冬季增溫對東北農田黑土氮磷有效性的影響

王子龍，孫秋雨，姜秋香 ，劉傳興，陳昊輝，單家珣，王 凱

（東北農業大學水利與土木工程學院,哈爾濱 150030）

0 引言

根據政府間氣候變化專門委員會（The Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次報告，從1850—1900 年，全球地表平均溫度已上升約1 ℃，預計21 世紀末全球平均地表溫度將上升1.0～5.7 ℃[1]。在氣候變暖背景下，各個季節的升溫趨勢也不盡相同，冬季溫度的變化幅度更為明顯[2]，地表凍融循環受到影響[3]，進而使土壤養分發生變化[4]。

土壤中的氮素和磷素是植物生長發育的必要元素，其豐缺程度會直接影響植物的生長與發育，而大多數情況下氮、磷素只有從有機態轉化為無機態后，才能成為被植物有效吸收的養分[5]。研究指出[6]，冬季氣溫變化直接作用于土壤表面，使其溫度在凝固點上下變化，除土壤溫度外，氣候變暖還可能改變土壤含水率、積雪深度、凍結深度和土壤凍融循環作用等。同時，影響著氮、磷元素循環轉化的各個階段，并對微生物數量和活性、土壤養分的積累和釋放均有重要作用[7]。溫度是控制土壤氮磷循環過程中最重要的氣候因素，溫度的升高通常可以加速土壤有機質的分解，促進土壤養分的積累[8]。趙長盛等[9]綜合分析了溫度和水分對華中地區土壤氮礦化的影響，結果表明：土壤礦化速率受溫度、濕度及溫濕交互作用的影響。COUGHENOUR 等[10]研究結果表明：溫度是影響土壤氮礦化最重要的非生物因素，土壤溫度的升高會影響土壤氮素的礦化、有機質的分解、土壤養分的含量和遷移過程。LI 等[11]在中國福建使用加熱電纜模擬氣候變暖情況，結果表明：增溫會改變土壤微生物群落結構和各項酶活性，進而導致土壤氮素的嚴重失衡。CHEN 等[12]對青藏高原的研究發現，氣候變暖顯著增加了土壤的呼吸作用，導致生態系統氮循環加快。WANG 等[13]研究發現，土壤磷組分主要儲存在大團聚體中，而持續變暖導致土壤大、小團聚體的變化，進而影響不同團聚體中磷組分的分布。RUI 等[14]探究表明：全球變暖可能刺激微生物分泌磷酸酶，有助于有機磷的礦化，最終導致速效磷濃度的提高。HAN 等[15]模擬冬季平均氣溫的自然情景，結果表明：不同土壤之間差異與土壤有機質濃度和土壤微生物的差異性有關，快速的凍融交替對土壤微生物群落功能及其恢復能力影響較大。綜上所述，預估土壤有效氮、磷濃度的動態變化、積累和釋放，對土壤生物的生長和發育都有至關重要的作用。

東北地區作為中國多年凍土主要分布區，每年東北的農田黑土會有近一半的時間處于凍融循環狀態中，受全球氣候變暖影響頗深，冬季土壤溫度的上升導致其含水率、積雪深度和凍結深度受到影響[16]，從而改變土壤的凍融循環頻次，進而使土壤有效氮、磷的積累和釋放發生一定變化[17-18]。土壤溫度對土壤氮、磷濃度動態變化具有較大影響[19]，以往的研究主要通過改變東北地區土壤理化性質來間接模擬氣候變暖對東北地區土壤各項指標的影響，例如提高土壤溫度和含水率、增加凍融循環次數或者改變土壤表面積雪的覆蓋情況，大部分研究表明，氣候變暖造成東北地區土壤養分大量流失[20-21]。一部分研究則直接模擬氣候變暖對于土壤的影響，即通過埋設增溫管或開頂式氣室來模擬氣候變暖情況。但以上研究均沒有考慮氣候變暖的增溫本質，通過改變土壤理化性質來模擬氣候變暖不符合實際自然現象，可能導致土壤自身生化反應發生改變，并且增溫管和開頂式氣室等增溫設備的使用對土壤原位屬性產生影響。紅外輻射增溫儀器通過紅外輻射加熱土壤來模擬氣候變暖情況，對土壤進行無接觸式增溫，是模擬全球溫度升高的最佳方法[22]，更加貼近氣候變暖的真實情況。因此，本文以東北農田黑土區土壤為研究對象，探究冬季東北農田黑土在氣候變暖背景下，土壤有效氮、磷動態變化，分析冬季增溫對土壤有效氮、磷耦合機制的影響，以期為氣候變暖背景下東北農田黑土養分調控提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

