雋英華 劉艷 宮亮 孫文濤

摘要：為了解非生長季農(nóng)田土壤氮素轉(zhuǎn)化特征，采用室內(nèi)凍融模擬培養(yǎng)方法研究凍融頻數(shù)對(duì)3種農(nóng)田土壤（棕壤、褐土、草甸土）微生物量氮及可溶性氮組分含量的影響。結(jié)果表明，隨著凍融頻數(shù)增加，除微生物量氮含量呈現(xiàn)先增加后降低外，3種農(nóng)田土壤可溶性無機(jī)氮、可溶性有機(jī)氮和可溶性全氮含量均顯著增加，這與凈氮礦化速率的變化趨勢(shì)正好相反。不同類型農(nóng)田土壤氮素轉(zhuǎn)化過程對(duì)凍融頻數(shù)的響應(yīng)能力不同，其大小順序?yàn)楹滞?棕壤、草甸土。說明高肥力土壤對(duì)凍融頻數(shù)響應(yīng)的緩沖性較強(qiáng)?？梢?，凍融頻數(shù)能夠促進(jìn)農(nóng)田土壤氮素轉(zhuǎn)化，有利于土壤有效氮的累積，為春季作物生長提供足夠的氮素，但同時(shí)也增加了土壤氮素流失風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田土壤;凍融頻數(shù);氮素轉(zhuǎn)化;微生物量氮;可溶性氮組分

中圖分類號(hào)： S153.6+1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）21-0282-03

收稿日期：2018-08-16

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（編號(hào)：201503118-08）;國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2017YFD0300702、2018YFD0300303）。

作者簡介：雋英華（1979—），男，山東莒南人，博士，研究員，主要從事作物施肥與土壤氮素轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)調(diào)控研究。Tel：（024）31023018;E-mail：juanyong_001@sohu.com。

通信作者：孫文濤，博士，研究員，主要從事植物營養(yǎng)與高效施肥研究。Tel：（024）31029915;E-mail：wentaosw@163.com。

凍融作用是中高緯度和高海拔地區(qū)非生長季常見的自然現(xiàn)象[1]，其通過改變土壤水熱狀況而直接影響土壤的物理性狀和微生物活性[2]，進(jìn)而影響土壤氮素轉(zhuǎn)化過程[3]，其作用機(jī)制包括增加細(xì)胞透性[4]、促進(jìn)微生物群落轉(zhuǎn)化和微生物死亡分解[5]等多種方式。已有研究表明，凍融作用能夠提高土壤可溶性無機(jī)氮含量，促進(jìn)土壤氮素轉(zhuǎn)化[6-7]。但也有研究表明，頻繁的凍融循環(huán)會(huì)對(duì)微生物群落和活性造成傷害并明顯降低土壤氮礦化速率，甚至還通過破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)影響土壤可溶性氮組分含量的變化[8]。因此，了解不同凍融作用下土壤可溶性氮組分及微生物量氮含量的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)于正確理解凍融作用對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化過程的影響很有意義。

目前，關(guān)于凍融作用對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化過程的影響研究多集中在高山森林土壤[9]、濕地土壤[10]、極地苔原、高寒草地[11]等生態(tài)系統(tǒng)，而對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤的影響研究鮮有報(bào)道。遼寧省位于全球變化研究中國東北樣帶內(nèi)，是氣候變化、土壤凍融作用顯著和氮素循環(huán)研究的重要區(qū)域，同時(shí)也是重要的國家商品糧生產(chǎn)基地，非生長季的凍融作用顯著影響農(nóng)田土壤氮素轉(zhuǎn)化過程和氮素養(yǎng)分供應(yīng)能力[12]。因此，通過室內(nèi)凍融模擬培養(yǎng)試驗(yàn)，研究不同凍融頻數(shù)對(duì)3種典型農(nóng)田土壤（棕壤、褐土、草甸土）微生物量氮含量、可溶性氮組分及凈氮礦化速率的影響行為，以期為區(qū)域農(nóng)田土壤氮素肥力保持和氮素循環(huán)研究提供數(shù)據(jù)支持。

