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模拟冬季高寒条件下典型的土壤冻结/解冻循环：

对N和P有效性的影响

摘要

季节性积雪覆盖的高山土壤可能经历冻融循环，特别是在雪少的年份以及冬末和早春期

间。冻融循环可促进土壤矿化，是调节氮磷有效性和循环的一个因素。在本研究中，使用具

有对比性质的四种土壤进行实验室培养实验，以表征模拟冻融循环后N和P形态(微生物和

可溶性无机/有机)的变化。

土壤样品是从代表人类直接管理的极端例子的地点(放牧草地(M点)和落叶松下广泛放

牧(L点))或受到更多自然事件干扰的地点(桤木旁最近的雪崩和殖民(A点))以及杉木下预期森林顶级植被下(F点)收集的。将这些场地的表层土壤保持在两种不同的含水量(20%和30%，w/w)下，进行单次(SF)或四次连续(4SF)冻融循环。每个周期在-9°C时为12h，在 4°C

时为12h，模拟了一个昼夜模式。

SF循环降低了F和A点土壤的微生物氮含量，并伴随着两种水分含量下溶解有机氮（DON）的显着增加。与此相反，M和L点的土壤的微生物氮不受冻融循环的影响，这表明土壤微生物对极端温度具有特殊的适应性。冻融循环使所有土壤的净氨化作用显著增加。

SF循环后，所有土壤可提取总溶解态氮(TDN)和总溶解态磷(TDP)均有所增加，但不同形态氮和磷的相对重要性不同。在土壤含水量较低的情况下，除M点外，所有土壤中NO₃^-浓度均保持不变或略有下降。在所有其他土壤中DON似乎取代NO₃^-作为冻融循环后的潜在移动N源。冻融后溶解性有机磷对TDP的相对贡献仍然显著，且在所有土壤中均大于50%。

冰雪覆盖土壤的冻融循环对微生物生物量可能有选择性影响。冻融引起净氨化和DON释放的脉冲，对高寒地区氮素循环具有重要影响。

1. 介绍

在高山条件下，积雪在冬季后期消退，使土壤暴露在夜间气温可定期降至0°C以下的时期。雪盖的缺乏降低了保温程度，导致土壤温度降低，土壤冻结扩大，冻融循环增加（Edwards 和 Cresser,1992年;Groffman等,1999年）。冻融过程通过各种机制影响土壤的化学反应、养分有效性和迁移( Marion，1995)。冻融循环通常会促进有机氮（N）的矿化（氨化和硝化作用），通常导致铵（NH₄ ）和硝酸盐（NO₃^-）浓度增加（Soulides和Allison，1961年; Mack，1963年; Honnolainen和Reppo，1975年; Malhi和Nyborg，1986年; DeLuca等，1992年）.Hinman（1970年）发现交替冻融增加可交换性NH4 ，但降低可交换性K.

冻融导致有机土壤中可溶性磷（P）大量增加，这表明有机化合物的溶解和/或生物组分的物理破坏是重要因素（Ron Vaz等，1994年）。已经表明，冻结和融化会导致土壤中二氧化碳的冲刷（Ross，1972年; Skogland等，1988年），以减少活性土壤细菌的数量（Morley 等人，1983年）以及真菌繁殖体的数量（Biederbeck和Campbell，1971年）。

冻融后观察到的有效营养物的量和化学形式的变化的原因是多种和复杂的。所涉及的物理化学和生物过程的程度和相对重要性最终取决于个体土壤特性，速率，冻结时间和频率的长短以及诸如植被覆盖和土壤含水量等因素（Edwards和Cresser，1992年）。在此，使用一系列受控的实验室培养来提高对模拟冻融处理对涉及N和p的转化过程的影响的理解。将四种保持在两个水分状态下的，在有机质和养分含量上差异明显的高山表土暴露于单个或多个冻融循环。

