封保根 李美璇 李悅銘 王觀竹 郭 平

農(nóng)林土壤肥力是影響作物和林木產(chǎn)量和質(zhì)量的重要因素。土壤施肥是一項重要的農(nóng)林生產(chǎn)措施[1]，可以改善作物和林木的營養(yǎng)狀況和促進植物生長，達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的生產(chǎn)和經(jīng)營目的[2]。氮是植物生長必需的營養(yǎng)元素之一，在農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤中氮被認為是最易耗竭因而限制植物生長的因素之一，是許多地區(qū)植物生長的重要限制因子[3-4]。因此氮肥是世界各國在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)過程中添加的主要肥料。據(jù)資料顯示，添加到農(nóng)田和林地土壤中氮肥的利用率相對都比較低，通過揮發(fā)、淋溶和徑流等途徑損失數(shù)量巨大[5]。以我國每年施用純氮2 100萬t，平均損失45%計算，每年損失的氮素高達945萬t，相當(dāng)于2 050多萬t尿素，其中氮素淋溶損失是影響氮素利用率的重要因素之一[6]，而且氮素的淋溶損失程度與氮肥種類有關(guān)[7]。另外，氮素淋溶損失還會導(dǎo)致地下水硝態(tài)氮污染[8-9]。因此，如何提高農(nóng)田和林地土壤氮素利用率，減少土壤硝態(tài)氮的淋溶損失,降低地下水污染風(fēng)險，是農(nóng)林生產(chǎn)生態(tài)管理和環(huán)境保護領(lǐng)域亟需解決的重大問題。

目前，黑炭技術(shù)是改良土壤固氮能力、降低氮素淋溶風(fēng)險的有效手段。一些學(xué)者已經(jīng)對添加黑炭降低土壤氮素淋溶損失進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑炭可以有效降低土壤中氮素的淋溶損失[10]。東北地區(qū)是我國農(nóng)林業(yè)及其副產(chǎn)品的重要生產(chǎn)基地，對維護國土生態(tài)安全和經(jīng)濟社會發(fā)展具有重要意義。東北地區(qū)位于中緯度地區(qū)，初春季節(jié)普遍存在時間較長的凍融交替過程。凍融交替過程改變了土壤理化性質(zhì)和微生物生存活動，進而影響了土壤對氮素的固持能力[11-12]，增加了氮素淋溶風(fēng)險。凍融對土壤理化性質(zhì)的影響程度與凍融條件（凍融頻次、凍融溫度、凍融持續(xù)時間等）和土壤性質(zhì)和物質(zhì)組成有關(guān)[13-14]。目前，我國東北部地區(qū)已經(jīng)開始使用生物質(zhì)炭技術(shù)解決土壤氮素淋失問題，并且一些學(xué)者也開始進行此方面的研究。然而，迄今為止，在凍融交替條件下添加不同氮肥種類以及不同凍融條件對添加黑炭的土壤中硝態(tài)氮淋失的影響還不是很清楚。因此，筆者以東北土壤為研究對象，采用淋溶試驗的方法研究在凍融循環(huán)作用下添加不同氮肥種類，以及不同凍融條件（凍結(jié)溫度、凍融間隔時間）對添加黑炭土壤中硝態(tài)氮淋失的影響，旨在揭示凍融條件作用下黑炭對土壤中氮素的固氮效果，為提高土壤氮素利用效率和促進農(nóng)業(yè)和林業(yè)可持續(xù)性發(fā)展，解決環(huán)境污染提供理論和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試土壤

供試土壤采于吉林省長春市郊區(qū)土壤的表層土（0～20 cm）。土壤經(jīng)風(fēng)干、粉碎、過2 mm篩后儲藏備用。采用pH復(fù)合電極測定土壤pH；采用電導(dǎo)率儀測定電導(dǎo)率(EC)；采用乙酸銨交換法測定陽離子交換量（CEC）[15]；采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定土壤有機質(zhì)（SOM）[16]；采用激光粒度分析儀測定土壤顆粒分布[17]；采用凱氏定氮法測定土壤中全氮的含量[12]，測定結(jié)果見表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Physiochemical properties of soil

