季節性凍融區農業土壤礦質氮有效性變化規律原位試驗

趙 強，吳從林，王 康，常 丹，黃介生

季節性凍融區農業土壤礦質氮有效性變化規律原位試驗

趙 強1,2，吳從林2，王 康1，常 丹1,2，黃介生1※

（1. 武漢大學水資源與水電工程國家重點實驗室，武漢 430072；2. 長江勘測規劃設計研究院，武漢 430010）

為了更好地認識凍融過程對季節性凍融農業區土壤礦質氮有效性的影響，以吉林省長春市黑頂子河流域為研究對象，采用改進的樹脂芯法開展了自然狀態下表層土壤氮素原位培養試驗。結果表明：土壤凍結過程使各下墊面土壤銨態氮含量增加了170%，硝態氮含量減少了19%，進而增加了土壤礦質氮含量及銨態氮所占比例，同時使各下墊面土壤銨態氮含量變異系數減小36%，硝態氮含量變異系數增加了250%。凍土融化過程中，土壤銨態氮含量無顯著變化，硝態氮含量顯著增加后趨于穩定；凍土融化初期，積雪融化和積雪融化與凍土融化的疊加過程使各下墊面土壤銨態氮含量變異系數分別增加了39%和48%，硝態氮含量變異系數減小了65%和40%，但大部分階段硝態氮變異系數大于銨態氮。凍融過程中，土壤含水率的變化并未對土壤中銨態氮和硝態氮含量產生顯著影響。

土壤；氮素；季節性凍融；農業區；有效性

0 引 言

土壤礦質氮是作物吸收氮素的主要形式，包括銨態氮和硝態氮，通常作為土壤供氮能力和氮素有效性的主要判定指標[1-2]。

在寒冷地區凍融過程是土壤氮素轉化的關鍵驅動力，它通過改變土壤的物理結構和生物學性狀來影響土壤中礦質氮含量[3-5]。Oztas和Henry等[6-7]研究表明凍融作用能夠降低土壤團聚體的穩定性，將大團聚體破碎成小團聚體，使原先固定在土壤膠體中不可利用的NH4+-N裸露出來[8]。李源等[9-12]對不同區域土壤的凍融試驗結果均表明，土壤銨態氮含量隨著凍融頻次、溫差和含水率的增加而增加。M?ller等利用15N同位素示蹤技術對草地硝化作用進行研究，發現土壤融化階段硝化速率僅為0.1g/(g?d)，而融化后則達到了11.4g/(g?d)[13]，李源等的研究得到了類似的結論[14]。Masuko等的研究結果表明凍融作用降低了反硝化細菌的數量，但反硝化細菌亞硝酸鹽還原酶活性增加了2.5～4.5倍[15-16]。此外，凍融作用一方面可以通過凍結使得植物細根大量死亡，減少植物對氮素的攝取量，另一方面可以將死亡的根系分解為土壤提供氮素，來影響土壤氮素的循環[17-18]。

目前針對凍融作用對土壤礦質氮有效性的研究仍存在以下不足：1）目前凍融循環對土壤氮素轉化的試驗多在室內采用均質土及固定的凍融溫度、頻率開展，其試驗條件與自然狀態下的實際情況偏差較大；2）試驗多關注凍結溫度、凍融循環次數，而對水分這一在凍融過程中會對土壤結構、通氣性具有顯著影響的因素鮮有關注；3）研究區域多集中在高寒地區的森林、苔原、草地等受人為干擾較小的自然生態系統凍土，這些區域的微生物群落、氮素來源與低緯度、低海拔，且受施肥、灌溉、耕作等影響的農業區有著顯著的區別，所得規律并不完全適用于受凍融影響的農業區。

為此，本文選取受季節性凍融影響顯著的農業區—黑頂子河流域作為為研究區域。前期研究表明，春季融雪產流過程不同階段河道中礦質氮濃度變化較大，玉米田、水稻田和濱水河岸區域是流域礦質氮主要來源，且不同下墊面對不同形態氮素貢獻量有著顯著差異[19-20]。因此在2015—2016年凍融期采用改進的樹脂芯法在不同下墊面土壤中開展原位培養試驗，研究自然狀態下凍融過程對農業區表層土壤礦質氮有效性的影響，并分析了其主要影響因素。本研究對于解釋季節性凍融農業區氮素循環過程，指導該區域農業生產有著重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

