季節性凍融區農業土壤礦質氮有效性變化規律原位試驗

印祥民

摘要：由于我國可耕種土地資源非常有限，且不同區域農業用地性狀存在較大差異，因此，研究季節性凍融區農業土壤礦質氮有效性的變化規律具有非常重要的現實意義。本文從實際出發，提出當前季節性凍融區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試驗，希望可以給相關研究人員提供一些有用的建議。

關鍵詞：季節性凍融區；土壤；氮素

根據現有的研究資料來看，全球約55%～70%的陸地面積會受到季節性凍融交替的影響，而在凍融區環境下，由于季節和晝夜溫差的變化，土壤中有機物分解緩慢，有機氮向無機氮轉變受限，可供植物吸收的礦質氮相對缺乏，所以該地區農業生產力受土壤氮素有效性的限制非常明顯。因此，研究季節性凍融區農業土壤礦質氮有效性的變化規律具有非常重要的意義。本文從實際情況出發，首先分析了季節性凍融區農業土壤氮素存在的特點以及現有研究中關于凍融區土壤礦質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原位試驗的具體過程，最后對研究內容進行總結分析，旨在推進凍融區現代化農業生產，提高該地區農業經濟收益。

土壤凍融現象普遍存在于中、高緯度及高海拔地區，我國的東北、內蒙古、新疆、西藏等主要農作物產區都處于凍融區影響范圍內。土壤凍融主要指的是土壤因為季節溫差過大，土層中的水在氣溫周期性的正負變化影響下，不斷發生相變和遷移，使土層反復凍結融化，導致土體或巖體結構發生不同程度的破壞、擾動。而土壤中氮素含量及自然循環是保證農作物正常生長的重要影響因素，因此，了解季節性凍融區農業土壤氮素存在的特點，是保證凍融區農業正常生產的先決條件。

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地、凍融強度、持續時間、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，在短時間內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。可供植物吸收的氮素主要以礦物質無機氮的形式存在，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變為無機氮。凍融交替對土壤氮礦化的影響是非常復雜的，一方面，土壤的凍融會在一定程度上破壞原有的土壤結構，使得無機氮成分增加；另一方面，死亡微生物提供的營養物質有利于微生物的礦化作用，但隨著凍融交替次數的增加，積累的礦質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氮排放。氣態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成，還有土壤凍結溫度、凍結時長以及凍結頻率等因素。研究人員需要結合實際情況，因地制宜地進行土壤氣態氮排放研究，通過多種方式減少氣態氮的排放，提升土壤氮素利用率，提高當地農作物產量。

2 當前季節性凍融區土壤礦質氮有效性研究存在的問題

隨著農業科學技術的不斷發展，人們已經認識到凍融區土壤礦質氮含量對農業生產的重要性，并通過不斷試驗對凍融區土壤氮素構成與循環有了更深層次的發現，但從當前土壤礦質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，具體表現為以下幾點。

第一，現如今對凍融區土壤礦質氮有效性的實驗多在室內進行，雖然實驗硬件和軟件水平得到顯著提升，可以較為準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下的凍融土壤存在較大的差異性，使得最終得到的實驗結果并不具有普適性。

第二，從具體實驗過程以及結論推導來看，當前大部分礦質氮有效性實驗的研究重心集中在土壤凍結溫度、土壤凍融循環次數上，但對土壤水分含量這一重要影響因素鮮有關注，很容易導致研究結果出現較大偏差。

第三，基于對多份相關論文的研究，當前凍融區土壤礦質氮有效性研究多以高緯度地區森林、苔原、草地作為課題研究的對象，但這些地區具有一個統一特性，就是很少受到人為因素的影響，與現代農業地區土壤成分有著較為明顯的區別，因此，所得出的研究結果并不適用于凍融區農業生產。所以，研究人員需要更換研究角度，對現有研究方式進行創新和改進。

原位試驗是研究巖土結構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境中，盡可能地減少人為因素干擾，在設定的時間范圍內觀察巖土內部在自然因素影響下所產生的理化性質變化。實驗的主要目的是希望通過局部測試，“以點帶面”的總結區域范圍內巖土結構變化規律。

原位實驗與實驗室實驗具有較為明顯的差異性，其優點在于可以較為準確和直觀地反映巖土結構和成分在自然環境下的演變過程，且實驗消耗較小，具備重復性、多點測試、區域測試等特點。此外，原位實驗本身也存在一些不可忽視的缺點，主要表現為實驗獲得數據較為繁雜，實驗人員需要在眾多數據中找尋符合自身需要的數據信息，這就給后續的數據整理和理論推導帶來一定的困難，也因此對數值測定的準確性有著較高要求。

4.1 實驗準備材料

本文在傳統土壤原位實驗的基礎上進行了一定程度的創新，采用改進的樹脂芯法。根據實驗需要，實驗前期需要準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；總質量為10克的陰陽離子交換樹脂；以及封頂的尼龍網等。

4.2 實驗方式和具體過程

首先，為了保證實驗的準確性，實驗選址應該具備多樣性，即選擇凍融區林地、農田、河岸、牧場等不同類型區域進行，盡可能地選擇3種或3種以上區域同時進行。其次，設置土壤礦質氮原位培養皿的過程中應該按照以下步驟進行。一是用PVC管材進行取土作業，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流通，再重新埋入土壤中，露出地表10厘米。二是在管內土壤頂端放置好3厘米的塑料支架，再塞入陰陽離子交換樹脂。三是用尼龍網將管口進行封堵，在保證培養皿內部氣體交換的基礎上，減少飄入管內的降雨、降雪，保證土壤中的含水量，提升實驗數據有效性。最后，在同一地點選擇不同時間段設置實驗組進行對比，以此來保證實驗數據的多樣性。

通過改進的樹脂芯法原位實驗，對季節性凍融農業區域的表層土壤進行對照實驗，探究了凍融交替過程對農業區域表層土壤礦質氮有效性的影響。具體研究結果有以下幾點。

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

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

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

為了更好地提升凍融區農業經濟，研究季節性凍融區農業土壤礦質氮有效性是非常有必要的。本文基于土壤礦質氮原位實驗相關數據，在凍融區進行農業生產過程時，可以通過改變土壤水熱狀況來影響凍土內部結構和土壤微生物特性，進而影響地區氮素的生物循環，提高凍融區土壤肥力，促進當地農業快速發展。