1材料與方法

1.1供試土壤

供試土壤為棕壤、褐土、草甸土，分別采自于沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)長期試驗(yàn)站（123°57′E、41°82′N）、遼寧省阜新蒙古族自治縣舊廟鄉(xiāng)（121°37′E、42°23′N）和遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地（123°32′E、41°49′N），采樣時(shí)間為2012年4月。采樣時(shí)，先除去表層雜物，多點(diǎn)混合法采集0～15 cm表層土壤，將新鮮樣品裝入塑料袋后迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，挑取肉眼可見的細(xì)根和石塊等雜物后分成2份，一份過2 mm篩后4 ℃保存?zhèn)溆?，另一份風(fēng)干后測定基礎(chǔ)理化性質(zhì)[13]（表1）。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取定量過篩后土壤，調(diào)節(jié)含水量至15%，放入10 ℃（模擬東北初春土壤凍融發(fā)生時(shí)的平均氣溫）的恒溫培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)10 d，使其恢復(fù)生物學(xué)活性。預(yù)培養(yǎng)期間每天透氣并補(bǔ)充損失的水分。

稱取相當(dāng)于100 g風(fēng)干土的預(yù)培養(yǎng)土壤于100 mL培養(yǎng)瓶中平鋪于瓶底，用帶孔的保鮮膜封口，凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)定為1、5、10次。其中，在-2 ℃凍結(jié)6 d、在2 ℃融化1 d設(shè)定為1個(gè)凍融頻數(shù)。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，并設(shè)置未凍融的預(yù)培養(yǎng)土壤為對(duì)照。培養(yǎng)期間每天補(bǔ)充水分并保持水分含量不變。

1.3測定方法[13]

微生物量氮（microbial biomass nitrogen，MBN）含量采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定;可溶性無機(jī)氮（dissolved inorganic nitrogen，DIN;銨態(tài)氮+硝態(tài)氮）采用2 mol/L KCl溶液浸提，連續(xù)流動(dòng)分析儀（AA3，德國布朗盧比公司）測定其含量;可溶性全氮（dissolved total nitrogen，DTN）含量采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定;可溶性有機(jī)氮（dissolved organic nitrogen，DON）含量=DTN-DIN;凈氮礦化速率（net nitrogen mineralization rate，NNMR）=（培養(yǎng)后DIN-培養(yǎng)前DIN）/培養(yǎng)時(shí)間。

1.4數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;試驗(yàn)數(shù)值采用Duncans法進(jìn)行多重比較;數(shù)值采用平均值的形式表示。

2結(jié)果與分析

2.1凍融頻數(shù)對(duì)土壤微生物量氮含量的影響

由圖1可知，除棕壤凍融5次外，凍融頻數(shù)對(duì)農(nóng)田土壤MBN含量影響顯著（P<0.05）。與未凍融處理相比，除棕壤凍融5次外，3種凍融農(nóng)田土壤MBN含量均顯著降低。隨著凍融頻數(shù)增加，棕壤、褐土和草甸土MBN含量均呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)，以頻數(shù)5次時(shí)達(dá)到峰值，其MBN含量分別為6.51、4.60、4.99 mg/kg，較頻數(shù)1次處理分別增加2665%、46.96%、30.97%。頻數(shù)10次處理棕壤、褐土和草甸土MBN含量分別為3.43、2.00、3.10 mg/kg，較頻數(shù)1次處理分別降低33.27%、36.10%、18.64%。說明農(nóng)田土壤MBN含量受凍融作用影響的緩沖能力因肥力水平而異，其大小順序?yàn)樽厝馈⒉莸橥?褐土。

2.2凍融頻數(shù)對(duì)土壤可溶性氮組分的影響

由圖2可知，凍融頻數(shù)對(duì)農(nóng)田土壤DIN含量影響顯著（P<0.05），其作用程度因土壤類型而異。與未凍融處理相比，3種凍融農(nóng)田土壤DIN含量均顯著增加。隨著凍融頻數(shù)增加，棕壤、褐土和草甸土DIN含量總體顯著增加，以頻數(shù)10次的含量最高，分別為34.95、47.37、43.21 mg/kg，較未凍融處理分別增加23.41%、42.34%、28.41%?？梢?，凍融作用能夠提高農(nóng)田土壤DIN含量。

