模拟冻融循环作用下添加秸秆对土壤氮动态的影响

孔健健, 李 梦, 齐 楠, 杨 扬, 刘晓晴, 王凯泽

(1. 沈阳师范大学 生命科学学院, 沈阳 110034; 2. 沈阳师范大学 科研处, 沈阳 110034)

0 引 言

粮食生产与农田土壤的性质和肥力密切相关。近些年来,由于人类过度耕作、过量施肥及不合理的管理方式等,导致土壤有机质含量明显降低,进而引起土壤退化和肥力逐年衰退[1-2]。秸秆还田是改善土壤质量、加快土壤有机质累积、增加土壤肥力的一种有效手段[3-4]。但由于全球气候变化所引起的异常降水和冬季冻融作用的频繁加剧,有可能使秸秆还田后土壤环境发生一些不确定的变化,进而影响土壤肥力和作物产量。

冻融交替是指随着季节变化及昼夜气候条件的改变,表层及以下的土壤产生的不断冷却与解冻的过程之一,它普遍出现在中、高纬度地区和高海拔地带[5]。冻融是影响中、高纬度地区土壤氮动态的重要生态过程,一些研究发现,频繁的冻融会加快土壤有机质的分解和氮素的转移[6],且冻融循环能够促进土壤氮的矿化作用,增加土壤无机氮含量[7-8]。土壤冻融作用直接受降水量的影响,降水对土壤起到增温的作用,可以加快土壤融化[9],而土壤水分含量高会抑制土壤硝化作用,进而导致土壤铵根的积累[10]。还田秸秆是土壤有机质的主要来源,一些研究发现,冻融循环可以促进秸秆的降解[11],但冻融作用下还田秸秆对土壤氮动态的影响尚不明确。

东北地区土壤肥沃,季节性冻融明显,频繁的冻融改变了土壤的内部结构、理化性质以及水热条件[12],进而可能影响土壤氮素的转化过程。有研究发现,东北黑土土壤有机质含量随着开垦年限的增加明显降低,开垦60年的土壤中有机质质量分数已经由开垦前的150 g·kg-1下降到66 g·kg-1[13]。为遏制东北黑土质量退化和培肥黑土,各地区已经逐步开展保护性耕作措施,但冬季冻融条件下添加秸秆对土壤氮动态的影响尚不明确。因此,本研究以东北黑土作为供试土壤,采用室内培养的试验方法,研究不同水分条件下冻融循环对添加秸秆后土壤氮动态的影响,旨在为冻融作用下黑土的氮肥力维持及培肥黑土提供一定的科学依据。

1 研究材料与方法

1.1 研究区概况

供试土壤取自辽宁省鞍山市台安县典型黑土区,该区域位于辽宁省中部略偏西南,辽河三角洲腹地(E 122°11＇,N 41°01＇),属暖温带大陆性半湿润季风气候,四季分明。全年平均降水量为618 mm,年平均气温为9 ℃,冬夏温差极大,冬季最低温度可低于-20 ℃,土壤冰冻期长达4个多月,会出现持续的冰雪覆盖现象,每年12月到次年3月土壤都会经历反复的冻结和融化。本文的供试土壤为典型黑土土壤,属多年冻土类型,以玉米作为主要农作物。

1.2 试验设计

于2021年10月初玉米收获后,在每个小区,采用土钻以五点取样法采集0～20 cm土层土壤,混匀装袋。同时采集玉米秸秆,用于室内秸秆添加试验。秸秆运回实验室后,于80 ℃烘干,然后粉碎,备用。土壤过2 mm筛,去除杂物后分为2份,一份用于测定土壤水分含量、pH和无机氮含量;另一份于阴凉处风干,用于培养试验。

本次冻融模拟试验条件为:土壤冻结温度为-15 ℃,融化温度为10 ℃,冻结、融化时长均为12 h,以模拟冻融期土壤1 d内的冻融变化规律。在此基础上,同时设置了如下处理:秸秆添加(另设未添加秸秆作为对照)、3个土壤水分梯度(20%,60%,100%)、冻融循环次数(1,3,5,7,9,12,15,18,21,25次),每个培养单元均受以上3种处理方式的交叉影响。冻融循环试验共取样10次,最长培养时间为25 d。试验处理均设置4次重复,共计480个培养单元。

每个培养单元处理方式为:称取100 g备用风干土放入150 mL的塑料杯中,秸秆添加量为2 g(按照全量还田计算)。用去离子水调节至相应的土壤湿度,即分别缓慢加入20,60,100 mL去离子水,将待培养单元用保鲜膜封口,然后在封口膜上用针扎10个小孔,以保证培养单元内的通气性。另准备未添加秸秆的培养单元作为对照。而后,将所有培养单元放入恒温培养箱于20 ℃预培养5 d,以激发土壤微生物活性。预培养结束后,测定冻融循环前土壤样品的铵氮和硝氮及无机氮的含量,此后开始进行冻融循环试验,将所有培养单元于-15 ℃的冻结装置中冻结12 h,然后取出放在10 ℃恒温培养箱中融化12 h,此为1次冻融循环。为保证培养过程中土壤水分的恒定性,定期补充土壤水分。

