凍融作用對(duì)農(nóng)田黑土有機(jī)氮組分的調(diào)控效應(yīng)①

雋英華，田路路，劉 艷，宮 亮，孫文濤*

(1 遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境資源研究所，沈陽 110161；2 常德市農(nóng)業(yè)委員會(huì)，湖南常德 415000)

氮素是植物生長(zhǎng)最重要的元素之一，也是全球生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分[1]。有機(jī)態(tài)氮是土壤氮素的主要存在形態(tài)，也是礦質(zhì)氮的源和匯[1-2]，在維持土壤氮素平衡和潛在供氮能力方面具有十分重要的作用[3-4]。因此，關(guān)于有機(jī)氮組分及其有效性的研究一直是土壤氮素肥力研究的重點(diǎn)[5]。由于土壤有機(jī)氮組分復(fù)雜，其研究難度也比較大，自1964 年Bremner[6]提出將有機(jī)氮?jiǎng)澐譃樗峤庥袡C(jī)氮(氨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮、未知氮)和非酸解氮后，學(xué)者們才開始對(duì)土壤有機(jī)氮形態(tài)特征及其驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行了一系列研究[7-10]。研究表明，土壤有機(jī)氮組分含量、形態(tài)及其分配比例不僅受種植年限[11]、耕作方式[12]、輪作模式[13]、灌溉[14]、施肥[15]等人為管理措施的顯著影響，同時(shí)也受土壤類型[7]、區(qū)域維度[5]等自然環(huán)境因素的決定性制約。然而，對(duì)于土壤有機(jī)氮來源及其組分變化的研究大多集中在人為管理措施的影響方面，而對(duì)自然環(huán)境因素的影響方面鮮有報(bào)道。

作為一種自然現(xiàn)象，凍融交替在中高緯度和高海拔地區(qū)非常普遍[16]。冬春季節(jié)土壤頻繁凍融可明顯改變土壤的理化特性和生物學(xué)特性，如破壞土壤結(jié)構(gòu)、影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性、提高養(yǎng)分有效性、增強(qiáng)酶活化效應(yīng)等[17-20]。研究表明，凍融作用顯著提高土壤可溶性氮組分含量，促進(jìn)土壤氮素礦化[20-21]。但也有研究表明，凍融作用對(duì)土壤可溶氮含量無正向影響，甚至降低土壤凈氮礦化速率[22-23]。關(guān)于凍融作用對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化過程影響研究的爭(zhēng)議，其原因可能是凍融期間土壤氮素轉(zhuǎn)化受凍融溫差、土壤水分含量、土壤理化性質(zhì)等多因素的協(xié)同制約[20,24-25]。

因此，了解不同凍融因子作用下土壤有機(jī)氮組分特征及其含量變化行為，對(duì)于揭示凍融作用對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響過程意義重大。東北地區(qū)是氣候變化、土壤凍融循環(huán)顯著和氮素循環(huán)研究的重要區(qū)域，冬季凍融作用時(shí)間的長(zhǎng)短和凍融循環(huán)次數(shù)直接影響農(nóng)田土壤氮素養(yǎng)分的供應(yīng)[20,26]。鑒于此，以東北典型農(nóng)田黑土為供試對(duì)象，采用室內(nèi)凍融模擬培養(yǎng)方法研究不同凍融因子(凍融溫度、凍融頻數(shù)、土壤水分含量)對(duì)土壤有機(jī)氮組分含量的影響行為，以期揭示凍融作用下農(nóng)田黑土有機(jī)氮轉(zhuǎn)化的演變規(guī)律，為農(nóng)田黑土非生長(zhǎng)季氮素循環(huán)和氮素管理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試農(nóng)田黑土于2013年10月采自國(guó)家黑土土壤肥力和肥料效益長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)站(始建于1977 年)(43°30′ N、124°48′ E)。該站屬中溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均溫度4 ～ 5℃，年均降雨量450 ～650 mm，降水主要集中在7、8 月份，占全年的60% ～ 70%，雨熱同季；年均無霜期125 ～ 140 d，有效積溫2 600 ～ 3 000 ℃，年蒸發(fā)量1 200 ～ 1 600 mm，年日照時(shí)間2 500 ～ 2 700 h，每年12 月至第二年3 月為土壤凍結(jié)期，凍土厚度達(dá)1.5 m；土壤類型為中層典型黑土，成土母質(zhì)為第四紀(jì)黃土狀沉積物。供試土壤樣品采集及處理方法和基礎(chǔ)化學(xué)性質(zhì)詳見田路路等[20]。

