交替凍融對東北地區典型土壤氮磷濃度的影響

胡鈺，香寶 ，劉玉萍，汪太明，馬廣文，方廣玲

1.中國環境科學研究院，北京 100012

2.國家環境保護區域生態過程與功能評估重點實驗室，北京 100012

3.北京師范大學水科學研究院，北京 100875

4.黑龍江省環境保護科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150056

5.中國環境監測總站，北京 100012

交替凍融(freeze-thaw cycles，FTC)是由于季節或晝夜溫度變化在表土及以下一定深度形成的反復凍結-解凍的土壤過程，是中、高緯度地區和山地地區普遍存在的自然現象。我國東北地區位于中緯度，秋冬季節和初春存在明顯的交替凍融過程。交替凍融會對土壤理化性質產生較大影響，能夠改變土壤團聚體、營養元素含量［1-2］，通過增加細胞透性，促進微生物群落轉化和微生物的死亡分解［3-4］等多種方式影響微生物活動，改變土壤元素的生物地球化學循環過程，從而對土壤生態系統結構和功能產生影響［5］。交替凍融對土壤理化性質的影響主要取決于凍融速率、凍融溫度、交替凍融的次數，以及土壤含水率、容重、質地等土壤自身的理化性質［6］。

土壤全氮和全磷在一定程度上代表了土壤的供氮和供磷水平，反映的是土壤中氮和磷的整體情況。土壤有效氮和速效磷反映的是短期內土壤的供氮和供磷水平，是評價土壤有效肥力的重要指標［7］。土壤腐殖質是在土壤中的微生物作用下有機物分解形成的特殊類型高分子有機化合物的混合物［8］。土壤松結態腐殖質是用稀堿液從土壤中提取出的腐殖質，主要包括游離有機質以及與活性鐵鋁氧化物結合的腐殖質，是參與土壤碳氮循環最活躍的腐殖質［9-10］。研究表明［11］，凍融條件下土壤腐殖質的濃度及活性都會有所改變。因此，研究土壤氮磷各組分與腐殖質間的動態關系，對于理解交替凍融對土壤氮磷濃度變化的影響很有意義。筆者以東北三種典型土壤即黑土、水稻土、暗棕壤為對象，以土壤氮磷濃度變化為基礎，通過模擬試驗研究相同凍融速率、凍融溫度，不同交替凍融次數下，土壤全氮、有效氮、全磷、有效磷組分及腐殖質的變化，以了解交替凍融次數對土壤中氮磷濃度的影響，及在交替凍融作用下，土壤中的氮磷濃度與腐殖質的關系。

1 材料與方法

1.1 材料

樣品采集區位于黑龍江省哈爾濱市阿城區亞溝鎮，于2010年7月上旬分別采集黑土、暗棕壤和水稻土三種土壤樣品，各項指標如表1所示。采用對角線法均勻采集0～15 cm表層土壤，將采集的新鮮土壤樣品迅速帶回實驗室，完全凍結2 d，然后進行室內交替凍融試驗。

表1 三種土壤樣品的各項指標Table 1 The index of the three soil samples

1.2 試驗設計

將采集的黑土、暗棕壤和水稻土壤樣品剔除草根及其他雜物后風干，混勻，分別平均分成7份。將土壤樣品在-20℃下冷凍，待完全結凍(24 h)后在20℃下放置24 h使其完全融化，此為一個凍融周期。分別對未經凍融處理的原始樣及凍融周期為1次、2次、4次、8次、10次、15次的土壤樣品進行分析。為了模擬土壤交替凍融的實際情況，按照春季融雪期土壤含水率對樣品進行水分校正。根據調研分析，春季融雪期黑土、暗棕壤和水稻土的含水率分別為27%、35%和41%，試驗過程中不斷補充失去的水分，保持試驗土壤樣品相應的水分條件恒定。處理后土壤樣品經風干后，研磨，分別進行土壤全氮、有效氮、全磷、有效磷及松結態腐殖質的測試，每次試驗均進行3個平行樣的測定。

