凍融作用對遼東山地古冰緣地貌不同植被類型土壤無機氮的影響

韓青 范志平* 白潔 陳寒 李一凡

（1. 遼寧石油化工大學環境與安全工程學院，遼寧撫順 113001；2. 遼寧大學環境學院，遼寧沈陽 110011）

1 引言

凍融作用是由于氣溫的變化致使土壤溫度上下波動而出現的季節性凍融過程［1］，多發生于高海拔、中高緯度和部分溫帶地區［2］。遼東山地屬季節性凍土類型，秋冬季節和初春存在明顯的交替凍融過程［3］，通過改變土壤水熱運動規律［4］，影響微生物活性、植物凋落物分解以及有機質礦化作用，從而影響土壤養分循環過程［5-6］，進而導致流域內不同植被類型土壤有機氮的轉化和無機氮的動態變化，對流域地表水環境質量產生潛在影響。因此，開展凍融作用對不同植被類型土壤無機氮變化影響的研究，揭示該地區凍融作用對土壤理化性質的影響，可以為流域土壤生物地球化學過程及地表水環境質量動態變化提供依據［7-8］。

2 材料與方法

2.1 區域概況

本文研究區域位于遼寧老禿頂子自然保護區古冰緣地貌區，受第四紀期末次冰期影響，區內分布有石海、石河、石流坡等古冰緣地貌類型。11 月初至翌年3 月上旬是土壤凍融循環的發生期。該區域屬北溫帶大陸性季風濕潤氣候，年均氣溫6 ℃，年降雨量651～1 315 mm，是長白植物區系與華北植物區系的交錯地帶，植物物種資源豐富［9］，土壤類型主要是棕色森林土和暗棕色森林土。根據研究地區氣候數據資料，該地區11 月表土開始經歷凍融過程（凍融初期），隨著氣溫降低土壤凍結強度不斷發展，之后至翌年3 月隨著氣溫回升表土經歷解凍過程的凍融階段（凍融末期）。

2.2 試驗材料

在研究區域設置5 個類型樣地，凍融初期（11月中旬）和凍融末期（翌年3 月下旬）分別于色木槭—蒙古櫟林（AM）、白樺—山楊林（BP）、落葉松—紅松林（LK）、紅松—蒙古櫟林（KM）、蒙古櫟—東北紅豆杉林（MO）等5 個植被類型的樣地多點采集表層（0～10 cm）土壤樣品后混合均勻。將新鮮土壤去除根系等雜質帶回實驗室，用于各項指標測定分析。

2.3 分析方法

土壤含水量采用105 ℃烘干法測定；土壤pH 利用pH 計（PHS-25，上海儀電科學儀器股份有限公司）測定（土水比為1 ∶2.5）；土壤電導率（EC）利用電導率儀（DDS-11A，上海霄盛儀器制造有限公司）測定（土水比為1 ∶5）；土壤無機氮（SIN，包括NH4＋-N，NO3--N）含量利用2 mol/L 氯化鉀溶液浸提土壤，流動分析儀（Autoanalyzer Ⅲ，Bran＋Luebbe GmbH，Germany）測定［10］；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定（GB 7857—87）；土壤全氮（TN）采用濃硫酸消煮—半微量凱氏定氮法測定［11］。

2.4 數據分析

所得數據采用Microsoft Excel 2010 進行整理和計算，采用SPSS22.0 軟件進行數據統計分析。分別對AM，BP，LK，KM，MO 這5 種植被類型的土壤測定值運用單因素方差分析（One-way ANOVA）和組間比較（Tukey HSD）對土壤理化指標進行數據分析，比較不同凍融階段和不同植被類型土壤含水量、pH、電導率、全氮、有機質、無機氮的差異，利用Origin9.0 軟件完成制圖。

3 結果與分析

3.1 凍融作用對土壤pH 和電導率的影響

土壤pH 在凍融過程中變化幅度不大［見圖1。圖中不同大寫字母表示同一指標同一凍融階段不同植被類型間差異顯著（P＜0.05）；不同小寫字母表示同一指標同一植被類型不同凍融階段間差異顯著（P＜0.05），下同］，凍融初期（BFT）土壤pH 為5.77～6.77，凍融末期（EFT）為5.70～7.18。凍融作用對土壤pH 影響因植被類型不同而有所差異，其中，AM，MO 2 種植被類型土壤pH 無顯著變化，LK 植被土壤pH呈下降趨勢，而BP 和KM 2 種植被類型呈上升趨勢。

凍融作用顯著影響不同植被類型土壤電導率值（見圖2），凍融初期土壤電導率變化范圍為57.2～160.2 μs/cm，凍融末期為41.2～111.5 μs/cm，不同植被類型土壤電導率值變化不同，其中AM，LK，KM 和MO 4 種植被類型土壤電導率值顯著下降，而BP 植被類型土壤電導率值呈上升趨勢。

