凍融循環(huán)作用對(duì)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(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110866)

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凍融循環(huán)作用對(duì)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(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110866)

摘要：[目的] 分析凍融循環(huán)作用和土壤含水率對(duì)土壤磷素的有效性產(chǎn)生的影響，為控制農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染、明確凍土區(qū)土壤的磷素循環(huán)過(guò)程和準(zhǔn)確評(píng)估區(qū)域的磷素收支提供依據(jù)。[方法] 以東北黑土為研究對(duì)象，研究?jī)鋈诖螖?shù)、土壤含水率和土壤有效磷背景值對(duì)黑土有效磷含量的影響。采用室內(nèi)模擬凍融循環(huán)的方法，凍融循環(huán)次數(shù)為30次，凍融溫差為-10~7 ℃，監(jiān)測(cè)凍融條件下黑土有效磷含量的變化。[結(jié)果] 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，它對(duì)有效磷含量的影響逐漸下降，至20～30次循環(huán)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(huán)中占主導(dǎo)地位；在0～30次凍融循環(huán)中，有效磷含量的變化表現(xiàn)出雙峰型曲線特征，相鄰凍融循環(huán)次數(shù)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(wěn)定。[結(jié)論] 凍融循環(huán)次數(shù)、土壤含水率、土壤有效磷背景值3個(gè)控制因子對(duì)有效磷含量的影響程度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變化。

關(guān)鍵詞：凍融作用； 黑土； 有效磷

目前，關(guān)于凍融循環(huán)作用對(duì)土壤磷素遷移轉(zhuǎn)化的影響，國(guó)內(nèi)外研究較少。本文以黑土為研究對(duì)象，通過(guò)人工室內(nèi)模擬凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)(FTC)、土壤含水率(W)、土壤有效磷背景值(APb) 3個(gè)控制因子對(duì)土壤有效磷含量的影響，為控制農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染提供依據(jù)，將有助于明確凍土區(qū)土壤的磷素循環(huán)過(guò)程和準(zhǔn)確評(píng)估區(qū)域的磷素收支情況。

1材料與方法

1.1　土 壤

試驗(yàn)土壤為黑土，取自黑龍江省北安市二井鎮(zhèn)(126°33′E，48°21′N)，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)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(qū)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(dòng)，土壤的凍融交替頻繁。試驗(yàn)用土為農(nóng)田0—20 cm的表層土壤，土壤運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室后過(guò)5 mm×5 mm篩，除去土壤中的植物殘?bào)w、石礫。黑土的基本理化性狀見(jiàn)表1。

表1　黑土的基本理化性狀

1.2　樣品培養(yǎng)

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(zhì)量含水率為20%的土壤樣品，每個(gè)有效磷背景值土樣均配置5個(gè)重復(fù)，將土壤分別裝在長(zhǎng)、寬、高為30 cm×10 cm×12 cm的實(shí)驗(yàn)槽中，并使土壤達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)容重0.9 g/cm3。然后，將蒸餾水均勻噴灑于土壤表面，控制質(zhì)量含水率分別為20%，30%，40%，50%，60%。最后，在實(shí)驗(yàn)槽上覆蓋保鮮膜以防止凍融過(guò)程中的水分蒸發(fā)，常溫下培養(yǎng)48 h，使磷素吸收穩(wěn)定，然后將土壤樣品放置在凍融循環(huán)儀中，設(shè)定-10 ℃條件下凍結(jié)12 h，7 ℃條件下融化12 h，凍融循環(huán)儀可以連續(xù)快速的控制溫度的上升和下降。

1.3　測(cè)定方法與統(tǒng)計(jì)分析

在凍融循環(huán)0，1，2，3，5，10，15，20，30次時(shí)取土樣，土樣在室內(nèi)陰涼處風(fēng)干，研磨后過(guò)100目篩，用0.5 mol/L NaHCO3法測(cè)定土壤中的有效磷，所有測(cè)定皆重復(fù)3次。采用SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用方差分析(One-way ANOVA)比較各因素對(duì)有效磷含量的影響。數(shù)據(jù)處理采用差值法，即有效磷含量為每1次凍融循環(huán)與0次凍融循環(huán)的差值。

