黑土表层有效养分含量和酶活性对雪被去除的季节性响应

2022-04-19王子龙姜秋香刘传兴单家珣滕怀淏

农业工程学报 2022年2期

王子龙，王凯，姜秋香，刘传兴，单家珣，滕怀淏

（东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨 150030）

0 引言

全球气候变化引起的积雪覆盖格局变化深刻影响了土壤物理结构及生化过程，进而造成土壤养分流失。黑土是中国宝贵的土壤资源，黑土区是中国重要的粮食生产基地。土壤养分是土壤肥力的重要表征，直接影响到作物的生长发育，土壤酶作为土壤养分循环的重要催化剂，深刻影响着土壤的养分转化过程，而气候变暖所带来的积雪变化也将会对土壤酶活性以及土壤有效养分含量造成影响，进而改变养分的累积与释放过程从而影响黑土区农作物的生长及产量。

降雪是自然界的一种自然现象，每年冬季，北半球一半以上的土地面积都被积雪所覆盖，1/3的土地经历季节性积雪。雪相比于自然界中其他介质具有较低的导热率和较高的反射率，属于热的不良导体，影响着大气与地表之间的热量交换。积雪对气候变化的响应极为敏感，全球的气候变化导致积雪深度和面积在近30 年的时间内呈减少趋势。Kapnick等预测全球降雪量将持续减少，甚至部分中纬度地区将会出现全年无积雪覆盖的情况。Thackeray等认为由于气候变化，除最寒冷的极地地区外，预计大规模的降雪损失还将继续。雪的变化对气候系统和陆面土壤理化性质有广泛的影响，东北黑土区有大量黑土资源，黑土富含有机质，土质肥沃，一年中将近一半的时间都处于冻融状态，而降雪情况的变化将打破这种稳定的冻融状态，进而影响黑土的理化性质以及养分动态变化。

积雪变化对土壤的冻融循环以及理化性质有较大的影响，季节性积雪会导致寒区冬季平均土壤温度高于年平均土壤温度。而积雪变化会直接影响土壤温度，进而会使土壤的理化性质发生一定变化。Brandt等认为如果降雪融雪日期出现得早，积雪对土壤保温效果最好；如果降雪形成的晚并且融雪日期出现得晚，会使年平均土壤温度降低。胡霞等认为积雪形成较早会使土壤温度升高、冻融效应减弱。Wilson等认为积雪可以通过影响土壤冻融过程进而影响到土壤养分的动态变化。土壤养分作为土壤中非常重要的指标，直接影响到作物的生长发育以及作物产量，而冻融循环会对土壤养分造成较大影响。土壤有机质是决定土壤肥力有效性的关键，同时也是土壤中最活跃的部分。在整个冻融过程中，土壤有机质最易于分解。Liang等研究发现冻融会降低土壤团聚体的稳定性，导致土壤中的团聚体发生破碎，使大团聚体破碎成小团聚体，从而释放出养分，导致土壤有机质含量和矿质氮增加。Sokolov等发现冻融前后，土壤N、P会发生流失，并且土壤冻结后，N、P的流失速率会加快。土壤酶是土壤生态系统的重要组成成分，在土壤物质循环和能量流动的过程中扮演着重要的角色。杨玉莲等发现，雪被去除会显著降低土壤水解酶活性，进而影响到与C、N、P相关的土壤物质转化过程。

土壤酶活性与环境因子和土壤化学性质息息相关，这可能受到积雪变化的显著影响。以往的研究主要集中在生长季土壤养分和酶活性的动态变化。然而，对于长年处于积雪覆盖状态下的北温带和北方生态系统，气候变化在冬季最为明显，加之对北方冬季积雪变化情况下土壤养分和酶活性的变化特征研究很少，这些研究直接关系到未来气候变暖对土壤肥力以及作物生长的影响机制。为了更好地预测土壤对全球气候变化的生态响应，需在积雪覆盖季节评估积雪对土壤有效养分含量和酶活性的全面影响。本研究通过雪被去除的方法，以黑土为研究对象，分析雪被去除对土壤温度、水分、有效养分含量和酶活性的影响，在理论上进一步探究冻融过程下土壤物质循环的机理，以期为未来全球气候变化和土地开发利用对土壤养分的影响预测提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本次试验在黑龙江省哈尔滨市东北农业大学水利综合试验场进行，地理坐标为45°44'41″N，126°45'32″E。本研究于2020年11月—2021年4月进行，哈尔滨市位于黑龙江省南部，属温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季温热多雨。历年平均气温3.6 ℃。最低气温出现在1月份，平均气温-19.2 ℃，极端最低气温可达-41.4 ℃；最高气温出现在7月份，平均气温23.2 ℃。近30年年平均降水量570 mm，主要集中在夏季。无霜期150 d左右；结冰期190 d左右；最大土壤冻结深度为1.8 m；冬季降雪主要集中在12月—次年2月，2月积雪覆盖深度达到最大，3月开始发生融雪，至4月中旬融化完全。主要土壤类型为黑土。