1.2 凍融試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取定量過篩(≤2 mm)后鮮土，用蒸餾水調(diào)節(jié)含水量至100 g/kg，放入10℃(模擬采樣地區(qū)10 月末至11 月初田間原位土壤凍融循環(huán)初次發(fā)生時(shí)的平均氣溫)的恒溫培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)15 d，使其恢復(fù)生物學(xué)活性。預(yù)培養(yǎng)期間每天透氣并用蒸餾水補(bǔ)充損失的水分。

1.2.1 凍融溫度模擬試驗(yàn) 稱取相當(dāng)于200 g風(fēng)干土的預(yù)培養(yǎng)土壤平鋪于培養(yǎng)瓶(100 ml)的瓶底，用蒸餾水調(diào)節(jié)含水量至150 g/kg，用帶孔的保鮮膜封口，在某一溫度下凍結(jié)6 d，然后在某一溫度下融化1 d，混勻，隨機(jī)取樣進(jìn)行有機(jī)氮組分分析。凍結(jié)溫度設(shè)定為：-15、-12、-9、-6、-3℃；融化溫度設(shè)定為2、5℃。3 次重復(fù)，并設(shè)置恒溫2℃處理作為對(duì)照。試驗(yàn)期間每隔2 d 稱重并用蒸餾水補(bǔ)充損失的水分。

1.2.2 凍融頻數(shù)模擬試驗(yàn) 稱取相當(dāng)于200 g風(fēng)干土的預(yù)培養(yǎng)土壤平鋪于培養(yǎng)瓶(100 ml)的瓶底，用蒸餾水調(diào)節(jié)含水量至150 g/kg，用帶孔的保鮮膜封口，經(jīng)過一定頻數(shù)的凍融后，混勻，隨機(jī)取樣進(jìn)行有機(jī)氮組分分析。凍融頻數(shù)設(shè)定為：1、3、6、10、15；其中，1 個(gè)凍融頻數(shù)包含在-3℃凍結(jié)6 d，然后在2℃融化1 d。3 次重復(fù)，并設(shè)置恒溫2℃處理作為對(duì)照。試驗(yàn)期間每隔2 d 稱重并用蒸餾水補(bǔ)充損失的水分。

1.2.3 凍融水分含量模擬試驗(yàn) 稱取相當(dāng)于200 g風(fēng)干土的預(yù)培養(yǎng)土壤平鋪于培養(yǎng)瓶(100 ml)的瓶底，通過注射器均勻加蒸餾水調(diào)節(jié)含水量至100、200 和300 g/kg，用帶孔的保鮮膜封口，經(jīng)過1 個(gè)凍融頻數(shù)后(凍融頻數(shù)設(shè)定同1.2.2)，混勻，隨機(jī)取樣進(jìn)行有機(jī)氮組分分析。3 次重復(fù)，并設(shè)置恒溫2℃處理作為對(duì)照。試驗(yàn)期間每隔2 d 稱重并用蒸餾水補(bǔ)充損失的水分。

1.3 測(cè)定方法

土壤全氮采用凱氏定氮法測(cè)定[27]。有機(jī)氮組分采用改良Bremner 法測(cè)定[9,27]。另外，非酸解氮、氨基糖態(tài)氮、未知氮均用差減法獲得。非酸解氮 = 凱氏全氮 - 酸解有機(jī)氮；氨基糖態(tài)氮 = (氨態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮總量 - 氨態(tài)氮)×1.4；未知氮 = 酸解有機(jī)氮 - 氨態(tài)氮 - 氨基酸態(tài)氮 - 氨基糖態(tài)氮。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和SPSS 19.0軟件分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和方差分析，采用Duncan 新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較(α= 0.05)；數(shù)值采用平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融作用對(duì)農(nóng)田黑土全氮、酸解有機(jī)氮和酸解率的影響

