冻融作用对大兴安岭森林土壤碳氮矿化的影响

鲁博权，臧淑英，孙 丽

(哈尔滨师范大学寒区地理环境监测与空间信息服务黑龙江省重点实验室，黑龙江哈尔滨 150025)

北半球陆地表面土壤超过50%地区都受冻融作用，而冻融是温度在0 ℃上下反复一冻一融的物理现象[1]。冻融循环通过破坏土壤中主要结构和土壤物理化学性质，也可以通过破坏团聚体的结构促进土壤可溶性有机碳和可溶性有机氮释放[2]，从而成为土壤碳固持和无机氮的重要来源[3]。冻融可杀死土壤中一定量的微生物，改变了菌群结构和土壤有机质含量，而死亡的微生物细胞成为基质提供了能量来源，因此提高了土壤碳氮磷等元素的浓度，进而被存活的微生物利用，增加了微生物活性。同时植物根系的死亡和分解也会加速植物残体分解释放所需要养分来提高土壤肥力[4-6]，进而使森林生态系统生产力和养分循环机制发生变化[7]。

土壤碳氮矿化是森林生态系统养分循环的重要过程，也是森林生态系统碳氮循环的关键部分，多年冻土是北半球特殊的部分，也是大兴安岭自然环境维持生态环境平衡的重要基础，受气温升高影响下的大兴安岭地区生态系统对全球气候变暖十分敏感，由于气温升高冻土面积逐渐退化，研究高纬度冻土区碳氮循环对环境的响应十分重要，而冻融作用对不同类型森林土壤碳氮矿化的影响也是关键之一，揭示冻融作用下土壤碳氮含量及碳氮之间的转化过程，对深入理解非生长季节土壤生态平衡及动态变化具有重要意义。

有关冻融对农田作物土壤理化性质的影响国外已有大量研究，而国内大多关注湿地生态系统的碳氮矿化及理化性质的变化研究，北方森林是重要的生态系统组成部分，由于其土壤属于多年冻土，因此碳氮循环的转化机制受水热条件的影响有所不同，冻土退化导致大兴安岭森林生态环境出现问题，而在此背景下，冻融过程对森林土壤的影响有何变化无统一答案，冻融作用对不同种类森林土壤碳氮矿化及关系的研究甚少。笔者通过室内培养试验，以大兴安岭冻土区典型的樟子松林和白桦林的土壤为研究对象，探讨了冻融作用对不同植被类型土壤碳氮矿化及转化机制的影响，为冻土退化过程中大兴安岭林下土壤碳氮转化过程的野外观测提供基础数据。

1 材料与方法

1.1研究区概况研究区位于黑龙江省大兴安岭地区漠河县北极村(122°21′07″E，53°28′03″N)(图1)，海拔495 m，属于寒温带半湿润气候，年平均气温-5.5 ℃。气温年较差49.3 ℃，平均无霜期86.2 d，年平均降水量461 mm，全年降水量70%以上集中在7—8月。漠河为多年连续冻土区，冻土最厚达100 m以下，冻土融冻最浅的地方，最大融冻上界面仅20 cm左右。林地覆盖面积较多，木材总蓄积量约14 648 m3，主要物种为兴安落叶松(Larixgmelini)、白桦(Betulaplatyphylla)、杜香(Ledumpalustre)、杜鹃(Rhododendronsimsii)、云杉(dragonspruce)等。

图1 研究区概况Fig.1 Study area location

1.2样品采集与处理2017年10月初，分别选取大兴安岭漠河县北极村樟子松林(ZZ)和白桦林(BH)2块样地进行采样，在每块样地分别选择3个面积约为10 m×10 m的样方，间隔不小于10 m，在每个样地用“S”型的布设方式采样，用土钻取剖面深度10 cm表层土壤，混合在一起，采集同时用环刀法取土用于测定土壤最大持水量，剔除草根及其他杂物后均匀混合，然后过4 mm孔径筛后放置于 4 ℃保鲜柜中冷藏，调节含水量达最大持水量的60%用来做培养试验。

