凍融循環作用對黑土有效磷含量變化的影響

范昊明， 靳 麗， 周麗麗， 黃東浩

(沈陽農業大學 水利學院，遼寧沈陽 110866)

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凍融循環作用對黑土有效磷含量變化的影響

范昊明， 靳 麗， 周麗麗， 黃東浩

(沈陽農業大學 水利學院，遼寧沈陽 110866)

摘要：[目的] 分析凍融循環作用和土壤含水率對土壤磷素的有效性產生的影響，為控制農業非點源污染、明確凍土區土壤的磷素循環過程和準確評估區域的磷素收支提供依據。[方法] 以東北黑土為研究對象，研究凍融次數、土壤含水率和土壤有效磷背景值對黑土有效磷含量的影響。采用室內模擬凍融循環的方法，凍融循環次數為30次，凍融溫差為-10~7 ℃，監測凍融條件下黑土有效磷含量的變化。[結果] 隨著凍融循環次數的增加，它對有效磷含量的影響逐漸下降，至20～30次循環中不具有顯著性影響，有效磷背景值的影響在5～20和20～30次循環中占主導地位；在0～30次凍融循環中，有效磷含量的變化表現出雙峰型曲線特征，相鄰凍融循環次數有效磷含量的變化大多具有顯著性差異，變化由劇烈到平緩；土壤含水率越高，有效磷含量變化越劇烈；土壤有效磷背景值越高，有效磷含量越穩定。[結論] 凍融循環次數、土壤含水率、土壤有效磷背景值3個控制因子對有效磷含量的影響程度隨凍融循環次數的增加而變化。

關鍵詞：凍融作用； 黑土； 有效磷

目前，關于凍融循環作用對土壤磷素遷移轉化的影響，國內外研究較少。本文以黑土為研究對象，通過人工室內模擬凍融循環試驗，研究凍融循環次數(FTC)、土壤含水率(W)、土壤有效磷背景值(APb) 3個控制因子對土壤有效磷含量的影響，為控制農業非點源污染提供依據，將有助于明確凍土區土壤的磷素循環過程和準確評估區域的磷素收支情況。

1材料與方法

1.1　土 壤

試驗土壤為黑土，取自黑龍江省北安市二井鎮(126°33′E，48°21′N)，屬寒溫帶大陸性季風氣候，年降水量500～600 mm，年平均氣溫1.24 ℃，1月最冷，平均氣溫-23.6 ℃。每年10月中旬到次年4月中旬，全區日平均氣溫≤0 ℃。春季3—5月間，日溫差較大，溫度常在0 ℃上下波動，土壤的凍融交替頻繁。試驗用土為農田0—20 cm的表層土壤，土壤運至實驗室后過5 mm×5 mm篩，除去土壤中的植物殘體、石礫。黑土的基本理化性狀見表1。

表1　黑土的基本理化性狀

1.2　樣品培養

首先，配置不同濃度的KH2PO4溶液，用噴壺均勻的噴灑到土壤表面，配置成有效磷含量為20，40，60，80，100，120 mg/kg，質量含水率為20%的土壤樣品，每個有效磷背景值土樣均配置5個重復，將土壤分別裝在長、寬、高為30 cm×10 cm×12 cm的實驗槽中，并使土壤達到試驗設計容重0.9 g/cm3。然后，將蒸餾水均勻噴灑于土壤表面，控制質量含水率分別為20%，30%，40%，50%，60%。最后，在實驗槽上覆蓋保鮮膜以防止凍融過程中的水分蒸發，常溫下培養48 h，使磷素吸收穩定，然后將土壤樣品放置在凍融循環儀中，設定-10 ℃條件下凍結12 h，7 ℃條件下融化12 h，凍融循環儀可以連續快速的控制溫度的上升和下降。

1.3　測定方法與統計分析

在凍融循環0，1，2，3，5，10，15，20，30次時取土樣，土樣在室內陰涼處風干，研磨后過100目篩，用0.5 mol/L NaHCO3法測定土壤中的有效磷，所有測定皆重復3次。采用SPSS 19.0軟件對數據進行統計分析，采用方差分析(One-way ANOVA)比較各因素對有效磷含量的影響。數據處理采用差值法，即有效磷含量為每1次凍融循環與0次凍融循環的差值。

