印祥民

摘要：由于我國可耕種土地資源非常有限，且不同區(qū)域農(nóng)業(yè)用地性狀存在較大差異，因此，研究季節(jié)性凍融區(qū)農(nóng)業(yè)土壤礦質(zhì)氮有效性的變化規(guī)律具有非常重要的現(xiàn)實意義。本文從實際出發(fā)，提出當(dāng)前季節(jié)性凍融區(qū)土壤原位試驗中的不足，因此采用改進的樹脂芯法表層土壤氮素原位培養(yǎng)試驗，希望可以給相關(guān)研究人員提供一些有用的建議。

關(guān)鍵詞：季節(jié)性凍融區(qū)；土壤；氮素

根據(jù)現(xiàn)有的研究資料來看，全球約55%～70%的陸地面積會受到季節(jié)性凍融交替的影響，而在凍融區(qū)環(huán)境下，由于季節(jié)和晝夜溫差的變化，土壤中有機物分解緩慢，有機氮向無機氮轉(zhuǎn)變受限，可供植物吸收的礦質(zhì)氮相對缺乏，所以該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力受土壤氮素有效性的限制非常明顯。因此，研究季節(jié)性凍融區(qū)農(nóng)業(yè)土壤礦質(zhì)氮有效性的變化規(guī)律具有非常重要的意義。本文從實際情況出發(fā)，首先分析了季節(jié)性凍融區(qū)農(nóng)業(yè)土壤氮素存在的特點以及現(xiàn)有研究中關(guān)于凍融區(qū)土壤礦質(zhì)氮有效性研究中存在的問題，而后闡述了原位試驗原理以及凍融區(qū)原位試驗的具體過程，最后對研究內(nèi)容進行總結(jié)分析，旨在推進凍融區(qū)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高該地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟收益。

土壤凍融現(xiàn)象普遍存在于中、高緯度及高海拔地區(qū)，我國的東北、內(nèi)蒙古、新疆、西藏等主要農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)都處于凍融區(qū)影響范圍內(nèi)。土壤凍融主要指的是土壤因為季節(jié)溫差過大，土層中的水在氣溫周期性的正負(fù)變化影響下，不斷發(fā)生相變和遷移，使土層反復(fù)凍結(jié)融化，導(dǎo)致土體或巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的破壞、擾動。而土壤中氮素含量及自然循環(huán)是保證農(nóng)作物正常生長的重要影響因素，因此，了解季節(jié)性凍融區(qū)農(nóng)業(yè)土壤氮素存在的特點，是保證凍融區(qū)農(nóng)業(yè)正常生產(chǎn)的先決條件。

第一，凍融交替會影響土壤氮素的固持。氮素固持指的是土壤中微生物將土壤中無機氮進行同化的過程，而通過大量實驗表明，土壤的凍融過程會顯著影響土壤中生物氮含量，具體原因包括土壤質(zhì)地、凍融強度、持續(xù)時間、凍融交替的頻率、植被覆蓋率以及水分含量等多種因素。從實際情況出發(fā)，在短時間內(nèi)多次進行凍融會增強微生物的固氮能力，但如果凍融變化時間過長，則很可能不利于微生物的固氮能力。

第二，凍融交替會影響土壤氮礦化?？晒┲参镂盏牡刂饕缘V物質(zhì)無機氮的形式存在，但土壤中氮素主要以有機氮的形式存在，因此，想要為植物提供生長所需的氮素就需要將有機氮轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機氮。凍融交替對土壤氮礦化的影響是非常復(fù)雜的，一方面，土壤的凍融會在一定程度上破壞原有的土壤結(jié)構(gòu)，使得無機氮成分增加；另一方面，死亡微生物提供的營養(yǎng)物質(zhì)有利于微生物的礦化作用，但隨著凍融交替次數(shù)的增加，積累的礦質(zhì)氮反而會抑制新的礦化作用。

第三，凍融交替會影響土壤硝化與反硝化作用。土壤硝化作用與反硝化作用是土壤氮素的自然循環(huán)過程，一種是將氮素進行固化提升土壤肥力，一種是將氮素以N2O的形式從土壤中排出造成土壤氮素流失。從已收集的實驗資料來看，土壤凍融交替的過程會抑制自然狀態(tài)下的硝化作用，且在一定程度上增加土壤的反硝化速率。因此，總的來說，凍融交替過程會減少土壤氮素含量，造成土地肥力流失。

第四，凍融交替會影響土壤氣態(tài)氮排放。氣態(tài)氮的排放是凍融土壤的重要特點之一，其影響因素不僅包括土壤自身成分和構(gòu)成，還有土壤凍結(jié)溫度、凍結(jié)時長以及凍結(jié)頻率等因素。研究人員需要結(jié)合實際情況，因地制宜地進行土壤氣態(tài)氮排放研究，通過多種方式減少氣態(tài)氮的排放，提升土壤氮素利用率，提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物產(chǎn)量。

2 當(dāng)前季節(jié)性凍融區(qū)土壤礦質(zhì)氮有效性研究存在的問題

隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)認(rèn)識到凍融區(qū)土壤礦質(zhì)氮含量對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要性，并通過不斷試驗對凍融區(qū)土壤氮素構(gòu)成與循環(huán)有了更深層次的發(fā)現(xiàn)，但從當(dāng)前土壤礦質(zhì)氮有效性研究的過程來看，在實驗方式和方法上依舊存在很多問題，具體表現(xiàn)為以下幾點。

第一，現(xiàn)如今對凍融區(qū)土壤礦質(zhì)氮有效性的實驗多在室內(nèi)進行，雖然實驗硬件和軟件水平得到顯著提升，可以較為準(zhǔn)確地進行凍融溫度控制、凍融土壤成分控制以及凍融頻率控制，但其依舊與自然原始狀態(tài)下的凍融土壤存在較大的差異性，使得最終得到的實驗結(jié)果并不具有普適性。