1.3 測定方法

將風干土壤樣品過0.149 mm篩，取1.0 g(精確到0.0001 g)進行土壤全氮濃度分析，采用半微量凱氏法測定，土壤中全氮在硫酸銅、硫酸鉀與硒粉的存在下，用濃硫酸消煮，使其轉變為硫酸氨，然后用氫氧化鈉堿化，加熱蒸餾出氮，經硼酸吸收，用標準酸滴定其濃度;取0.25 g(精確到0.0001 g)土壤樣品進行全磷濃度分析，以高氯酸-硫酸消化溶解土壤中的磷，采用鉬銻抗比色法測定［7］。

將風干土壤樣品過2 mm篩，取1.00～2.00 g用于有效氮濃度分析，采用堿解擴散法測定，在擴散皿中土壤于堿性條件下進行水解，使易水解態氮經堿解轉化為氨態氮，擴散后由硼酸溶液吸收，用標準酸滴定，計算有效氮濃度。取5.0 g(精確到0.01 g)土壤樣品用于有效磷濃度分析，采用鹽酸-硫酸浸提，用0.05 mol/L鹽酸和0.025 mol/L硫酸的雙酸浸提液50 mL振蕩浸提土壤樣品，使土壤中活性較高的磷酸鐵、鋁鹽陸續被溶解釋放，用鉬銻抗比色法測定有效磷濃度［7］。

土壤松結態腐殖質的提取與表征［12］，采用0.1 mol/L NaOH溶液提取土壤中的松結態腐殖質，將浸提液在4000 r/min下離心15 min，取上清液，上清液通過0.45μm玻璃纖維濾膜(Whatman GF/F)過濾，濾液即為松結態腐殖質溶液，成分為胡敏酸和富里酸。采用TOC-VCPH測定儀(島津公司，日本)測定溶液的TOC，以此來表征土壤松結態腐殖質的量。

1.4 數據分析

數據使用 Excel 2003、Origin 7.5、SPSS 16.0 軟件進行統計分析，3個平行樣品結果計算標準誤差，土壤氮磷濃度變化與交替凍融次數之間顯著性檢驗采用單因子方差分析(ANOVA)處理，土壤氮磷濃度和腐殖質之間的相關性用Pearson相關系數評價。

2 結果與分析

2.1 交替凍融對全氮和有效氮的影響

未凍融和經過凍融處理的土壤樣品全氮和有效氮濃度見圖1和圖2。由圖1可見，交替凍融次數對三種土壤全氮濃度影響顯著，三種土壤的全氮濃度均在第2次凍融后有所升高，與處理前相比，水稻土、黑土、暗棕壤的漲幅分別為16.03%、44.24%和2.72%。但經過15次凍融后，全氮濃度變化不大。方差分析表明，不同交替凍融次數處理三種土壤全氮濃度差異均顯著(P＜0.05)。

由圖2可見，交替凍融次數對三種土壤有效氮濃度影響顯著。水稻土有效氮濃度呈現上升→下降→上升→趨于穩定的變化規律，2次凍融后有效氮濃度達到最大值，與處理前相比，漲幅為47.32%，15次交替凍融后有效氮濃度由4.83 mg/kg升高到6.30 mg/kg，上升了31.25%。黑土有效氮濃度逐漸升高，4次交替凍融后達到最大值，與處理前相比漲幅為19.13%，之后略有下降并趨于穩定。暗棕壤有效氮濃度在8次交替凍融后達到最大值，與處理前相比漲幅為15.01%，10次交替凍融后有效氮濃度略有下降，并趨于穩定。方差分析表明，不同交替凍融次數處理三種土壤有效氮濃度差異均顯著(P＜0.05)。