黑頂子河流域位于吉林省長春市雙陽區內（125°34′27″～125°42′22″E，43°22′48″～43°29′37″N），是松花江的三級支流，區域內河長16 km，流域面積為75.25 km2，屬于溫寒帶半濕潤大陸性季風區氣候，年平均氣溫4.8 ℃，最高22 ℃，最低氣溫-17 ℃，多年平均降水量624.7 mm，多年平均水面蒸發量1 381.4 mm。封凍期一般為11月中旬至次年3月上旬，期間平均溫度和降水量分別為-10.5 ℃和31.8 mm，歷史最大凍土深度為158 cm；融化期一般從3月上旬至4月底，平均溫度和降水量分別為5.25 ℃和40.7 mm。研究區域土地利用類型主要分為3種，玉米田、水稻田、林地和農村居住區，分別占流域面積的69.1%、12.5%、14.0%和4.4%。根據雙陽縣土壤普查數據，流域內土壤主要為黑鈣土、草甸土、白漿土和暗棕土等。

1.2 原位培養試驗

本文采用改進的樹脂芯法分別在林地、玉米田、水稻田、玉米田邊河岸、水稻田邊河岸5種典型下墊面開展土壤氮素的原位培養試驗。由于在凍土區取樣困難，且試驗區典型作物玉米和水稻根系主要集中在20 cm以內土層[21-22]，因此選取表層20 cm土壤作為研究對象。試驗裝置如圖1所示。

a. 自然降雨（雪）狀態 b.削減自然降雨（雪）狀態

Di Stefano等提出，可以采取先用PVC管取土，再將盛有交換樹脂的尼龍網袋放在PVC管兩端，然后埋入土中的方法進行氮素的原位培養，并稱之為樹脂芯法（resin-core method）[23]。該方法的優點是可以阻止水中或者土壤中的其他離子進入PVC管，又能保證管中的離子不會淋失，且可以保持管內外相似的土壤水分含量和土壤呼吸。

本文采用直徑3 cm，長30 cm的PVC管作為培養皿。在凍融區，一方面由于溫度梯度的存在，土壤水分會向上運移，另一方面在融化初期大量積雪的融化會造成地表積水，為了減少培養皿底部土壤水分運移的影響以及避免因融雪積水導致的土壤、融雪水、交換樹脂接觸，因此在土壤凍結前，首先將PVC管打入土中20 cm，然后重新取出，在底部纏繞塑料薄膜后重新埋入土中，在頂端放入一個3 cm的塑料支架后再塞進交換樹脂（圖 1a）。此外，為了營造不同的土壤含水率環境，檢驗不同土壤含水率對氮素轉化的影響，我們還設置了一些對比試驗裝置，如圖1b所示，在試驗裝置的頂端用尼龍網包裹，這樣可以減少飄入管內的降雪，從而減小融化期土壤含水率。

原位培養試驗于2015—2016年凍融期開展，試驗裝置于2015年10月26日埋入5種下墊面土中，每個下墊面埋入6組圖1a所示裝置，在林地和玉米田還另外埋入1組圖1b所示裝置，每組3個重復。裝置圖1a分別于2015年10月26日（凍結前）、2016年3月3日（融雪前）、2016年3月13日（融雪初期）、2016年3月18日（顯著融雪期&凍土融化初期）、2016年3月23日（融雪后期&凍土顯著融化期）、2016年3月28日（凍土融化后期）進行了6次取樣，每次取一組；裝置圖1b取樣日期為2016年3月24日，與裝置圖1a即3月23日所取樣品對比分析。

所取土樣用自封袋密封，用保溫箱冷藏，在最短的時間內運回實驗室，一部分土壤用烘干法（105 ℃烘8 h）測土壤含水率，另一部分土壤按照1∶5的比例加入氯化鉀溶液（2 mol/L）浸提，每個樣品3個重復，所得浸提液采用CleverChem 200全自動流速分析儀測定硝態氮和銨態氮含量。

