季节性冻融区农业土壤矿质氮有效性变化规律原位试验

印祥民

摘要：由于我国可耕种土地资源非常有限，且不同区域农业用地性状存在较大差异，因此，研究季节性冻融区农业土壤矿质氮有效性的变化规律具有非常重要的现实意义。本文从实际出发，提出当前季节性冻融区土壤原位试验中的不足，因此采用改进的树脂芯法表层土壤氮素原位培养试验，希望可以给相关研究人员提供一些有用的建议。

关键词：季节性冻融区；土壤；氮素

根据现有的研究资料来看，全球约55%～70%的陆地面积会受到季节性冻融交替的影响，而在冻融区环境下，由于季节和昼夜温差的变化，土壤中有机物分解缓慢，有机氮向无机氮转变受限，可供植物吸收的矿质氮相对缺乏，所以该地区农业生产力受土壤氮素有效性的限制非常明显。因此，研究季节性冻融区农业土壤矿质氮有效性的变化规律具有非常重要的意义。本文从实际情况出发，首先分析了季节性冻融区农业土壤氮素存在的特点以及现有研究中关于冻融区土壤矿质氮有效性研究中存在的问题，而后阐述了原位试验原理以及冻融区原位试验的具体过程，最后对研究内容进行总结分析，旨在推进冻融区现代化农业生产，提高该地区农业经济收益。

土壤冻融现象普遍存在于中、高纬度及高海拔地区，我国的东北、内蒙古、新疆、西藏等主要农作物产区都处于冻融区影响范围内。土壤冻融主要指的是土壤因为季节温差过大，土层中的水在气温周期性的正负变化影响下，不断发生相变和迁移，使土层反复冻结融化，导致土体或岩体结构发生不同程度的破坏、扰动。而土壤中氮素含量及自然循环是保证农作物正常生长的重要影响因素，因此，了解季节性冻融区农业土壤氮素存在的特点，是保证冻融区农业正常生产的先决条件。

第一，冻融交替会影响土壤氮素的固持。氮素固持指的是土壤中微生物将土壤中无机氮进行同化的过程，而通过大量实验表明，土壤的冻融过程会显著影响土壤中生物氮含量，具体原因包括土壤质地、冻融强度、持续时间、冻融交替的频率、植被覆盖率以及水分含量等多种因素。从实际情况出发，在短时间内多次进行冻融会增强微生物的固氮能力，但如果冻融变化时间过长，则很可能不利于微生物的固氮能力。

第二，冻融交替会影响土壤氮矿化。可供植物吸收的氮素主要以矿物质无机氮的形式存在，但土壤中氮素主要以有机氮的形式存在，因此，想要为植物提供生长所需的氮素就需要将有机氮转变为无机氮。冻融交替对土壤氮矿化的影响是非常复杂的，一方面，土壤的冻融会在一定程度上破坏原有的土壤结构，使得无机氮成分增加；另一方面，死亡微生物提供的营养物质有利于微生物的矿化作用，但随着冻融交替次数的增加，积累的矿质氮反而会抑制新的矿化作用。

第三，冻融交替会影响土壤硝化与反硝化作用。土壤硝化作用与反硝化作用是土壤氮素的自然循环过程，一种是将氮素进行固化提升土壤肥力，一种是将氮素以N2O的形式从土壤中排出造成土壤氮素流失。从已收集的实验资料来看，土壤冻融交替的过程会抑制自然状态下的硝化作用，且在一定程度上增加土壤的反硝化速率。因此，总的来说，冻融交替过程会减少土壤氮素含量，造成土地肥力流失。

第四，冻融交替会影响土壤气态氮排放。气态氮的排放是冻融土壤的重要特点之一，其影响因素不仅包括土壤自身成分和构成，还有土壤冻结温度、冻结时长以及冻结频率等因素。研究人员需要结合实际情况，因地制宜地进行土壤气态氮排放研究，通过多种方式减少气态氮的排放，提升土壤氮素利用率，提高当地农作物产量。

2 当前季节性冻融区土壤矿质氮有效性研究存在的问题

随着农业科学技术的不断发展，人们已经认识到冻融区土壤矿质氮含量对农业生产的重要性，并通过不断试验对冻融区土壤氮素构成与循环有了更深层次的发现，但从当前土壤矿质氮有效性研究的过程来看，在实验方式和方法上依旧存在很多问题，具体表现为以下几点。

