模擬凍融循環作用下添加秸稈對土壤氮動態的影響

孔健健, 李 夢, 齊 楠, 楊 揚, 劉曉晴, 王凱澤

(1. 沈陽師范大學 生命科學學院, 沈陽 110034; 2. 沈陽師范大學 科研處, 沈陽 110034)

0 引 言

糧食生產與農田土壤的性質和肥力密切相關。近些年來,由于人類過度耕作、過量施肥及不合理的管理方式等,導致土壤有機質含量明顯降低,進而引起土壤退化和肥力逐年衰退[1-2]。秸稈還田是改善土壤質量、加快土壤有機質累積、增加土壤肥力的一種有效手段[3-4]。但由于全球氣候變化所引起的異常降水和冬季凍融作用的頻繁加劇,有可能使秸稈還田后土壤環境發生一些不確定的變化,進而影響土壤肥力和作物產量。

凍融交替是指隨著季節變化及晝夜氣候條件的改變,表層及以下的土壤產生的不斷冷卻與解凍的過程之一,它普遍出現在中、高緯度地區和高海拔地帶[5]。凍融是影響中、高緯度地區土壤氮動態的重要生態過程,一些研究發現,頻繁的凍融會加快土壤有機質的分解和氮素的轉移[6],且凍融循環能夠促進土壤氮的礦化作用,增加土壤無機氮含量[7-8]。土壤凍融作用直接受降水量的影響,降水對土壤起到增溫的作用,可以加快土壤融化[9],而土壤水分含量高會抑制土壤硝化作用,進而導致土壤銨根的積累[10]。還田秸稈是土壤有機質的主要來源,一些研究發現,凍融循環可以促進秸稈的降解[11],但凍融作用下還田秸稈對土壤氮動態的影響尚不明確。

東北地區土壤肥沃,季節性凍融明顯,頻繁的凍融改變了土壤的內部結構、理化性質以及水熱條件[12],進而可能影響土壤氮素的轉化過程。有研究發現,東北黑土土壤有機質含量隨著開墾年限的增加明顯降低,開墾60年的土壤中有機質質量分數已經由開墾前的150 g·kg-1下降到66 g·kg-1[13]。為遏制東北黑土質量退化和培肥黑土,各地區已經逐步開展保護性耕作措施,但冬季凍融條件下添加秸稈對土壤氮動態的影響尚不明確。因此,本研究以東北黑土作為供試土壤,采用室內培養的試驗方法,研究不同水分條件下凍融循環對添加秸稈后土壤氮動態的影響,旨在為凍融作用下黑土的氮肥力維持及培肥黑土提供一定的科學依據。

1 研究材料與方法

1.1 研究區概況

供試土壤取自遼寧省鞍山市臺安縣典型黑土區,該區域位于遼寧省中部略偏西南,遼河三角洲腹地(E 122°11＇,N 41°01＇),屬暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候,四季分明。全年平均降水量為618 mm,年平均氣溫為9 ℃,冬夏溫差極大,冬季最低溫度可低于-20 ℃,土壤冰凍期長達4個多月,會出現持續的冰雪覆蓋現象,每年12月到次年3月土壤都會經歷反復的凍結和融化。本文的供試土壤為典型黑土土壤,屬多年凍土類型,以玉米作為主要農作物。

1.2 試驗設計

于2021年10月初玉米收獲后,在每個小區,采用土鉆以五點取樣法采集0～20 cm土層土壤,混勻裝袋。同時采集玉米秸稈,用于室內秸稈添加試驗。秸稈運回實驗室后,于80 ℃烘干,然后粉碎,備用。土壤過2 mm篩,去除雜物后分為2份,一份用于測定土壤水分含量、pH和無機氮含量;另一份于陰涼處風干,用于培養試驗。

本次凍融模擬試驗條件為:土壤凍結溫度為-15 ℃,融化溫度為10 ℃,凍結、融化時長均為12 h,以模擬凍融期土壤1 d內的凍融變化規律。在此基礎上,同時設置了如下處理:秸稈添加(另設未添加秸稈作為對照)、3個土壤水分梯度(20%,60%,100%)、凍融循環次數(1,3,5,7,9,12,15,18,21,25次),每個培養單元均受以上3種處理方式的交叉影響。凍融循環試驗共取樣10次,最長培養時間為25 d。試驗處理均設置4次重復,共計480個培養單元。

每個培養單元處理方式為:稱取100 g備用風干土放入150 mL的塑料杯中,秸稈添加量為2 g(按照全量還田計算)。用去離子水調節至相應的土壤濕度,即分別緩慢加入20,60,100 mL去離子水,將待培養單元用保鮮膜封口,然后在封口膜上用針扎10個小孔,以保證培養單元內的通氣性。另準備未添加秸稈的培養單元作為對照。而后,將所有培養單元放入恒溫培養箱于20 ℃預培養5 d,以激發土壤微生物活性。預培養結束后,測定凍融循環前土壤樣品的銨氮和硝氮及無機氮的含量,此后開始進行凍融循環試驗,將所有培養單元于-15 ℃的凍結裝置中凍結12 h,然后取出放在10 ℃恒溫培養箱中融化12 h,此為1次凍融循環。為保證培養過程中土壤水分的恒定性,定期補充土壤水分。