于2021 年11 月—2022 年5 月在黑龍江省哈爾濱市東北農業大學水利綜合試驗場內進行試驗。該試驗地每年生長季節均會種植一次大豆，并在9 月進行收割和重新翻地處理。地塊旁有穩定的電力來源，便于長期觀測，調整和取樣操作。哈爾濱地處中國東北北部地區，黑龍江省南部，屬溫帶大陸性季風氣候，研究區地理坐標為126°45'32″E、45°44'41″N，冬季寒冷干燥，春季氣溫也處于低溫狀態。歷年平均氣溫3.6 ℃，冬季多年平均氣溫為-4.2 ℃，最冷月平均氣溫-19.6 ℃。年積雪覆蓋期平均110 d，無霜期140 d，無多年凍土層，試驗期內研究區氣溫和降水動態變化見圖1。哈爾濱地區土壤類型種類較多，共計9 個土壤類型，其中黑土為研究區主要土壤，同時也是數量最多、分布最廣的土壤類型，不同土層的土壤基本理化性質見表1。

表1 供試土壤基礎理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soil

圖1 試驗期內研究區氣溫、降水動態Fig.1 Dynamics of air temperature and precipitation in the study area during the experimental period

1.2 試驗設計

本次試驗于2021 年11 月—2022 年5 月進行不同溫度的冬季試驗，選擇12 個相對平整的地塊進行2 種處理分別為增溫處理（W）和對照處理（C）。其中6 個地塊為增溫處理，6 個地塊為對照處理，增溫處理地塊與對照處理地塊交錯布置，每個地塊長3 m，寬2 m，不同地塊之間有1 m 寬的間隔作為隔離帶。將紅外輻射加熱器（MRM2420，卡格羅電子有限公司，美國，溫度精度為±0.5 ℃）設置在相應地塊正上方1.2 m 處，保持土壤表層溫度增溫幅度達到預設標準。由于IPCC 第一次工作組在第六次評估報告中提出：21 世紀末全球平均地表溫度預計將上升1.0～5.7 ℃[1]。同時，冬季氣候變暖現象較夏季更為明顯[2]，故本次試驗增溫設定為5 ℃，且在試驗期內一直保持工作狀態，對照處理地塊上方布置相同材質的灰色金屬殼以消除誤差影響。同時，由于冬季低溫和寒風的影響，氣溫浮動幅度較大，可能與試驗設定有差距，具體如圖2 所示。每次取土使用內徑5 cm、內高15 cm 的圓柱型不銹鋼取土器，分別從每個地塊土壤表層隨機選取3 個直徑為5 cm、深度為15 cm 的圓柱形土壤樣品放入無菌袋中。人工將土壤樣品中的石塊，植物根系以及其他雜質去除，并將3 個土柱均勻混合。用于土壤銨態氮（ammonium N，-N）、硝態氮（nitrate N，-N）、全氮（total N，TN）、微生物量氮（microbial biomass N，MBN）、速效磷（available P，AP）和全磷（total P，TP）濃度的測定。

1.3 理化生物指標測定

將冬季分為4 個時期：初冬期（early winter period，EWP，2021 年11 月1 日—2021 年11 月5 日）；凍融期（freeze-thaw period，FTP，2021 年11 月5 日—2021 年11 月20 日）；凍結期（soil freezing period，SFP，2021年11 月20 日—2022 年2 月26 日）和融化期（soil melting period，SMP，2022 年2 月26 日—2022 年5 月5 日），各時期各采樣一次。

1）土壤溫濕度：在每個地塊中心位置放置一臺土壤溫濕度傳感器（ET100，北京東方生態，中國）用來監測土壤0～100 cm 土層深度的溫度和水分，土壤溫度測量精度為±0.5 ℃，土壤濕度測量精度為±2%，土壤溫濕度數據由采集器每隔60 min 自動收集并記錄一次。將土壤溫度低至0℃以下至少3 h，然后土壤溫度再上升至0℃以上至少3 h 定義為1 次凍融循環[21]。

