凍融作用對大興安嶺森林土壤碳氮礦化的影響

魯博權，臧淑英，孫 麗

(哈爾濱師范大學寒區地理環境監測與空間信息服務黑龍江省重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150025)

北半球陸地表面土壤超過50%地區都受凍融作用，而凍融是溫度在0 ℃上下反復一凍一融的物理現象[1]。凍融循環通過破壞土壤中主要結構和土壤物理化學性質，也可以通過破壞團聚體的結構促進土壤可溶性有機碳和可溶性有機氮釋放[2]，從而成為土壤碳固持和無機氮的重要來源[3]。凍融可殺死土壤中一定量的微生物，改變了菌群結構和土壤有機質含量，而死亡的微生物細胞成為基質提供了能量來源，因此提高了土壤碳氮磷等元素的濃度，進而被存活的微生物利用，增加了微生物活性。同時植物根系的死亡和分解也會加速植物殘體分解釋放所需要養分來提高土壤肥力[4-6]，進而使森林生態系統生產力和養分循環機制發生變化[7]。

土壤碳氮礦化是森林生態系統養分循環的重要過程，也是森林生態系統碳氮循環的關鍵部分，多年凍土是北半球特殊的部分，也是大興安嶺自然環境維持生態環境平衡的重要基礎，受氣溫升高影響下的大興安嶺地區生態系統對全球氣候變暖十分敏感，由于氣溫升高凍土面積逐漸退化，研究高緯度凍土區碳氮循環對環境的響應十分重要，而凍融作用對不同類型森林土壤碳氮礦化的影響也是關鍵之一，揭示凍融作用下土壤碳氮含量及碳氮之間的轉化過程，對深入理解非生長季節土壤生態平衡及動態變化具有重要意義。

有關凍融對農田作物土壤理化性質的影響國外已有大量研究，而國內大多關注濕地生態系統的碳氮礦化及理化性質的變化研究，北方森林是重要的生態系統組成部分，由于其土壤屬于多年凍土，因此碳氮循環的轉化機制受水熱條件的影響有所不同，凍土退化導致大興安嶺森林生態環境出現問題，而在此背景下，凍融過程對森林土壤的影響有何變化無統一答案，凍融作用對不同種類森林土壤碳氮礦化及關系的研究甚少。筆者通過室內培養試驗，以大興安嶺凍土區典型的樟子松林和白樺林的土壤為研究對象，探討了凍融作用對不同植被類型土壤碳氮礦化及轉化機制的影響，為凍土退化過程中大興安嶺林下土壤碳氮轉化過程的野外觀測提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1研究區概況研究區位于黑龍江省大興安嶺地區漠河縣北極村(122°21′07″E，53°28′03″N)(圖1)，海拔495 m，屬于寒溫帶半濕潤氣候，年平均氣溫-5.5 ℃。氣溫年較差49.3 ℃，平均無霜期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。漠河為多年連續凍土區，凍土最厚達100 m以下，凍土融凍最淺的地方，最大融凍上界面僅20 cm左右。林地覆蓋面積較多，木材總蓄積量約14 648 m3，主要物種為興安落葉松(Larixgmelini)、白樺(Betulaplatyphylla)、杜香(Ledumpalustre)、杜鵑(Rhododendronsimsii)、云杉(dragonspruce)等。

圖1 研究區概況Fig.1 Study area location

1.2樣品采集與處理2017年10月初，分別選取大興安嶺漠河縣北極村樟子松林(ZZ)和白樺林(BH)2塊樣地進行采樣，在每塊樣地分別選擇3個面積約為10 m×10 m的樣方，間隔不小于10 m，在每個樣地用“S”型的布設方式采樣，用土鉆取剖面深度10 cm表層土壤，混合在一起，采集同時用環刀法取土用于測定土壤最大持水量，剔除草根及其他雜物后均勻混合，然后過4 mm孔徑篩后放置于 4 ℃保鮮柜中冷藏，調節含水量達最大持水量的60%用來做培養試驗。

1.3室內培養與測定方法培養試驗分別把樟子松林土壤和白樺林土壤分為兩部分，一部分放置于10 ℃恒溫培養箱內恒溫培養，分別記為樟子松林恒溫處理(ZZ)和白樺林恒溫處理(BH)。另一部分先將樣品放置于-10 ℃培養箱內凍結12 h，然后放置于恒溫10 ℃培養箱內融化12 h，此為一個凍融循環過程，分別記為樟子松林凍融處理(DZZ)和白樺林凍融處理(DBH)。

