冻融作用对含有黑炭土壤中硝态氮淋失的影响∗

封保根 李美璇 李悦铭 王观竹 郭 平

农林土壤肥力是影响作物和林木产量和质量的重要因素。土壤施肥是一项重要的农林生产措施[1]，可以改善作物和林木的营养状况和促进植物生长，达到优质、高产、高效的生产和经营目的[2]。氮是植物生长必需的营养元素之一，在农林生态系统中，土壤中氮被认为是最易耗竭因而限制植物生长的因素之一，是许多地区植物生长的重要限制因子[3-4]。因此氮肥是世界各国在农林业生产过程中添加的主要肥料。据资料显示，添加到农田和林地土壤中氮肥的利用率相对都比较低，通过挥发、淋溶和径流等途径损失数量巨大[5]。以我国每年施用纯氮2 100万t，平均损失45%计算，每年损失的氮素高达945万t，相当于2 050多万t尿素，其中氮素淋溶损失是影响氮素利用率的重要因素之一[6]，而且氮素的淋溶损失程度与氮肥种类有关[7]。另外，氮素淋溶损失还会导致地下水硝态氮污染[8-9]。因此，如何提高农田和林地土壤氮素利用率，减少土壤硝态氮的淋溶损失,降低地下水污染风险，是农林生产生态管理和环境保护领域亟需解决的重大问题。

目前，黑炭技术是改良土壤固氮能力、降低氮素淋溶风险的有效手段。一些学者已经对添加黑炭降低土壤氮素淋溶损失进行了研究，结果发现黑炭可以有效降低土壤中氮素的淋溶损失[10]。东北地区是我国农林业及其副产品的重要生产基地，对维护国土生态安全和经济社会发展具有重要意义。东北地区位于中纬度地区，初春季节普遍存在时间较长的冻融交替过程。冻融交替过程改变了土壤理化性质和微生物生存活动，进而影响了土壤对氮素的固持能力[11-12]，增加了氮素淋溶风险。冻融对土壤理化性质的影响程度与冻融条件（冻融频次、冻融温度、冻融持续时间等）和土壤性质和物质组成有关[13-14]。目前，我国东北部地区已经开始使用生物质炭技术解决土壤氮素淋失问题，并且一些学者也开始进行此方面的研究。然而，迄今为止，在冻融交替条件下添加不同氮肥种类以及不同冻融条件对添加黑炭的土壤中硝态氮淋失的影响还不是很清楚。因此，笔者以东北土壤为研究对象，采用淋溶试验的方法研究在冻融循环作用下添加不同氮肥种类，以及不同冻融条件（冻结温度、冻融间隔时间）对添加黑炭土壤中硝态氮淋失的影响，旨在揭示冻融条件作用下黑炭对土壤中氮素的固氮效果，为提高土壤氮素利用效率和促进农业和林业可持续性发展，解决环境污染提供理论和技术支持。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试土壤

供试土壤采于吉林省长春市郊区土壤的表层土（0～20 cm）。土壤经风干、粉碎、过2 mm筛后储藏备用。采用pH复合电极测定土壤pH；采用电导率仪测定电导率(EC)；采用乙酸铵交换法测定阳离子交换量（CEC）[15]；采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定土壤有机质（SOM）[16]；采用激光粒度分析仪测定土壤颗粒分布[17]；采用凯氏定氮法测定土壤中全氮的含量[12]，测定结果见表1。