1.3 統計方法

使用SPSS軟件對試驗結果進行統計分析。采用最小顯著差異法（LSD）（Fisher和Tukey檢驗）來檢測在5%顯著水平，不同取樣點和不同取樣時間處理間各形態氮素測量值之間差異。

2 結果與討論

2.1 凍融期表層土壤水分變化規律分析

圖2和圖3為凍土融化期流域不同階段和不同下墊面表層土壤含水率統計圖，其中2016年3月23日和2016年3月24日取樣是人為營造的不同土壤水分含量的對照處理。由圖2a和圖3可知，經過尼龍網覆蓋處理的原位培養皿內（2016年3月24日）土壤含水率顯著小于正常情況下土壤含水率（2016年3月23日）。整體來看流域表層土壤含水率積雪融化前（2016年3月3日）在5%的顯著性水平下顯著小于融化后（2016年3月13日—2016年3月28日），其他階段之間無顯著差異（圖2a），說明積雪融化顯著改變了地表土壤含水率，但是由于培養皿邊壁及內部離子交換樹脂的遮擋，有效地減小了蒸發及降雨的影響，使得整個融化期土壤含水率并未發生顯著變化；此外，積雪顯著融化前各下墊面之間土壤含水率變異系數最小（0.12），積雪融化后各下墊面之間含水率差異相對較大（0.17），這是由于地形地勢的不同，流域內積雪分布不同導致的。

2.2 凍融期表層土壤銨態氮變化規律分析

圖4和圖5為融化期流域不同階段和不同下墊面表層土壤浸提液中銨態氮含量統計圖。由圖4a和圖5可知：凍結后土壤銨態氮含量相比于凍結前增加了170%，融化期各階段之間土壤銨態氮含量無顯著差異，與大多數室內模擬試驗的結果一致[10-11,14]，其主要原因可能是：一方面凍結過程中極低的溫度殺死了一部分微生物，造成其細胞破裂釋放出一部分銨態氮，另一方面凍融改變了土壤物理性狀，引起晶格開放，釋放出固定的銨態氮以及之前不可利用的土壤膠體中的銨態氮[8-10,12]。此外，土壤凍結時，凍土層的存在以及土壤顆粒表面凍結后形成的冰膜，均會使土壤顆粒形成封閉的缺氧環境，抑制硝化作用，有利于銨態氮的累積[9-10,12]。而凍融過程中，土壤含水率的變化并未對土壤銨態氮的含量產生顯著影響（圖2a和圖4a）。

a. 不同階段表層土壤含水率

a. Soil moisture content of different stages

b. 不同下墊面表層土壤含水率

b. Soil moisture content of different underlying surfaces

圖2 凍融期不同階段和下墊面表層土壤含水率

Fig. 2 Soil moisture content of different underlying surfaces and stages during freezing and thawing periods

此外，由圖4a可知，土壤凍結過程使流域各下墊面表層土壤中銨態氮含量之間的變異系數減小了36%（0.28到0.18），而積雪融化（3月3日-3月13日）和積雪融化與凍土融化的疊加過程（3月13日-3月18日）則使其變異系數分別增加了39%和48%（從0.18到0.25，從0.25到0.37），其主要原因是土壤凍結過程使得各下墊面之間土壤環境（土壤結構、液態水含水率、通氣性、微生物活性等）差異變小，但是由于不同下墊面微生物種群有一定區別，土壤中有機質含量、地表積雪量差異均較大，凍土融化后微生物迅速生長，積雪融化，各下墊面微生物量、土壤含水率等影響土壤銨態氮含量的因素之間差異迅速增大，從而使得融化期各下墊面之間銨態氮濃度差異越來越大。

