季节性冻融作用对不同栽植年限及不同土层苹果梨园土壤pH值和有机碳变化的研究

廖睿恒， 冉丽萍， 董微巍， 梁运江*,徐同良

(1.延边大学农学院，吉林 延吉 133002；2.吉林省生态环境监测中心，吉林 长春 1330000)

影响作物产量的因素很多，土壤的各项营养状况是农作物产量的决定性因素之一[1]。土壤酸碱性指的是土壤pH值的高低。由于近年来人类对土壤的不合理利用导致土壤退化，如有机质下降和土壤酸化等。土壤酸化指随着酸度提高导致土壤生产力等下降，对植物造成直接或间接影响。土壤有机质是维持土壤肥力和农业生产力的重要组分,由一系列存在于土壤中、结构组成不均一、主要元素为碳和氮的有机化合物组成[2]。有机质含有植物生长需要的各种营养元素并影响土壤保水保肥能力和微生物活动等,可促进形成良好的土壤结构并决定作物产量[3-5],同时还能减轻重金属、农药污染等造成的影响[6-8]。土壤有机质是大量元素库,在农业生产中具有十分重要的意义[9-11]。土壤活性有机碳是有效性较高、易被微生物分解矿化的有机碳[12]，Motavalli 等[13]研究表明，开垦农田5年后，土壤活性有机碳首先迅速流失，矿化速率显著下降。活性有机碳参与影响土壤化学物质的迁移、吸附等行为，与土壤生产力密切相关，能够在土壤总有机碳变化之前反映土壤微小的变化[14-17]。以上指标对农业生产等方面十分重要，而研究土壤冻融作用的交替变化对土壤酸碱性、土壤有机质含量及土壤活性有机碳的影响更是重中之重。冻融交替是指由于气候原因导致的季节或昼夜温度变化，导致土壤在温度变化过程中经历冻结和解冻交替的过程。前人研究表明，冻融过程会增强土壤硝化作用和促进溶解性有机酸的释放，从而导致土壤溶液pH值降低[18]。在冻融条件下，由于水稳性团聚体的降低，可促进有机物质和细菌的接触，从而加强有机物质的矿化作用速度。研究发现，可提取的土壤有机质和矿质态氮的增加是由于冻融交替作用下土壤团聚体的破坏，导致粘土晶格开放，释放出固定的NH4+等离子和结晶水等物质。在冻结过程中土壤有机质的矿化作用和冻融交替过程的反硝化作用都会提高土壤有机质的含量,土壤有机质在冻结期比消融期大[19]。冻融循环显著增加了活性有机碳的浓度，随着土壤深度的增加，冻融作用对土壤活性有机碳影响逐渐加强，冻融次数显著影响土壤活性有机碳并表现出短期效应。冻融幅度也可影响土壤活性有机碳浓度，其中小幅度冻融对有机碳浓度影响大[20]。该试验分别对春秋两季苹果梨园土壤的pH值、有机质含量及活性有机碳含量进行测定，比较春秋两季pH值和有机碳含量的显著性差异，探究冻融作用对pH值和有机碳含量的影响，为改善苹果梨园土壤的农艺性状提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试果园概况

供试果园为龙井市延边华龙果树农场苹果梨园，果园面积1 200 hm2，该苹果梨园位于吉林省东部长白山东麓，地理坐标为东经128°54′～129°48′、北纬42°21′～43°24′，属于中温带近似海洋性大陆季风气候，季风特点显著，4季分明。据统计，该苹果梨园最低气温-20～-30 ℃，最低地温随土层的深入而升高，均高于-20 ℃。园地土壤为暗棕壤，果园管理条件较好。果园施肥以尿素、磷酸二铵、硫酸钾为主，按N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶0.04施入。供试土样为苹果梨园内不同栽植年限的苹果梨树下土壤。

1.2 土样采集

选择龙井市延边华龙果树农场采集地，于2015年秋季10月(结冻前)和2016年春季4月(解冻后)采集土壤样品。分别选择栽植年限为11、25、40、50、63年的苹果梨园，按5点取样法选取植株健康且长势良好的5株果树，避开施肥点，在距离树干1 m处设置剖面点，分别采集0～20、20～40、40～60 cm土层的原状土，同层混匀后分别放入塑料盒内，带回试验室进行风干处理备用。以不同栽植年限果园行间空地或近果园荒地土壤作为对照组，采样方法同上。

1.3 土壤酸碱性和有机碳的测定

分别采用电位法、重铬酸钾-硫酸氧化法和高锰酸钾氧化法测定土壤pH值、土壤有机质含量和土壤活性有机碳含量[21]，进行3次重复试验，记录结果。

1.4 数据处理

所有试验数据均采用Excel软件和SPSS软件统计学计算分析，表中数据为平均值±标准误，并绘制柱形图，柱形图上端用误差线表示标准误大小。多重比较显著水平设为0.05水平。