1.3 测试指标与分析方法

土壤铵氮与硝氮含量的测定先采用2 mol·L-1的KCl溶液浸提,然后分别用靛酚蓝比色法和紫外分光光度法测定[14]。

1.4 数据处理

氨化速率、硝化速率、净氮矿化速率的计算公式:

以未冻融为对照,采用单因素方差分析方法评价冻融对土壤氮指标的影响;在冻融条件下,以未加秸秆为对照,采用单因素方差分析方法评价冻融条件下添加秸秆对土壤氮指标的影响;采用多因素方差分析方法检验不同处理(冻融循环次数、添加秸秆、水分处理)对土壤氮指标的交叉影响;本研究统计显著性水平为0.05;采用方差分离法评价不同因素对土壤有效氮含量及氮矿化速率影响的相对重要性,所有数据分析均在R4.1.0统计分析软件中完成。

2 结果与分析

2.1 不同控制因素下添加秸秆对土壤有效氮含量与氮矿化速率的影响

与未冻融土壤相比,冻融作用对土壤铵氮和无机氮含量影响显著,分别增加了98%和33%;而冻融作用对土壤硝氮含量影响不显著(表1)。冻融后土壤氨化和净氮矿化速率显著增加,分别增加了81%和86%,对硝化速率无显著影响(表1)。

表1 冻融对土壤有效氮含量及氮矿化速率的影响(均值±标准误差)Table 1 Effects of freeze-thaw cycles on soil available N contents and N mineralization rates (mean±standard error)

在冻融条件下,相较未加秸秆,添加秸秆显著影响土壤铵氮和无机氮含量以及氨化和净氮矿化速率,但对硝氮含量和硝化速率无显著影响(表2)。添加秸秆后土壤铵氮和无机氮含量显著减少,分别减少了62%和33%(表2、表3);土壤氨化和净氮矿化速率在添加秸秆后也分别显著减少了56%和76%(表2、表3)。

冻融条件下,不同含水量处理对土壤有效氮含量和氮矿化速率的影响显著(表2)。含水量为20%的处理其土壤铵氮和无机氮含量以及氨化和净氮矿化速率均显著低于含水量为60%和100%的处理。土壤含水量由20%增大至60%后,铵氮含量和氨化速率分别增加了633%和445%(表2、表4)。含水量20%处理下,土壤硝氮含量和硝化速率显著高于含水量为60%的处理,分别高出36%和60%(表2、表4)。而含水量60%与100%的处理间各指标无显著差异(表2、表4)。

表2 冻融条件下3个影响因素(冻融循环次数、不同含水量、添加秸秆)及因素间的交叉作用对土壤有效氮含量及氮矿化速率影响的P值

表3 冻融条件下添加秸秆对土壤有效氮含量及氮矿化速率的影响(均值±标准误差)

表4 冻融条件下不同土壤水分对土壤有效氮含量及氮矿化速率的影响(均值±标准误差)

2.2 秸秆添加与冻融循环对土壤氮矿化速率动态变化模式的影响

秸秆添加与冻融循环的交叉作用对土壤氮转化速率的影响显著(表2)。未添加秸秆的对照,土壤氨化和净氮矿化速率均随着冻融循环次数的增加呈现显著下降的趋势,并于第4次冻融循环后趋于平衡(图1(a)、图1(c));添加秸秆后土壤的氨化速率也在第4次冻融循环后趋于稳定;净氮矿化速率则在第2次冻融循环后趋于平衡(图1(a)、图1(c))。未添加秸秆的对照,其土壤硝化速率表现为增加的趋势,且第1次冻融循环时的硝化速率最低,而后随冻融次数增加而增加,直至趋于稳定,且第5次冻融循环后的硝化速率显著高于第1次(图1(b));添加秸秆后,冻融循环次数对土壤硝化速率影响不显著(图1(b))。

图1 秸秆添加与冻融循环对土壤氮矿化速率的影响(各趋势线上的不同字母表示两者间差异显著,相同字母表示差异不显著,下同)

2.3 不同水分处理与冻融循环对土壤氮矿化速率动态变化模式的影响

土壤水分与冻融循环的交叉作用对土壤氮转化速率的影响显著(表2)。不同土壤水分下,氨化速率的变化模式整体相似,均表现为第1次冻融循环氨化速率最大,随后显著下降,在第4次冻融循环后达到平衡(图2(a))。不同水分条件下,土壤硝化速率的变化模式与氨化速率不同,含水量为20%和60%的处理下,土壤硝化速率随冻融循环次数的增加变化不显著,含水量为100%处理下的硝化速率整体表现为上升趋势,且在第5次冻融循环后趋于平衡(图2(b))。与氨化速率相似,不同水分下土壤净氮矿化速率均表现为第1次冻融净氮矿化速率最高,而后呈下降趋势,含水量为20%的土壤净氮矿化速率在第2次冻融循环后达到平衡,而含水量为60%和100%的处理则在第4次冻融循环后达到平衡(图2(c))。