注：A、B、C、D表示各取樣時間不同下墊面在5%顯著性水平的差異顯著程度，a、b、c、d表示各下墊面在不同取樣時間處理之間在5%顯著性水平的差異顯著程度，未標注顯著性水平的處理是因為只測了一個土樣，因此未做差異顯著性分析，下同。

a不同階段表層土壤銨態氮濃度

a NH4+-N concentration in soil at different stages

b不同下墊面表層土壤銨態氮濃度

圖5 不同下墊面和階段土壤銨態氮含量

2.3 凍融期表層土壤硝態氮變化規律分析

圖6和圖7為融化期流域不同階段和不同下墊面表層土壤浸提液硝態氮含量統計圖。由圖6a和圖7可知，凍結過程（2015年10月26日至2016年3月3日）顯著減少了水稻田邊河岸、水稻田和玉米田邊河岸土壤中硝態氮的含量，而玉米田則顯著增加；整體來看凍結后流域土壤硝態氮含量減少了19%，融雪產流初期（3月3日-3月13日）土壤中硝態氮含量進一步減小，并在凍土融化初期（顯著融雪期）迅速恢復到凍結前的水平，在進入融雪后期（凍土顯著融化期）后不再發生顯著變化。此外，經歷凍融過程后，土壤含水率的變化對土壤硝態氮的含量無顯著影響（圖2a和圖6a）。

造成以上現象的原因是融雪產流初期（3月3日—3月13日），積雪融化導致土壤含水率增加了4.25%（圖 2a），日平均溫度仍小于零度，且經歷了5個凍融循環，凍土仍未融化，封閉的缺氧環境使反硝化作用強烈，另一方面硝化細菌對外界環境尤其是溫度極為敏感，且其恢復速度緩慢，導致硝化反應較弱[10,24-25]，進而使得3月13日土壤硝態氮含量顯著小于其他階段。而進入融化期以后（3月18日），日最低氣溫升到0 ℃以上，凍土融化，土壤通氣性變好，硝化細菌逐漸恢復[25]，可供硝化的土壤銨態氮含量較高（圖4a），土壤中硝化作用加劇，硝態氮含量迅速升高。由于3月18日—3月23日期間又有一次降溫過程，日平均氣溫降到0℃以下，使土壤經歷了4次凍融循環，但凍結溫度較低，因而相比3月18日，土壤硝態氮含量在3月23日又有顯著的減小。

土壤凍結過程使各下墊面土壤中硝態氮含量變異系數增加了250%，而積雪融化（3月3日-3月13日）和積雪融化與凍土融化的疊加過程（3月13日-3月18日）則使其變異系數分別減少了65%和40%（從1.24到0.43，從0.43到0.6），但大部分階段硝態氮含量變異系數要大于銨態氮（圖4a和圖6a），主要是因為硝化過程對凍融作用更敏感，且硝態氮受硝化、反硝化、淋溶等多種物理、化學作用的影響，且銨態氮是硝化作用氮素的來源，因此凍融作用對銨態氮造成的差異會進一步顯現在對硝態氮造成的差異上。

a.不同階段表層土壤硝態氮濃度

a. NO3--N concentration in soil at different stages

b.凍融期不同下墊面表層土壤硝態氮濃度

圖7 不同下墊面及階段土壤硝態氮含量

2.4 凍融期表層土壤無機氮變化規律分析

圖8和圖9為融化期流域不同階段和不同下墊面表層土壤浸提液礦質氮含量統計圖。由于土壤浸提液中銨態氮濃度遠大于硝態氮濃度，因此圖8和圖9規律基本一致，即：2016年3月3日土壤礦質氮含量顯著大于2015年10月26日，凍融過程顯著增加了土壤的礦化速率，該結論與李源等的研究結論一致，即長期自然狀態下的凍融會增加土壤的礦化速率[9]，但土壤含水率的變化（3月23日與3月24日取樣比較）對土壤礦化速率無顯著影響。

a.不同階段表層土壤礦質氮濃度

a. Mineral nitrogen concentration in soil at different stages

b.不同下墊面表層土壤礦質氮濃度

圖9 不同下墊面和階段土壤礦質氮含量

表1為不同階段土壤浸提液中銨態氮和硝態氮占礦質氮的比例統計表。由表1可知，土壤中銨態氮是礦質氮的主要組成部分，土壤凍結前其所占比例為80.66%，由2.2和2.3節的分析可知，土壤凍結過程顯著增加了土壤銨態氮含量并減小了硝態氮含量，因而使得凍土融化期銨態氮在礦質氮中的比例增加到了90%以上，這一結果與謝青琰等的研究結果一致[10]。由于土壤是帶負電荷的膠體，銨態氮帶正電荷更易于附著在土壤中，硝態氮帶負電荷更容易淋失[26-27]，因此該作用有利于減少融雪產流初期土壤中礦質氮的流失，增加土壤中礦質氮的有效性。

