻融作用影响的土壤水分变化，进一步影响到土壤养分的变化［4，12］。土壤pH 是土壤酸碱性的标志，能调节土壤营养元素转化并影响微生物组成［13］。已有研究结果表明，阳离子交换量及盐基饱和度随pH 变化而变化［14］。冻融作用改变了土壤硝化作用，促进溶解性有机氮转化，进而导致土壤溶液酸碱性发生变化。土壤含水量影响冻融作用下土壤pH 的升降效应［12］，冻融界面及其附近区域的土壤含水量高，通气性随之下降，微生物反硝化作用增强，也是土壤溶液H＋浓度变化的原因之一［4］。与此同时，含水量的增加加快土壤离子迁移，土壤电导率随之发生改变［15］。

冻融过程中土壤有机质的变化主要源于土壤微生物群落组成和活性的变化，以及土壤团聚体结构的改变。土壤中耐低温微生物对有机质的分解作用，是土壤有机质动态变化的主要因素［8，16-17］。土壤全氮综合反映土壤的氮素状况，是提供土壤有效氮素的源和库［8］。由于冻融循环过程中一方面土壤微生物失活且数量下降，另一方面低温冻结后温度回升且微生物恢复，影响到土壤冻融界面及附近区域土壤反硝化作用和硝化反应过程，二者的消涨关系在一定程度上影响了土壤全氮及其他氮素形态的生物化学转化过程［18-21］。其中，土壤氮矿化是氮素迁移转化过程中的重要环节，氮矿化产生的无机氮是土壤有效氮素的主要来源［22-25］。在冻融阶段的后期，地表融雪径流造成土壤淋溶作用增强［26-27］，也是土壤无机氮变化的原因之一。对于辽东山地古冰缘地貌不同植被类型土壤而言，冻融作用通过影响理化性质和生物学特性，对土壤氮素迁移转化产生一定的影响，进而引起冻融后期流域地表水体中氮素运移过程的变化。