2 结果与分析

2.1 季节性冻融对pH值的影响

由表1可知，在0～20 cm土层，除栽植25和50年土壤外，不同栽植年限的果园土壤pH值经冻融后均表现出上升趋势，其中，栽植11、40和63年的果园土壤pH值分别比冻融前提高7.8%、5.8%和4.2%,冻融前后差异显著；对照组中，除栽植40和50年土壤外，不同栽植年限的对照土壤pH值经冻融后均表现出上升趋势，冻融前后差异显著。冻融前后不同栽植年限间土壤pH值存在显著差异。冻融前，栽植25和40年的果园土壤以及栽植63年的对照土壤pH值各自显著低于同期其他年限土壤。经冻融后，栽植25和40年的果园土壤以及栽植40和50年的对照土壤pH值显著低于同期其他年限土壤。

表1 不同栽植年限不同层次土壤春秋两季pH值

在20～40 cm土层，除栽植40年土壤外，不同栽植年限的果园土壤经冻融后pH值均表现出上升趋势，栽植11、25、50和63年的果园土壤pH值分别比冻融前提高3.3%、13%、2.9%和2.7%，其中，仅栽植25年的果园土壤冻融前后pH值存在显著差异；对照组中，不同栽植年限的对照土壤pH值经冻融后均表现出上升趋势，其中仅栽植25年的对照土壤冻融前后pH值差异不显著。冻融前后不同栽植年限间土壤pH值存在显著差异。冻融前，栽植25年的果园土壤和栽植63年的对照土壤pH值各自显著低于同期其他年限土壤。经冻融后，栽植40年果园及其栽植63年的对照土壤pH值显著低于同期其他年限土壤。

在40～60 cm土层，除栽植11年土壤外，不同栽植年限的果园土壤pH值经冻融后均表现出上升趋势。栽植25、40、50和63年的果园土壤pH值分别比冻融前提高8.3%、12.6%、2.5%和3.2%，其中，仅栽植25和40年的果园土壤冻融前后pH值存在显著差异；对照组中，不同栽植年限的对照土壤pH值经冻融后均表现出下降趋势，差异显著。冻融前后不同栽植年限间土壤pH值存在显著差异。冻融前，栽植40和63年的果园土壤以及栽植63年的对照土壤pH值各自显著低于同期其他年限土壤。经冻融后，栽植40和63年果园及其对照的土壤pH值显著低于同期其他年限土壤。

2.2 季节性冻融对有机质含量的影响

由图1可知，在0～20 cm土层，不同栽植年限的果园土壤经冻融后有机质含量均表现出下降趋势，有机质含量分别比冻融前降低4.0%、6.5%、0.7%、3.9%和0.6%,其中，栽植11、25和50年的果园土壤冻融前后有机质含量差异显著；对照组中，除栽植11年土壤外，不同栽植年限的对照土壤有机质含量经冻融后均表现出下降趋势，其中，栽植11和25年的果园土壤冻融前后有机质含量差异不显著。冻融前后不同栽植年限间土壤有机质含量存在显著差异。冻融前，栽植63年的果园土壤和栽植50年的对照土壤有机质含量各自显著低于同期其他年限土壤。经冻融后，栽植25、50和63年的果园土壤以及栽植50年的对照土壤有机质含量显著低于同期其他年限土壤。

注：*表示秋季和春季间有显著性差异，P<0.05；ns表示无显著性差异，下同

由图2可知，在20～40 cm土层，除栽植63年土壤外，不同栽植年限的果园土壤有机质含量经冻融后均表现出下降趋势，栽植11、25、40和50年的果园土壤有机质含量分别比冻融前降低4.1%、6.2%、3.6%和4.3%,冻融前后差异显著；对照组中，除栽植11和40年土壤外，不同栽植年限的对照土壤经冻融后有机质含量显著下降。冻融前后不同栽植年限间土壤有机质含量存在显著差异。冻融前，栽植63年的果园土壤以及栽植11和25年的对照土壤有机质含量各自显著低于同期其他年限土壤。经冻融后，栽植25和50年果园及其栽植25年的对照土壤有机质含量显著低于同期其他年限土壤。