1.3.1土壤有機碳礦化。土壤有機碳礦化采用室內培養、堿液吸收法測定[8]。稱取30 g(風干重)過篩土壤，置于廣口瓶中，瓶內吊有一個10 mL 0.2 mol/L NaOH溶液的塑料杯，用于吸收土壤釋放的CO2，并使其達到密封狀態。分別在預培養后2、6、10、14、18、30 d取出燒杯，將其溶液完全洗入三角瓶中，然后加過量1 mol/L BaCl2溶液及酚酞指示劑，用0.1 mol/L HCl滴定至紅色消失。每組做3個重復，并設置空白對照2個，根據CO2的排放量計算培養期內土壤有機碳礦化速率和碳礦化累積量。

1.3.2土壤有機氮礦化。稱取300 g(風干重)過篩土壤，置于廣口瓶中，調節含水量，同樣設置2個同樣廣口瓶，用保鮮膜封住瓶口，并在保鮮膜上留有10個通氣孔以便于空氣流通，分別在預培養后的第2、6、10、14、18、30天進行破壞性取樣，用2 mol/L KCl溶液浸提過濾后，測定NH4+-N和NO3--N的含量。培養期間，每隔3 d利用稱重法對樣品補充水分[9]。

1.4數據分析采用 SPSS 22.0 軟件對試驗數據進方差分析(ANOVA)，采用t檢驗方法分析不同土壤間碳氮礦化之間的差異，最后用Excel 2007和Origin 9軟件進行數據整理并繪圖。

2 結果與分析

2.1凍融對不同森林土壤碳礦化的影響

2.1.1凍融對不同森林土壤碳礦化速率的影響。由圖2可知，凍融對樟子松林土壤和白樺林土壤有機碳礦化速率影響不同，樟子松林培養前6 d凍融處理和恒溫處理碳礦化速率均顯著增加，且恒溫處理碳礦化速率比凍融處理分別高49.7%和28.1%。在第10次凍融中，凍融處理比恒溫處理高80.8%，隨后顯著升高且在培養第14天后恒溫處理和凍融處理土壤有機碳礦化速率逐漸降低，且恒溫處理碳礦化速率比凍融處理分別高9.9%、11.2%、50.8%。白樺林恒溫處理隨著培養時間的增加顯著降低，凍融處理在10次凍融循環前呈增加趨勢之后隨著凍融次數的增加逐漸減少，培養前6 d恒溫處理碳礦化速率比凍融處理分別高70.9%、28.6%。在第10次凍融過程中，凍融處理比恒溫處理高36.9%。在培養第14天后恒溫處理碳礦化速率比凍融處理分別高49.9%、38.0%、52.5%。培養期間，2種土壤碳礦化速率有所不同，恒溫處理和凍融處理白樺林土壤碳礦化速率顯著低于樟子松林土壤碳礦化速率(P<0.05)。方差分析結果表明，凍融對土壤碳礦化速率有顯著影響(P<0.01)。

2.1.2凍融對不同森林土壤碳礦化累積量的影響。由圖3可知，經過30 d培養，樟子松林恒溫處理CO2-C累積量為(741.28±23.29)mg/kg，凍融處理CO2-C累積量為(624.33±12.4)mg/kg，凍融處理CO2-C累積量顯著低于恒溫處理(P<0.01)；白樺林恒溫處理CO2-C累積量為(483.58±17.09)mg/kg，凍融處理CO2-C累積量為(401.64±24.46)mg/kg，凍融處理碳礦化累積量顯著低于恒溫處理(P<0.01)；培養期間，2種土壤碳礦化累積量有所不同，恒溫處理和凍融處理后白樺林土壤碳礦化累積量顯著低于樟子松林土壤(P<0.01)。方差分析結果表明，凍融使土壤碳礦化累積量顯著降低(P<0.01)。

圖2 不同森林土壤有機碳礦化速率Fig.2 Organic carbon mineralization rates in different forest soils

圖3 不同森林土壤有機碳礦化累積量Fig.3 Potential organic carbon mineralization in different forest soils