2）土壤積雪深度：對于每個地塊的積雪覆蓋情況，使用量雪尺每5 d 測量一次。

3）土壤凍結深度：在每個地塊中心安裝一臺凍土器，來監測冬季試驗期間土壤凍結深度的變化，每5 d 進行一次測量記錄。

4）累計平均值的計算式如下[23]：

1.4 數據處理和統計分析

使用Microsoft Excel 2019 對試驗數據進行初步整理，采用SPSS 26.0、Origin 2021 進行數據處理、統計分析以及繪制圖形。采用單因素方差分析（analysis of variance，ANOVA）對不同處理下土壤環境因子、土壤有效氮磷、MBN、TN、TP 濃度進行顯著性檢驗。對初冬期、凍融期、凍結期和融化期的土壤各項指標與理化生物指標進行顯著性分析、冗余分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 東北農田黑土環境因子對冬季增溫的響應

由表2 可知，增溫組（W）的最大凍結深度在2022年3 月4 日到達峰值（122.00 cm），對照組（C）最大積雪深度在2022 年3 月4 日到達峰值（22.88 cm），最大凍結深度在2022 年3 月24 日到達峰值（133.00 cm）。相較于對照組而言，冬季增溫下的土壤開始凍結時間推遲24 d，而開始融化時間提前15 d，并在2022 年5 月5日土壤完全融透。

表2 不同處理下土壤的積雪深度和凍結深度變化特征Table 2 Variation characteristics of snow depth and freezing depth of soil under different treatments

圖3 表示不同處理下土壤溫度、含水率的動態變化過程。凍融期，不同冬季環境條件土壤溫度、含水率變化趨勢較為平穩，增溫組土壤開始凍融循環日期較對照組推遲14 d。凍結期時，土壤溫度、含水率均處于下降趨勢，此時對照組土壤含水率達到試驗期內最低值，為5.59%，增溫組與對照組表層土壤溫度、含水率差值最大分別為7.79 ℃、23.99%；不同冬季環境條件下土壤溫度、含水率在凍結期末段大致趨于穩定。融化期，2 組土壤溫度變化呈增加趨勢，增溫組和對照組表層土壤溫度達到整個試驗期最大值為（25.05、19.08 ℃），冬季增溫導致此時土壤表層土壤溫度提高5.97 ℃；在2022 年4 月22 日，增溫組和對照組土壤含水率接近，隨后增溫組土壤含水率開始降低，增溫組土壤10 cm 含水率達到最低值（8.25%），增溫組土壤結束凍融循環日期較對照組提前19 d。整個試驗期后，冬季增溫顯著提高0 cm 土壤溫度5.01 ℃、5 cm 土壤溫度5.34 ℃、10 cm 土壤溫度5.66 ℃、20 cm 土壤溫度5.01 ℃、10 cm土壤含水率10.50%、20 cm 土壤含水率12.65%和凍融循環次數11 s，2 種處理下土壤環境因子的顯著性分析詳見表3。

表3 2 種處理下土壤環境因子的顯著性分析Table 3 Significance analysis of soil environmental factors under two treatments

圖3 不同處理下土壤溫度和含水率的變化特征Fig.3 Variation characteristics of soil temperature and humidity under different treatments

圖4 不同處理下土壤銨態氮和硝態氮變化特征Fig.4 Variation characteristics of soil ammonium nitrogen and nitrate nitrogen under different treatments