1.1.2 供試黑炭

供試黑炭是由生物質(zhì)材料在500 ℃條件下使用馬弗爐在低氧環(huán)境下進行熱解炭化制得的黑炭。之后，過60目篩，置于干燥器中備用。

1.2 土柱設(shè)計和裝填

土柱采用PVC材料制成，內(nèi)徑6.2 cm，高25 cm，下端用200目細網(wǎng)篩封口。同時在底部網(wǎng)篩上加1 cm厚的石英砂，再在上面鋪一層尼龍布。將稱取的764.4 g土壤與15.6 g黑炭混合，制備成含有黑炭的土壤樣品（記為J），其中以未混合黑炭土柱為空白對照（記為CK）。用含有氮素的蒸餾水調(diào)節(jié)土樣含水率為最大持水量的90%之后，將土樣裝填入土柱中，適當(dāng)按壓，使其容重在1.25 g/cm3左右。填充后土柱上方鋪一層1 cm厚石英砂，以免淋溶時擾動土層。為保證土柱自上而下進行凍融，將做好的土柱裝入泡沫隔熱板制成的外套內(nèi)。根據(jù)氮元素施加量相同的原則，配制含有氮素的蒸餾水溶液，即分別將0.327 g 氯化銨（NH4Cl）、0.403 g硫酸銨[(NH4)2SO4]、0.617 g硝酸鉀（KNO3）溶于237 mL蒸餾水中。

1.3 凍融條件設(shè)置和凍融處理

將整個凍融試驗裝置（土柱和泡沫隔熱板）放在冰柜中進行凍融試驗。凍融試驗包括凍融組(F)和未凍融組(NF)。凍融組放在冰柜中在一定凍結(jié)溫度下凍結(jié)一定時間，然后取出放置在5 ℃冰柜融化一定時間，此過程為一個凍融循環(huán)；未凍融組在一個凍融循環(huán)周期內(nèi)，均放在5 ℃冰柜培養(yǎng)。

該研究所有影響因素試驗均經(jīng)過3個凍融循環(huán)處理。在研究氮肥類型影響試驗中的凍融處理條件是在-25℃冰柜中凍結(jié)2 d，然后在5℃冰柜中融化2 d，凍融組和未凍融組分別記作F-NH4Cl和 NF-NH4Cl、F-(NH4)2SO4和NF-(NH4)2SO4、F-KNO3和NFKNO3。在研究凍結(jié)溫度影響試驗中的凍融條件是分別在-5、-15、-25℃冰柜中凍結(jié)2 d，然后在5℃冰柜中融化2 d，分別記作5-F-(-25)-NF、5-F-(-15)-NF、5-F-(-5)-NF。在研究融化時間影響試驗中的凍融條件是在-25℃冰柜中凍結(jié)2 d，然后在5℃分別融化1、2、4 d和10 d，分別記作2-F-1-NF、2-F-2-NF、2-F-4-NF、2-F-10-NF。在研究凍結(jié)時間影響因素試驗中的凍融條件是在-25℃冰柜中分別凍結(jié)1、2、4 d和10 d，然后在5 ℃冰柜融化2 d，分別記作1-F-2-NF、2-F-2-NF、4-F-2-NF、10-F-2-NF。

1.4 淋溶試驗

凍融處理結(jié)束后，將土柱取出放置于支架上進行淋溶試驗。采用一次連續(xù)淋溶，緩慢注入總量為300 mL的去離子水（根據(jù)研究地的年均降雨量計算獲得）。整個淋溶過程需要保持水面高于土面1 cm，從土柱底部定量取15 mL淋出液作為一個樣品，采用國家標(biāo)準GB/T 8538—1995《紫外分光光度法》測定淋出液中硝態(tài)氮的濃度[18]，同時記錄取樣時間。