2.2 交替凍融對全磷和有效磷的影響

未凍融和經過凍融處理的土壤樣品全磷和有效磷濃度變化見圖3和圖4。由圖3可見，交替凍融次數對三種土壤全磷濃度影響顯著。三種土壤全磷濃度均在初次凍融后有大幅增高，與處理前相比，水稻土、黑土、暗棕壤的漲幅分別為8.07%、7.11%和12.62%。15次交替凍融后三種土壤的全磷濃度均較未處理時有所增長，與處理前相比，水稻土、黑土、暗棕壤的漲幅分別為7.93%、5.45%和9.05%。方差分析表明，不同交替凍融次數處理三種土壤全磷濃度差異均顯著(P＜0.05)。

圖3 全磷濃度的變化Fig.3 The variation trend of total phosphorous in soil samples

由圖4可見，交替凍融次數對三種土壤有效磷濃度影響顯著。水稻土有效磷濃度隨著交替凍融次數的增加總體呈升高形勢，15次交替凍融后有效磷濃度由 14.6 mg/kg升高到 22.8 mg/kg，上升了56.16%。黑土有效磷呈現上升→下降→上升→趨于穩定的變化規律，15次交替凍融后有效磷濃度與處理前相比由39.5 mg/kg升高到46.5 mg/kg，上升了17.72%。而暗棕壤有效磷濃度呈逐漸下降的趨勢，15次交替凍融后下降35.19%。方差分析表明，不同交替凍融次數處理三種土壤有效磷濃度也是差異均顯著(P＜0.05)。

圖4 有效磷濃度的變化Fig.4 The variation trend of available phosphorous in soil samples

2.3 土壤氮磷濃度和腐殖質之間相關性

未凍融和經過凍融處理土壤樣品松結態腐殖質濃度見圖5。

圖5 土壤樣品松結態腐殖質濃度變化Fig.5 The variation trend of active humus content in soil samples

將三種土壤的原始樣及經過1次、2次、4次、8次、10次、15次凍融處理的土壤樣品(n=7)的松結態腐殖質濃度與相對應的氮磷濃度進行Pearson相關系數及其顯著性檢驗，分析表明(表2)，隨著交替凍融次數的變化，松結態腐殖質濃度與土壤氮磷濃度存在一定相關性，但特點各異。松結態腐殖質和水稻土的全氮、有效氮、全磷以及有效磷濃度分別呈負相關關系，但未達到顯著水平(P＞0.05)，黑土有效氮濃度與松結態腐殖質濃度呈顯著正相關關系。已有研究表明，凍融過程并未完全抑制微生物活動，微生物的分解作用使黑土土壤腐殖質濃度上升［11］，而微生物的作用也提高土壤有機氮礦化效率，從而使有效氮濃度增加，這與該結果相符。黑土全磷與松結態腐殖質濃度呈顯著正相關關系。暗棕壤的有效氮和全磷濃度與松結態腐殖質濃度呈正相關關系，但未達到顯著水平(P＞0.05)。三種類型的總氮指標與松結態腐殖質濃度均呈負相關關系，但未達到顯著水平(P＞0.05)。目前還不能充分解釋凍融作用時土壤氮磷濃度和腐殖質之間的相互作用機理，這方面的研究有待于進一步加強。

表2 交替凍融下松結態腐殖質與氮磷濃度的相關系數(n=7)Table 2 Correlation coefficients between loose humus and nitrogen phosphorus under freezing and thawing cycles

3 討論

3.1 交替凍融對土壤全氮和有效氮的影響

經過15次凍融后全氮濃度均未發生明顯變化，這與Schimel等［13］的研究結果一致，認為遇劇烈低溫可能導致微生物數量明顯下降，但低溫過后微生物數量的快速恢復在一定程度上可以抵消這種不利影響，因而對土壤氮濃度變化沒有明顯的影響。另一方面，由于土壤凍融界面及附近區域有一定含水量，在凍融的作用下土壤含水部分產生缺氧區域，加快了微生物的反硝化作用，引起氮的損失［14］，所以在初次凍融時水稻土全氮濃度呈下降趨勢。隨著交替凍融次數的增加，土壤結構的改變，提高了微生物的活性［15］，加快了土壤中的硝化過程［16］，從而導致全氮濃度變化不大。