2.2 東北農田黑土有效氮素對冬季增溫的響應

不同冬季環境條件下土壤TN 和MBN 濃度變化如圖5 所示。冬季增溫條件下，土壤TN 濃度呈現先增加后降低的趨勢，并在凍融期內達到最大值（1 263.25 mg/kg）；增溫組土壤MBN 在前2 個時期持續增加并達到峰值（17.15 mg/kg），在隨后的凍結期濃度降低，最后在融化期土壤MBN 再次升高；對照處理下，土壤TN 濃度在整個試驗期內穩步上升，并在凍結期和融化期達到峰值（1 499.50 mg/kg），凍結期和融化期全氮濃度差異不顯著。對照組土壤MBN 與增溫組趨勢相近，均呈現出先增加后降低再增加的動態變化特征。對于2 種處理下TN 和MBN 的變化，在整個試驗期，冬季增溫均顯著降低了其濃度，融化期增溫組與對照組TN 濃度差異最為顯著，降低幅度超過一半；土壤MBN 在凍結期和融化期，增溫組相較于對照組均顯著降低其濃度，并在融化期時差距最為明顯，增溫組土壤MBN 濃度顯著降低了21.48%；凍融期，不同環境處理條件下，土壤MBN 濃度差異性不顯著；凍結期，增溫處理顯著增加了1.4 倍的土壤MBN 濃度。增溫處理導致各時期TN 濃度總和顯著降低18.67%，MBN 總濃度增加了9.54%。

2.3 東北農田黑土有效磷素對冬季增溫的響應

不同處理下土壤AP 和TP 濃度變化如圖6 所示。增溫處理下，土壤AP 濃度先上升而后穩定，在融化期達到峰值（24.59 mg/kg），土壤TP 則為先上升后下降，在凍融期達到峰值（0.46 mg/kg）；對照處理下，土壤AP總體趨勢為先下降后上升再下降，在凍結期時為最大值（21.95 mg/kg），土壤TP 濃度與增溫組TP 變化趨勢相反，為先減少后增加，在融化期達到最大值（0.43 g/kg）。對于2 種處理下AP 和TP 變化，土壤AP和TP 在前3個時期受不同處理條件下的差異大致相同，在凍融期和凍結期，增溫組土壤AP 和TP 濃度顯著高于對照組土壤；在凍融期差異最為顯著，增溫組土壤AP 和TP 濃度顯著高于對照組土壤AP 和TP 濃度（41.77%和30.49%），最后在融化期，土壤AP 在對于2 種處理條件下，增溫組土壤AP 濃度顯著大于對照組濃度，為25.54%；對照組土壤TP 顯著高于增溫組TP 濃度，為12.61%。增溫處理導致各時期土壤AP 濃度總和顯著增加15.58%；TP總濃度降低了4.41%。

2.4 冬季增溫下東北農田黑土有效氮、磷與環境因子的響應關系

為進一步探討東北黑土有效氮磷濃度與環境因子之間的響應關系，采用冗余分析進行統計學分析。由圖7可知，不同處理下的環境因子對土壤有效氮磷的影響存在差異。第1 軸對響應變量的累積解釋量為34.23%，前2 軸對響應變量的累積解釋量達到59.04%，說明2 種處理條件下，前2 軸所形成的二維線性關系可以充分反映東北農田黑土有效氮磷與環境因子之間的響應關系。

圖7 不同處理下有效氮磷與環境因子的關系Fig.7 Relationship between available nitrogen,phosphorus and environmental factors under different treatments

圖7 可以直觀顯示出增溫處理下土壤有效氮磷與環境因子之間的關系，各個環境因子到響應變量的截距反映了對響應變量的解釋量大小，其中土壤溫度、含水率、凍融循環次數、積雪深度以及凍結深度等各項因子對土壤有效氮磷的影響程度均一定的解釋率（其中0 cm 土壤溫度由于波動較大，對其他因子無顯著影響）。20 cm土壤溫度、10 cm土壤溫度和積雪深度在所有環境因子中所分配的解釋率最大，即條件效應，分別為21.7%、16.8%和15.6%。

由圖8 可知，不同處理下土壤氮磷比的動態變化特征差異顯著。增溫處理中土壤有效氮磷比（-N+-N ）/AP 在凍融期和融化期均顯著低于對照組土壤，而在初冬期和凍結期，2 種土壤氮磷比差異性不顯著，增溫組土壤有效氮磷比值由初冬期0.48 下降至融化期0.25；對照組土壤有效氮磷比值由初冬期0.48 上升至融化期0.95，冬季增溫導致土壤有效氮磷比顯著降低331.82%。土壤全氮比（TN/TP）可以明顯看出，增溫作用對土壤全氮磷比有顯著削減作用，增溫組土壤全氮磷比呈明顯下降趨勢，比值由初冬期3.53 下降至融化期2.74，而對照組土壤全氮磷比呈上升趨勢，比值由初冬期3.30 上升至融化期4.18，整個試驗期后，增溫組土壤全氮磷比顯著降低41.05%。