1. .材料和方法

2.1. 土壤类型和采样

土壤来自西阿尔卑斯山，潘宁山脉，一个位于瑞士西南部和意大利西北部边界的紧凑型山脉，这个紧凑的地区拥有阿尔卑斯山12个最高峰中的10个。采样点位于都灵以北大约80 km的Lys Vallee（意大利西北部，45^O50^,N; 4^O38^,E），并由Scalenghe等详细描述。（2002年）。该地区气候特征为冬季寒冷，年平均气温4.0°C，年降水量1070毫米，其中40％为雪。根据两个主要标准选择地点: (1)相似的海拔(1500 - 1600m a.s.l)，具有相似的朝向；(2)不同的植被覆盖和土地管理面貌。其结果是有四个地方经历了不同程度的人为干扰石结构清理和梯田建设（M点），落叶松下强度较低的受控放牧（L点），一个自然受到干扰的雪崩地点随后被桤木殖民（A地点），最后来自杉木预期森林顶级植被下(F点)。预计这些土壤一起将代表该地区广泛的性质，特别是有机质含量。

土壤（图1）被归类为Typic Cryorthent（M点），Mollic Eurocrypt（L点），典型Udorthents（F点）和Spidal Dystrudepts（A点）（土壤测量工作人员，2006年）。土壤深度介于约0.7 - 1.5m的钙质片岩和混合岩性地层之间。土壤是极其多石的，使得难以收集完整的土壤芯，因此所有的培养研究都在从上层收集的过筛(lt;2.00mm)土壤上进行(图1 )。

土壤性质，如氮和磷的初始含量，可能对季节性因素如普遍的生物活性敏感。因此，所有土壤样品都是在初冬( 11月)采集的，当时雪盖小于40cm，平均土壤温度大于2°C。样品以 4°C保存。

为了尽量减少N和P矿化的可能影响，土壤保存在 4°C; 由于这个原因，所有的比较都是在零时刻针对个体N和P物质的初始浓度进行的。

2.2. 土壤冻结处理

在以前的冻融研究中，土壤含水量是一个重要的特征。出于这个原因，每个土壤的子样品（100g，鲜重）在黑暗中在重新包装的塑料核心中孵育。 向每个样品中加入足够的去离子水以提供重量含水量为20%或30%的土壤，其分别对应于32和6.5 kPa的吸力。

图1。土壤剖面。左起: (M)砂质、镁质、非酸性、寒冷型低温，东距1540米，坡度15%，植物为高良姜、羊茅、草豆蔻、木犀草、飞花草、老鹳草、母质钙矾石、蛇纹石、蛇纹石片岩和普拉西尼岩；(L)砂质、镁质、非酸性、寒冷的翅果油树，东南1560米，坡度50%，植被为落叶松、野生羊茅、母质钙矾石、蛇纹石、蛇纹石片岩和普拉西尼岩；(F)砂质、云母质、酸性，东北1600米。坡度60%，植被有美洲冷杉、欧洲云杉、黑果越橘、笃斯波利尼西亚、母质片麻岩；( A )砂质、泥质、酸性、东北1480米、坡度20%、植被绿桤木、白桤木、拟梧桐槭和林子草，母质片麻岩。左边刻度，每条5厘米。以粗体显示采样的层位。

选择这两种含水量作为冬季期间在这些现场测量值的代表。 最高值（30%，w/w）确保所有样品完全饱和，尽管个体持水能力不同

采用两种冷冻/解冻处理：

1. 单冻（SF）：将样品置于冰箱中（-9°C）12小时，然后在 4°C下解冻。
2. 四次冷冻循环（4SF）：如同单次冷冻，但程序依次重复四次。

所有处理一式三份进行，总共48个样品：通过两次土壤冻结处理（SF和4SF）重复三次，由两种水分含量（32和6.5kPa）得到四种土壤类型。

2.3. 土壤分析

在105℃干燥后，用重量法测定土壤水分含量。在土壤∶溶液比为1∶10的水中电位测定酸度。使用CHN分析仪(Carlo-Erba,Turin, Italy)在碾磨的烘干样品上测量土壤总C和N。土壤全磷测定采用过硫酸盐消化法( Nelson，1987年)。土壤的主要化学和物理特性见表1。