在不同凍融溫度作用下，農(nóng)田黑土酸解有機(jī)氮含量為942.45 ～ 998.71 mg/kg，非酸解氮含量為773.18 ～829.44 mg/kg(表1)。與對(duì)照相比，-9℃凍結(jié)2℃融化、-12℃和-15℃凍結(jié)5℃融化處理土壤酸解有機(jī)氮含量顯著降低，非酸解氮含量顯著增加。隨著凍結(jié)溫度降低，2℃融化土壤酸解有機(jī)氮含量先降低后增加，而非酸解氮含量則先增加后降低，均在-9℃凍結(jié)時(shí)達(dá)到極值，分別為946.08 mg/kg 和825.81 mg/kg；5℃融化土壤酸解有機(jī)氮含量顯著降低，這與非酸解氮含量的變化趨勢(shì)正好相反。隨著融化溫度升高，-15℃凍結(jié)土壤酸解有機(jī)氮含量均顯著降低，而非酸解氮含量則顯著升高?？梢?，農(nóng)田黑土酸解有機(jī)氮和非酸解氮含量變化行為受凍結(jié)溫度和融化溫度的雙重制約。

表1 不同凍融溫度作用下農(nóng)田黑土全氮、酸解有機(jī)氮和酸解率Table 1 Total nitrogen, hydrolyzable nitrogen and acid hydrolysis rate in the cultivated black soil affected by freezing-thawing temperature

在不同凍融頻數(shù)作用下，農(nóng)田黑土酸解有機(jī)氮含量為 900.10 ～ 1 067.61 mg/kg，非酸解氮含量為704.27 ～ 871.80 mg/kg(表2)。與對(duì)照相比，頻數(shù)10和頻數(shù)15 凍融土壤酸解有機(jī)氮含量均顯著增加，而非酸解氮含量則顯著降低，增加幅度分別在11.64% ～15.27% 和-13.65% ～ -15.77%。隨著凍融頻數(shù)增加，凍融土壤酸解有機(jī)氮含量顯著增加，而非酸解氮含量則顯著降低，均在頻數(shù)15 時(shí)達(dá)到極值，分別為1 067.61 mg/kg 和704.27 mg/kg。

不同水分含量作用下，凍融農(nóng)田黑土酸解有機(jī)氮含量為 966.87 ～ 996.68 mg/kg，非酸解氮含量為775.21 ～ 805.02 mg/kg(表3)。與對(duì)照相比，水分含量200 g/kg 和300 g/kg 凍融土壤酸解有機(jī)氮含量均顯著降低，而非酸解氮含量則顯著增加，增加幅度分別在-6.65% ～ -6.95%和9.35% ～ 10.16%。隨著水分含量增加，凍融土壤酸解有機(jī)氮和非酸解氮含量均無顯著性變化。

在酸解率方面，隨著凍結(jié)溫度降低，2℃融化土壤先降低后增加，在-9 ℃凍結(jié)時(shí)達(dá)到極小值(53.39%)；5℃融化土壤則顯著降低，在-15℃凍結(jié)時(shí)達(dá)到極小值(53.19%)。隨著融化溫度升高，-15℃凍結(jié)土壤酸解率顯著降低(表1)。與對(duì)照相比，頻數(shù)10和頻數(shù)15 凍融土壤酸解率均顯著增加，而水分含量200 g/kg 和300 g/kg 凍融處理則顯著降低(表2、表3)。隨著凍融頻數(shù)增加，凍融土壤酸解率顯著增加，在頻數(shù)15 時(shí)達(dá)到最大值(60.25%)，較頻數(shù)1 處理增加了8.68%(表2)。隨著水分含量增加，凍融土壤酸解率無顯著變化(表3)。

表2 不同凍融頻數(shù)作用下農(nóng)田黑土全氮、酸解有機(jī)氮和酸解率Table 2 Total nitrogen, hydrolyzable nitrogen and acid hydrolysis rate in the cultivated black soil affected by freezing-thawing frequency

表3 不同水分含量作用下凍融農(nóng)田黑土全氮、酸解有機(jī)氮和酸解率Table 3 Total nitrogen, hydrolyzable nitrogen and acid hydrolysis rate in the freezing-thawing cycles (FTCs)-treated cultivated black soil affected by moisture regime