2結(jié)果與分析

2.1　方差分析結(jié)果

如表2所示，3個(gè)影響因子對(duì)有效磷含量的影響隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變化。在0~30次循環(huán)中，土壤有效磷背景值(APb)對(duì)有效磷含量的影響最大，其次為凍融循環(huán)次數(shù)和含水率。0~5次循環(huán)中，凍融循環(huán)次數(shù)的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有效磷背景值和含水率，3種因子都達(dá)到顯著性影響。在5~20次循環(huán)中，凍融循環(huán)次數(shù)的影響逐漸減小，有效磷背景值的影響達(dá)到最大。20~30次循環(huán)中，凍融循環(huán)次數(shù)的影響繼續(xù)下降，有效磷背景值的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于凍融循環(huán)次數(shù)和含水率。含水率對(duì)有效磷的影響較為穩(wěn)定，在0~5和5~20次循環(huán)中影響最小。

表2　有效磷變化量的方差統(tǒng)計(jì)分析

注：F代表F檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，p為統(tǒng)計(jì)顯著性，p<0.05存在顯著性差異。

2.2　凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)有效磷含量變化的影響

根據(jù)表3得出，30次循環(huán)中相鄰凍融循環(huán)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(huán)中，各土壤有效磷含量的變化表現(xiàn)出雙峰型曲線特征，交替出現(xiàn)兩次谷值和兩次峰值，在0~5次循環(huán)中有效磷含量變化劇烈，第1次循環(huán)后有效磷含量顯著下降，下降幅度為0～2.2 mg/kg，出現(xiàn)第一次谷值，第2次循環(huán)后迅速上升，在3~5次循環(huán)中出現(xiàn)第一次峰值。

在5~20次循環(huán)中，有效磷含量的變化相對(duì)平緩，表現(xiàn)為先下降再上升再下降，在10次循環(huán)左右出現(xiàn)第二個(gè)谷值，在15次循環(huán)左右出現(xiàn)第二次峰值。20~30次循環(huán)間，有效磷含量較穩(wěn)定，30次循環(huán)后，大多數(shù)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(huán)中土壤有效磷含量的變化

注：同列不同小寫(xiě)字母表示顯著性差異(p<0.05)； 同列不同大寫(xiě)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(huán)與0次循環(huán)的差值，正值表示增加，負(fù)值表示減少。

有效磷含量在0～5次循環(huán)中變化劇烈，在1次循環(huán)后顯著下降，2次循環(huán)后逐漸升高，這與王風(fēng)等[5]的研究結(jié)果相似，即黑土的有效磷含量在-10℃和-20℃條件下，2次循環(huán)后顯著增加(p>0.05)。在0~5次循環(huán)中，凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)有效磷含量的影響占主導(dǎo)地位，凍融循環(huán)作用使土壤溫度變化速率、通氣性及土壤水分等土壤性質(zhì)發(fā)生突然性改變，微生物的活動(dòng)暫時(shí)受到影響，土壤有機(jī)質(zhì)分解和礦化過(guò)程受到抑制，因此有效磷含量在第一次循環(huán)后顯著下降。本試驗(yàn)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(jīng)受凍融循環(huán)作用，土壤中微生物對(duì)凍融循環(huán)作用的適應(yīng)性較強(qiáng)，隨著殘余微生物對(duì)凍融循環(huán)作用的逐步適應(yīng)，利用并消耗從已死亡的細(xì)菌中釋放出來(lái)的有機(jī)質(zhì)，其活性迅速恢復(fù)，且前2次的凍融循環(huán)作用激發(fā)了對(duì)有機(jī)質(zhì)最大的礦化速率[6-7]，因此3~5次循環(huán)中，有效磷含量迅速增加并達(dá)到峰值。