图2 各栽植年限20～40 cm土层土壤春秋两季有机质含量

由图3可知，在40～60 cm土层，不同栽植年限的果园土壤有机质含量经冻融后均表现出下降趋势，栽植11、25和40年的果园土壤有机质含量分别比冻融前降低4.6%、5.4%和4.1%,冻融前后差异显著；对照组中，除栽植50年土壤外，不同栽植年限的对照土壤有机质含量经冻融后均表现出下降趋势，冻融前后差异显著。冻融前后不同栽植年限间土壤有机质含量存在显著差异。冻融前，栽植50和63年的果园土壤和栽植50年的对照土壤有机质含量各自显著低于同期其他年限土壤。经冻融后，栽植63年的果园土壤和栽植40和63年的对照土壤有机质含量显著低于同期其他年限土壤。

图3 各栽植年限40～60 cm土层土壤春秋两季有机质含量

2.3 季节性冻融对活性有机碳含量的影响

由图4可知，在0～20 cm土层，除栽植11和50年土壤外，不同栽植年限的果园土壤活性有机碳含量经冻融后均表现出下降趋势，栽植25、40和63年的果园土壤活性有机碳含量分别比冻融前降低7.6%、1.3%和1.5%。其中，栽植11和25年的果园土壤冻融前后活性有机碳含量差异显著；对照组中，除栽植11和25年土壤外，不同栽植年限的对照土壤经冻融后活性有机碳含量均表现出下降趋势，其中，栽植11、40和63年的对照土壤冻融前后活性有机碳含量差异显著。冻融前后不同栽植年限间土壤活性有机碳含量存在显著差异。冻融前，栽植11、50和63年的果园土壤以及栽植11年的对照土壤活性有机碳含量各自显著低于同期其他年限土壤。经冻融后，栽植25年的果园土壤以及栽植40、50和63年的对照土壤活性有机碳含量显著低于同期其他年限土壤。

图4 各栽植年限不同土层土壤春秋两季活性有机碳含量

由图5可知，在20～40 cm土层，不同栽植年限的果园土壤活性有机碳含量经冻融后均表现出下降趋势，栽植11、25、40和63年的果园土壤活性有机碳含量分别比冻融前降低6.4%、8.1%、7.4%和7.7%，冻融前后差异显著；对照组中，除栽植40年土壤外，不同栽植年限的对照土壤经冻融后活性有机碳含量均表现出下降趋势，冻融前后差异显著。冻融前后不同栽植年限间土壤活性有机碳含量存在显著差异，其中，冻融前栽植50年的果园土壤和栽植11年的对照土壤活性有机碳含量各自显著低于同期其他年限土壤，而冻融后栽植50年的果园土壤和栽植25、50和63年的对照土壤活性有机碳含量显著低于同期其他年限土壤。

图5 各栽植年限不同土层土壤春秋两季活性有机碳含量

由图6可知，在40～60 cm土层，除栽植50年土壤外，不同栽植年限的果园土壤活性有机碳含量经冻融后均表现出下降趋势，栽植25、40和63年的果园土壤活性有机碳含量分别比冻融前降低8.1%、6.4%和6.5%，冻融前后差异显著；对照组中，除栽植25和50年土壤外，不同栽植年限的对照土壤活性有机碳含量经冻融后均表现出下降趋势，其中，仅栽植11和63年的对照土壤经冻融后活性有机碳含量显著下降。冻融前后不同栽植年限间土壤活性有机碳含量存在显著差异。冻融前，栽植50年的果园及其对照土壤活性有机碳含量各自显著低于同期其他年限土壤。经冻融后，栽植25年的果园土壤以及栽植11和63年的对照土壤活性有机碳含量显著低于同期其他年限土壤。

图6 各栽植年限不同土层土壤春秋两季活性有机碳含量

3 讨论与结论

3.1 季节性冻融对pH值的影响

受季节性冻融影响，在0～20和20～40 cm土层，不同栽植年限土壤pH值普遍上升，在40～60 cm土层，pH值普遍下降。这可能是因为在0～20和20～40 cm土层冻融交替作用下土壤团聚体的破坏。冻结土壤孔隙中由于冰晶膨胀，颗粒之间的原有联结状态被破坏,大粒径团聚体破碎成小粒径团聚体，同时，细颗粒物表现出向中等大小颗粒物聚集的趋势[22]。目前，冻融过程对团聚体稳定性的影响说法不一，既有冻融能够促进土壤颗粒团聚、增强团聚体稳定性的报道[23]；也有冻融导致土壤大团聚体破碎、团聚体稳定性下降的研究结果[24]。更多的研究表明，冻融循环是降低团聚体的稳定性的，会导致团聚体的破碎化，并且冻结对大团聚体的破坏程度大于小团聚体[25-26]。刘亚红等[19]发现，冻融交替作用下团聚体的破坏导致粘土晶格开放，释放出固定的NH4+等离子和结晶水等物质，从而导致土壤碱性增加，pH值上升。而在40～60 cm土层，pH值下降可能是因为冻融作用下溶解性有机酸的释放和冻结温度的影响。研究表明，冻融过程会增强土壤硝化作用和促进溶解性有机酸的释放，从而导致土壤溶液pH值降低[27]。由于温度升高可提高土壤硝化速率，因而土壤 pH值表现出随着冻结温度的上升而降低的趋势[28-29]。综合分析，季节性冻融对果园土壤pH值影响显著。对比不同栽植年限，栽植25年的果园土壤受冻融作用影响大于其他栽植年限的土壤,pH值差异显著。而栽植63年的果园土壤由于栽植年限较久，受冻融作用影响小于其他栽植年限的土壤,pH值差异不显著。对比不同土层，经2015年秋季至2016年春季冻融后，20～40 cm受季节性冻融作用的影响大于其它土层。在20～40 cm土层，除栽植40年的土壤春季与前一年秋季相比pH值无显著变化外，其它种植年限果园土壤pH值均表现出上升趋势。