2.2 凍融作用對(duì)農(nóng)田黑土酸解有機(jī)氮組分含量的影響

凍融溫度對(duì)農(nóng)田黑土酸解有機(jī)氮組分影響顯著(P＜0.05)，且各組分含量大小順序?yàn)榘睉B(tài)氮＞氨基酸氮 ＞未知氮＞氨基糖氮(圖1)。與對(duì)照相比，凍融農(nóng)田黑土氨基酸氮含量顯著增加，氨態(tài)氮和未知氮含量顯著降低，而氨基糖氮含量則無明顯變化。凍融農(nóng)田黑土酸解有機(jī)氮組分含量的變化行為受凍結(jié)溫度和融化溫度的協(xié)同影響。隨著凍結(jié)溫度降低，凍融農(nóng)田黑土氨基酸氮含量顯著增加，氨態(tài)氮和未知氮含量顯著降低，而氨基糖氮含量變化行為因融化溫度而異。在2℃融化時(shí)，土壤氨基糖氮含量先保持相對(duì)穩(wěn)定后顯著增加，而在5℃融化時(shí)則無顯著性變化。隨著融化溫度升高，–12℃和–15℃凍結(jié)土壤氨基酸氮含量均顯著增加，這與未知氮的變化行為正好相反；–12℃凍結(jié)土壤氨態(tài)氮含量顯著增加，而氨基糖氮含量則無顯著性變化?？梢?，凍融溫差對(duì)凍融農(nóng)田黑土酸解有機(jī)氮組分特征及其含量影響較大，較大的凍融溫差造成了凍融農(nóng)田黑土氨基酸氮含量增加和未知氮含量降低 (圖1)。

凍融頻數(shù)對(duì)農(nóng)田黑土酸解有機(jī)氮組分影響顯著(P＜0.05)，且各組分含量大小順序?yàn)榘睉B(tài)氮＞氨基酸氮 ＞未知氮＞氨基糖氮(圖2)。與對(duì)照相比，凍融土壤氨態(tài)氮含量顯著增加，氨基糖氮含量無顯著性變化，而氨基酸氮和未知氮含量的變化行為因凍融頻數(shù)而異。小頻數(shù)(1、3、6)凍融能夠顯著增加氨基酸氮含量和降低未知氮含量，而大頻數(shù)(10、15)凍融則顯著增加未知氮含量。隨著凍融頻數(shù)增加，凍融農(nóng)田黑土氨基酸氮含量顯著降低，未知氮含量顯著增加，氨態(tài)氮含量先增加后降低，而氨基糖氮含量則無規(guī)律性變化?？梢?，短期凍融循環(huán)對(duì)農(nóng)田黑土酸解有機(jī)氮組分特征的影響程度較大。

圖1 不同凍融溫度作用下農(nóng)田黑土酸解有機(jī)氮組分含量Fig. 1 Contents of fractions of acid-hydrolyzable organic N in the cultivated black soil affected by freezing-thawing temperature

圖2 不同凍融頻數(shù)作用下農(nóng)田黑土酸解有機(jī)氮組分含量Fig. 2 Contents of fractions of acid-hydrolyzable organic N in the cultivated black soil affected by freezing-thawing frequency

水分含量對(duì)凍融農(nóng)田黑土酸解有機(jī)氮組分影響顯著(P＜0.05)，且各組分含量大小順序?yàn)榘睉B(tài)氮＞氨基酸氮＞未知氮＞氨基糖氮(圖3)。與對(duì)照相比，凍融土壤氨態(tài)氮含量顯著增加，而氨基酸氮、氨基糖氮和未知氮含量的變化行為因水分含量而異。隨著水分含量增加，對(duì)照土壤氨態(tài)氮和未知氮含量均顯著增加，氨基酸氮含量先降低后增加，而氨基糖氮含量則無顯著性變化；凍融土壤氨態(tài)氮和未知氮含量均顯著增加，這與氨基酸氮含量的變化趨勢(shì)正好相反，而氨基糖氮含量則無顯著性變化。