表1 土壤基本理化性质Tab.1 Physiochemical properties of soil

1.1.2 供试黑炭

供试黑炭是由生物质材料在500 ℃条件下使用马弗炉在低氧环境下进行热解炭化制得的黑炭。之后，过60目筛，置于干燥器中备用。

1.2 土柱设计和装填

土柱采用PVC材料制成，内径6.2 cm，高25 cm，下端用200目细网筛封口。同时在底部网筛上加1 cm厚的石英砂，再在上面铺一层尼龙布。将称取的764.4 g土壤与15.6 g黑炭混合，制备成含有黑炭的土壤样品（记为J），其中以未混合黑炭土柱为空白对照（记为CK）。用含有氮素的蒸馏水调节土样含水率为最大持水量的90%之后，将土样装填入土柱中，适当按压，使其容重在1.25 g/cm3左右。填充后土柱上方铺一层1 cm厚石英砂，以免淋溶时扰动土层。为保证土柱自上而下进行冻融，将做好的土柱装入泡沫隔热板制成的外套内。根据氮元素施加量相同的原则，配制含有氮素的蒸馏水溶液，即分别将0.327 g 氯化铵（NH4Cl）、0.403 g硫酸铵[(NH4)2SO4]、0.617 g硝酸钾（KNO3）溶于237 mL蒸馏水中。

1.3 冻融条件设置和冻融处理

将整个冻融试验装置（土柱和泡沫隔热板）放在冰柜中进行冻融试验。冻融试验包括冻融组(F)和未冻融组(NF)。冻融组放在冰柜中在一定冻结温度下冻结一定时间，然后取出放置在5 ℃冰柜融化一定时间，此过程为一个冻融循环；未冻融组在一个冻融循环周期内，均放在5 ℃冰柜培养。

该研究所有影响因素试验均经过3个冻融循环处理。在研究氮肥类型影响试验中的冻融处理条件是在-25℃冰柜中冻结2 d，然后在5℃冰柜中融化2 d，冻融组和未冻融组分别记作F-NH4Cl和 NF-NH4Cl、F-(NH4)2SO4和NF-(NH4)2SO4、F-KNO3和NFKNO3。在研究冻结温度影响试验中的冻融条件是分别在-5、-15、-25℃冰柜中冻结2 d，然后在5℃冰柜中融化2 d，分别记作5-F-(-25)-NF、5-F-(-15)-NF、5-F-(-5)-NF。在研究融化时间影响试验中的冻融条件是在-25℃冰柜中冻结2 d，然后在5℃分别融化1、2、4 d和10 d，分别记作2-F-1-NF、2-F-2-NF、2-F-4-NF、2-F-10-NF。在研究冻结时间影响因素试验中的冻融条件是在-25℃冰柜中分别冻结1、2、4 d和10 d，然后在5 ℃冰柜融化2 d，分别记作1-F-2-NF、2-F-2-NF、4-F-2-NF、10-F-2-NF。

1.4 淋溶试验

冻融处理结束后，将土柱取出放置于支架上进行淋溶试验。采用一次连续淋溶，缓慢注入总量为300 mL的去离子水（根据研究地的年均降雨量计算获得）。整个淋溶过程需要保持水面高于土面1 cm，从土柱底部定量取15 mL淋出液作为一个样品，采用国家标准GB/T 8538—1995《紫外分光光度法》测定淋出液中硝态氮的浓度[18]，同时记录取样时间。