第二，從具體實驗過程以及結(jié)論推導(dǎo)來看，當(dāng)前大部分礦質(zhì)氮有效性實驗的研究重心集中在土壤凍結(jié)溫度、土壤凍融循環(huán)次數(shù)上，但對土壤水分含量這一重要影響因素鮮有關(guān)注，很容易導(dǎo)致研究結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。

第三，基于對多份相關(guān)論文的研究，當(dāng)前凍融區(qū)土壤礦質(zhì)氮有效性研究多以高緯度地區(qū)森林、苔原、草地作為課題研究的對象，但這些地區(qū)具有一個統(tǒng)一特性，就是很少受到人為因素的影響，與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)地區(qū)土壤成分有著較為明顯的區(qū)別，因此，所得出的研究結(jié)果并不適用于凍融區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。所以，研究人員需要更換研究角度，對現(xiàn)有研究方式進行創(chuàng)新和改進。

原位試驗是研究巖土結(jié)構(gòu)和成分變化的重要方式，其主要原理就是在巖土原來所處的位置和自然環(huán)境中，盡可能地減少人為因素干擾，在設(shè)定的時間范圍內(nèi)觀察巖土內(nèi)部在自然因素影響下所產(chǎn)生的理化性質(zhì)變化。實驗的主要目的是希望通過局部測試，“以點帶面”的總結(jié)區(qū)域范圍內(nèi)巖土結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。

原位實驗與實驗室實驗具有較為明顯的差異性，其優(yōu)點在于可以較為準(zhǔn)確和直觀地反映巖土結(jié)構(gòu)和成分在自然環(huán)境下的演變過程，且實驗消耗較小，具備重復(fù)性、多點測試、區(qū)域測試等特點。此外，原位實驗本身也存在一些不可忽視的缺點，主要表現(xiàn)為實驗獲得數(shù)據(jù)較為繁雜，實驗人員需要在眾多數(shù)據(jù)中找尋符合自身需要的數(shù)據(jù)信息，這就給后續(xù)的數(shù)據(jù)整理和理論推導(dǎo)帶來一定的困難，也因此對數(shù)值測定的準(zhǔn)確性有著較高要求。

4.1 實驗準(zhǔn)備材料

本文在傳統(tǒng)土壤原位實驗的基礎(chǔ)上進行了一定程度的創(chuàng)新，采用改進的樹脂芯法。根據(jù)實驗需要，實驗前期需要準(zhǔn)備的材料主要有直徑為3厘米，長度為30厘米的PVC管材；用于封底的塑料薄膜；長約3厘米的塑料支架；總質(zhì)量為10克的陰陽離子交換樹脂；以及封頂?shù)哪猃埦W(wǎng)等。

4.2 實驗方式和具體過程

首先，為了保證實驗的準(zhǔn)確性，實驗選址應(yīng)該具備多樣性，即選擇凍融區(qū)林地、農(nóng)田、河岸、牧場等不同類型區(qū)域進行，盡可能地選擇3種或3種以上區(qū)域同時進行。其次，設(shè)置土壤礦質(zhì)氮原位培養(yǎng)皿的過程中應(yīng)該按照以下步驟進行。一是用PVC管材進行取土作業(yè)，將PVC管材埋入地下20厘米后重新取出，在底部纏繞塑料薄膜用以隔絕底部土壤與周圍土壤的物質(zhì)流通，再重新埋入土壤中，露出地表10厘米。二是在管內(nèi)土壤頂端放置好3厘米的塑料支架，再塞入陰陽離子交換樹脂。三是用尼龍網(wǎng)將管口進行封堵，在保證培養(yǎng)皿內(nèi)部氣體交換的基礎(chǔ)上，減少飄入管內(nèi)的降雨、降雪，保證土壤中的含水量，提升實驗數(shù)據(jù)有效性。最后，在同一地點選擇不同時間段設(shè)置實驗組進行對比，以此來保證實驗數(shù)據(jù)的多樣性。

通過改進的樹脂芯法原位實驗，對季節(jié)性凍融農(nóng)業(yè)區(qū)域的表層土壤進行對照實驗，探究了凍融交替過程對農(nóng)業(yè)區(qū)域表層土壤礦質(zhì)氮有效性的影響。具體研究結(jié)果有以下幾點。

第一，凍融區(qū)土壤凍結(jié)過程中，表層土壤銨態(tài)氮含量明顯增加，數(shù)量值約為170%，而硝態(tài)氮的含量有所減少，數(shù)量值約為20%，得出土壤凍融過程中礦質(zhì)氮含量得到一定程度的提升，有利于土壤肥力的提高。

第二，凍融區(qū)土壤融化過程中，土壤銨態(tài)氮含量無顯著變化，但硝態(tài)氮含量經(jīng)過一段時間的增長后逐漸趨于平穩(wěn)，主要原因還在于土壤中硝化與反硝化作用共同影響導(dǎo)致的。

第三，在凍融過程中，雖然因為積雪融化導(dǎo)致土壤含水率增加，但土壤含水率的增加對土壤礦質(zhì)氮含量無明顯影響。

為了更好地提升凍融區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟，研究季節(jié)性凍融區(qū)農(nóng)業(yè)土壤礦質(zhì)氮有效性是非常有必要的。本文基于土壤礦質(zhì)氮原位實驗相關(guān)數(shù)據(jù)，在凍融區(qū)進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程時，可以通過改變土壤水熱狀況來影響凍土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和土壤微生物特性，進而影響地區(qū)氮素的生物循環(huán)，提高凍融區(qū)土壤肥力，促進當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)快速發(fā)展。