2結果與分析

2.1　方差分析結果

如表2所示，3個影響因子對有效磷含量的影響隨著凍融循環次數的增加而變化。在0~30次循環中，土壤有效磷背景值(APb)對有效磷含量的影響最大，其次為凍融循環次數和含水率。0~5次循環中，凍融循環次數的影響程度遠遠大于有效磷背景值和含水率，3種因子都達到顯著性影響。在5~20次循環中，凍融循環次數的影響逐漸減小，有效磷背景值的影響達到最大。20~30次循環中，凍融循環次數的影響繼續下降，有效磷背景值的影響程度遠遠大于凍融循環次數和含水率。含水率對有效磷的影響較為穩定，在0~5和5~20次循環中影響最小。

表2　有效磷變化量的方差統計分析

注：F代表F檢驗統計量，p為統計顯著性，p<0.05存在顯著性差異。

2.2　凍融循環次數對有效磷含量變化的影響

根據表3得出，30次循環中相鄰凍融循環處理有效磷含量的變化大多具有顯著性差異。在0~30次循環中，各土壤有效磷含量的變化表現出雙峰型曲線特征，交替出現兩次谷值和兩次峰值，在0~5次循環中有效磷含量變化劇烈，第1次循環后有效磷含量顯著下降，下降幅度為0～2.2 mg/kg，出現第一次谷值，第2次循環后迅速上升，在3~5次循環中出現第一次峰值。

在5~20次循環中，有效磷含量的變化相對平緩，表現為先下降再上升再下降，在10次循環左右出現第二個谷值，在15次循環左右出現第二次峰值。20~30次循環間，有效磷含量較穩定，30次循環后，大多數土壤有效磷含量低于未凍土。

表3　含水率為20%～60%的土壤30次循環中土壤有效磷含量的變化

注：同列不同小寫字母表示顯著性差異(p<0.05)； 同列不同大寫字母代表顯著性差異(p<0.01)； 有效磷變化量為土壤每次循環與0次循環的差值，正值表示增加，負值表示減少。

有效磷含量在0～5次循環中變化劇烈，在1次循環后顯著下降，2次循環后逐漸升高，這與王風等[5]的研究結果相似，即黑土的有效磷含量在-10℃和-20℃條件下，2次循環后顯著增加(p>0.05)。在0~5次循環中，凍融循環次數對有效磷含量的影響占主導地位，凍融循環作用使土壤溫度變化速率、通氣性及土壤水分等土壤性質發生突然性改變，微生物的活動暫時受到影響，土壤有機質分解和礦化過程受到抑制，因此有效磷含量在第一次循環后顯著下降。本試驗用土為黑龍江省北安市耕地邊的多年黑土，每年春秋兩季頻繁經受凍融循環作用，土壤中微生物對凍融循環作用的適應性較強，隨著殘余微生物對凍融循環作用的逐步適應，利用并消耗從已死亡的細菌中釋放出來的有機質，其活性迅速恢復，且前2次的凍融循環作用激發了對有機質最大的礦化速率[6-7]，因此3~5次循環中，有效磷含量迅速增加并達到峰值。

5~20次循環中，有效磷的含量表現為先下降再升高再下降的過程，在循環10~15次時出現第二次峰值，這期間的變化主要與土壤團聚體有關。有研究認為[8]，開始的幾次凍融循環作用，土壤中少量水溶性粘結劑的沉淀使團聚體穩定性增加，隨后由于冰晶的形成壓縮周圍的團聚體并產生斷裂面，這種減弱過程的持續發生使團聚體穩定性下降。Edwards等[9]的研究也得出，土壤凍融15次后，團聚體含量整體表現為降低趨勢。團聚體作為土壤的養料庫，隨著其逐漸破碎，土壤中有機質的相對含量增加，有機質起著氮、磷、鉀載體的作用，且作為微生物生長繁殖必不可少的重要的能源物質，微生物的分解能力增強，有效磷含量增加。15次循環后，從團聚體中釋放出的可溶性有機質含量下降，而土壤中原有的有機質卻在不斷的被活著的微生物利用分解，隨著有機質含量的減少，微生物的分解速率減慢，有效磷含量下降。