2 结果与讨论

2.1 冻融对含有黑炭土柱硝态氮淋失的影响

图1所示为冻融对含有黑炭土柱硝态氮淋失的影响。由图1可知，对未添加黑炭土柱来说，随淋溶时间的增加，土柱淋出液中硝态氮的浓度呈现先升高再降低的变化，CK-F和CK-NF处理分别在24 min和30 min后达到最大值,最大值分别为2.82 mg/L和2.56 mg/L；然而对于添加黑炭土柱淋出液中硝态氮的浓度呈现逐渐降低的趋势，J-F和J-NF处理分别在11 min和14 min达到最大值,最大值分别为1.28 mg/L和0.98 mg/L。由此可见，添加黑炭改变土柱淋出液中硝态氮随时间的变化规律。在整个淋溶过程中，添加黑炭土柱淋出液中硝态氮平均浓度明显低于未添加黑炭土柱淋出液中硝态氮平均浓度（Punfrozen＜0.01；Pfrozen＜0.05）。冻融处理添加黑炭土柱淋出液中硝态氮的平均浓度比未冻融处理的大32.95%。这些结果表明黑炭提高了土壤固持硝态氮能力，冻融降低土壤固持硝态氮的能力，促进了土柱中硝态氮的淋失。黑炭提高了土壤固持硝态氮能力主要包括两方面的原因，一是黑炭的吸水性和保水性以及硝态氮易溶水性有关。黑炭孔隙多，而且孔隙巨大，能够吸附更多的水分。另外，黑炭多微孔，密度较小，远远小于黑土的密度，所以将黑炭施入土壤可以降低土壤密度，使土壤具有更大的孔隙度，保持更多的水分[19]。所以溶解在水中的硝态氮在黑炭作用下自然被滞留在土壤中;二是黑炭对硝态氮具有一定的吸附能力[20]。冻融降低土壤固持硝态氮的能力，促进了土柱中硝态氮淋失的主要原因包括三方面，一是冻融作用破坏了土壤结构，提高土壤渗透系数[21]，增加土壤大孔隙数量和促进优势流的形成[22]，这些因素降低了土壤持水能力，促进了土壤水分的淋失，进而引起土壤中的硝态氮随水流失;二是冻融循环促进了微生物细胞溶解释放硝态氮[23]；三是在融化阶段氮素矿化和硝化导致了多数溶解性有机氮向硝态氮的转化[24]。

图1 冻融对土柱淋出液中硝态氮浓度的影响Fig.1 The inf l uence of freeze-thaw on nitrate nitrogen leaching from black soil

2.2 氮肥类型对硝态氮淋失的影响

图2所示为3个冻融频次下氮肥类型对含有黑炭土柱淋出液中硝态氮浓度的影响。由图2可知，对于冻融组和未冻融组来说，在淋溶各时间点，添加KNO3的土柱淋出液中硝态氮浓度均明显高于添加（NH4)2SO4和NH4Cl土柱（P＜0.05）的；添加（NH4)2SO4和NH4Cl的土柱淋出液中硝态氮浓度均很低，在整个淋溶过程中均小于2.5 mg/L。与未冻融组相比，在淋溶各时间点，添加KNO3、（NH4)2SO4和NH4Cl冻融组土柱淋出液中硝态氮的浓度明显高于未冻融组。对于冻融组来说，虽然添加不同氮肥土柱淋出液中硝态氮的含量随时间呈现先增加再降低的变化规律，但是添加KNO3、（NH4)2SO4和NH4Cl土柱淋出液的硝态氮达到最大浓度有所不同，分别是96.80、2.32 mg/L和1.28 mg/L。对于添加不同种类氮肥土柱来说，300 mL去离子水完全淋溶所消耗的时间分别是170（KNO3）、123 min[（NH4)2SO4]和112 min（NH4Cl）,而且硝态氮淋失主要集中在淋溶前期阶段；在整个淋溶期间，硝态氮累积淋失量大小顺序依次为添加KNO3土柱＞添加（NH4)2SO4土柱＞添加NH4Cl土柱。这表明带负电荷的硝酸根离子很少被带负电荷的土壤吸附，这引起添加硝酸钾土柱会有更多硝态氮的淋失，在很短淋溶时间内，硫酸铵和氯化铵中的铵根离子很少转化成硝酸根离子。

图2 氮肥种类对土柱淋出液中硝态氮浓度的影响Fig.2 The inf l uence of applying different nitrogen sources on nitrate nitrogen leaching from black soil