交替凍融作用下，三種土壤有效氮濃度總體是增加的，這與Fitzhugh等［1］的研究結果一致，由于凍融作用增強了土壤的釋水性和水分的滲透性，使得融化后土壤水分顯著提高，養分易于溶出，或吸附在礦物顆粒內以及土壤膠體表面，由于交替凍融加快了土壤中有機質礦化與硝化速率，造成土壤中的可溶性有機物和養分濃度有所增加。另一方面，土壤C/N是指有機物中碳素總量與氮素總量的比值，微生物生命活動需要的C/N約為24，若C/N＜24，有機物分解時多余的氮會釋放出來［17］。本研究中，黑土、暗棕壤和水稻土的C/N分別為17.27、17.60和19.15，均低于24，所以在生物分解過程中，多余的氮釋放出來，因而有效氮濃度增加。

3.2 交替凍融對全磷和有效磷的影響

交替凍融作用下，三種土壤全磷濃度總體均增加，這與Freppaz等［18］的研究結果一致，分析原因主要是由于測試方法和凍融作用破壞了土壤團聚體造成的。測試土壤全磷濃度時，采用高氯酸-硫酸消化的方法將不溶性磷酸鹽轉化為可溶性磷酸鹽，整個消化時間約為40 min，消化時間遠低于測試土壤全氮的消化時間(約為90 min)，在較短的消化時間內可能存在由于土壤大團聚體的吸附和包覆作用，使部分不可溶性磷酸鹽未能與消化液充分反應，而凍融作用破壞了土壤團聚體，使土壤大團聚體變小［6］，增加了與消化液反應的機會，因而出現初次凍融后三種類型土壤全磷濃度均大幅增高的現象。

黑土和暗棕壤的有效磷濃度隨著交替凍融過程總體呈增加趨勢，這與 Taskin等［19］的研究結果一致，土壤有效磷濃度增加是由于磷從土壤固相向液相的釋放過程加劇，包括無機磷的溶解，吸附態磷的解吸，有機磷的礦化、遷移過程中與其他土壤組分的反應等［20］。經過交替凍融過程后，隨著有機質濃度的增加，土壤內有機質礦化速率提高，導致有效磷濃度升高。也有部分因素是由于凍融作用增強土壤釋水性和水分滲透性［1］，增加了無機磷的溶解，同時使得包含于土壤礦物顆粒內或吸附于土壤膠體表面的磷在隨水分遷移的過程中發生了賦存形態的轉化。另一方面，土壤C/P＜200，有機物分解時多余的磷會釋放出來［21］。本研究中，黑土和水稻土的C/P分別為67和49，所以在生物分解過程中，多余的磷釋放出來，因而有效磷濃度增加。暗棕壤的C/P為98，但是由于暗棕壤采樣點的土地利用類型是林地，林下土中生物可利用磷的濃度較低，因而可能發生磷的凈固定，導致有效磷濃度降低。

4 結論

交替凍融對水稻土、黑土及暗棕壤中氮磷濃度影響顯著，隨著交替凍融次數的變化，全氮、有效氮、全磷、有效磷濃度差異顯著;其中，交替凍融次數是導致氮磷濃度變化的主要原因。交替凍融過程中腐殖質與氮磷濃度之間存在一定相關性，但未達到顯著差異。可見，頻繁發生的交替凍融事件，是東北地區土壤氮磷濃度的影響因素之一，使得秋冬季節和初春季節不同坡向地帶土壤氮磷循環產生差異。

［1］FITZHUGH R D，DRISCOLL C T，GROFFMAN P M，et al.Effects of soil freezing disturbance on soil solution nitrogen，phosphorus，and carbon chemistry in a northern hardwood ecosystem［J］.Biogeochemistry，2001，56:215-238.