2 結(jié)果與討論

2.1 凍融對含有黑炭土柱硝態(tài)氮淋失的影響

圖1所示為凍融對含有黑炭土柱硝態(tài)氮淋失的影響。由圖1可知，對未添加黑炭土柱來說，隨淋溶時間的增加，土柱淋出液中硝態(tài)氮的濃度呈現(xiàn)先升高再降低的變化，CK-F和CK-NF處理分別在24 min和30 min后達到最大值,最大值分別為2.82 mg/L和2.56 mg/L；然而對于添加黑炭土柱淋出液中硝態(tài)氮的濃度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，J-F和J-NF處理分別在11 min和14 min達到最大值,最大值分別為1.28 mg/L和0.98 mg/L。由此可見，添加黑炭改變土柱淋出液中硝態(tài)氮隨時間的變化規(guī)律。在整個淋溶過程中，添加黑炭土柱淋出液中硝態(tài)氮平均濃度明顯低于未添加黑炭土柱淋出液中硝態(tài)氮平均濃度（Punfrozen＜0.01；Pfrozen＜0.05）。凍融處理添加黑炭土柱淋出液中硝態(tài)氮的平均濃度比未凍融處理的大32.95%。這些結(jié)果表明黑炭提高了土壤固持硝態(tài)氮能力，凍融降低土壤固持硝態(tài)氮的能力，促進了土柱中硝態(tài)氮的淋失。黑炭提高了土壤固持硝態(tài)氮能力主要包括兩方面的原因，一是黑炭的吸水性和保水性以及硝態(tài)氮易溶水性有關(guān)。黑炭孔隙多，而且孔隙巨大，能夠吸附更多的水分。另外，黑炭多微孔，密度較小，遠遠小于黑土的密度，所以將黑炭施入土壤可以降低土壤密度，使土壤具有更大的孔隙度，保持更多的水分[19]。所以溶解在水中的硝態(tài)氮在黑炭作用下自然被滯留在土壤中;二是黑炭對硝態(tài)氮具有一定的吸附能力[20]。凍融降低土壤固持硝態(tài)氮的能力，促進了土柱中硝態(tài)氮淋失的主要原因包括三方面，一是凍融作用破壞了土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤滲透系數(shù)[21]，增加土壤大孔隙數(shù)量和促進優(yōu)勢流的形成[22]，這些因素降低了土壤持水能力，促進了土壤水分的淋失，進而引起土壤中的硝態(tài)氮隨水流失;二是凍融循環(huán)促進了微生物細胞溶解釋放硝態(tài)氮[23]；三是在融化階段氮素礦化和硝化導(dǎo)致了多數(shù)溶解性有機氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化[24]。

圖1 凍融對土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度的影響Fig.1 The inf l uence of freeze-thaw on nitrate nitrogen leaching from black soil

2.2 氮肥類型對硝態(tài)氮淋失的影響

圖2所示為3個凍融頻次下氮肥類型對含有黑炭土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度的影響。由圖2可知，對于凍融組和未凍融組來說，在淋溶各時間點，添加KNO3的土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度均明顯高于添加（NH4)2SO4和NH4Cl土柱（P＜0.05）的；添加（NH4)2SO4和NH4Cl的土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度均很低，在整個淋溶過程中均小于2.5 mg/L。與未凍融組相比，在淋溶各時間點，添加KNO3、（NH4)2SO4和NH4Cl凍融組土柱淋出液中硝態(tài)氮的濃度明顯高于未凍融組。對于凍融組來說，雖然添加不同氮肥土柱淋出液中硝態(tài)氮的含量隨時間呈現(xiàn)先增加再降低的變化規(guī)律，但是添加KNO3、（NH4)2SO4和NH4Cl土柱淋出液的硝態(tài)氮達到最大濃度有所不同，分別是96.80、2.32 mg/L和1.28 mg/L。對于添加不同種類氮肥土柱來說，300 mL去離子水完全淋溶所消耗的時間分別是170（KNO3）、123 min[（NH4)2SO4]和112 min（NH4Cl）,而且硝態(tài)氮淋失主要集中在淋溶前期階段；在整個淋溶期間，硝態(tài)氮累積淋失量大小順序依次為添加KNO3土柱＞添加（NH4)2SO4土柱＞添加NH4Cl土柱。這表明帶負電荷的硝酸根離子很少被帶負電荷的土壤吸附，這引起添加硝酸鉀土柱會有更多硝態(tài)氮的淋失，在很短淋溶時間內(nèi)，硫酸銨和氯化銨中的銨根離子很少轉(zhuǎn)化成硝酸根離子。

圖2 氮肥種類對土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度的影響Fig.2 The inf l uence of applying different nitrogen sources on nitrate nitrogen leaching from black soil