1.2 试验设计

本试验选择3块地势相对平坦的6 m×12 m的地块，将地块人工翻平，树枝以及落叶清理干净，以防止落叶冬季沉降对土壤理化性质产生影响，将每个地块平均分成2块6 m×6 m的样地，采用人工除雪的方法，将试验设为两个处理：正常积雪对照组和雪被去除试验组。每个处理设3个重复，每两个样地之间间隔1 m，并用60 cm高挡风板分隔开，防止自然因素造成冬季积雪移动。每次降雪前，用聚乙烯薄膜（透光度约为90%，降低除积雪外等其他自然因素对试验的影响）铺设在雪被去除试验组上，每次降雪结束时，将薄膜连同积雪撤出样地，同时对样地周围1 m范围进行人工除雪，并定期观测样地覆雪状态，保证样地处于无雪状态。2020年10月试验开始前，于每个样地中央按照3×6的排列方式埋入18只PVC原位培养管，即在每个样地埋入3排PVC管，每排PVC管的数量为6个，同时每两排PVC管的间隔距离为1.5 m。PVC培养管的规格为直径7.5 cm，长23 cm，壁厚0.3 cm。埋入前，将每个PVC管都用去离子水进行重复清洗，并进行高温杀菌处理，以减少对试验的影响。

1.3 环境因子的测定

在2020年11月—2021年4月的试验期间，在每个样地的正中心位置，埋设一台温湿度传感器（ET100，北京东方生态），土壤温度测量精度为±0.5 ℃，土壤湿度测量精度为±2%，埋设深度为100 cm，用以连续监测0～100 cm 土层深度的温度和湿度。土壤温湿度数据由采集器每隔 60 min 自动收集。将土壤温度第一次出现连续超过3 d低于0或高于0的日期定义为土壤冻结或解冻的开始日期。与此同时，将土壤温度低至0以下至少3 h，然后又上升至0以上至少3 h定义为一次土壤冻融循环，反之亦然。通过将土壤日平均温度高于0和低于0时的摄氏度相加，计算每个采样阶段的累积冻结度日数，以分离冻结的时间段，更好地描述了温度对土壤生态控制过程。定期用水准尺对所有样地的积雪深度进行测量。

1.4 土样采集与测定

研究区冬季分为5个阶段：早雪期、早寒期、深寒期、晚寒期、融雪期。但在整个研究过程中，初雪期与早寒期、晚寒期与融雪期没有明显的过渡。因此，本研究仅划分了3个冬季覆盖期：早雪期（Early Snow Cover，ESC）、深雪期（Deep Snow Cover，DSC）、融雪期（Snow Cover Melting，SCM）。同时，本研究还将积雪覆盖前（Before Snow Cover，BSC）和作物生长早期（Early Growing Period，EGS）两个时期纳入考虑范围，因此试验共5个时期。

