凍融循環(huán)條件下水分和氮添加對黑土有機碳礦化的影響

郭曉麗,何 朋,戴閃閃,李祿軍

(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，黑龍江海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，黑龍江 哈爾濱 150081；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引 言

作為陸地上第一大有機碳庫,土壤有機質(zhì)對土壤肥力以及全球碳循環(huán)具有重要影響。土壤有機碳礦化是影響土壤碳庫大小和土壤碳循環(huán)的一個重要過程，影響著土壤中營養(yǎng)元素的釋放和供應(yīng)、溫室氣體的排放以及土壤質(zhì)量的保持等。土壤有機碳的礦化量和速率受到土壤理化性質(zhì)和外界環(huán)境因子的共同影響，其中，土壤水分和土壤養(yǎng)分是影響土壤有機碳礦化的重要因素[1-4]。

Fang和Moncrieff[5]在室內(nèi)培養(yǎng)時發(fā)現(xiàn)，在20%～50%體積含水量條件下，水分對土壤呼吸的影響不顯著。Devevre和Horwath[6]發(fā)現(xiàn)，非淹水狀態(tài)下土壤有機碳和外源添加物的礦化速率均高于淹水狀態(tài)，淹水使土壤有機碳的礦化量降低，Shaffer等[7]認(rèn)為，旱地土壤有機碳的分解速率高于濕地主要是因為旱地土壤含氧量更高。然而，黃東邁等[8]應(yīng)用14C示蹤技術(shù)得到了與之前觀點相反的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在淹水土壤中的有機碳分解速率高于旱地土壤，黃耀[3]也發(fā)現(xiàn)，淹水條件下土壤有機碳的礦化量最大。李忠佩等[9]認(rèn)為淹水提高了土壤有機碳礦化量的主要原因是淹水增加了可溶性碳的含量。因此，水分變化對土壤有機碳礦化的影響存在很大的不確定性。

除了水分，氮素有效性是影響土壤有機碳礦化的另一重要因素。由于土壤碳循環(huán)和氮循環(huán)緊密耦合，氮素水平的改變可以顯著影響土壤碳循環(huán)過程。有研究發(fā)現(xiàn)，氮素添加通過影響土壤微生物量和微生物對有機碳的利用效率，進(jìn)而改變土壤有機碳礦化速率[10-11]。而且，在不同生態(tài)系統(tǒng)中，添加氮素對土壤有機碳礦化具有不同的影響，可表現(xiàn)為促進(jìn)[12]、抑制[13]或無顯著影響[14]。因此，氮素添加對土壤有機碳礦化的影響結(jié)果不一，主要是由于氮素添加會同時影響土壤有機碳礦化的多個直接或間接途徑，從而對土壤有機碳礦化產(chǎn)生不一致的影響[15]。同時，土壤水分狀況等因素的變化和氮素水平的變化對土壤有機碳礦化速率還會產(chǎn)生交互影響[16]。

凍融循環(huán)是土壤溫度在0℃上下變化導(dǎo)致的土壤凍結(jié)和融化現(xiàn)象。在凍融循環(huán)過程中，土壤性質(zhì)的變化本質(zhì)上是由于土壤中水的相態(tài)在液態(tài)和固態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)變而引起的[17]。凍融循環(huán)作用能夠改變土壤物理結(jié)構(gòu)，影響土壤生物地球化學(xué)循環(huán)過程[18-19]。凍融作用通過改變土壤水分體積使土壤團聚體破碎，改變土壤物理性質(zhì)，例如土壤團聚體穩(wěn)定性、水熱傳導(dǎo)和水分入滲等過程[20]，還會直接或間接影響相關(guān)土壤生物和化學(xué)性質(zhì)，如低溫導(dǎo)致土壤微生物死亡、團聚體的破碎促進(jìn)土壤可溶性有機碳和氮的釋放等[21]。因此，凍融循環(huán)條件下，土壤水分的變化會通過改變土壤物理、生物及化學(xué)過程來影響土壤有機碳礦化[22-23]。然而，受研究條件等諸多因素限制，有關(guān)凍融循環(huán)對黑土農(nóng)田土壤有機碳礦化影響的研究較少，這限制了對黑土農(nóng)田土壤有機碳變化規(guī)律的系統(tǒng)了解。

