單博　莊海艷　陳祥偉

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

氮素不僅是作物生長發(fā)育過程中必需的大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素之一[1]，而且常由于其較強的移動性及較高的損失率，使之成為作物生長的養(yǎng)分限制因子[2]。土壤氮素形態(tài)的差異既決定著植物吸收利用的有效性，也對氮素在土壤中的周轉(zhuǎn)和養(yǎng)分平衡的維系產(chǎn)生重要影響。在影響土壤氮素形態(tài)及有效性的諸多因素中，普遍存在于東北及高海拔地區(qū)的凍融交替[3]是影響土壤碳、氮生物地球化學(xué)過程的重要驅(qū)動力之一[4]。凍融交替對土壤行為變化的影響主要取決于凍融速率、凍融溫度、土壤含水量以及凍融循環(huán)次數(shù)等[3]。一方面，低溫會減緩?fù)寥烙袡C氮的分解，進(jìn)而導(dǎo)致植物可利用的氮素缺乏[5]；另一方面，頻繁的凍融交替使土壤水分經(jīng)歷多次“液相—固相”轉(zhuǎn)變，通過改變物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)影響微生物活動，進(jìn)而促進(jìn)有機質(zhì)分解和氮素供應(yīng)[6]。

近年來，關(guān)于凍融對土壤氮素形態(tài)及循環(huán)過程的影響多集中在高山草甸、森林、苔原和濕地等生態(tài)系統(tǒng)[7]，而對東北黑土耕地土壤的研究相對較少。為此，本研究以東北典型黑土區(qū)耕層土壤為研究對象，采用模擬凍融實驗的方法，通過土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮與硝態(tài)氮比值(ANR)、可溶性有機氮及微生物量氮等指標(biāo)的測定、計算和分析，研究土壤前期含水量與凍融循環(huán)次數(shù)對土壤氮素主要形態(tài)的影響，以期加深對黑土氮循環(huán)的理解與認(rèn)識，為科學(xué)評價凍融對黑土供氮能力的影響提供參考。

1　材料與方法

1.1　供試土壤及樣品的制備

土壤樣品取自位于黑龍江省克山農(nóng)場的典型黑土區(qū)(N48°12′～48°23′，E125°8′～125°37′)。在耕作措施一致、前茬作物均為玉米的耕地中設(shè)置3塊臨時樣地，采用自制內(nèi)徑和高均為10 cm的土壤原狀土取樣器采集0～20 cm的耕層土壤樣品，保鮮膜密封低溫保鮮后備用。供試土壤為黏壤土，有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)43.49 g/kg、pH值為5.13、土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.67 g/kg、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.42 g/kg。

模擬凍融循環(huán)設(shè)置3個處理，分別為無凍融(0次)、少次凍融(3次)和多次凍融(12次)，其中-15 ℃凍結(jié)24 h、5 ℃解凍24 h為一次完整的凍融循環(huán)；前期土壤含水量設(shè)置2個處理，即田間自然質(zhì)量含水量(29.42%)和飽和含水量(39.93%)。凍融處理后土壤樣品經(jīng)充分混合，采用四分法取樣用于氮素各形態(tài)指標(biāo)的測定，重復(fù)4次。

1.2　指標(biāo)測定與方法

土壤可溶性有機氮=可溶性全氮-(土壤銨態(tài)氮+土壤硝態(tài)氮)。

1.3　數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用SPSS18.0和Microsoft Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用多因素方差分析和最小顯著差異法(LSD)檢驗不同數(shù)據(jù)組間的顯著性差異，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2　結(jié)果與分析

2.1　銨態(tài)氮的變化

表1　不同凍融處理下土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)　mg·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2　硝態(tài)氮的變化

研究發(fā)現(xiàn)，凍融引起了土壤硝態(tài)氮含量的變化，但因土壤含水量和凍融循環(huán)次數(shù)的不同而表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律(表2)。自然含水量條件下，無論是少次還是多次凍融均顯著地增加了土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)，增加幅度為349.01%～495.32%，但以少次凍融的增加幅度較大；而飽和含水量條件下，只有多次凍融顯著增加了硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)，而少次凍融卻表現(xiàn)出硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低的趨勢，但未達(dá)顯著水平。此外，從表2還可以看出，無論是少次凍融還是多次凍融，土壤飽和含水量均會導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低(P<0.05)，降低幅度以少次凍融相對較大。