试验分别于2020年11月1日—11月20日（积雪覆盖前）采样1次、11月20日—12月20日（早雪期）采样1次、12月20日—次年2月20日（深雪期）采样2次、2月20日—3月20日（融雪期）采样1次、3月20日—4月20日（作物生长早期）采样1次，共进行了6次采样。每次采样在每个样地内的3排PVC管中每排各取1个PVC管，将土样连同PVC培养管一同取出，之后将每个土样从PVC培养管中取出，用无菌袋将3个土样混合成为一个土壤样本，以减少空间异质性对本试验的影响。将鲜土中的植物根系和碎石块分离出去，带回实验室测定土壤含水率。将剩余鲜土放置在通风干燥处，待风干后研磨过2 mm筛，对土壤有机质含量、土壤碱解氮含量、土壤速效磷含量、脲酶活性、转化酶活性进行测定。土壤样品质量含水率的测定采用烘干法。土壤有机质的测定采用重铬酸钾外加热法；土壤碱解氮的测定采用碱解扩散法；土壤速效磷的测定采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法；土壤脲酶活性的测定采用靛酚比色法测定，土壤脲酶活性以24 h每克土中铵态氮的毫克数来表示；土壤转化酶的测定采用3，5—二硝基水杨酸比色法测定，土壤转化酶活性以24 h每克土生成葡萄糖毫克数来表示。

1.5 数据处理与统计分析

使用Microsoft Excel 2019对试验数据进行初步整理，采用SPSS 19.0统计分析数据，采用单因素方差分析（ANOVA）对不同处理下土壤含水率、土壤平均温度、冻结度日数、冻融循环频率、土壤有机质含量、碱解氮含量、速效磷含量和酶活性进行显著性检验。采用因子分析法描述土壤质量含水率、土壤湿度、日土壤平均温度、冻结度日数、冻融循环频率、积雪深度、有机质、碱解氮、速效磷之间的关系，确定新的影响因子后，对早冬（积雪覆盖前、早雪期）、深冬（深雪期）、冬末（融雪期、作物生长早期）的土壤酶活性与新确定的因子进行多元线性回归分析。采用Pearson相关系数评价土壤环境因子与土壤养分有效性及酶活性的相关性系数。以<0.05为显著性水平。

2 结果与分析

2.1 土壤环境因子对雪被去除的季节性响应

如图1所示，试验期间，共发生超过3 cm积雪深度的降雪事件4次，最大一次降雪发生在2020年11月20日，降雪持续3 d，降雪深度为24 cm，最后一次降雪发生在2021年2月7日，降雪深度为3 cm，试验期累积最大积雪深度为44 cm。两种处理下土壤最低温度均发生在积雪稳定期，分别为-12.4和-6.7 ℃。如表1所示，除雪处理显著降低了平均土壤温度和土壤温度的日变化，显著增加了土壤冻融循环次数和土壤累积冻结度日数。在早雪期和融雪期，除雪处理使土壤冻结和融化时间分别提前了17和12 d。此外，除雪处理使土壤含水率在冬季大部分时间里显著降低。两种处理下土壤湿度的变化趋势大体一致，即在早雪期降低，在雪被覆盖稳定期趋于稳定，在融雪期迅速增大。雪被去除处理显著降低了土壤湿度，特别是在融雪期，雪被去除组土壤湿度相比于对照组减少了63.2%，而土壤温度无明显差异，这可能是因为在融雪期，大量雪水融化渗入土壤后导致的结果。

图1 两种处理下土壤温湿度及积雪深度 Fig.1 Soil temperature and moisture and snow depth under two treatments

表1 两种处理下0～5 cm土壤环境因子的显著性分析 Table 1 Significance analysis of environmental factors in 0-5 cm soil under two treatments

2.2 土壤养分有效含量对雪被去除的季节性响应

雪被去除作用下3种土壤速效养分含量变化特征见图2。土壤有机质含量、碱解氮含量和速效磷含量在两种处理下均大体表现为先增大后减小的趋势。除了深雪期，两种处理下速效磷含量无明显差异外（图2c），在早雪期和深雪期，除雪处理显著增加了三种土壤有效养分含量；土壤有机质含量增加了7.4%以上，土壤碱解氮含量增加了8.5%以上，土壤速效磷含量增加了13.4%以上。此外，在融雪期，除雪显著降低了三种有效养分含量，降低了4.4%以上。在作物生长季节初期，雪被去除相比于对照组仅仅显著增加了土壤有机质含量（图2a）。

图2 两种处理下土壤有机质、碱解氮和速效磷含量 Fig.2 Contents of soil organic matter, available nitrogen, and available phosphorus content under two treatments