我國東北黑土地因其土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量高而聞名，但是，近年來黑土退化，土壤有機質(zhì)劇烈下降，嚴(yán)重威脅黑土農(nóng)田可持續(xù)生產(chǎn)能力[24]。研究黑土農(nóng)田土壤有機碳礦化的影響因素及其變化規(guī)律對于土壤碳的固定具有重要意義。我國東北地處冷涼區(qū)域，在早春和晚秋季節(jié)該區(qū)域內(nèi)存在強烈的凍融現(xiàn)象[25]。此外，受極端降水的影響，東北黑土農(nóng)田在早春或晚秋季節(jié)土壤含水量變異較大，同時，長期大量的氮肥施用很容易造成農(nóng)田土壤氮素的積累。土壤水分和氮素水平的變化可能會協(xié)同影響土壤有機碳礦化過程。加之該時期土壤凍融循環(huán)現(xiàn)象明顯，使得土壤有機碳礦化對土壤水分和氮素水平的響應(yīng)產(chǎn)生更大的不確定性。因此，本研究選取東北典型農(nóng)田黑土為研究對象，采用室內(nèi)模擬凍融循環(huán)的培養(yǎng)方法，研究在凍融循環(huán)條件下不同土壤含水量和氮添加對土壤有機碳礦化的影響，為揭示凍融期土壤有機質(zhì)演變規(guī)律提供重要資料。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本研究供試土樣取自我國東北黑土區(qū)中心黑龍江海倫市(47°26′N,126°38′E)，該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，海拔高度為240 m，年平均氣溫為1.5 ℃，極端最低溫度為-39.5 ℃，多年平均降雨量約為550 mm，無霜期125 d，凍結(jié)期長達(dá)7個月，每年10月中下旬至11月中旬和次年3月上旬至4月下旬存在頻繁的凍融循環(huán)。

土壤樣品取自農(nóng)田土壤表層(0～20 cm)，采樣地為玉米(Zeamays)-大豆(Glycinemax)輪作制，取樣時當(dāng)季作物為大豆。2017年5月初，在春播施肥前隨機多點采集土壤，均勻混合，去除肉眼可見的植物殘茬和石塊等雜物，新鮮土樣過2 mm篩后分成兩份，一部分土壤樣品保存在4 ℃冰箱中，用來做室內(nèi)培養(yǎng)實驗，另一部分土壤樣品自然風(fēng)干后，用于測定土壤pH、有機碳和全氮等土壤基本性質(zhì)(表1)。

表1 土壤基本性質(zhì)(n=3)

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。

Note: Data represent mean±SE.

1.2 實驗設(shè)計與測定方法

取過篩后的土壤，調(diào)節(jié)含水量至土壤田間持水量(WHC)的40%，在22℃的恒溫培養(yǎng)箱中恒溫預(yù)培養(yǎng)7 d，使土壤微生物活性和功能得以恢復(fù)。預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后，稱取相當(dāng)于50 g干土的預(yù)培養(yǎng)土壤置于150 ml塑料培養(yǎng)瓶中，用于土壤有機碳礦化的培養(yǎng)實驗。

本實驗設(shè)置4個處理，分別為：60%WHC+不添加氮(LWLN)、80%WHC+不添加氮(HWLN)、60%WHC+添加氮(LWHN)和80%WHC+添加氮(HWHN)，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。另外，設(shè)置3個不加土壤的培養(yǎng)瓶作為空白。其中，60%WHC是土壤微生物活動的適宜含水量，80%WHC是高含水量處理；氮素以(NH4)2SO4溶液的形式添加，添加N含量為0.04 g·kg-1，添加依據(jù)研究區(qū)實際生產(chǎn)中田間氮素平均施用量的一半(70 kg·hm-2)。在調(diào)節(jié)土壤含水量時要把(NH4)2SO4溶液中所含水分計算在內(nèi)。

依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[26-27]，將凍結(jié)溫度設(shè)置為-10 ℃，融化溫度為10 ℃，凍結(jié)階段和融化階段的持續(xù)時間都為12 h，即24 h為一個凍融循環(huán)，共設(shè)置19個凍融循環(huán)周期。凍融循環(huán)過程中，凍結(jié)溫度和融化溫度均通過下述溫度控制模塊自動調(diào)控，實現(xiàn)增溫和降溫的連續(xù)進(jìn)行。

土壤有機碳礦化由土壤有機質(zhì)在礦化過程中CO2的排放量表征，土壤CO2排放速率采用全自動變溫土壤微生物呼吸系統(tǒng)(PRI-8800,Pri-Eco,中國北京)測定。該培養(yǎng)系統(tǒng)由溫度自動控制模塊和CO2同位素分析儀(G2131-i，Picarro，美國)組成，可實現(xiàn)實時、連續(xù)和高頻率地測量土壤CO2排放速率，每個樣品測定時長3 min。在本研究中，土壤有機碳礦化速率(Rs)由固定時間段CO2濃度變化的斜率計算[28]：