2.3 凍融作用對(duì)農(nóng)田黑土有機(jī)氮組分分配比例的影響

不同凍融溫度作用下農(nóng)田黑土未知氮占全氮的比例為 1.77% ～ 6.69%，氨態(tài)氮占全氮的比例為23.61% ～ 25.41%，氨基酸氮占全氮的比例為21.84% ～ 24.09%，氨基糖氮占全氮的比例為2.64% ～3.39%，未酸解氮占全氮的比例為43.64% ～ 46.81%(圖4)。隨著凍結(jié)溫度降低，土壤未知氮和氨態(tài)氮占全氮的比例均呈降低趨勢(shì)，氨基酸氮占全氮的比例呈增加趨勢(shì)，而氨基糖氮和5℃融化條件下未酸解氮占全氮的比例則先降低后增加，這與2℃融化條件下未酸解氮的變化行為正好相反。隨著融化溫度升高，有機(jī)氮各組分占全氮的比例因受凍結(jié)溫度的協(xié)同影響而無規(guī)律性變化。

不同凍融頻數(shù)作用下農(nóng)田黑土未知氮占全氮的比例為2.28% ～ 15.64%，氨態(tài)氮占全氮的比例為24.78% ～ 27.03%，氨基酸氮占全氮的比例為16.71% ～24.81%，氨基糖氮占全氮的比例為2.36% ～ 3.04%，未酸解氮占全氮的比例為39.75% ～ 44.56%(圖5)。隨著凍融頻數(shù)增加，凍融土壤氨態(tài)氮占全氮的比例先增加后降低，而未知氮占全氮的比例顯著增加，這與氨基酸氮、氨基糖氮和未酸解氮的變化行為正好相反。

不同水分含量作用下凍融農(nóng)田黑土未知氮占全氮的比例為7.81% ～ 10.65%，氨態(tài)氮占全氮的比例為24.64% ～ 26.21%，氨基酸氮占全氮的比例為15.35% ～20.54%，氨基糖氮占全氮的比例為3.04% ～ 3.33%，未酸解氮占全氮的比例為43.75% ～ 45.43%(圖6)。隨著水分含量增加，凍融土壤氨基糖氮和未酸解氮占全氮的比例均先增加后降低，而未知氮和氨態(tài)氮占全氮的比例則呈增加趨勢(shì)，這與氨基酸氮的變化行為正好相反。

圖3 不同水分含量作用下凍融農(nóng)田黑土酸解有機(jī)氮組分含量Fig. 3 Contents of fractions of acid-hydrolyzable organic N in the FTCs-treated cultivated black soil affected by moisture regime

圖4 不同凍融溫度作用下農(nóng)田黑土有機(jī)氮組分分配比例Fig. 4 Proportions of various fractions of organic N to total N in the cultivated black soil affected by freezing-thawing intensity

圖5 不同凍融頻數(shù)作用下農(nóng)田黑土有機(jī)氮組分分配比例Fig. 5 Proportions of various fractions of organic N to total N in the cultivated black soil affected by freezing-thawing frequency

圖6 不同水分含量作用下凍融農(nóng)田黑土有機(jī)氮組分分配比例Fig. 6 Proportions of various fractions of organic N to total N in the FTCs-treated cultivated black soil affected by moisture regime

3 討論

有機(jī)氮的化學(xué)形態(tài)及其存在狀況是影響土壤氮素有效性的重要因子[2]。已有的研究更加強(qiáng)調(diào)施肥、灌溉等人為因素對(duì)有機(jī)氮組分特征的影響，而對(duì)凍融交替等自然因素的影響關(guān)注較少[3]。本研究中，凍融作用造成農(nóng)田黑土有機(jī)氮組分及其含量的顯著變化，但各組分變化行為受凍融溫度、凍融頻數(shù)和水分含量的協(xié)同影響(圖1 ～ 圖6)，這是由于凍融作用通過改變土壤水分狀況和分布引起土壤結(jié)構(gòu)、孔隙等物理性狀的變化，破壞土壤團(tuán)聚體和微生物群落結(jié)構(gòu)，利于釋放出土壤包裹吸附著的小分子，為殘留微生物提供足夠的養(yǎng)分，進(jìn)而引起土壤氮礦化和養(yǎng)分含量的變化[24,28]?？梢姡驹囼?yàn)條件下，土壤有機(jī)氮組分變化的主要驅(qū)動(dòng)因子是凍融溫差、凍融頻數(shù)和水分含量。較大的凍融溫差更容易致使土壤微生物細(xì)胞裂解，進(jìn)而釋放到土壤中更多的無機(jī)氮[29]，這也佐證了本研究中較大的凍融溫差造成土壤有機(jī)氮酸解率較低的研究結(jié)果(表1)。