表1 不同取樣階段土壤銨態氮和硝態氮占礦質氮的比例

3 結 論

本章通過對季節性凍融農業區表層土壤的原位培養試驗，探究了凍融過程對表層土壤礦質氮有效性的影響。研究結果表明：

1）凍結過程使各下墊面表層土壤中銨態氮含量增加了170%，硝態氮含量減少19%，進而增加了土壤礦質氮含量及銨態氮所占比例，同時使各下墊面之間土壤銨態氮含量變異系數減小36%，硝態氮含量變異系數增加了250%。

2）在凍土的融化過程中，土壤銨態氮含量無顯著變化，硝態氮含量顯著增加后趨于穩定。凍土融化初期，積雪融化和積雪融化與凍土融化的疊加過程使各下墊面土壤之間銨態氮含量變異系數分別增加了39%和48%，使硝態氮含量變異系數分別減小了65%和40%，但大部分階段硝態氮變異系數大于銨態氮。

3）積雪融化顯著增加了土壤含水率，但土壤含水率的增加對土壤中銨態氮和硝態氮變化均無顯著影響。

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In situ experiment on change law of soil mineral nitrogen availability in seasonal freezing agricultural areas

Zhao Qiang1,2, Wu Conglin2, Wang Kang1, Chang Dan1,2, Huang Jiesheng1※

(1.,, 430072 China; 2.,,,, 430010 China)

Northeast China is one of the most important grain production regions in China. It is characterized by seasonal freezing and thawing that is a key driving force of nitrogen migration and transformation due to the associated changes in soil structure such as aggregation, hydrothermal environment, which in turn reshapes soil microbial community and their functions. That substantially alerts the bioavailability of mineral nitrogen. Most studies on effect of freezing-thawing on nitrogen cycle in soil were based either on column packed with homogeneous soil by controlling the freezing and thawing temperature with specified freezing-thawing period, or on watersheds in natural ecosystems such as forest and arctic alpine. There is paucity of work on nitrogen cycle in farmlands with periodic freezing and thawing despite its importance in helping improve fertilizer management. The purpose of this paper is to bridge this gap. In situ nitrogen cultivation experiment was conducted at five fields with different vegetation from 2015 to 2016 in a seasonal freezing-thawing region in northwest China. Modified resin core method was used to take six batches of soil samples before and during the freezing-thawing period for nitrogen analysis. Results show that freezing increased ammonium content in the surface soil by 170% while reducing nitrate content by 19%. In addition, freezing reduced the difference coefficient of ammonium content between different vegetation by 36% and increased the associated difference coefficient for nitrate content by 250%. Thawing did not significantly change the ammonium content, yet asymptotically increased the nitrate content. Snow melting and soil thawing increased the difference coefficient of ammonium content by 39% and 30% while reducing the difference coefficient of nitrate content by 65% and 40%, respectively, at early melting and thawing stage. The substantial increases in soil moisture following snow melting boosted ammonium production at the expense of nitrate nitrogen although at insignificant level.

soils; nitrogen; seasonal freezing; agricultural area; availability

2019-01-17

2019-5-10

國家自然科學基金（51379152，51179203）；國家十二五重大科技專項（2012ZX07201-006）

趙強，博士，主要從事農田水環境方面研究。Email：zhaoqiangwhu@163.com

黃介生，教授，博士，主要從事農田排水與水環境以及節水灌溉理論方面研究。Email：410998129@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.017

TV 122

A

1002-6819(2019)-17-0140-07

趙 強，吳從林，王 康，常 丹，黃介生. 季節性凍融區農業土壤礦質氮有效性變化規律原位試驗[J]. 農業工程學報，2019，35(17)：140－146. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.017 http://www.tcsae.org

Zhao Qiang, Wu Conglin, Wang Kang, Chang Dan, Huang Jiesheng. In situ experiment on change law of soil mineral nitrogen availability in seasonal freezing agricultural areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(17): 140－146. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.017 http://www.tcsae.org