Rs=C×V×α×β / m

式中，Rs為土壤有機碳礦化速率(ug·g-1·h-1)；C為CO2濃度變化的斜率；V為培養(yǎng)瓶和氣管的總體積(L)；m為干土重(g)；α為CO2質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)；β為時間轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.3 統(tǒng)計分析

實驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013進(jìn)行處理和計算，并通過SPSS 18.5使用雙因素方差分析(two-way ANOVA)對不同處理間的差異顯著性進(jìn)行統(tǒng)計分析(P<0.05)，由于土壤含量與氮添加對大多數(shù)指標(biāo)都有顯著交互影響，因此，進(jìn)一步使用單因素方差分析(one-way ANOVA)對不同處理之間所有指標(biāo)均值的差異進(jìn)行顯著性分析。采用Origin 8.5進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融條件下水分、氮添加對土壤無機氮和微生物量的影響

表2 土壤含水量和氮添加對土壤微生物量和無機氮影響的方差分析結(jié)果

凍融循環(huán)培養(yǎng)結(jié)束后，4個處理LWLN、HWLN、LWHN和HWHN的土壤MBC和MBN含量與凍融培養(yǎng)前相比均顯著下降，土壤MBC分別降低了51.1%、39.2%、31.2%和33.8%(P<0.05，圖2A)，除HWHN處理外，土壤MBN分別下降了33.6%、61.2%和39.5%(P<0.05，圖2B)。無論添加氮還是不添加氮，水分添加對土壤MBC和MBN含量均無顯著影響(P>0.05，表2，圖2)。在60%WHC土壤含水量條件下，氮添加顯著增加了土壤MBC含量(P<0.05，圖2A)；在80%WHC土壤含水量條件下，氮添加處理顯著增加了土壤MBN含量(P<0.05，圖2B)。

2.2 凍融循環(huán)條件下不同土壤水分和氮添加對土壤有機碳礦化的影響

4個處理(LWLN、HWLN、LWHN和HWHN)在整個凍融循環(huán)期土壤有機碳累積礦化量的變化范圍為664～1 930 ug·g-1，其中，融化期(10 ℃)和凍結(jié)期(-10 ℃)分別約占凍融循環(huán)期總礦化量的54%和46%。在融化期，氮添加主效應(yīng)對土壤CO2累積排放量具有顯著影響(P<0.01)，而土壤含水量(P=0.08)及其與氮添加的交互作用(P=0.09)對土壤CO2累積排放量無顯著影響(表3)；在凍結(jié)期和整個凍融期，氮添加(P<0.01)及其與土壤含水量的交互作用(P<0.05)對土壤CO2累積排放量均有顯著影響(表3)。

在融化期，HWLN處理的土壤CO2累積排放量顯著低于LWLN處理(P<0.05)，而在整個凍融期和凍結(jié)期的土壤CO2累積排放量在HWLN和LWLN處理之間的差異均不顯著(圖3)；在添加氮的情況下，具有較高土壤含水量的土壤在凍結(jié)期CO2累積排放量顯著高于較低土壤含水量(P<0.05)，而不同水分處理對整個凍融期和融化期的土壤CO2累積排放量的影響不顯著。

另外，在土壤含水量為60%WHC時，氮添加顯著降低了整個凍融期、融化期和凍結(jié)期土壤CO2累積排放量，分別降低了65.6%、64.0%和67.4%(P<0.05，圖3)；而在在土壤含水量為80%WHC時，氮添加對整個凍融循環(huán)期、融化期和凍結(jié)期的CO2累積排放量均無顯著影響。

3 討 論

與凍融循環(huán)前相比，19個凍融循環(huán)顯著降低了土壤微生物量(圖2)，這與很多研究結(jié)果一致[4,35]，主要是由于土壤微生物在凍融循環(huán)過程中大量死亡、土壤基質(zhì)的流動性和可利用性受限，導(dǎo)致土壤微生物量下降[36]。有研究認(rèn)為，凍結(jié)期土壤溫度低于-5℃就可導(dǎo)致土壤微生物死亡[37]。在凍融循環(huán)條件下，土壤含水量的變化對土壤微生物量并沒有顯著影響，可能是由于，本研究為室內(nèi)培養(yǎng)實驗，培養(yǎng)前土樣過篩破壞了土壤團聚結(jié)構(gòu)，加之土壤樣品量較少，導(dǎo)致凍融循環(huán)過程中冰晶的凍脹對土壤結(jié)構(gòu)的破壞作用較小。在60%WHC土壤含水量時，氮添加顯著增加了土壤MBC含量，說明氮添加減緩了凍融作用對土壤微生物量的降低，其原因可能是在適宜的土壤含水量條件下，氮添加促進(jìn)了土壤微生物生長[15]。而在80%WHC土壤含水量條件下，氮添加顯著增加了土壤MBN含量，這可能是由于在凍融條件下，水和氮素同時添加促進(jìn)了氮同化微生物群落的生長，進(jìn)而增加了土壤MBN含量。