圖2 凍融作用對不同植被類型土壤電導率的影響

分析結果表明，凍融作用和植被類型交互作用對土壤pH 與電導率變化產生一定的影響。

3.2 凍融作用期土壤含水量的動態變化

凍融作用對不同植被類型土壤含水量產生顯著影響（見圖3），在凍融初期土壤含水量為39.14%～67.86%，凍融末期為62.90%～128.15%，呈顯著上升趨勢，AM，BP，LK，KM，MO 5 種植被類型土壤含水率分別增加了0.32，2.14，0.09，1.10，0.59 倍。

圖3 凍融作用對不同植被類型土壤含水量的影響

3.3 凍融作用對土壤有機質的影響

土壤有機質含量受凍融作用的影響較小（見圖4），AM，BP，LK，KM，MO 5 種植被類型土壤有機質含量在凍融初期為79.57～147.51 g/kg，至凍融末期為81.30～143.20 g/kg，不同植被類型土壤有機質含量對凍融作用響應有所不同，AM，BP 和KM 3 種植被類型土壤有機質含量稍有增加，LK 和MO 2 種植被類型土壤有機質含量略有下降。

圖4 凍融作用對不同植被類型土壤有機質的影響

3.4 凍融作用對土壤無機氮及總氮的影響

土壤無機氮含量經凍融過程變化差異顯著（見圖5），在凍融初期為34.37～68.38 mg/kg，至凍融末期為8.25～20.73 mg/kg，整個凍融過程中，AM，BP，LK，KM，MO 5 種植被類型土壤無機氮含量對凍融作用 的 響 應 不 同，分 別 降 低 了82.70%，39.69%，80.05%，62.28%，82.55%。凍融作用和植被類型的交互作用顯著影響土壤無機氮含量。

圖5 凍融作用對不同植被類型土壤無機氮的影響

在凍融作用下，土壤全氮含量由3.97～7.27 g/kg變化為4.23～7.88 g/kg（見圖6）。凍融作用對土壤全氮含量的影響因植被類型的不同而有所差異，其中，AM，LK 和KM 3 種植被類型土壤全氮含量無顯著變化，BP 植被類型土壤全氮含量增加，MO 植被類型土壤全氮含量減少。

圖6 凍融作用對不同植被類型土壤全氮的影響

4 討論與結論

凍融作用引起土壤多孔介質中水分的液固相變化，進而導致土壤團聚體結構的變化［3］。凍融過程中土壤水分的遷移過程發生變化，凍結時土體的凍結緣水勢梯度大，水分自非凍結土壤向上層遷移；融化時土壤凍結層阻礙表層水分下滲，表層水分滯留導致土壤含水量提高。受凍融作用影響的土壤水分變化，進一步影響到土壤養分的變化［4，12］。土壤pH 是土壤酸堿性的標志，能調節土壤營養元素轉化并影響微生物組成［13］。已有研究結果表明，陽離子交換量及鹽基飽和度隨pH 變化而變化［14］。凍融作用改變了土壤硝化作用，促進溶解性有機氮轉化，進而導致土壤溶液酸堿性發生變化。土壤含水量影響凍融作用下土壤pH 的升降效應［12］，凍融界面及其附近區域的土壤含水量高，通氣性隨之下降，微生物反硝化作用增強，也是土壤溶液H＋濃度變化的原因之一［4］。與此同時，含水量的增加加快土壤離子遷移，土壤電導率隨之發生改變［15］。

凍融過程中土壤有機質的變化主要源于土壤微生物群落組成和活性的變化，以及土壤團聚體結構的改變。土壤中耐低溫微生物對有機質的分解作用，是土壤有機質動態變化的主要因素［8，16-17］。土壤全氮綜合反映土壤的氮素狀況，是提供土壤有效氮素的源和庫［8］。由于凍融循環過程中一方面土壤微生物失活且數量下降，另一方面低溫凍結后溫度回升且微生物恢復，影響到土壤凍融界面及附近區域土壤反硝化作用和硝化反應過程，二者的消漲關系在一定程度上影響了土壤全氮及其他氮素形態的生物化學轉化過程［18-21］。其中，土壤氮礦化是氮素遷移轉化過程中的重要環節，氮礦化產生的無機氮是土壤有效氮素的主要來源［22-25］。在凍融階段的后期，地表融雪徑流造成土壤淋溶作用增強［26-27］，也是土壤無機氮變化的原因之一。對于遼東山地古冰緣地貌不同植被類型土壤而言，凍融作用通過影響理化性質和生物學特性，對土壤氮素遷移轉化產生一定的影響，進而引起凍融后期流域地表水體中氮素運移過程的變化。