图2 不同水分处理下冻融循环对土壤氮矿化速率的影响

2.4 秸秆添加、水分处理与冻融循环次数对土壤有效氮含量及氮矿化速率影响的相对重要性

方差分离结果表明,冻融循环次数、添加秸秆、土壤水分处理及各因素间的交叉作用对土壤铵氮含量的总方差解释量为95.7%,其中,水分处理的方差解释量最大(45.7%),其次为秸秆添加的解释量(28.3%,图3(a))。3个因素及其交叉作用对土壤硝氮含量的方差总解释量为93.0%,秸秆与含水量交叉作用的影响最大,解释量为74.5%,含水量次之,而秸秆添加的方差解释量最小(图3(b))。3个因素及其交叉作用对土壤无机氮含量的总方差解释量为88.1%,其中,添加秸秆的影响最大,解释量为35.1%,其次为含水量(21.1%,图3(c))。冻融循环次数对土壤氨化速率和净氮矿化速率方差解释量最大,均高于40%(图3(d)、图3(f))。3个因素对土壤硝化速率的总方差解释量为74.3%,其中,秸秆、土壤水分、冻融循环次数3个因素的交叉作用对方差的解释量最大(43.5%),秸秆与含水量的交叉作用次之(17.9%,图3(e))。

(W: soil water; S: straw addition; T: times of freeze-thaw cycles; ST: the interaction effects between straw addition and freeze-thaw cycles; SW: the interaction effects between straw addition and soil water treatment; TW: the interaction effects between freeze-thaw cycles and soil water treatment; SWT: the interaction effects between straw addition and soil water treatment and freeze-thaw cycles)

3 讨 论

土壤湿度也是影响冻融期土壤氮矿化的重要因素,土壤水分冻结形成的冰晶会向外膨胀,破坏土壤团聚体,而土壤团聚体的大小和稳定性又影响着土壤氮的矿化过程[22]。在田间持水量范围内,低水分土壤冻结后内部团聚体受到的破坏远远小于高水分土壤[23]。研究结果显示,随着土壤含水量的增加(土壤含水量由20%增至60%或100%),冻融土壤中铵氮含量显著增加,硝氮含量变化不显著,这与隽英华等[24]的研究结果相一致,这可能是由于土壤处于低含水量状态时,氧气含量充足,有利于铵氮的硝化;处于淹水状态下的土壤,由于缺乏氧气,可能会抑制硝化过程,从而有利于铵氮的累积[24]。低含水量的土壤氮矿化速率达到平衡的时间早于高水分的土壤,土壤含水量由20%增至60%或100%后,土壤氨化和净氮矿化速率也相应增加,这与先前的研究结果相一致[25]。田路路[25]通过室内培养试验研究发现,土壤湿度的增大会强化冻融作用对土壤氮矿化速率的作用,从而促进土壤氮矿化。这些研究结果表明,冻融条件下,高含水量土壤比低含水量土壤更有利于促进土壤氮矿化。

方差分离结果显示,冻融循环次数是影响土壤氨化和净氮矿化速率最为重要的因子,而土壤硝化速率则主要受秸秆、土壤水分、冻融循环次数三者间交叉作用的影响,秸秆、土壤水分处理以及二者间的交叉作用是影响土壤有效氮含量的重要因子。这些研究结果表明,添加秸秆后适当地控制冻融循环次数和土壤水分含量能够调控土壤氮转化过程,进而减少土壤铵氮损失量,有利于土壤氮肥力的维持。而气候变暖背景下,冬季降水的增多可能会促进冬季冻融期土壤氮的矿化过程[33],进而增加土壤氮淋失量,对土壤氮肥力产生不利影响。还田秸秆能够改善土壤的物理化学及生物学性状,有效阻止氮素转移,遏制土壤退化,秸秆腐解后可以增加土壤中的有机质和速效养分,培肥地力[34],但如果降水增加,冻融循环频繁加剧可能会抑制秸秆还田对土壤的培肥作用。因此,如何控制频繁冻融作用下的氮损失是保障秸秆还田效果的关键问题,也是农业工程领域亟待解决的问题。

4 结 论

综上所述,不同水分条件处理下,冻融循环对添加秸秆后土壤有效氮含量和氮矿化速率的影响不同。冻融作用可以促进土壤氮素转化,显著增加土壤铵氮和无机氮含量;冻融作用下添加秸秆会显著减少土壤铵氮和无机氮含量,但对硝氮含量影响较小;冻融作用下,较高的含水量对土壤氮矿化作用影响较大;较少的冻融循环次数有利于土壤氮矿化过程;秸秆添加及土壤水分的变化对土壤有效氮含量的影响贡献最大;冻融循环次数对土壤氨化和净氮矿化速率的贡献最大;土壤的硝化速率受秸秆、土壤水分、冻融循环次数三因子交叉作用的影响最大。