由圖3可知，除棕壤凍融1次外，凍融頻數(shù)對(duì)農(nóng)田土壤

DON含量影響顯著（P<0.05），其作用程度因土壤類型而異。與未凍融處理相比，除棕壤凍融1次外，3種凍融農(nóng)田土壤DON含量均顯著增加。隨著凍融頻數(shù)增加，棕壤DON含量先增加后降低，以頻數(shù)5次時(shí)達(dá)到最大值，為5.18 mg/kg，較未凍融處理增加131.25%;褐土凍融頻數(shù)為5次時(shí)的DON含量與頻數(shù)為1次時(shí)相比變化不顯著，但顯著小于頻數(shù)為10次的處理;草甸土DON含量顯著增加，以頻數(shù)為10次的含量最高（6.61 mg/kg），較未凍融處理增加349.66%。農(nóng)田土壤DON含量對(duì)凍融作用的響應(yīng)行為受循環(huán)次數(shù)和土壤類型的多重制約。凍融1、5、10次后，棕壤DON含量的增加幅度分別為23.66%（與未凍融相比）、87.00%（與凍融1次相比）、-5.41%（與凍融5次相比），褐土DON含量的增加幅度分別為132.99%（與未凍融相比）、-2.18%（與凍融1次相比）、54.12%（與凍融5次相比），草甸土DON含量的增加幅度分別為92.52%（與未凍融相比）、83.75%（與凍融1次相比）、27.12%（與凍融5次相比）。

由圖4可知，凍融頻數(shù)對(duì)農(nóng)田土壤DTN含量影響顯著（P<0.05），其作用程度因土壤類型而異。與未凍融處理相比，3種凍融農(nóng)田土壤DTN含量均顯著增加。隨著凍融頻數(shù)增加，棕壤、褐土和草甸土DTN含量均顯著增加，以頻數(shù)10次的含量最高，分別為39.95、54.28、49.83 mg/kg，較未凍融處理分別增加30.73%、53.94%、41.88%。由此可見，褐土DTN含量對(duì)凍融作用的響應(yīng)程度最大，其次為草甸土。隨著凍融頻數(shù)增加，棕壤、褐土和草甸土DTN含量的增加幅度逐漸降低，以頻數(shù)1次的增加幅度最大，分別為17.64%、2411%、17.20%。說明短期凍融更有利于農(nóng)田土壤DTN的釋放。

2.3凍融頻數(shù)對(duì)土壤凈氮礦化速率的影響

由圖5可知，凍融頻數(shù)對(duì)農(nóng)田土壤凈氮礦化速率影響顯著（P<0.05），其作用程度因土壤類型而異，其大小順序?yàn)楹滞?棕壤、草甸土。隨著凍融頻數(shù)增加，棕壤、褐土和草甸土凈氮礦化速率均顯著降低，以頻數(shù)10次的最小，分別為012、0.20、0.14 mg/（kg·d），較頻數(shù)1次分別降低8378%、76.19%、79.10%。說明，較棕壤和草甸土相比，褐土氮素轉(zhuǎn)化過程對(duì)凍融作用的響應(yīng)程度更大。