2.3 土壤酶活性对雪被去除的季节性响应

雪被去除作用下2种土壤酶活性变化特征见图3。本研究中，除雪处理在冬季的大部分时间里显著降低了土壤脲酶和土壤转化酶活性。与对照组相比，雪被去除使土壤脲酶活性降低了16.3%以上，在深雪期降低了50.6%。除了在作物生长早期，雪被去除组的土壤转化酶活性显著高于对照组的土壤转化酶活性（图3b）外，除雪处理下的土壤转化酶活性在冬季的大部分时间里显著低于对照组的土壤转化酶活性，降低了25.0%以上。

图3 两种处理下土壤脲酶和转化酶活性 Fig.3 Soil urease and invertase activities under two treatments

2.4 雪被去除下土壤酶活性的控制因素

如图4所示，本试验利用因子分析法对土壤酶活性的控制因素进行主成分分析，确定3个新因子，其分别解释了酶活性总方差的31.41%、59.92%和80.67%。其中，因子1中土壤冻结度日数和土壤平均温度在成份矩阵中载荷较高，载荷分别为0.87和0.86，所以因子1被命名为“土壤温度”；因子2中土壤碱解氮、速效磷、有机质在成份矩阵中载荷较高，分别为0.83、0.89、0.63，所以因子2被命名为“土壤有效养分含量”；因子3中土壤冻融循环频率在成份矩阵中载荷较高，为0.81，所以因子3被命名为“土壤冻融循环频率”。在确定新因子后，采用多元线性回归分析方法，评价了冬季各阶段土壤酶活性的响应。由表2可以看出，在早冬时期（积雪覆盖前、早雪期），两种土壤酶活性均受土壤温度和土壤有效养分含量两种控制因素影响，并且土壤脲酶活性还受土壤冻融循环这一因素控制。深冬时期（深雪期），土壤有效养分含量是土壤两种酶活性的关键控制因素。在冬末早春时期（融雪期、作物生长早期），土壤脲酶活性的主要控制因素为土壤冻融循环频率，而土壤转化酶活性的主要控制因素为有效养分含量。

表2 土壤酶活性（Y）与相关因子（F）的回归方程 Table 2 Regression equation of soil enzyme activity (Y) and related factors (F)

图4 土壤酶活性的因子分析 Fig.4 Factor analysis of soil enzyme activity

3 讨论

3.1 雪被去除对环境因子的影响

雪属于热的不良导体，大量的积雪覆盖在土壤上，导致太阳辐射的热量在积雪覆盖的条件下不能直接到达土地表面，而无积雪覆盖的土壤失去了雪的保温隔热作用，使其土壤温度受气温的影响较大。本试验结果表明，土壤温度对两种积雪处理的响应存在明显差异，除雪处理显著降低了土壤温度，但却显著增加了土壤冻融循环频率。而0 ℃左右的温度波动会使土壤中动植物、微生物的活动和养分流失产生累积效应，这表明雪被去除试验组相比于对照组而言，土壤在冻融期较不稳定，并且会更频繁地进行生化反应，造成养分流失。此外，本研究还发现除雪使土壤冻结和融化的开始时间提前。这种情况可能会影响早冬和冬末早春时期的土壤冻融变化以不同的方式影响地下生态过程。雪被去除除了对土壤温度有影响外，还对土壤含水率有一定影响。本试验结果表明，除雪处理显著降低了土壤质量含水率和土壤湿度，这可能是因为雪被的缺失会导致雪的保温隔热作用削弱，进而导致土壤的水分含量降低，冻结程度增加。而土壤水分的减少可能会对地下生态过程产生深远的影响，相关分析表明土壤含水率与土壤物质循环转化密切相关（图5），而土壤中的动植物与微生物的活性以及相关溶质的释放也与土壤水分有着密不可分的关系。

图5 环境因子与土壤有效养分含量及酶活性相关性分析雷达图 Fig.5 Radar diagram of correlation analysis between environmental factors, soil nutrient availability, and enzyme activity