氨基酸氮作為酸解產(chǎn)物中主要可鑒別的含氮化合物，其主要來源于微生物和動(dòng)植物殘?bào)w及其分泌物中蛋白質(zhì)、多肽等的水解[3,30]。本研究中氨基酸氮含量的變化范圍在271.98 ～ 439.65 mg/kg，占土壤全氮的15.35% ～ 24.81%，這與徐俊俊等[3]的研究結(jié)論相一致。Stevenson[31]研究認(rèn)為，室內(nèi)凍融交替中，微生物生物量氮是土壤氨基酸氮的主要來源。本研究中，隨著凍結(jié)溫度降低，土壤氨基酸氮含量顯著增加；當(dāng)凍結(jié)溫度為-12℃和-15℃時(shí)，其含量分別為406.42 mg/kg 和414.00 mg/kg(平均值)，較-3℃凍結(jié)時(shí)分別增加了24.82% 和27.15%(圖1)。這是因?yàn)閮鋈谧饔媚軌蛟斐赏寥牢⑸锼劳鯷32]，死亡的微生物在分解過程中釋放到土壤中一些小分子糖、氨基酸等含氮化合物，進(jìn)而增加了氨基酸氮含量[33]。更低的凍結(jié)溫度造成更嚴(yán)重的土壤物理結(jié)構(gòu)破壞和微生物死亡，進(jìn)而釋放更多的養(yǎng)分[34]。隨著凍融頻數(shù)增加，凍融土壤氨基酸氮含量顯著降低(圖2)，說明短期凍融對(duì)土壤氨基酸氮含量影響較大，這也佐證了Grogan 等[35]的研究結(jié)果。其原因可能是：一方面，連續(xù)的凍融循環(huán)使土壤微生物逐漸適應(yīng)了溫度變化，死亡微生物的絕對(duì)量逐漸減少，進(jìn)而降低了釋放到土壤中的氨基酸氮含量；另一方面，來自于土壤團(tuán)聚體的可溶性有機(jī)氮含量隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸降低，而土壤中原有的可溶性有機(jī)氮由于礦化作用不斷地被微生物利用分解，導(dǎo)致土壤中氨基酸氮含量降低[36]。隨著水分含量增加，凍融土壤氨基酸氮含量顯著降低(圖3)，說明較低的水分含量對(duì)凍融土壤氨基酸氮含量影響較大。這與凍融過程中較高的水分含量對(duì)土壤微生物產(chǎn)生更強(qiáng)的破壞作用、導(dǎo)致更多微生物死亡的結(jié)論[37-38]相反，可能與土壤特性、試驗(yàn)方法等差異有關(guān)。

氨基糖主要存在于真菌的幾丁質(zhì)結(jié)構(gòu)中，微生物細(xì)胞壁是土壤中氨基糖的主要來源[3,6,14]。本研究發(fā)現(xiàn)，除2℃融化土壤氨基糖氮含量隨著凍結(jié)溫度降低顯著增加外，其他凍融處理土壤氨基糖氮含量均無顯著性變化(圖1、圖2、圖3)。說明，凍融溫度是影響土壤氨基糖氮的主要驅(qū)動(dòng)因子。這是因?yàn)?，一方面，劇烈的溫度變化?dǎo)致微生物死亡，細(xì)胞壁的破裂增加了土壤中的氨基糖氮含量；另一方面，凍結(jié)時(shí)土壤孔隙中冰晶的膨脹打破顆粒之間的聯(lián)結(jié)，破壞土壤團(tuán)聚體，呈現(xiàn)將大團(tuán)聚體碎成小團(tuán)聚體的趨勢(shì)[39]。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的破壞有利于被土壤包裹吸附著的小分子物質(zhì)提前釋放出來，如小分子的氨基酸、糖類等[3]。