1.3室内培养与测定方法培养试验分别把樟子松林土壤和白桦林土壤分为两部分，一部分放置于10 ℃恒温培养箱内恒温培养，分别记为樟子松林恒温处理(ZZ)和白桦林恒温处理(BH)。另一部分先将样品放置于-10 ℃培养箱内冻结12 h，然后放置于恒温10 ℃培养箱内融化12 h，此为一个冻融循环过程，分别记为樟子松林冻融处理(DZZ)和白桦林冻融处理(DBH)。

1.3.1土壤有机碳矿化。土壤有机碳矿化采用室内培养、碱液吸收法测定[8]。称取30 g(风干重)过筛土壤，置于广口瓶中，瓶内吊有一个10 mL 0.2 mol/L NaOH溶液的塑料杯，用于吸收土壤释放的CO2，并使其达到密封状态。分别在预培养后2、6、10、14、18、30 d取出烧杯，将其溶液完全洗入三角瓶中，然后加过量1 mol/L BaCl2溶液及酚酞指示剂，用0.1 mol/L HCl滴定至红色消失。每组做3个重复，并设置空白对照2个，根据CO2的排放量计算培养期内土壤有机碳矿化速率和碳矿化累积量。

1.3.2土壤有机氮矿化。称取300 g(风干重)过筛土壤，置于广口瓶中，调节含水量，同样设置2个同样广口瓶，用保鲜膜封住瓶口，并在保鲜膜上留有10个通气孔以便于空气流通，分别在预培养后的第2、6、10、14、18、30天进行破坏性取样，用2 mol/L KCl溶液浸提过滤后，测定NH4+-N和NO3--N的含量。培养期间，每隔3 d利用称重法对样品补充水分[9]。

1.4数据分析采用 SPSS 22.0 软件对试验数据进方差分析(ANOVA)，采用t检验方法分析不同土壤间碳氮矿化之间的差异，最后用Excel 2007和Origin 9软件进行数据整理并绘图。

2 结果与分析

2.1冻融对不同森林土壤碳矿化的影响

2.1.1冻融对不同森林土壤碳矿化速率的影响。由图2可知，冻融对樟子松林土壤和白桦林土壤有机碳矿化速率影响不同，樟子松林培养前6 d冻融处理和恒温处理碳矿化速率均显著增加，且恒温处理碳矿化速率比冻融处理分别高49.7%和28.1%。在第10次冻融中，冻融处理比恒温处理高80.8%，随后显著升高且在培养第14天后恒温处理和冻融处理土壤有机碳矿化速率逐渐降低，且恒温处理碳矿化速率比冻融处理分别高9.9%、11.2%、50.8%。白桦林恒温处理随着培养时间的增加显著降低，冻融处理在10次冻融循环前呈增加趋势之后随着冻融次数的增加逐渐减少，培养前6 d恒温处理碳矿化速率比冻融处理分别高70.9%、28.6%。在第10次冻融过程中，冻融处理比恒温处理高36.9%。在培养第14天后恒温处理碳矿化速率比冻融处理分别高49.9%、38.0%、52.5%。培养期间，2种土壤碳矿化速率有所不同，恒温处理和冻融处理白桦林土壤碳矿化速率显著低于樟子松林土壤碳矿化速率(P<0.05)。方差分析结果表明，冻融对土壤碳矿化速率有显著影响(P<0.01)。

2.1.2冻融对不同森林土壤碳矿化累积量的影响。由图3可知，经过30 d培养，樟子松林恒温处理CO2-C累积量为(741.28±23.29)mg/kg，冻融处理CO2-C累积量为(624.33±12.4)mg/kg，冻融处理CO2-C累积量显著低于恒温处理(P<0.01)；白桦林恒温处理CO2-C累积量为(483.58±17.09)mg/kg，冻融处理CO2-C累积量为(401.64±24.46)mg/kg，冻融处理碳矿化累积量显著低于恒温处理(P<0.01)；培养期间，2种土壤碳矿化累积量有所不同，恒温处理和冻融处理后白桦林土壤碳矿化累积量显著低于樟子松林土壤(P<0.01)。方差分析结果表明，冻融使土壤碳矿化累积量显著降低(P<0.01)。

图2 不同森林土壤有机碳矿化速率Fig.2 Organic carbon mineralization rates in different forest soils

图3 不同森林土壤有机碳矿化累积量Fig.3 Potential organic carbon mineralization in different forest soils