［2］JOSEPH G，HENRY A L.Soil nitrogen leaching losses in response to freeze-thaw cycles and pulsed warming in a temperate old field［J］.Soil Biology Biochemistry，2008，40(7):1947-1953.

［3］DONEY S C，SCHIMEL D S.Carbon and climate system coupling on timescales from the Precambrian to the anthropocene［J］.Annu Rev Environ ＆ Resour，2007，32(11):31-66.

［4］SCHMIDT S K，LIPSON D A.Microbial growth under the snow:Implications for nutrient and allelochemical availability in temperate soils［J］.Plant＆ Soil，2004，259:1-7.

［5］王展，張良，黨秀麗，等.凍融作用對土壤鎘吸附特征的影響［J］.農業環境科學學報，2011，30(6):1103-1107.

［6］LEHRSCH G A，SOJKA R E，CARTER D L，et al.Freezing effects on aggregate stability affected by texture，mineralogy，and organic matter［J］.Soil Science Society of America Journal，1991，55(5):1401-1406.

［7］魯如坤.土壤農業化學分析方法［M］.北京:中國農業科技出版社，1999.

［8］錢成，彭岳林，賈鈞彥，等.西藏高原退化土壤的生物學肥力及其變化特征［J］.應用生態學報，2006，17(7):1185-1190.

［9］劉世全，高麗麗，蒲玉琳.西藏土壤有機質和氮素狀況及其影響因素分析［J］.水土保持學報，2004，18(6):54-57，67.

［10］龔偉，顏曉元，王景燕，等.長期施肥對小麥-玉米作物系統土壤腐殖質組分碳和氮的影響［J］.植物營養與肥料學報，2009，15(6):1245-1252.

［11］汪太明，王業耀，香寶，等.交替凍融對東北典型土壤腐殖質的影響［J］.生態環境學報，2010，19(12):2870-2874.

［12］SCHNITER M.Organic matter extraction［C］//MILLER R H，KEENEY D R.Methods of soil analysis.Madison:WI Press，1982:581.

［13］SCHIMEL J P，BILBROUGH C J，WELKER J M.Increased snow depth affects microbial activity and nitrogen mineralization in two Arctic tundra communities［J］.Soil Biol Biochem，2004，36:217-227.

［14］VAN BOCHOVE，JONES E H，PREVOST D.Winter fluxes of greenhouses gases from snow-covered agricultural soil:intraannual and interannual variations［J］.Global Biogeochemical Cycles，2000，14(1):113-115.

［15］BROOKS P D，WILLIAMS M W，SCHMIDT S K.Inorganic nitrogen and microbial biomass dynamics before and during spring snowmelt［J］.Biogeochemistry，1998，43:1-15.

［16］劉淑霞，王宇，趙蘭坡，等.凍融作用下黑土有機碳數量變化的研究［J］.農業環境科學學報，2008，27(3):984-990.

［17］BAKER A. Fluorescence excitation-emission matrix characterization of river waters impacted by a tissue mill effluent［J］.Environmental Science ＆ Technology，2002，36(7):1377-1382.

［18］FREPPAZ M，WILLIAMS B L，EDWARDS A C，et al.Simulating soil freeze-thaw cycles typical of winter alpine conditions:Implications for N and P availability［J］.Applied Soil Ecology，2007，35:247-255.

［19］TASIN O，FERHAN F.Effect of freezing and thawing processes on soil aggregate stability［J］.Catena，2003，52(1):1-8.

［20］于天仁.土壤化學原理［M］.北京:科學出版社，1987:46-75.

［21］尹遜霄，華珞，張振賢，等.土壤中磷素的有效性及其循環轉化機制研究［J］.首都師范大學學報:自然科學版，2005，26(3):95-101.?