2.3 冻结温度对硝态氮淋出的影响

图3所示为冻结温度对添加黑炭土柱淋出液中硝态氮淋出浓度的影响。由图3可知，当冻结温度较高时，淋出液中硝态氮浓度随时间增加而降低；当冻结温度较低时，淋出液中硝态氮浓度随时间呈先增加再降低的变化规律。冻结温度为-5 ℃和-25 ℃时的土柱淋出液中硝态氮的浓度相近，且均高于冻结温度为-15 ℃时淋出液中硝态氮的浓度。冻融过程有利于土壤氮素矿化作用和硝化作用的进行，而矿化和硝化后的氮素更易淋出。冻融作用对土壤中生物细胞的溶解具有重要作用。氮素矿化和硝化以及细胞溶解过程均与冻结温度有关。通常，高的冻结温度能够引起更多细胞溶解破裂，然而，较低冻结温度更加有利于土壤氮素矿化作用和硝化作用的进行。这也就是过高和过低冻结温度下淋出液中硝态氮含量较高的原因。

图3 冻结温度对土柱淋出液中硝态氮浓度的影响Fig.3 The inf l uence of different freeze-thaw temperature on nitrate nitrogen leaching from black soil

2.4 融化时间对硝态氮淋出的影响

图4所示为融化时间对添加黑炭土柱淋出液中硝态氮浓度的影响。由图4可知，融化时间越长，淋出液中硝态氮的浓度越高。而且，融化10 d和融化4 d的土柱淋出液中硝态氮的浓度明显高于融化1 d和融化2 d的硝态氮的浓度；融化10 d的硝态氮浓度明显高于融化4 d的（P＜0.05）。然而，融化2 d的硝态氮浓度与融化1 d的差异不大。产生这种现象的原因可能是融化时间越长，土壤中氮素矿化和硝化作用得越充分，进而产生了更多的硝态氮[25]。

图4 融化时间对土柱淋出液中硝态氮浓度的影响Fig.4 The inf l uence of different melting time on nitrate nitrogen leaching from black soil

2.5 冻结时间对硝态氮淋出的影响

图5 冻结时间对黑土硝态氮淋出的影响Fig.5 The inf l uence of different freezing time on nitrate nitrogen leaching from black soil

图5所示为冻结时间对添加黑炭土柱淋出液中硝态氮浓度的影响。由图5可知。冻结10 d的土柱淋出液中硝态氮的浓度最高，而且硝态氮的浓度随时间呈先增加再降低的变化规律，并且在淋溶时间为25 min时浓度达到1.68 mg/L最高值。然而，其他冻结时间处理的土柱淋出液中硝态氮浓度随时间呈下降趋势。此外，土柱淋出液中硝态氮含量随着冻结时间的增加而增加，即淋出液中硝态氮浓度大小顺序依次是冻结10 d＞冻结4 d＞冻结2 d＞冻结1 d。周旺明等[26]认为这是因为冻结会引起土壤孔隙中冰晶膨胀，颗粒之间的联结被打破，导致大团聚体碎裂，变成小团聚体[13]，土壤团聚体稳定性遭到破坏，导致被其包裹着的小分子物质释放出来，从而增加了土壤可溶性硝态氮素含量[27]。冻结时间越长，越有利于这个过程的进行。这就是冻结时间越长，淋出液中硝态氮含量越高的原因。

3 结论

采用淋溶试验方法研究了冻融作用对含有黑炭土壤中硝态氮淋失的影响，获得如下结论：

1）添加黑炭改变土柱淋出液中硝态氮随时间的变化规律，而且黑炭提高了土壤固持硝态氮能力。冻融降低了土壤固持硝态氮的能力，促进了土柱中硝态氮的淋失。在冻融作用下，土柱淋出液中硝态氮浓度与氮肥种类有关，在整个淋溶期间，添加硝酸钾土柱淋出液中硝态氮浓度最大，然而添加硫酸铵和氯化铵土柱的硝态氮浓度较小。

2）冻融作用对土柱淋出液中硝态氮含量的影响与冻融条件有关。在试验设定的冻融条件下，冻结温度为-5 ℃和-25 ℃时土柱淋出液硝态氮的浓度明显高于冻结温度为-15 ℃时的土柱。而且冻结温度过高和过低均有利于硝态氮的淋失。冻结时间和融化时间越长，越有利于硝态氮的淋失。

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