5~20次循環(huán)中，有效磷的含量表現(xiàn)為先下降再升高再下降的過(guò)程，在循環(huán)10~15次時(shí)出現(xiàn)第二次峰值，這期間的變化主要與土壤團(tuán)聚體有關(guān)。有研究認(rèn)為[8]，開(kāi)始的幾次凍融循環(huán)作用，土壤中少量水溶性粘結(jié)劑的沉淀使團(tuán)聚體穩(wěn)定性增加，隨后由于冰晶的形成壓縮周圍的團(tuán)聚體并產(chǎn)生斷裂面，這種減弱過(guò)程的持續(xù)發(fā)生使團(tuán)聚體穩(wěn)定性下降。Edwards等[9]的研究也得出，土壤凍融15次后，團(tuán)聚體含量整體表現(xiàn)為降低趨勢(shì)。團(tuán)聚體作為土壤的養(yǎng)料庫(kù)，隨著其逐漸破碎，土壤中有機(jī)質(zhì)的相對(duì)含量增加，有機(jī)質(zhì)起著氮、磷、鉀載體的作用，且作為微生物生長(zhǎng)繁殖必不可少的重要的能源物質(zhì)，微生物的分解能力增強(qiáng)，有效磷含量增加。15次循環(huán)后，從團(tuán)聚體中釋放出的可溶性有機(jī)質(zhì)含量下降，而土壤中原有的有機(jī)質(zhì)卻在不斷的被活著的微生物利用分解，隨著有機(jī)質(zhì)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(huán)中，凍融循環(huán)次數(shù)的影響程度持續(xù)下降。土壤性質(zhì)穩(wěn)定，土壤溶液中的養(yǎng)分元素與有機(jī)質(zhì)、微生物體之間保持平衡，即有機(jī)態(tài)養(yǎng)分的礦化和礦化產(chǎn)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(wěn)定。

2.3　含水率對(duì)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(guī)律相同，而含水率為50%和60%的土壤，變化的總體規(guī)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(xiàn)在不同的循環(huán)次數(shù)中，且有效磷含量的波動(dòng)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(huán)20~30次有效磷的變化無(wú)顯著性差異外，其余相鄰凍融循環(huán)次數(shù)間有效磷的變化量均存在顯著性差異?？梢?jiàn)，含水率越高，有效磷含量的波動(dòng)幅度越大，高含水率土壤的有效磷含量在凍融循環(huán)過(guò)程中變化較劇烈。

土壤凍融作用的本質(zhì)是土體內(nèi)水分體積的變化引起的土壤性質(zhì)的變化，所以凍融作用對(duì)土壤的影響與含水率有密切聯(lián)系。在0~30次循環(huán)中，含水率對(duì)有效磷含量達(dá)到顯著性影響，在5~20次循環(huán)中的影響程度最大，有研究表明，因?yàn)槌跏嫉膬鋈谘h(huán)作用可以加強(qiáng)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，而5次循環(huán)后，團(tuán)聚體的穩(wěn)定性下降[8-9]，冰晶膨脹的破碎作用在團(tuán)聚體穩(wěn)定性下降過(guò)程中起到促進(jìn)作用，并且含水率對(duì)團(tuán)聚體的影響大于凍融循環(huán)作用。在凍融循環(huán)過(guò)程中，團(tuán)聚體的穩(wěn)定性與土壤的初始含水率成反比，接近飽和的含水率對(duì)團(tuán)聚體的破碎能力最強(qiáng)，凍融循環(huán)作用使土壤發(fā)生反復(fù)的膨脹與收縮效應(yīng)，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(duì)土壤團(tuán)聚體的破壞作用不斷增強(qiáng)。由于凍結(jié)過(guò)程中土壤結(jié)構(gòu)變化存在不均勻性，受冰晶在氣孔中擴(kuò)張破壞顆粒與顆粒之間的連接而被破壞的團(tuán)聚體和由于受周圍破碎團(tuán)聚體的擠壓而受收縮作用保護(hù)的團(tuán)聚體同時(shí)存在于土壤中，含水率越高，受膨脹作用破壞的團(tuán)聚體和受收縮作用保護(hù)的團(tuán)聚體含量變化越劇烈，團(tuán)聚體內(nèi)釋放出的有機(jī)質(zhì)含量不穩(wěn)定，微生物的礦化速率受環(huán)境和有機(jī)質(zhì)含量的影響變化較大，因此有效磷含量變化不穩(wěn)定。