用10g土壤测定可提取的N，将其转移到250cm³萃取瓶中，用50cm³的0.5 M K₂SO₄和悬浮液摇动1h，首尾相连，然后离心，然后通过玻璃纤维Whatman GF/A过滤，然后通过0.45 mm微孔过滤器。在扩散后用比色法测定提取物中的铵和NO₃^-浓度( Brooks等人。1989年)。对于溶解的有机化合物，用100cm³ 0.5m K₂SO₄摇动子样品(10g新鲜重量) 1h，悬浮液通过Whatman G/FA过滤，随后在抽吸下膜过滤(lt;0.45 mm)。用碱过硫酸盐氧化等份提取物后，测定提取物中的总溶解N(TDN)为NO₃^-( Williams等人。1995年)。氧化溶液中的硝酸盐在使用镀铜镉还原为NO后用比色法测定( Henrik - sen和Selmer - Olsen，1970年)。溶解的有机氮计算为 DON = TDN - (NH₄ - N NO₃^- - N)。用氯仿熏蒸样品过夜，然后用0.5 M K₂SO₄与一组未熏蒸的样品平行提取，测定微生物生物量N ( N_micr )。采用0.54的回收系数从可提取的TDN冲洗中计算生物量N值（Brookes等，1985年）。

用钼蓝法测量K₂SO₄提取物中的钼酸盐反应性P（MRP）（Murphy和Riley，1962年）。在上述用于测定TDN的过硫酸盐氧化后，总溶解P（TDP）浓度也作为MRP测量（Williams等，1995年）。TDP和MRP之间的差异被认为是溶解有机磷（DOP）。

2.4. 统计分析

所有结果均以mg N或P kg^-1烘箱干土表示。 使用SPSS（SPSS Inc.，Chicago，IL）和Genststat（NAG，Oxford，UK）软件对数据进行统计分析。

表一

以优势植被命名的土壤上层矿物层特征

a 物种列于图1。

b 性质以克/千克散装土壤给出。

c 性质以克/千克细土给出。

d 性质以毫克/千克细土给出。

1. 结果

3.1. 初始土壤的组成

所有的土壤都具有沙质结构并且包含大小gt; 2.00mm的明显材料（表1中的岩石）。M地的石头含量较小，反映了农民不断清理。4种土壤的主要化学差异是酸度( pH 4.4～6.7 )和总碳、氮、磷(表1)。桤木下方表层土壤(A点)的碳氮浓度最高，碳氮比显著高于其他3个点。

可提取的N值表明，以土壤全氮的百分比表示，杉木(F点)下土壤无机N和N_micr浓度最高，分别占土壤全氮的2.5%和4.1%。土壤无机氮浓度以总氮的百分比表示的最低值是在土壤A中(0.39%)，而N_micr最低值是在土壤L中(0.19%)。除了在桤木之下(A点)的所有土壤中，NH4 浓度大于NO₃^-浓度(表2)。

除场地A以外的所有土壤，未经处理的土壤中可提取的P浓度范围都以DOP为主。可提取的TDP始终低于土壤总磷的0.5%。在F点土壤中记录到极低浓度的MRP和DOP。

3.2.单次冻融循环对氮组分的影响

土壤对单一冻融(SF)事件的响应因土壤和水分处理而异。在含水量为20%的L和F点以及含水量为30%的A、M和F点的土壤中，观测到NH4 浓度显著增加(表2)。增加的大小在不同的土壤之间有差异，最大的(几乎是两倍)是在F点(30%)的土壤中。对NO₃^-浓度的影响较小，仅在L点(20%含水量)和F (30%含水量)处理中显著增加(表2)。除M点外，SF处理提高了所有土壤的DON浓度(表2)。对N_micr的影响是不同的，对于A和F点，在两种含水量下，唯一显著的差异(plt;0.05)是相对于未处理土壤的减少(表2)。DON对TDN的相对贡献(图2 )在所有土壤中均有所增加，只有M点(含水量为20%)除外。对NO₃^-和NH4 的影响各不相同，除M点(20%含水率)外，其余各土层均有减少(plt;0.05)。

a 水分百分比。
b tukey测验:不同字母水平，通过对单个N型的处理表明差异(p lt; 0.05)。

结果以毫克氮/千克干细土为单位。U :未处理土壤，SF :单冻( -9°C、12 h和 4°C、12 h )，4SF :四个循环单冻。

冷冻对氮的影响:铵氮(N-NH₄ )、硝氮(N-NO₃^-)、溶解有机氮(DON)、总溶解氮(TDN)和微生物氮(N_micr)

表二

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