在20~30次循環中，凍融循環次數的影響程度持續下降。土壤性質穩定，土壤溶液中的養分元素與有機質、微生物體之間保持平衡，即有機態養分的礦化和礦化產物的同化固定保持平衡[10]，因此大部分土壤有效磷含量基本穩定。

2.3　含水率對有效磷含量變化的影響

如表3所示，含水率為20%，30%，40%的土壤，有效磷含量的變化規律相同，而含水率為50%和60%的土壤，變化的總體規律不明顯，尤其含水率為50%的土壤，各土壤有效磷含量的第一次谷值、第一次峰值、第二次谷值和第二次峰值均出現在不同的循環次數中，且有效磷含量的波動幅度較大。含水率為20%，30%，40%，50%，60%的土壤，有效磷的最大變化幅度平均為2.376，1.993，1.616，3.002，2.607 mg/kg，且含水率為60%的土壤，除有效磷背景值為120 mg/kg，凍融循環20~30次有效磷的變化無顯著性差異外，其余相鄰凍融循環次數間有效磷的變化量均存在顯著性差異。可見，含水率越高，有效磷含量的波動幅度越大，高含水率土壤的有效磷含量在凍融循環過程中變化較劇烈。

土壤凍融作用的本質是土體內水分體積的變化引起的土壤性質的變化，所以凍融作用對土壤的影響與含水率有密切聯系。在0~30次循環中，含水率對有效磷含量達到顯著性影響，在5~20次循環中的影響程度最大，有研究表明，因為初始的凍融循環作用可以加強團聚體的穩定性，而5次循環后，團聚體的穩定性下降[8-9]，冰晶膨脹的破碎作用在團聚體穩定性下降過程中起到促進作用，并且含水率對團聚體的影響大于凍融循環作用。在凍融循環過程中，團聚體的穩定性與土壤的初始含水率成反比，接近飽和的含水率對團聚體的破碎能力最強，凍融循環作用使土壤發生反復的膨脹與收縮效應，造成土壤層相互之間的不斷擠壓，隨著含水率的升高，這種擠壓對土壤團聚體的破壞作用不斷增強。由于凍結過程中土壤結構變化存在不均勻性，受冰晶在氣孔中擴張破壞顆粒與顆粒之間的連接而被破壞的團聚體和由于受周圍破碎團聚體的擠壓而受收縮作用保護的團聚體同時存在于土壤中，含水率越高，受膨脹作用破壞的團聚體和受收縮作用保護的團聚體含量變化越劇烈，團聚體內釋放出的有機質含量不穩定，微生物的礦化速率受環境和有機質含量的影響變化較大，因此有效磷含量變化不穩定。

2.4　有效磷背景值對有效磷含量變化的影響

如表3所示，有效磷背景值為80，100，120 mg/kg的土壤，相鄰凍融循環次數有效磷具有更多的無顯著性差異的變化量或者含量變化幅度較小。有效磷背景值為20，40，60，80，100，120 mg/kg的土壤，有效磷的平均變化幅度分別為5.492，5.118，4.967，4.086，3.568，3.998 mg/kg，可見，有效磷背景值高的土壤有效磷含量較穩定。

有效磷背景值在0~30次循環中達到了顯著性影響，在5~20和20~30次循環中影響程度最大。有效磷背景值通過影響土壤中有機質的含量來影響團聚體的穩定性，穩定的團聚體內微生物的活性和分解速率受凍融循環作用影響較小，有效磷含量較穩定。耕地黑土中有機肥含量較高，在試驗初期KH2PO4的配施下，有利于土壤中有機質的積累，并且增加的有機質以易氧化的有機質為主[11-12]，有機質可以刺激微生物產生黏結劑，且作為微生物生命活動的能源物質，在微生物作用下分解，釋放腐蝕酸等物質，粘結土壤顆粒，形成土壤團聚體，真菌和放線菌還可以產生菌絲，纏繞、固定土壤團粒結構[13]，而大團聚體內包含了更多新形成的有機質，經過凍融循環后，可以為微生物提供了更充足的能量，有利于其在環境變化后快速適應及生長恢復，土壤的各種功能恢復也快[14]，由此可見，微生物對團聚體的粘結作用與團聚體對有機質的保護作用之間具有相互促進的關系，因而凍融循環作用對有效磷含量高的土壤物理性質及生物化學性質的影響較小，磷素的分解和固定速率較為穩定，含量變化較平緩。