2.2凍融對不同森林土壤氮礦化的影響由圖4可知，經過30 d培養后，樟子松林土壤凍融處理和恒溫處理無機氮含量分別為(53.00±1.93)和(43.69±4.29)mg/kg，在培養前6 d凍融處理無機氮累積量比恒溫處理分別高22.1%、18.9%，由此可知，凍融作用減少了土壤無機氮質量分數的增加，但10次凍融循環后凍融過程顯著增加了土壤有機氮礦化，凍融處理無機氮累積量比恒溫處理分別高6.8%、9.6%、15.8%、26.7%。白樺林土壤凍融處理和恒溫處理無機氮質量分數分別為(53.48±1.13)和(41.16±0.43)mg/kg，培養期間，凍融處理和恒溫處理無機氮累積量顯著增加，凍融處理無機氮累積量分別是恒溫處理的2.15、1.69、1.65、1.39、1.37、1.29倍。培養期間，2種土壤無機氮質量分數不同，恒溫處理和凍融處理白樺林土壤無機氮質量分數顯著低于樟子松林土壤無機氮質量分數(P<0.05)。方差分析結果表明，凍融對2種土壤氮礦化過程具有顯著影響，凍融有利于無機氮含量累積。

2.3凍融對不同森林土壤碳氮礦化關系的影響由圖5可知，凍融處理與恒溫處理后的樟子松林土壤碳排放量與氮累積量為正相關關系，凍融處理與恒溫處理后白樺林土壤碳排放量與氮累積量也為正相關關系，可以看出二者凍融處理碳氮轉化關系更好。這表明凍融處理土壤相比恒溫處理土壤在一定量土壤碳排放條件下，凍融處理的土壤增加了無機氮含量。

3 討論

土壤碳氮決定森林生態系統在一定條件下的平衡，與氣候、植物、動物、地形等環境因子具有密切關系。凍融作用通過改變土壤結構和土壤的理化性質，影響了土壤呼吸強度增加，同時破壞了土壤團聚體穩定性，釋放大量的溫室氣體，CO2和N2O含量也隨之發生變化[10-14]。凍融可以使土壤團聚體破碎，土壤膨脹是由于土壤含水量的增加。凍融作用對土壤團聚體的穩定性國內外學者有不同的說法，有學者認為會破壞其穩定性，而有學者認為受不同溫度的控制其穩定性也會不同[15-17]。較大的水分含量對較低溫度下土壤團聚體的穩定性影響很大，同時溫度也是凍融過程發生的重要條件，不同溫度使營養物質發生移動，導致微生物活性發生變化[18]。凍融也會殺死土壤中一部分微生物，殘余的微生物通過吸收死亡微生物所釋放的營養物質作為能量來源來提高自身活動能力[19]。土壤中不同菌群群落對土壤有機碳氮礦化的影響不同，研究證明短期凍融對土壤碳排放有“激發效應”，但長期凍融會抑制土壤有機碳礦化[20]，而對土壤氮礦化多表現為促進作用[21]。

圖4 不同森林土壤無機氮累積量Fig.4 Cumulative mineralization of soil organic nitrogen in different forest soils

圖5 不同森林土壤碳礦化累積量和氮礦化累積量的關系Fig.5 The relationship between the accumulation of carbon mineralization and the accumulation of nitrogen mineralization in different forest soils

該研究結果表明，2種土壤前期凍融循環并未使碳礦化速率有明顯的降低趨勢，反而有升高趨勢。這可能由于大興安嶺凍土區土壤長期在較低溫度下已經適應了這種極低溫環境，并沒有破壞土壤團聚體結構和理化性質，而大部分菌群結構也發生了改變，延遲了“激發效應”的產生。在第10次凍融循環中，微生物呼吸增加，恒溫處理有機碳礦化速率顯著低于凍融處理，在10次凍融后迅速升高，之后2種土壤碳礦化速率呈降低趨勢，這與前人研究結果一致。這主要是由于凍融處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]，凍融初期-10 ℃殺死了土壤中部分微生物，這些死亡微生物為存活微生物提供能量來源，當微生物活性增強時土壤碳礦化速率也會隨之增大。但長期來看土壤碳排放隨著時間的延長與凍融次數的逐漸增加，土壤有機碳分解過程所需要的元素不能僅靠死亡物質來補充，能源供給的不連續性降低了土壤微生物活性，碳排放速率也逐漸減小，因此2種土壤恒溫處理碳排放累積量顯著低于凍融處理。而2種碳礦化速率的不同是由于樟子松林在非生長季積累的凋落物偏多，且近幾年人為活動頻繁導致土壤微生物菌群結構和酶活性發生改變，表層土壤分解速率加快，而白樺林可能由于落下的枝葉較多，這些枝葉富含較高的油脂，致使表層土壤分解速率變慢。因此白樺林土壤碳礦化速率顯著低于樟子松林土壤。