表2　不同凍融處理下土壤硝態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)　mg·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

2.3　銨態(tài)氮與硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值的變化

土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值(ANR)和微生物氮等土壤氮素指標(biāo)存在著極顯著相關(guān)關(guān)系，比銨態(tài)氮和硝態(tài)氮更能反映土壤氮素形態(tài)及供應(yīng)水平的變化[11]。計算結(jié)果表明，凍融對ANR的影響總體上表現(xiàn)出隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而下降的趨勢，但由于土壤含水量的差異導(dǎo)致其變化規(guī)律有所不同(表3)。自然含水量條件下，無論是少次還是多次凍融均顯著降低了土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮比(P<0.05)；而飽和含水量條件下，只有多次凍融才會導(dǎo)致ANR顯著降低(P<0.05)。從表3還可以發(fā)現(xiàn)，土壤含水量同樣會引起ANR的變化。其中，凍融前飽和含水量土壤的ANR顯著高于自然含水量土壤(P<0.05)，少次凍融可以顯著增加和擴大這種差異(P<0.05)，而多次凍融后則使不同含水量土壤ANR的差異趨于不顯著。

表3　不同凍融處理下銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

2.4　可溶性有機氮的變化

土壤可溶性有機氮(SON)對氮素的礦化、固持、淋失和植物吸收等過程有著不同程度的影響，植物除主要吸收無機態(tài)氮外，還可以吸收少量小分子可溶性有機氮來補充營養(yǎng)[12]。測定結(jié)果表明，凍融對土壤SON的影響規(guī)律具有其特殊性，即僅表現(xiàn)為少次凍融會導(dǎo)致SON發(fā)生顯著變化(P<0.05)，在自然含水量條件下，少次凍融能夠顯著增加可溶性有機氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而土壤飽和含水量條件下則顯著降低其含量(表4)。從表4還可以看出，土壤含水量同樣會對可溶性有機氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)生影響，其中，無凍融情況下土壤飽和含水量可顯著增加SON含量，而少次凍融卻使SON含量顯著降低(P<0.05)。

表4　不同凍融處理下土壤可溶性有機氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)　mg·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

2.5　微生物量氮的變化

土壤中可利用的氮主要來自于微生物對有機氮的礦化作用，而微生物量氮(MBN)是土壤活性氮中最活躍的組成部分，也是土壤活性氮的源和庫[13-14]。測定結(jié)果表明，凍融對土壤MBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)有顯著的影響(P<0.05)，尤其在自然含水量條件下隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，MBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出顯著降低的規(guī)律性(表5)。

表5　不同凍融處理下土壤微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)　mg·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

由表5還可知，土壤含水量同樣對微生物量氮產(chǎn)生了顯著性影響，飽和土壤含水量處理無論是多次凍融還是少次凍融后均會導(dǎo)致MBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加(P<0.05)，增加幅度可達(dá)66.17%～88.47%。

3　討論與結(jié)論

凍融可通過顯著影響黑土耕地土壤不同形態(tài)的氮素含量進(jìn)而影響其有效性(表6)，不同處理以及處理間的交互作用程度和影響規(guī)律有所不同。與土壤含水量相比，凍融循環(huán)次數(shù)對各主要形態(tài)氮素的影響更大，所測定各指標(biāo)的變化均達(dá)極顯著水平(P<0.01)；而土壤含水量僅對硝態(tài)氮和ANR的影響達(dá)極顯著水平(P<0.01)，對銨態(tài)氮的影響程度顯著(P<0.05)。凍融循環(huán)次數(shù)與土壤含水量的交互作用對硝態(tài)氮和SON的影響達(dá)極顯著水平(P<0.01),對MBN的影響程度顯著(P<0.05)。