3.2 季节性冻融对有机质含量的影响

受季节性冻融影响，各个土层不同栽植年限土壤有机质含量普遍下降。这可能是因为土壤的矿化作用对微生物活性的影响。前人研究表明，土壤冻融对有机质矿化作用的影响主要表现为土壤有机氮和碳矿化作用的增强[30-31]。土壤中矿质养分增加的原因一方面是细菌和微生物的死亡，其胞内物质渗出变为有效碳源,刺激土壤中剩余微生物的活性，提高土壤中有机碳和氮的矿化效率[32-33]；另一方面是冻融交替作用下土壤团聚体破坏而释放出有机质，而且大部分是易于分解的有机物质 ,反映了冻融交替过程中土壤微生物对有机质矿化作用的增强[34]。土壤中剩余的微生物将死的微生物细胞作为基质而使自身活性在某种程度上增强 ,土壤中有机质和养分通过土壤团聚体破坏、交换位点暴露而变为有效养分。

综合分析，季节性冻融对果园土壤有机质含量影响显著。对于不同栽植年限的果园土壤，栽植25年的果园土壤2016年春季与前一年秋季相比有机质含量下降幅度最大，差异显著。栽植63年的果园土壤由于栽植年限较久差异不显著。对比不同土层，经2015年秋季至2016年春季冻融后，20～40 cm受季节性冻融作用的影响大于其它土层。在20～40 cm土层，除栽植63年的土壤春季与前一年秋季相比有机质无显著变化外，其它种植年限果园土壤有机质含量均表现出显著下降趋势。

3.3 季节性冻融对活性有机碳含量的影响

土壤有机碳是土壤有机质的一种化学量度，土壤有机碳占土壤有机质的60%～80%。土壤有机碳中有一些组分对土地利用方式等因子变化的反应比总有机碳更敏感,这部分碳被称为活性有机碳,可作为有机碳早期变化的指示物[35]。受季节性冻融影响，各个土层各栽植年限土壤活性有机碳含量普遍下降。这可能与土壤微生物的活性有关。土壤微生物是土壤生态系统中的分解者，在土壤物质循环和能量流动中起着重要的作用。研究表明，土壤中碳组成对气候变暖的响应程度取决于土壤微生物对其利用效率的高低[36]。土壤冻融通过影响土壤温度变化速率、通气性以及水分和营养物质的迁移而影响微生物的生物量和活性[37],冻结过程中低温或水分不适当造成的缺氧会使微生物的活动受到限制，使其不能分解，而在消融期，温度升高，土壤活性有机碳被分解[38]，所以春季与前一年秋季相比活性有机碳含量降低。综合分析，季节性冻融对果园土壤活性有机碳含量的影响显著。对于不同栽植年限的果园土壤，栽植25和40年的果园土壤2016年春季与前一年秋季相比活性有机碳含量下降幅度大，差异显著。栽植11和50年的果园土壤差异不显著。对比不同土层，20～40 cm受季节性冻融作用的影响大于其它土层。经2015年秋季至2016年春季冻融后，在20～40 cm土层，除栽植50年的土壤春季与前一年秋季相比有机质无显著变化外，其它种植年限果园土壤有机质含量均表现出显著下降趋势。

4 结论

季节性冻融对果园土壤pH值、有机质含量和活性有机碳含量影响显著。经过2015年秋季至2016年春季1次季节性的冻融作用，不同栽植年限土壤pH值在0～20和20～40 cm土层普遍上升，在40～60 cm土层普遍下降，有机质含量和活性有机碳含量在各个土层普遍下降。对比不同土层，20～40 cm土层土壤受冻融交替作用影响大于0～20和40～60 cm土层。对比不同栽植年限果园，栽植25年的果园土壤受冻融作用影响大于其他栽植年限的土壤，栽植63年的果园土壤受冻融作用影响小于其他栽植年限的土壤。