1.3 測試指標與分析方法

土壤銨氮與硝氮含量的測定先采用2 mol·L-1的KCl溶液浸提,然后分別用靛酚藍比色法和紫外分光光度法測定[14]。

1.4 數據處理

氨化速率、硝化速率、凈氮礦化速率的計算公式:

以未凍融為對照,采用單因素方差分析方法評價凍融對土壤氮指標的影響;在凍融條件下,以未加秸稈為對照,采用單因素方差分析方法評價凍融條件下添加秸稈對土壤氮指標的影響;采用多因素方差分析方法檢驗不同處理(凍融循環次數、添加秸稈、水分處理)對土壤氮指標的交叉影響;本研究統計顯著性水平為0.05;采用方差分離法評價不同因素對土壤有效氮含量及氮礦化速率影響的相對重要性,所有數據分析均在R4.1.0統計分析軟件中完成。

2 結果與分析

2.1 不同控制因素下添加秸稈對土壤有效氮含量與氮礦化速率的影響

與未凍融土壤相比,凍融作用對土壤銨氮和無機氮含量影響顯著,分別增加了98%和33%;而凍融作用對土壤硝氮含量影響不顯著(表1)。凍融后土壤氨化和凈氮礦化速率顯著增加,分別增加了81%和86%,對硝化速率無顯著影響(表1)。

表1 凍融對土壤有效氮含量及氮礦化速率的影響(均值±標準誤差)Table 1 Effects of freeze-thaw cycles on soil available N contents and N mineralization rates (mean±standard error)

在凍融條件下,相較未加秸稈,添加秸稈顯著影響土壤銨氮和無機氮含量以及氨化和凈氮礦化速率,但對硝氮含量和硝化速率無顯著影響(表2)。添加秸稈后土壤銨氮和無機氮含量顯著減少,分別減少了62%和33%(表2、表3);土壤氨化和凈氮礦化速率在添加秸稈后也分別顯著減少了56%和76%(表2、表3)。

凍融條件下,不同含水量處理對土壤有效氮含量和氮礦化速率的影響顯著(表2)。含水量為20%的處理其土壤銨氮和無機氮含量以及氨化和凈氮礦化速率均顯著低于含水量為60%和100%的處理。土壤含水量由20%增大至60%后,銨氮含量和氨化速率分別增加了633%和445%(表2、表4)。含水量20%處理下,土壤硝氮含量和硝化速率顯著高于含水量為60%的處理,分別高出36%和60%(表2、表4)。而含水量60%與100%的處理間各指標無顯著差異(表2、表4)。

表2 凍融條件下3個影響因素(凍融循環次數、不同含水量、添加秸稈)及因素間的交叉作用對土壤有效氮含量及氮礦化速率影響的P值

表3 凍融條件下添加秸稈對土壤有效氮含量及氮礦化速率的影響(均值±標準誤差)

表4 凍融條件下不同土壤水分對土壤有效氮含量及氮礦化速率的影響(均值±標準誤差)

2.2 秸稈添加與凍融循環對土壤氮礦化速率動態變化模式的影響

秸稈添加與凍融循環的交叉作用對土壤氮轉化速率的影響顯著(表2)。未添加秸稈的對照,土壤氨化和凈氮礦化速率均隨著凍融循環次數的增加呈現顯著下降的趨勢,并于第4次凍融循環后趨于平衡(圖1(a)、圖1(c));添加秸稈后土壤的氨化速率也在第4次凍融循環后趨于穩定;凈氮礦化速率則在第2次凍融循環后趨于平衡(圖1(a)、圖1(c))。未添加秸稈的對照,其土壤硝化速率表現為增加的趨勢,且第1次凍融循環時的硝化速率最低,而后隨凍融次數增加而增加,直至趨于穩定,且第5次凍融循環后的硝化速率顯著高于第1次(圖1(b));添加秸稈后,凍融循環次數對土壤硝化速率影響不顯著(圖1(b))。

圖1 秸稈添加與凍融循環對土壤氮礦化速率的影響(各趨勢線上的不同字母表示兩者間差異顯著,相同字母表示差異不顯著,下同)

2.3 不同水分處理與凍融循環對土壤氮礦化速率動態變化模式的影響

土壤水分與凍融循環的交叉作用對土壤氮轉化速率的影響顯著(表2)。不同土壤水分下,氨化速率的變化模式整體相似,均表現為第1次凍融循環氨化速率最大,隨后顯著下降,在第4次凍融循環后達到平衡(圖2(a))。不同水分條件下,土壤硝化速率的變化模式與氨化速率不同,含水量為20%和60%的處理下,土壤硝化速率隨凍融循環次數的增加變化不顯著,含水量為100%處理下的硝化速率整體表現為上升趨勢,且在第5次凍融循環后趨于平衡(圖2(b))。與氨化速率相似,不同水分下土壤凈氮礦化速率均表現為第1次凍融凈氮礦化速率最高,而后呈下降趨勢,含水量為20%的土壤凈氮礦化速率在第2次凍融循環后達到平衡,而含水量為60%和100%的處理則在第4次凍融循環后達到平衡(圖2(c))。