3討論與結(jié)論

凍融作用對(duì)土壤微生物量氮含量的影響程度受到凍融頻數(shù)、凍融強(qiáng)度、土壤含水量、土壤質(zhì)地、植被覆蓋等多因素的綜合制約[14]，因而在不同地區(qū)可能存在較大差異[15-16]。本研究表明，除棕壤凍融5次外，凍融頻數(shù)對(duì)農(nóng)田土壤微生物量氮含量影響顯著（P<0.05），這也佐證了范志平等的研究結(jié)論[17];與其不同的是，本研究在經(jīng)過1次凍融后，土壤微生物量氮含量顯著降低，之后隨著凍融頻數(shù)增加又顯著升高。這是因?yàn)閮鋈诔跗诃h(huán)境因子的劇烈變化導(dǎo)致一部分微生物死亡;之后連續(xù)凍融使得微生物產(chǎn)生了較快的適應(yīng)性，同時(shí)死亡微生物也為殘留微生物提供了足夠的營養(yǎng)物質(zhì)，刺激了存活的微生物活性[18]。凍融作用引起農(nóng)田土壤微生物量氮的變化行為因土壤類型而異，變化幅度大小順序?yàn)楹滞?棕壤、草甸土。說明高肥力農(nóng)田土壤微生物量氮含量對(duì)凍融作用的響應(yīng)程度較小。這是因?yàn)楦叻柿ν寥滥軌驗(yàn)槲⑸锾峁┏渥愕奶荚?、氮源，促進(jìn)微生物的生長及發(fā)育，使其存留在土壤中的微生物數(shù)量明顯增加，活性明顯增強(qiáng)，大大緩沖了凍融作用對(duì)土壤微生物的影響程度?？梢姡驹囼?yàn)條件下造成微生物量氮含量變化的主要原因是凍融頻數(shù)和土壤類型，為了進(jìn)一步探知凍融過程對(duì)土壤微生物變化的影響，須要進(jìn)行長期凍融試驗(yàn)來驗(yàn)證。

凍融作用通過改變土壤水分狀況和分布，直接影響土壤理化性質(zhì)與微生物活動(dòng)，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量的變化[19]。在本研究中，凍融作用引起土壤可溶性氮組分含量顯著增加，且隨著凍融頻數(shù)增加，各組分含量均顯著增加，這與Zhou等的研究結(jié)果[14，19-20]一致。這是因?yàn)閮鋈谧饔眠^程中土壤結(jié)構(gòu)、孔隙等物理性狀的變化，破壞了土壤團(tuán)聚體和微生物群落結(jié)構(gòu)，有利于土壤包裹吸附著的小分子釋放出來，造成土壤可溶性氮組分釋放量的增加[21-22]。不同類型土壤可溶性氮組分含量對(duì)凍融作用的響應(yīng)程度不同，以褐土最大，這可能與褐土初始可溶性無機(jī)氮含量比較高有關(guān)。本試驗(yàn)條件下，凍融作用顯著影響了農(nóng)田土壤凈氮礦化速率（P<0.05）;隨著凍融頻數(shù)增加，土壤凈氮礦化速率的降低幅度逐漸減小。這可能是由于室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)排除了植物的吸收和降雨的淋溶，造成土壤中氮素礦化量積累，累積的養(yǎng)分能夠抑制有機(jī)氮的進(jìn)一步礦化，使得土壤礦化氮量增加緩慢或降低[23]。然而，Hentschel等在森林流域野外試驗(yàn)研究表明，土壤凈氮礦化速率受凍融作用影響不顯著[24]?？梢?，凍融作用對(duì)土壤凈氮礦化速率的影響結(jié)果受供試對(duì)象和試驗(yàn)方法的影響。

可見，凍融作用通過影響土壤物理性狀和微生物活性增加了土壤可溶性無機(jī)氮含量[19]，由于農(nóng)田土壤融化期作物對(duì)氮素的吸收量較小，造成春季土壤根系吸收與微生物礦化釋放養(yǎng)分過程在時(shí)間和空間上不同步[25]，增加了土壤氮素的淋溶流失風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Henry H A L. Soil freeze-thaw cycle experiments：trends，methodological weaknesses and suggested improvements[J]. Soil Biology & Biochemistry，2007，39（5）：977-986.

[2]蔡延江，王小丹，丁維新，等. 凍融對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化和N2O排放的影響研究進(jìn)展[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2013，50（5）：1032-1042.

[3]王洋，劉景雙，王國平，等. 凍融作用與土壤理化效應(yīng)的關(guān)系研究[J]. 地理與地理信息科學(xué)，2007，23（2）：91-96.

[4]Doney S C，Schimel D S. Carbon and climate system coupling on timescales from the Precambrian to the anthropocene[J]. Annual Review of Environment and Resources，2007，32：31-66.