該研究結果表明，凍融循環作用有利于森林土壤有效氮的累積[14]。經過凍融循環的土壤微生物部分死亡，一方面細胞會大量釋放無機氮，另一方面增加了土壤可利用基質，成為礦質氮的直接來源，刺激了微生物的活性，促進了融化階段土壤氮礦化，另外，凍融溫度使土壤收縮膨脹，導致土壤晶格開放，釋放出一定量的NH4+-N[2]。由于大興安嶺凍土區溫度相對較低，經過30 d培養試驗，樟子松林和白樺林土壤無機氮質量分數分別提高了4.01和3.28倍。而樟子松林在6次凍融循環后，凍融處理下土壤無機氮含量低于恒溫對照處理土壤，可能由于微生物適應極低溫，因此-10 ℃下死亡了少部分微生物，影響了氮礦化過程。但隨后經過第10次凍融循環后無機氮質量分數迅速增加，這可能由于之前的微生物經過凍融循環死亡后為殘余微生物提供了足夠的能源，使微生物活性迅速提高，這與之前研究認為-10 ℃不會導致一些微生物細胞破裂釋放無機氮，-15 ℃才會使土壤礦質氮增加一致[24]。該研究結果表明，凍融促進了土壤無機氮的累積。白樺林每年秋季的枯枝落葉大量掉落，因此堆積下來的枯枝落葉形成腐殖質，這對氮含量的補充極其巨大，而樟子松林下土壤氮含量相對較穩定，因此樟子松土壤無機氮含量低于白樺林土壤。

微生物分解氮實際上利用可利用碳源分解底物而獲取，即碳氮比的大小決定有機質分解礦化的難易程度，在農田土壤中碳氮比較高，因此土壤中微生物活性降低分解速度變慢，從而消耗土壤中氮元素含量，因此常施用有機肥來調節。一般在森林土壤中土壤碳氮礦化關系和農田中的土壤有很大不同，較多呈現正相關關系，許多碳氮含量較少的土壤中，微生物分解有機物釋放的無機氮最先被剩余微生物所利用，然后再釋放到土壤中，導致土壤碳氮礦化關系成為負相關關系，因此添加碳氮可以改變土壤碳氮礦化關系[25]。該研究結果表明，2種土壤碳氮礦化關系為正相關關系，凍融處理土壤與恒溫對照土壤在具有相同土壤碳排放的情況下，凍融處理增加了土壤無機氮累積，可見大興安嶺森林土壤碳氮轉化機制并未受到多年較低溫度的影響。

4 結論

培養期間，樟子松林土壤和白樺林土壤碳礦化速率呈先升高后降低的趨勢，恒溫處理和凍融處理白樺林土壤顯著低于樟子松林土壤碳礦化速率。凍融作用影響了碳排放累積量，恒溫處理和凍融處理白樺林土壤顯著低于樟子松林土壤碳礦化累積量。凍融對2種土壤氮礦化具有顯著影響，凍融有利于增加無機氮的累積，恒溫處理和凍融處理白樺林土壤無機氮累積量顯著低于樟子松林土壤無機氮累積量。凍融處理和恒溫處理2種土壤碳氮礦化關系均表現為正相關關系，凍融處理土壤與恒溫對照土壤在具有相同土壤碳排放的情況下，凍融處理增加了土壤無機氮質量分數，凍融有利于無機氮累積。由于全球氣溫升高凍土退化，凍融次數和凍融溫度可能會改變這種關系。該研究結果表明，水熱狀況的變化使大興安嶺地區生物種群結構有明顯的不同，影響了森林生態養分循環和生產力，而多年凍土區凍融作用下森林土壤碳氮轉化機制與寒區氣候變暖之間的關系還需要進一步研究。