本研究中凍融土壤氨態(tài)氮含量的變化范圍為418.32 ～ 478.89 mg/kg，占全氮含量的比例為23.61% ～27.03%，這與梁國(guó)慶等[40]的研究結(jié)果一致。在不同凍融溫度作用下，-12℃和-15℃凍結(jié)處理氨態(tài)氮含量的變化幅度最大(圖1)，說明劇烈的凍結(jié)溫度對(duì)氨態(tài)氮的影響更為明顯。在不同凍融頻數(shù)和水分含量作用下，頻數(shù)6 和水分含量300 g/kg 凍融處理土壤氨態(tài)氮含量最高，分別為478.89 mg/kg 和464.46 mg/kg(圖2、圖3)。分析氨態(tài)氮含量變化行為的原因，可能一部分是酸解過程中部分氨基酸和氨基糖脫氨產(chǎn)生，另一部分來自酰胺類化合物；同時(shí)，凍融作用可能導(dǎo)致土壤有機(jī)和無機(jī)膠體中以前不可利用的NH4+-N釋放[38]。但是，在測(cè)定過程中以氨形式損失的部分在現(xiàn)有條件下不能作出準(zhǔn)確的估計(jì)，需要以后進(jìn)一步深入研究。

土壤中未知氮的來源比較復(fù)雜，目前對(duì)它的形態(tài)和性質(zhì)還不清楚[30]。本研究中凍融土壤未知氮含量的范圍為31.34 ～ 277.07 mg/kg，約占土壤全氮的比例為1.77% ～ 15.64%。與-3℃凍結(jié)處理相比，-12℃和-15℃凍結(jié)處理土壤未知氮含量的降低幅度最大，分別為39.45% 和44.69%(平均值)(圖1)，說明較大的凍融溫差對(duì)土壤未知氮含量影響程度較大。在其他凍融因子作用下，頻數(shù)15 和水分含量300 g/kg 處理的凍融土壤未知氮含量均明顯增加，分別較頻數(shù)1和水分含量100 g/kg 處理增加了586.45% 和36.35%(圖2、圖3)，說明長(zhǎng)期凍融和高水分含量對(duì)土壤未知氮的影響程度較大。分析凍融土壤未知氮含量變化行為的原因，一方面可能由于微生物的活動(dòng)；另一方面可能由于非蛋白組分的氨基酸氮存在于土壤中，被膠體顆粒固定而不能為茚三酮檢測(cè)[3]。另外，未知氮中約有20% ～ 49% 為非α-氨基酸態(tài)氮，較不宜分解[3]。具體原因有待于以后進(jìn)一步的研究。

已有研究表明，酸解氮對(duì)土壤可礦化氮的貢獻(xiàn)較大[41-42]，土壤可礦化氮主要來源于酸解氮[43]，尤其是氨態(tài)氮和氨基酸氮[44]。但也有研究表明，土壤可礦化氮的主要貢獻(xiàn)者是氨基酸氮[45]和未知態(tài)氮[46]。本研究中，不同凍融因子作用下農(nóng)田黑土酸解氮組分含量的分配比例不同，但均以氨態(tài)氮的最高，其次是氨基酸氮(圖4 ～ 圖6)?？偟膩碚f，凍融頻數(shù)作用下農(nóng)田黑土氨態(tài)氮和氨基酸氮含量及其分配比例高于凍融溫度和水分含量作用下土壤(圖4 ～ 圖6)。因此，不同凍融因子作用下農(nóng)田黑土酸解氮組分含量及其分配比例的差異也必然會(huì)影響到土壤氮素的有效性，這還需要進(jìn)一步研究與探討。

4 結(jié)論

凍融作用對(duì)農(nóng)田黑土有機(jī)氮組分特征及其含量變化影響顯著。隨著凍融因子(凍融溫度、凍融頻數(shù)、水分含量)變化，農(nóng)田黑土酸解有機(jī)氮組分(氨態(tài)氮、氨基酸氮、氨基糖氮、未知氮)含量及其分配比例均發(fā)生顯著變化；其中，氨態(tài)氮和氨基酸氮是土壤酸解有機(jī)氮的主要組分，也是土壤活性氮的主要貢獻(xiàn)因子。較大的凍融溫差、適宜的凍融頻數(shù)和水分含量是影響土壤有機(jī)氮庫(kù)轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動(dòng)因子?？梢?，在季節(jié)性凍融期間，凍融作用能夠提高土壤酸解有機(jī)氮中氨態(tài)氮和氨基酸氮的含量及其分配比例，增加土壤可礦化氮量，促進(jìn)土壤氮素轉(zhuǎn)化，有利于土壤有效氮的累積，為春季作物生長(zhǎng)提供足夠的氮素。