[5]Schmidt S K，Lipson D A. Microbial growth under the snow：implications for nutrient and allelochemical availability in temperate soils[J]. Plant and Soil，2004，259：1-7.

[6]Schimel J P，Bilbrough C，Welker J M. Increased snow depth affects microbial activity and nitrogen mineralization in two Arctic tundra communities[J]. Soil Biology and Biochemistry，2004，36（2）：217-227.

[7]雋英華，劉艷，田路路，等. 凍融交替對(duì)農(nóng)田棕壤氮素轉(zhuǎn)化過程的調(diào)控效應(yīng)[J]. 土壤，2015，47（4）：647-652.

[8]Herrman A M，Witter E. Source of C and N contributing to the flush in mineralization upon freeze thaw cycles in soil[J]. Soil Biology and Biochemistry，2002，34（10）：1495-1505.

[9]劉金玲，吳福忠，楊萬勤，等. 季節(jié)性凍融期間川西亞高山/高山森林土壤凈氮礦化特征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，23（3）：610-616.

[10]周旺明，秦勝金，劉景雙，等. 沼澤濕地土壤氮礦化對(duì)溫度變化及凍融的響應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（4）：806-811.

[11]徐俊俊，吳彥，張新全，等. 凍融交替對(duì)高寒草甸土壤微生物量氮和有機(jī)氮組分的影響[J]. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2011，17（1）：57-62.

[12]魏燕華，趙鑫，翟云龍，等. 耕作方式對(duì)華北農(nóng)田土壤固碳效應(yīng)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（17）：87-95.

[13]魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2000.

[14]Zhou W M，Chen H，Zhou L，et al. Effect of freezing-thawing on nitrogen mineralization in vegetation soils of four landscape zones of Changbai Mountain[J]. Annals of Forest Science，2011，68（5）：943-951.

[15]Schimel J P，Clein J S. Microbial response to freeze-thaw cycles in tundra and taiga soils[J]. Soil Biology & Biochemistry，1996，28（8）：1061-1066.

[16]Walker V K，Palmer G R，Voordouw G. Freeze-thaw tolerance and clues to the winter survival of a soil community[J]. Applied and Environmental Microbiology，2006，72（3）：1784-1792.

[17]范志平，李勝男，李法云，等. 凍融交替對(duì)河岸緩沖帶土壤無機(jī)氮和土壤微生物量氮的影響[J]. 氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，29（4）：106-111.

[18]Haei M，Rousk J，Iistedt U，et al. Effects of soil frost on growth，composition and respiration of the soil microbial decomposer community[J]. Soil Biology and Biochemistry，2011，43（10）：2069-2077.

[19]Judd K E，Likens G E，Buso D C，et al. Minimal response in watershed nitrate export to severe soil frost raises questions about nutrient dynamics in the Hubbard Brook experimental forest[J]. Biogeochemistry，2011，106（3）：443-459.

[20]田路路，雋英華，劉艷，等. 凍融作用對(duì)農(nóng)田土壤可溶性氮組分的影響[J]. 土壤，2017，49（3）：512-518.

[21]鄭秀清，樊貴盛，邢述彥. 水分在季節(jié)性非飽和凍融土壤中的運(yùn)動(dòng)[M]. 北京：地質(zhì)出版社，2002.

[22]李忠佩，張?zhí)伊?，陳碧? 可溶性有機(jī)碳的含量動(dòng)態(tài)及其與土壤有機(jī)碳礦化的關(guān)系[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2004，41（4）：544-552.

[23]Amador J A，Grres J H，Savin M C. Role of soil water content in the carbon and nitrogen dynamics of Lumbricus terrestris L. burrow soil[J]. Applied Soil Ecology，2005，28（1）：15-22.

[24]Hentschel K，Borken W，Matzner E. Repeated freeze thaw events affect leaching losses of nitrogen and dissolved organic matter in a forest soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2008，171（5）：699-706.

[25]Yano Y，Shaver G R，Giblin A E，et al. Nitrogen dynamics in a small arctic watershed：retention and downhill movement of 15N[J]. Ecological Monographs，2010，80（2）：331-351.