2.4　有效磷背景值對(duì)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(huán)次數(shù)有效磷具有更多的無(wú)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(jiàn)，有效磷背景值高的土壤有效磷含量較穩(wěn)定。

有效磷背景值在0~30次循環(huán)中達(dá)到了顯著性影響，在5~20和20~30次循環(huán)中影響程度最大。有效磷背景值通過(guò)影響土壤中有機(jī)質(zhì)的含量來(lái)影響團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，穩(wěn)定的團(tuán)聚體內(nèi)微生物的活性和分解速率受凍融循環(huán)作用影響較小，有效磷含量較穩(wěn)定。耕地黑土中有機(jī)肥含量較高，在試驗(yàn)初期KH2PO4的配施下，有利于土壤中有機(jī)質(zhì)的積累，并且增加的有機(jī)質(zhì)以易氧化的有機(jī)質(zhì)為主[11-12]，有機(jī)質(zhì)可以刺激微生物產(chǎn)生黏結(jié)劑，且作為微生物生命活動(dòng)的能源物質(zhì)，在微生物作用下分解，釋放腐蝕酸等物質(zhì)，粘結(jié)土壤顆粒，形成土壤團(tuán)聚體，真菌和放線菌還可以產(chǎn)生菌絲，纏繞、固定土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[13]，而大團(tuán)聚體內(nèi)包含了更多新形成的有機(jī)質(zhì)，經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后，可以為微生物提供了更充足的能量，有利于其在環(huán)境變化后快速適應(yīng)及生長(zhǎng)恢復(fù)，土壤的各種功能恢復(fù)也快[14]，由此可見(jiàn)，微生物對(duì)團(tuán)聚體的粘結(jié)作用與團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)質(zhì)的保護(hù)作用之間具有相互促進(jìn)的關(guān)系，因而凍融循環(huán)作用對(duì)有效磷含量高的土壤物理性質(zhì)及生物化學(xué)性質(zhì)的影響較小，磷素的分解和固定速率較為穩(wěn)定，含量變化較平緩。

3結(jié) 論

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

(2) 在0～30次凍融循環(huán)中，有效磷含量的變化均表現(xiàn)為雙峰型曲線，相鄰凍融循環(huán)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(huán)中變化劇烈，5～20次循環(huán)中相對(duì)平緩，20～30次循環(huán)中變化較小。

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

(4) 土壤有效磷背景值越高，凍融循環(huán)過(guò)程中有效磷含量越穩(wěn)定。

氣候變化將造成中高緯度地區(qū)春季解凍期凍融循環(huán)次數(shù)的增多，在此背景下，研究?jī)鋈谧饔脤?duì)磷素變化的影響機(jī)制對(duì)明確生態(tài)系統(tǒng)中磷素的循環(huán)規(guī)律、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)區(qū)域磷素收支情況、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和預(yù)防非點(diǎn)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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)03-0018-05

中圖分類號(hào)：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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“凍融條件下東北黑土磷素流失動(dòng)力機(jī)制研究(41101256)， “東北黑土區(qū)壟作農(nóng)田融雪侵蝕過(guò)程中氮磷遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制研究”(41471225)； 遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)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(chǎn)沙與水土保持規(guī)劃研究。E-mail:fanhaoming@163.com。