圖2 不同水分處理下凍融循環對土壤氮礦化速率的影響

2.4 秸稈添加、水分處理與凍融循環次數對土壤有效氮含量及氮礦化速率影響的相對重要性

方差分離結果表明,凍融循環次數、添加秸稈、土壤水分處理及各因素間的交叉作用對土壤銨氮含量的總方差解釋量為95.7%,其中,水分處理的方差解釋量最大(45.7%),其次為秸稈添加的解釋量(28.3%,圖3(a))。3個因素及其交叉作用對土壤硝氮含量的方差總解釋量為93.0%,秸稈與含水量交叉作用的影響最大,解釋量為74.5%,含水量次之,而秸稈添加的方差解釋量最小(圖3(b))。3個因素及其交叉作用對土壤無機氮含量的總方差解釋量為88.1%,其中,添加秸稈的影響最大,解釋量為35.1%,其次為含水量(21.1%,圖3(c))。凍融循環次數對土壤氨化速率和凈氮礦化速率方差解釋量最大,均高于40%(圖3(d)、圖3(f))。3個因素對土壤硝化速率的總方差解釋量為74.3%,其中,秸稈、土壤水分、凍融循環次數3個因素的交叉作用對方差的解釋量最大(43.5%),秸稈與含水量的交叉作用次之(17.9%,圖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 討 論

土壤濕度也是影響凍融期土壤氮礦化的重要因素,土壤水分凍結形成的冰晶會向外膨脹,破壞土壤團聚體,而土壤團聚體的大小和穩定性又影響著土壤氮的礦化過程[22]。在田間持水量范圍內,低水分土壤凍結后內部團聚體受到的破壞遠遠小于高水分土壤[23]。研究結果顯示,隨著土壤含水量的增加(土壤含水量由20%增至60%或100%),凍融土壤中銨氮含量顯著增加,硝氮含量變化不顯著,這與雋英華等[24]的研究結果相一致,這可能是由于土壤處于低含水量狀態時,氧氣含量充足,有利于銨氮的硝化;處于淹水狀態下的土壤,由于缺乏氧氣,可能會抑制硝化過程,從而有利于銨氮的累積[24]。低含水量的土壤氮礦化速率達到平衡的時間早于高水分的土壤,土壤含水量由20%增至60%或100%后,土壤氨化和凈氮礦化速率也相應增加,這與先前的研究結果相一致[25]。田路路[25]通過室內培養試驗研究發現,土壤濕度的增大會強化凍融作用對土壤氮礦化速率的作用,從而促進土壤氮礦化。這些研究結果表明,凍融條件下,高含水量土壤比低含水量土壤更有利于促進土壤氮礦化。

方差分離結果顯示,凍融循環次數是影響土壤氨化和凈氮礦化速率最為重要的因子,而土壤硝化速率則主要受秸稈、土壤水分、凍融循環次數三者間交叉作用的影響,秸稈、土壤水分處理以及二者間的交叉作用是影響土壤有效氮含量的重要因子。這些研究結果表明,添加秸稈后適當地控制凍融循環次數和土壤水分含量能夠調控土壤氮轉化過程,進而減少土壤銨氮損失量,有利于土壤氮肥力的維持。而氣候變暖背景下,冬季降水的增多可能會促進冬季凍融期土壤氮的礦化過程[33],進而增加土壤氮淋失量,對土壤氮肥力產生不利影響。還田秸稈能夠改善土壤的物理化學及生物學性狀,有效阻止氮素轉移,遏制土壤退化,秸稈腐解后可以增加土壤中的有機質和速效養分,培肥地力[34],但如果降水增加,凍融循環頻繁加劇可能會抑制秸稈還田對土壤的培肥作用。因此,如何控制頻繁凍融作用下的氮損失是保障秸稈還田效果的關鍵問題,也是農業工程領域亟待解決的問題。

4 結 論

綜上所述,不同水分條件處理下,凍融循環對添加秸稈后土壤有效氮含量和氮礦化速率的影響不同。凍融作用可以促進土壤氮素轉化,顯著增加土壤銨氮和無機氮含量;凍融作用下添加秸稈會顯著減少土壤銨氮和無機氮含量,但對硝氮含量影響較小;凍融作用下,較高的含水量對土壤氮礦化作用影響較大;較少的凍融循環次數有利于土壤氮礦化過程;秸稈添加及土壤水分的變化對土壤有效氮含量的影響貢獻最大;凍融循環次數對土壤氨化和凈氮礦化速率的貢獻最大;土壤的硝化速率受秸稈、土壤水分、凍融循環次數三因子交叉作用的影響最大。