3結 論

(1) 凍融循環次數(FTC)、含水率(W)、有效磷背景值(APb)對黑土有效磷含量的影響隨凍融循環次數的增加而變化，凍融循環次數(FTC)在0～5次循環中對有效磷含量的影響最大，5次循環后逐漸下降，含水率(W)在5～20和20～30次循環中影響最大。

(2) 在0～30次凍融循環中，有效磷含量的變化均表現為雙峰型曲線，相鄰凍融循環處理有效磷含量的變化量大多具有顯著性差異，有效磷含量變化由劇烈到平緩，在0～5次循環中變化劇烈，5～20次循環中相對平緩，20～30次循環中變化較小。

(3) 土壤含水率越高，有效磷含量的波動幅度越大，高含水率土壤的有效磷含量在凍融循環過程中變化較劇烈。

(4) 土壤有效磷背景值越高，凍融循環過程中有效磷含量越穩定。

氣候變化將造成中高緯度地區春季解凍期凍融循環次數的增多，在此背景下，研究凍融作用對磷素變化的影響機制對明確生態系統中磷素的循環規律、準確預測區域磷素收支情況、指導農業生產和預防非點源污染具有重要意義。

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Influence of Freezing and Thawing on Available Phosphorus Content of Black Soil

FAN Haoming， JIN li， ZHOU Lili， HUANG Donghao

(CollegeofWaterConservancy,ShenyangAgricultureUniversity,Shenyang,Liaoning110866,China)

Abstract：[Objective] To analyze the fluence of the freezing and thawing action and soil water content on soil available phosphorus in order to provide the basis for controlling agricultural non-point source pollution, confirming the phosphorus cycle process of soil in permafrost region, and assessing regional balance of the accurate phosphorus further.[Methods] Black soil in northeast China was sampled to quantify the effects of variable freeze-thaw cycles(FTCs), soil water(W) contents and contents of background available phosphorus (APb) on AP content. Soil samples were conducted to indoor simulated experiment with a maximum FTCs of 30 times and controlled temperature between -10 ℃ and 7 ℃. [Results] The effects of FTC decreased and no significant differences were found when FTCs fell between 20 and 30, while the APb content was the prominent factor during 5 to 20 and 20 to 30 cycles. During the whole 30 FTCs, soil AP content variation showed a characteristics of bimodal distribution. Meanwhile AP contents between adjacent FTCs showed significantly difference, the amount of which changed moderately with increase of FTCs changes in AP content were larger with a higherWcontent, and more stable with a higher APb content.[Conclusion] It showed that the impact of the three factors, FTC,Wcontent and APb content, on AP content varied as the number of FTCs increased.

Keywords:freeze-thaw cycles; black soil; available phosphorus

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0018-05

中圖分類號：S157.4； X144

通信作者：周麗麗(1979—)，女(漢族)，黑龍江省賓縣人，博士，副教授，主要從事土壤侵蝕與流域治理研究。E-mail:zhoulilia@163.com。

收稿日期：2014-04-30修回日期：2014-05-19

資助項目：國家自然科學基金項目“凍融條件下東北黑土磷素流失動力機制研究(41101256)， “東北黑土區壟作農田融雪侵蝕過程中氮磷遷移轉化機制研究”(41471225)； 遼寧省高等學校優秀人才支持計劃(LJQ2013074)

第一作者：范昊明(1972—)，男(漢族)，吉林省白山市人，博士，教授，主要從事流域侵蝕、產沙與水土保持規劃研究。E-mail:fanhaoming@163.com。