2.2冻融对不同森林土壤氮矿化的影响由图4可知，经过30 d培养后，樟子松林土壤冻融处理和恒温处理无机氮含量分别为(53.00±1.93)和(43.69±4.29)mg/kg，在培养前6 d冻融处理无机氮累积量比恒温处理分别高22.1%、18.9%，由此可知，冻融作用减少了土壤无机氮质量分数的增加，但10次冻融循环后冻融过程显著增加了土壤有机氮矿化，冻融处理无机氮累积量比恒温处理分别高6.8%、9.6%、15.8%、26.7%。白桦林土壤冻融处理和恒温处理无机氮质量分数分别为(53.48±1.13)和(41.16±0.43)mg/kg，培养期间，冻融处理和恒温处理无机氮累积量显著增加，冻融处理无机氮累积量分别是恒温处理的2.15、1.69、1.65、1.39、1.37、1.29倍。培养期间，2种土壤无机氮质量分数不同，恒温处理和冻融处理白桦林土壤无机氮质量分数显著低于樟子松林土壤无机氮质量分数(P<0.05)。方差分析结果表明，冻融对2种土壤氮矿化过程具有显著影响，冻融有利于无机氮含量累积。

2.3冻融对不同森林土壤碳氮矿化关系的影响由图5可知，冻融处理与恒温处理后的樟子松林土壤碳排放量与氮累积量为正相关关系，冻融处理与恒温处理后白桦林土壤碳排放量与氮累积量也为正相关关系，可以看出二者冻融处理碳氮转化关系更好。这表明冻融处理土壤相比恒温处理土壤在一定量土壤碳排放条件下，冻融处理的土壤增加了无机氮含量。

3 讨论

土壤碳氮决定森林生态系统在一定条件下的平衡，与气候、植物、动物、地形等环境因子具有密切关系。冻融作用通过改变土壤结构和土壤的理化性质，影响了土壤呼吸强度增加，同时破坏了土壤团聚体稳定性，释放大量的温室气体，CO2和N2O含量也随之发生变化[10-14]。冻融可以使土壤团聚体破碎，土壤膨胀是由于土壤含水量的增加。冻融作用对土壤团聚体的稳定性国内外学者有不同的说法，有学者认为会破坏其稳定性，而有学者认为受不同温度的控制其稳定性也会不同[15-17]。较大的水分含量对较低温度下土壤团聚体的稳定性影响很大，同时温度也是冻融过程发生的重要条件，不同温度使营养物质发生移动，导致微生物活性发生变化[18]。冻融也会杀死土壤中一部分微生物，残余的微生物通过吸收死亡微生物所释放的营养物质作为能量来源来提高自身活动能力[19]。土壤中不同菌群群落对土壤有机碳氮矿化的影响不同，研究证明短期冻融对土壤碳排放有“激发效应”，但长期冻融会抑制土壤有机碳矿化[20]，而对土壤氮矿化多表现为促进作用[21]。

图4 不同森林土壤无机氮累积量Fig.4 Cumulative mineralization of soil organic nitrogen in different forest soils

图5 不同森林土壤碳矿化累积量和氮矿化累积量的关系Fig.5 The relationship between the accumulation of carbon mineralization and the accumulation of nitrogen mineralization in different forest soils

该研究结果表明，2种土壤前期冻融循环并未使碳矿化速率有明显的降低趋势，反而有升高趋势。这可能由于大兴安岭冻土区土壤长期在较低温度下已经适应了这种极低温环境，并没有破坏土壤团聚体结构和理化性质，而大部分菌群结构也发生了改变，延迟了“激发效应”的产生。在第10次冻融循环中，微生物呼吸增加，恒温处理有机碳矿化速率显著低于冻融处理，在10次冻融后迅速升高，之后2种土壤碳矿化速率呈降低趋势，这与前人研究结果一致。这主要是由于冻融处理只是使部分微生物死亡[22]，研究表明，在-18 ℃微生物仍有呼吸[23]，冻融初期-10 ℃杀死了土壤中部分微生物，这些死亡微生物为存活微生物提供能量来源，当微生物活性增强时土壤碳矿化速率也会随之增大。但长期来看土壤碳排放随着时间的延长与冻融次数的逐渐增加，土壤有机碳分解过程所需要的元素不能仅靠死亡物质来补充，能源供给的不连续性降低了土壤微生物活性，碳排放速率也逐渐减小，因此2种土壤恒温处理碳排放累积量显著低于冻融处理。而2种碳矿化速率的不同是由于樟子松林在非生长季积累的凋落物偏多，且近几年人为活动频繁导致土壤微生物菌群结构和酶活性发生改变，表层土壤分解速率加快，而白桦林可能由于落下的枝叶较多，这些枝叶富含较高的油脂，致使表层土壤分解速率变慢。因此白桦林土壤碳矿化速率显著低于樟子松林土壤。