2.3 凍結(jié)溫度對硝態(tài)氮淋出的影響

圖3所示為凍結(jié)溫度對添加黑炭土柱淋出液中硝態(tài)氮淋出濃度的影響。由圖3可知，當(dāng)凍結(jié)溫度較高時，淋出液中硝態(tài)氮濃度隨時間增加而降低；當(dāng)凍結(jié)溫度較低時，淋出液中硝態(tài)氮濃度隨時間呈先增加再降低的變化規(guī)律。凍結(jié)溫度為-5 ℃和-25 ℃時的土柱淋出液中硝態(tài)氮的濃度相近，且均高于凍結(jié)溫度為-15 ℃時淋出液中硝態(tài)氮的濃度。凍融過程有利于土壤氮素礦化作用和硝化作用的進行，而礦化和硝化后的氮素更易淋出。凍融作用對土壤中生物細胞的溶解具有重要作用。氮素礦化和硝化以及細胞溶解過程均與凍結(jié)溫度有關(guān)。通常，高的凍結(jié)溫度能夠引起更多細胞溶解破裂，然而，較低凍結(jié)溫度更加有利于土壤氮素礦化作用和硝化作用的進行。這也就是過高和過低凍結(jié)溫度下淋出液中硝態(tài)氮含量較高的原因。

圖3 凍結(jié)溫度對土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度的影響Fig.3 The inf l uence of different freeze-thaw temperature on nitrate nitrogen leaching from black soil

2.4 融化時間對硝態(tài)氮淋出的影響

圖4所示為融化時間對添加黑炭土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度的影響。由圖4可知，融化時間越長，淋出液中硝態(tài)氮的濃度越高。而且，融化10 d和融化4 d的土柱淋出液中硝態(tài)氮的濃度明顯高于融化1 d和融化2 d的硝態(tài)氮的濃度；融化10 d的硝態(tài)氮濃度明顯高于融化4 d的（P＜0.05）。然而，融化2 d的硝態(tài)氮濃度與融化1 d的差異不大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是融化時間越長，土壤中氮素礦化和硝化作用得越充分，進而產(chǎn)生了更多的硝態(tài)氮[25]。

圖4 融化時間對土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度的影響Fig.4 The inf l uence of different melting time on nitrate nitrogen leaching from black soil

2.5 凍結(jié)時間對硝態(tài)氮淋出的影響

圖5 凍結(jié)時間對黑土硝態(tài)氮淋出的影響Fig.5 The inf l uence of different freezing time on nitrate nitrogen leaching from black soil

圖5所示為凍結(jié)時間對添加黑炭土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度的影響。由圖5可知。凍結(jié)10 d的土柱淋出液中硝態(tài)氮的濃度最高，而且硝態(tài)氮的濃度隨時間呈先增加再降低的變化規(guī)律，并且在淋溶時間為25 min時濃度達到1.68 mg/L最高值。然而，其他凍結(jié)時間處理的土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度隨時間呈下降趨勢。此外，土柱淋出液中硝態(tài)氮含量隨著凍結(jié)時間的增加而增加，即淋出液中硝態(tài)氮濃度大小順序依次是凍結(jié)10 d＞凍結(jié)4 d＞凍結(jié)2 d＞凍結(jié)1 d。周旺明等[26]認為這是因為凍結(jié)會引起土壤孔隙中冰晶膨脹，顆粒之間的聯(lián)結(jié)被打破，導(dǎo)致大團聚體碎裂，變成小團聚體[13]，土壤團聚體穩(wěn)定性遭到破壞，導(dǎo)致被其包裹著的小分子物質(zhì)釋放出來，從而增加了土壤可溶性硝態(tài)氮素含量[27]。凍結(jié)時間越長，越有利于這個過程的進行。這就是凍結(jié)時間越長，淋出液中硝態(tài)氮含量越高的原因。

3 結(jié)論

采用淋溶試驗方法研究了凍融作用對含有黑炭土壤中硝態(tài)氮淋失的影響，獲得如下結(jié)論：

1）添加黑炭改變土柱淋出液中硝態(tài)氮隨時間的變化規(guī)律，而且黑炭提高了土壤固持硝態(tài)氮能力。凍融降低了土壤固持硝態(tài)氮的能力，促進了土柱中硝態(tài)氮的淋失。在凍融作用下，土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度與氮肥種類有關(guān)，在整個淋溶期間，添加硝酸鉀土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度最大，然而添加硫酸銨和氯化銨土柱的硝態(tài)氮濃度較小。

2）凍融作用對土柱淋出液中硝態(tài)氮含量的影響與凍融條件有關(guān)。在試驗設(shè)定的凍融條件下，凍結(jié)溫度為-5 ℃和-25 ℃時土柱淋出液硝態(tài)氮的濃度明顯高于凍結(jié)溫度為-15 ℃時的土柱。而且凍結(jié)溫度過高和過低均有利于硝態(tài)氮的淋失。凍結(jié)時間和融化時間越長，越有利于硝態(tài)氮的淋失。

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