第一，现如今对冻融区土壤矿质氮有效性的实验多在室内进行，虽然实验硬件和软件水平得到显著提升，可以较为准确地进行冻融温度控制、冻融土壤成分控制以及冻融频率控制，但其依旧与自然原始状态下的冻融土壤存在较大的差异性，使得最终得到的实验结果并不具有普适性。

第二，从具体实验过程以及结论推导来看，当前大部分矿质氮有效性实验的研究重心集中在土壤冻结温度、土壤冻融循环次数上，但对土壤水分含量这一重要影响因素鲜有关注，很容易导致研究结果出现较大偏差。

第三，基于对多份相关论文的研究，当前冻融区土壤矿质氮有效性研究多以高纬度地区森林、苔原、草地作为课题研究的对象，但这些地区具有一个统一特性，就是很少受到人为因素的影响，与现代农业地区土壤成分有着较为明显的区别，因此，所得出的研究结果并不适用于冻融区农业生产。所以，研究人员需要更换研究角度，对现有研究方式进行创新和改进。

原位试验是研究岩土结构和成分变化的重要方式，其主要原理就是在岩土原来所处的位置和自然环境中，尽可能地减少人为因素干扰，在设定的时间范围内观察岩土内部在自然因素影响下所产生的理化性质变化。实验的主要目的是希望通过局部测试，“以点带面”的总结区域范围内岩土结构变化规律。

原位实验与实验室实验具有较为明显的差异性，其优点在于可以较为准确和直观地反映岩土结构和成分在自然环境下的演变过程，且实验消耗较小，具备重复性、多点测试、区域测试等特点。此外，原位实验本身也存在一些不可忽视的缺点，主要表现为实验获得数据较为繁杂，实验人员需要在众多数据中找寻符合自身需要的数据信息，这就给后续的数据整理和理论推导带来一定的困难，也因此对数值测定的准确性有着较高要求。

4.1 实验准备材料

本文在传统土壤原位实验的基础上进行了一定程度的创新，采用改进的树脂芯法。根据实验需要，实验前期需要准备的材料主要有直径为3厘米，长度为30厘米的PVC管材；用于封底的塑料薄膜；长约3厘米的塑料支架；总质量为10克的阴阳离子交换树脂；以及封顶的尼龙网等。

4.2 实验方式和具体过程

首先，为了保证实验的准确性，实验选址应该具备多样性，即选择冻融区林地、农田、河岸、牧场等不同类型区域进行，尽可能地选择3种或3种以上区域同时进行。其次，设置土壤矿质氮原位培养皿的过程中应该按照以下步骤进行。一是用PVC管材进行取土作业，将PVC管材埋入地下20厘米后重新取出，在底部缠绕塑料薄膜用以隔绝底部土壤与周围土壤的物质流通，再重新埋入土壤中，露出地表10厘米。二是在管内土壤顶端放置好3厘米的塑料支架，再塞入阴阳离子交换树脂。三是用尼龙网将管口进行封堵，在保證培养皿内部气体交换的基础上，减少飘入管内的降雨、降雪，保证土壤中的含水量，提升实验数据有效性。最后，在同一地点选择不同时间段设置实验组进行对比，以此来保证实验数据的多样性。

通过改进的树脂芯法原位实验，对季节性冻融农业区域的表层土壤进行对照实验，探究了冻融交替过程对农业区域表层土壤矿质氮有效性的影响。具体研究结果有以下几点。

第一，冻融区土壤冻结过程中，表层土壤铵态氮含量明显增加，数量值约为170%，而硝态氮的含量有所减少，数量值约为20%，得出土壤冻融过程中矿质氮含量得到一定程度的提升，有利于土壤肥力的提高。

第二，冻融区土壤融化过程中，土壤铵态氮含量无显著变化，但硝态氮含量经过一段时间的增长后逐渐趋于平稳，主要原因还在于土壤中硝化与反硝化作用共同影响导致的。

第三，在冻融过程中，虽然因为积雪融化导致土壤含水率增加，但土壤含水率的增加对土壤矿质氮含量无明显影响。

为了更好地提升冻融区农业经济，研究季节性冻融区农业土壤矿质氮有效性是非常有必要的。本文基于土壤矿质氮原位实验相关数据，在冻融区进行农业生产过程时，可以通过改变土壤水热状况来影响冻土内部结构和土壤微生物特性，进而影响地区氮素的生物循环，提高冻融区土壤肥力，促进当地农业快速发展。