3.2 雪被去除对土壤有效养分含量的影响

积雪会通过影响土壤温湿度和冻融过程进而影响土壤有效养分含量。Tan等在青藏高原地区进行除雪试验发现，除雪处理会加速土壤有机碳以及氮磷元素的释放，本试验也得出了相似结论，从早雪期到深雪期，除雪显著增加了土壤有机质含量、碱解氮含量和速效磷含量。可能的原因是，首先，除雪处理相比于对照组增加了土壤冻融循环频率，更频繁的冻融循环过程会使团聚体稳定性降低，导致团聚体碎裂，许多大团聚体被破坏成为小团聚体，同时大量的微生物没有适应冰晶的冻胀作用而出现大量的裂解死亡，释放出小分子糖、氨基酸，增加了土壤的可溶性有机碳含量，大量有机质及速效养分在此过程中被释放出来。其次，除雪处理下土壤温度日变化幅度变大，该变化会加速新鲜凋落物的降解和土壤可溶性有机质的释放。最后，对照组在融雪过程中会造成一些可溶性有机质的流失，而除雪处理与之相比，会消除这一过程造成的养分流失。

本研究还发现，在融雪期，除雪处理下的3种土壤养分的含量均显著小于对照组，造成这一现象原因可能是：1）在雪被除雪的作用下，土壤融化时间提前，土壤中早春植物的萌发过程也随之提前，而这个过程需要一定量养分作为底物才可以进行，因此雪被去除组的早春植物可能吸收了一部分养分以满足自身生长。2）由于融雪期对照组的积雪隔热作用尚在，避免了更频繁的冻融循环，相比于雪被去除组而言对照组稳定的提高了土壤微生物的活性，进而提高了受微生物活性而影响的土壤C、N、P的矿化作用。2）由于雪的富集作用，在降落到地面形成融水的过程中会夹杂着一些含碳、氮、磷的物质，影响土壤养分的分布和转化过程。本研究还发现，除雪处理下的土壤有机质含量在作物生长早期依然显著高于对照组，可能的原因是冬天保持冰冻状态的微生物坏死物质的溶解促使土壤有机质显著提升，而由于此时对照组的积雪刚刚融化完全，土壤有机质中易矿化的部分随着早春植物萌发利用和雪被淋溶的作用而大量流失。上述结果表明，除雪处理可能通过影响土壤C、N、P矿化过程影响土壤有效养分含量。

3.3 雪被去除对土壤酶活性的影响

土壤酶被认为微生物活性的重要指标，对冬季土壤C、N矿化具有重要意义。本研究结果表明，除雪处理显著降低了土壤酶活性。可能的原因是：1）除雪处理会造成更频繁的冻融循环和更低的冻结温度，这会直接导致土壤微生物和植物根系的死亡，这从根本上减少了土壤酶的来源。2）由于积雪隔热作用的存在，对照组可以提供更为稳定和舒适的土壤环境以保证生物代谢过程的活跃，进而使土壤酶活性保持在一个较高的水平。3）除雪处理引起更频繁的冻融循环可以杀死生物细胞，从而将酶和养分释放到土壤中，并在短期内提高土壤酶活性，从长远来看，这些养分的累积通过产品反馈效应限制了土壤酶活性。

本研究还发现，在作物生长早期，除雪处理下的土壤转化酶活性显著高于对照组的土壤转化酶活性，造成这一现象的原因可能是，早春植物的萌发过程促进了土壤有机质的转化过程，提高了土壤转化酶的活性。多数研究结果表明土壤酶作为土壤养分循环的催化剂，深刻地影响着土壤的矿化和固定，与土壤养分有效性有较高的相关性，这与本研究一致（表2）。

3.4 土壤有效养分含量、环境因子和酶活性之间的潜在联系

本研究中土壤有效养分含量和土壤酶活性的变化趋势相反，主要原因可能土壤有效养分含量会通过影响微生物生长来影响土壤酶活性，积雪变化引起的养分有效性的差异可能直接导致土壤酶活性的不同；另一方面，由图5可以看出，土壤有效养分含量与土壤酶活性对环境因子的响应机制大不一致，由积雪变化引起的环境差异可能是导致土壤有效养分含量和土壤酶活性变化趋势相反的主要原因。而积雪变化对土壤有效养分含量和酶活性的影响主要来自于冻融循环过程，因此可能通过冻融循环的过程，使土壤有效养分含量和酶活性存在着一定的潜在联系。而本研究结果也表明，土壤脲酶活性在冬季的大部分时间里都受到土壤冻融循环的影响。本研究还发现养分的释放常常会在早冬和冬末抑制土壤酶活性（表2），而在除雪处理下，养分的释放可以弥补冬季较晚期的C和N不足，使作物生长早期酶活性的增加，这可能有利于冬末早春时期土壤的矿化过程。