表6　不同處理土壤主要形態(tài)氮素含量的差異性結(jié)果

注：表中ES表示差異極顯著，S表示差異顯著，NS表示差異不顯著；n=18。

凍融循環(huán)次數(shù)對土壤主要形態(tài)氮素的影響主要是通過顯著降低銨態(tài)氮和MBN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顯著增加硝態(tài)氮和SON的質(zhì)量分?jǐn)?shù)得以實現(xiàn)的。首先，由于土壤在凍結(jié)過程中土壤溫度明顯降低，土壤中的部分微生物因受到凍結(jié)脅迫而死亡[15]，直接降低土壤中微生物的數(shù)量，進(jìn)而在少次凍融后表現(xiàn)為土壤MBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著減小。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，死亡的部分微生物在分解過程中釋放出大量的活性營養(yǎng)物質(zhì)，增加了SON和無機氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[16]。所增加的營養(yǎng)物質(zhì)為能較耐低溫的微生物增加了可利用底物，不僅可以刺激其活性、減小MBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低程度[17]，而且促進(jìn)了有機氮的礦化作用，使得硝態(tài)氮不斷積累[18-19]。其次，多次凍融過程中由于土壤水分形態(tài)的改變，使土壤水和微生物細(xì)胞內(nèi)水分之間的水勢失衡導(dǎo)致部分微生物死亡，同樣不僅導(dǎo)致土壤MBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的近一步降低[20]，而且因礦化作用減弱[21]，使土壤銨態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所降低。此外，模擬凍融試驗過程中，一方面土壤中殘存的植物根系會少量地消耗供試土壤中無機氮導(dǎo)致銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低；另一方面因未考慮田間土壤養(yǎng)分的淋溶和轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮的損失[22]亦可能是造成硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所增加的原因。

凍融對土壤SON質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較復(fù)雜。除上述原因外，一方面，由于凍融過程中土體結(jié)構(gòu)的膨脹與收縮，造成與土壤相結(jié)合的較大分子量有機質(zhì)中的氫鍵遭到破壞，釋放出其中的小分子量有機質(zhì)，從而增加了SON的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[23]；另一方面，凍融改變了土壤團聚體的穩(wěn)定性和大小，使大團聚體破碎成小團聚體[24]，促進(jìn)了被大團聚體包裹吸附的某些小分子物質(zhì)的釋放，也能提高SON的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[25]。凍融后，自然含水量條件下的MBN、銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及ANR均顯著低于飽和含水量，而SON和硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)則顯著高于飽和含水量?？梢哉J(rèn)為，凍融過程中土壤含水量對土壤主要形態(tài)氮素的影響，是通過顯著影響土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及ANR得以實現(xiàn)的。首先，土壤含水量主要是通過影響硝化和反硝化過程而對土壤無機氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)生影響[26]，凍融過程中，較低土壤含水量有利于硝化作用的進(jìn)行，有利于硝態(tài)氮的積累；而高含水量則有利于土壤氮素的反硝化作用，即有利于銨態(tài)氮的積累[27]。其次，土壤含水量增加，微生物感知凍融變化而活性增強，促使MBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加[27]。此外，凍融可以顯著降低土壤團聚體穩(wěn)定性，且以飽和含水量對土壤團聚體破碎能力最強[28]，團聚體破碎過程中釋放的部分無機氮可能是造成土壤銨態(tài)氮增加的另一原因。

綜上，凍融對黑土耕地土壤氮素形態(tài)產(chǎn)生了影響，凍融循環(huán)次數(shù)對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、ANR、可溶性有機氮、微生物量氮的影響均達(dá)極顯著水平(P<0.01)，土壤含水量對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、ANR的影響達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。可以認(rèn)為與土壤含水量相比，凍融循環(huán)次數(shù)對黑土耕地土壤主要形態(tài)氮素的影響更大；凍融循環(huán)次數(shù)對土壤主要形態(tài)氮素的影響主要是通過顯著降低銨態(tài)氮和MBN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顯著增加硝態(tài)氮和SON的質(zhì)量分?jǐn)?shù)實現(xiàn)的，而土壤含水量的影響主要是通過顯著影響土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及ANR得以實現(xiàn)。