圖8 不同處理下土壤氮磷比變化特征Fig.8 Variation characteristics of soil N/P under different treatments

表4 相關性分析結果顯示，土壤有效氮磷比和全氮磷比與凍融循環次數均呈顯著正相關。土壤全氮磷比與各層土壤溫度、20 cm 土壤含水率、凍融循環次數呈顯著負相關（P＜0.05），與積雪深度呈極顯著正相關（P＜0.01）。

表4 不同處理下土壤氮磷比與環境因子的關系Table 4 Relationship between soil nitrogen phosphorus ratio and environmental factors under different treatments

3 討論

3.1 冬季增溫對東北農田黑土環境因子的影響

本文結果表明：冬季增溫首先作用于表層土壤使土壤溫度在各時期均有顯著提升，增溫幅度可以保持在5 ℃左右，進而導致增溫組表層土壤在整個試驗期內無積雪覆蓋。同時，增溫組土壤表面無積雪，使得土壤表層溫度波動較大，從而導致土壤凍融循環頻次的增加，進而產生相應的生化反應，最終可能致使土壤養分的流失[21]。此外，許多學者持有不同觀點，有相關研究表明氣候變暖導致土壤積雪變薄，保溫作用隨之減弱，從而導致土壤溫度和含水率降低[25]。本試驗采用紅外輻射加熱器模擬未來氣候變暖，結果表明：紅外加熱對冬季土壤含水率有促進作用，就時期來看，在初冬期、凍融期、凍結期和融化期前段均顯著增加土壤含水率；在融化期末端，冬季增溫顯著降低土壤含水率；除融化后期，增溫組土壤含水率大于自然組的原因可能是智墑測定的土壤含水率是代指未凍結水，冬季增溫使土壤溫度提升，未凍水含量也隨之增多，致使土壤水分有效性增強[26]。而到了融化后期，土壤溫度大于0 ℃，土壤中的水分均為未凍結水，增溫條件下土壤溫度更高，大量水分蒸發，再加之冬季增溫條件土壤凍融循環頻次增強，土壤物理結構大幅破壞，入滲量也隨之增加，最終使融化期后期土壤含水率顯著降低。冬季增溫對土壤水熱狀態的變化會改變土壤各項理化性質，動植物和微生物的活動也會受到影響，最終影響土壤養分的動態變化[24]。

3.2 增溫條件對東北農田黑土有效氮素的影響

本次試驗中，冬季增溫降低了土壤TN 的濃度，這表明冬季增溫會加快冬季土壤氮循環[32]，從而增加增溫組土壤中更多的氮損失。不同冬季環境條件下土壤全氮含量差異在融化期最為顯著，增溫有利于植物對氮的吸收，進而導致土壤全氮的進一步減少[33]。土壤MBN 濃度隨土壤含水率的升降而變化，這與冗余分析結果保持一致，即土壤MBN 濃度與土壤含水率呈顯著正相關關系，與凍融循環次數呈顯著負相關關系，室內凍融模擬試驗也發現了相似的現象，隨著凍融循環次數的遞增，土壤MBN 表現為先增加后減少的趨勢，且凍融溫差越大MBN 減少幅度也相應越大[34]，這與本研究的發現基本吻合。在凍結期，土壤大量水分凍結，可利用水急劇降低，當水分不足時，土壤微生物可能會休眠、活性降低甚至死亡，導致分解能力降低或停止[35]，而冬季增溫導致土壤含水率顯著高于對照組土壤，進而使MBN 在凍結期顯著高于對照組；土壤融化時，土壤含水率明顯升高。可利用的水分和通氣程度相應增加，為微生物修復受損和大量生長創造了必要條件，土壤微生物濃度急劇上升[36]。并且相較于增溫處理，對照組土壤凍結期溫度較低，受凍結作用死亡的微生物細胞增多，進而釋放出更多碳、氮等物質，為殘余微生物提供大量的營養物質[37]，由此可能導致對照組土壤MBN 濃度顯著高于增溫組。上述結果表明，增溫處理可以通過控制土壤溫濕度來調節土壤氮素的礦化作用，進而影響土壤有效氮素的濃度[9]。