该研究结果表明，冻融循环作用有利于森林土壤有效氮的累积[14]。经过冻融循环的土壤微生物部分死亡，一方面细胞会大量释放无机氮，另一方面增加了土壤可利用基质，成为矿质氮的直接来源，刺激了微生物的活性，促进了融化阶段土壤氮矿化，另外，冻融温度使土壤收缩膨胀，导致土壤晶格开放，释放出一定量的NH4+-N[2]。由于大兴安岭冻土区温度相对较低，经过30 d培养试验，樟子松林和白桦林土壤无机氮质量分数分别提高了4.01和3.28倍。而樟子松林在6次冻融循环后，冻融处理下土壤无机氮含量低于恒温对照处理土壤，可能由于微生物适应极低温，因此-10 ℃下死亡了少部分微生物，影响了氮矿化过程。但随后经过第10次冻融循环后无机氮质量分数迅速增加，这可能由于之前的微生物经过冻融循环死亡后为残余微生物提供了足够的能源，使微生物活性迅速提高，这与之前研究认为-10 ℃不会导致一些微生物细胞破裂释放无机氮，-15 ℃才会使土壤矿质氮增加一致[24]。该研究结果表明，冻融促进了土壤无机氮的累积。白桦林每年秋季的枯枝落叶大量掉落，因此堆积下来的枯枝落叶形成腐殖质，这对氮含量的补充极其巨大，而樟子松林下土壤氮含量相对较稳定，因此樟子松土壤无机氮含量低于白桦林土壤。

微生物分解氮实际上利用可利用碳源分解底物而获取，即碳氮比的大小决定有机质分解矿化的难易程度，在农田土壤中碳氮比较高，因此土壤中微生物活性降低分解速度变慢，从而消耗土壤中氮元素含量，因此常施用有机肥来调节。一般在森林土壤中土壤碳氮矿化关系和农田中的土壤有很大不同，较多呈现正相关关系，许多碳氮含量较少的土壤中，微生物分解有机物释放的无机氮最先被剩余微生物所利用，然后再释放到土壤中，导致土壤碳氮矿化关系成为负相关关系，因此添加碳氮可以改变土壤碳氮矿化关系[25]。该研究结果表明，2种土壤碳氮矿化关系为正相关关系，冻融处理土壤与恒温对照土壤在具有相同土壤碳排放的情况下，冻融处理增加了土壤无机氮累积，可见大兴安岭森林土壤碳氮转化机制并未受到多年较低温度的影响。

4 结论

培养期间，樟子松林土壤和白桦林土壤碳矿化速率呈先升高后降低的趋势，恒温处理和冻融处理白桦林土壤显著低于樟子松林土壤碳矿化速率。冻融作用影响了碳排放累积量，恒温处理和冻融处理白桦林土壤显著低于樟子松林土壤碳矿化累积量。冻融对2种土壤氮矿化具有显著影响，冻融有利于增加无机氮的累积，恒温处理和冻融处理白桦林土壤无机氮累积量显著低于樟子松林土壤无机氮累积量。冻融处理和恒温处理2种土壤碳氮矿化关系均表现为正相关关系，冻融处理土壤与恒温对照土壤在具有相同土壤碳排放的情况下，冻融处理增加了土壤无机氮质量分数，冻融有利于无机氮累积。由于全球气温升高冻土退化，冻融次数和冻融温度可能会改变这种关系。该研究结果表明，水热状况的变化使大兴安岭地区生物种群结构有明显的不同，影响了森林生态养分循环和生产力，而多年冻土区冻融作用下森林土壤碳氮转化机制与寒区气候变暖之间的关系还需要进一步研究。