在凍融循環(huán)條件下，SOC礦化釋放的CO2在土壤融化期和凍結(jié)期分別占凍融循環(huán)期CO2總釋放量的54%和46%，二者差異較小。首先，東北地區(qū)的土壤微生物經(jīng)過長期的低溫篩選，耐低溫的土壤微生物可能比較豐富，導(dǎo)致凍結(jié)期也有一定量的土壤CO2排放。另外，本研究模擬東北黑土區(qū)實際氣候條件下的凍融循環(huán)情景，凍融循環(huán)頻率(24h 為1個凍融循環(huán)周期)設(shè)置較高，導(dǎo)致凍結(jié)期(12h)和融化期(12h)的降溫和升溫過程可能彼此會造成一定影響，加之土壤溫度的變化一般滯后于空氣溫度的變化[38]，最終可能掩蓋了土壤有機碳礦化量在土壤融化期和凍結(jié)期的真實差異。

凍融循環(huán)可影響土壤物理性質(zhì)和養(yǎng)分有效性的變化，因此，凍融循環(huán)過程中土壤含水量和氮素有效性等變化將影響土壤有機質(zhì)的礦化過程，導(dǎo)致土壤CO2排放量的變化[39-40]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤含水量與氮素添加對土壤有機碳的礦化有顯著的交互影響(表3，圖3)。在適宜的土壤含水量條件下(60%WHC)，不管是凍結(jié)期還是融化期，氮添加均抑制了土壤有機碳礦化量，進(jìn)而降低了整個凍融期的土壤有機碳礦化量。氮添加提升了土壤氮素有效性(圖3)，微生物氮礦化理論(Microbial N mining theory)認(rèn)為，在氮限制的土壤中，外源無機氮素的輸入會使土壤微生物對氮素的需求從土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)到外源無機氮，從而降低了微生物對土壤有機質(zhì)的礦化，減少了土壤CO2排放量[41]。另外，由于氮素輸入促進(jìn)了微生物生長(圖2)，因此，在適宜的水分條件下，氮添加可能提高了微生物碳利用效率。而在較高土壤含水量條件下，氮素輸入對凍結(jié)期、溶解期和整個凍融期的土壤碳礦化量都沒有顯著影響，這是由于，在凍融循環(huán)條件下，較高的土壤含水量可抑制土壤微生物活性，減少土壤有機碳礦化量[42-43]。在本研究中，與適宜水分條件相比，在無氮素添加時，水添加顯著抑制了融化期的土壤有機碳礦化(圖3)，因此，氮素添加對土壤微生物的影響可能比水分的影響小，從而造成在較高土壤含水量條件下，氮素添加對培養(yǎng)期間土壤CO2排放的影響較為微弱。

綜上，在凍融循環(huán)條件下，土壤有機碳的礦化受土壤含水量和氮素有效性的共同影響。在東北黑土區(qū)，初春和秋末土壤凍融現(xiàn)象明顯，在該時期，黑土農(nóng)田土壤水分變異較大。因此，從土壤有機碳礦化和土壤固碳的角度考慮，為降低土壤有機碳礦化，保持土壤有機碳含量，在農(nóng)田管理中應(yīng)綜合考慮農(nóng)田排水狀況以及土壤氮素水平。

4 結(jié) 論

經(jīng)過19個凍融循環(huán)后，黑土農(nóng)田土壤有機碳的礦化量在融化期和凍結(jié)期分別占總礦化量的54%和46%。土壤含水量與氮素添加對黑土農(nóng)田土壤有機碳礦化量有顯著的交互影響。無論是否有氮素添加，水分添加對整個凍融期總土壤有機碳礦化量均無顯著影響。在較適宜的土壤含水量條件下，氮添加顯著降低了土壤有機碳礦化量，而在較高含水量條件下，氮添加對土壤有機碳礦化無顯著影響。因此，在黑土農(nóng)田土壤凍融期，適宜的土壤含水量和較高氮含量可減少土壤有機碳的礦化，有助于土壤有機碳的固定。