3.3 增溫條件對東北農田黑土有效磷素的影響

磷素是維持作物生長發育的必要養分，同時，磷素的淋溶可通過地表徑流、滲透淋溶等方式進入地下水，威脅著地下水安全，造成環境污染[7]。本研究結果表明，冬季增溫顯著增加了土壤AP 濃度，其主要原因可能在于增溫帶來凍融循環次數增加所導致，冗余分析結果表明AP 濃度與凍結深度和凍融循環次數呈顯著正相關關系（圖7），本研究結果與這與錢多等[38]的研究一致。可能的原因有3 點：1）冬季增溫導致凍融循環次數增多，進而提高了土壤的滲水性和釋水性，土壤對磷的吸附量降低，促進了磷元素的釋放，增加了AP 的溶解[39]，包含在土壤礦物顆粒和吸附在土壤膠體上的磷在隨水分遷移的過程中發生了形態轉換[5]；2）由于土壤凍結作用，破壞土壤團聚體結構[26]，導致土壤微生物細胞破裂，細胞中的營養物質被釋放到土壤中，同時土壤溫度降低和水解作用的相互影響下，進一步礦化為AP[7]；3）冬季增溫直接增加土壤中磷酸酶的活性，促進土壤有機磷的礦化作用[14]。對于土壤TP 濃度的變化，土壤融化階段，增溫組土壤中固態水融化，表層土壤水分趨于飽和狀態，土壤含水率的增加為養分的淋溶提供了載體[40]，同時，含水率增加導致表層土壤暫時出現厭氧狀態，促進了土壤TP 釋放到土壤溶液和孔隙水的過程[41]。SARDANS等[42]研究結果表明，變暖增加了土壤磷酸酶的活性，導致土壤TP 濃度的下降。以上均加劇了冬季增溫處理下土壤TP 的損失[38]。

3.4 增溫條件對東北農田黑土氮磷耦合的影響

植物氮磷比是植物生長過程是否受限的一個重要指標，而土壤作為植物生存的主要物質基礎，自身氮磷的耦合情況與植物氮磷比密切相關[43]。因此，土壤氮磷比可以作為評估生態系統健康的有效指標[44]。本研究中結果表明，冬季增溫顯著降低土壤有效氮磷比和全氮磷比。有效氮磷比與凍融循環次數呈顯著正相關，但凍融循環次數對土壤（-N銨態氮和硝態氮-N）濃度的影響程度高于速效磷；全氮磷比與積雪深度呈極顯著正相關，表明積雪深度對全氮和全磷濃度的影響程度不一致，這與JIAO 等[45]研究結果基本符合，增溫顯著降低有效氮磷比和全氮磷比。同時，氮磷耦合機制不僅受氮、磷自身濃度的影響，還受周圍環境因子的作用，如土壤溫度、土壤含水率、凍融循環次數、積雪深度等[43]，土壤氮、磷素對冬季增溫的不同響應機制改變了耦合關系。冬季增溫下土壤氮磷比的減少，代表銨態氮與硝態氮和速效磷以及全氮和全磷之間的耦合機制因冬季增溫而減弱，這表明氮素成為土壤中的限制性養分，黑土區農田土壤中氮素流失問題嚴重。

4 結論

本文通過對東北農田黑土進行冬季增溫試驗，探究模擬氣候變暖對土壤有效氮、磷的影響。研究結果表明：

1）冬季增溫對東北農田黑土的溫度和含水率有較大影響，冬季增溫使冬季土壤水分可利用性增強，而加劇了融化后期，即初春期的干旱化，從而帶來了積雪覆蓋狀況及土壤凍融態勢的變化，同時使凍結時間點推遲，融化時間點提前，增加了凍融循環次數。

2）經過整個試驗期的冬季增溫作用下，黑土區土壤養分大量流失，其中土壤銨態氮、-N、全氮、微生物量氮和全磷濃度均受溫度影響而受到不同程度的降低。但冬季增溫導致土壤速效磷濃度顯著增加25.54%，磷素通過地表徑流，滲透淋溶等方式形成淋溶現象造成水體富營養化和地下水受到污染。

3）冬季增溫深刻影響了東北農田黑土氮、磷有效性，土壤氮、磷耦合作用因冬季增溫處理而削弱，耦合機制的破壞可能對東北地區生態系統產生負面影響。