鄧芳博，鮑雪蓮，梁 超**，解宏圖

(1.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所 沈陽 110016； 2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

氮和磷是維持農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的養(yǎng)分，為保障糧食安全和維持作物高產(chǎn)而大量投入的肥料通過淋溶損失到地下水，威脅著飲用水安全，也是造成沿海地區(qū)地表水富營養(yǎng)化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力[1-2]。研究顯示，在歐美等發(fā)達(dá)國家，每年因淋溶損失的硝酸鹽()和總磷分別為34.1 kg·hm-2和1.13 kg·hm-2[3-4]，即使在最佳施氮量下，仍然有15%～65%的肥料氮素會(huì)隨著的淋溶而損失[5]，一旦肥料用量超過作物的需要量，淋失量就會(huì)急劇增加[6]。而在發(fā)展中國家，如中國和印度，化肥施用量遠(yuǎn)高于歐美，淋溶損失程度尤為嚴(yán)重[7-8]。因此，迫切需要降低氮磷淋溶損失以保證全球農(nóng)業(yè)以環(huán)境友好型的方式可持續(xù)發(fā)展。

凍融交替是一種普遍存在于中高緯度、高海拔及部分溫帶地區(qū)的自然現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球有6600萬km2的土地會(huì)發(fā)生季節(jié)性土壤凍結(jié)[9]，北半球每年有850 萬km2的作物遭受凍結(jié)的影響[10]，60%的地區(qū)土壤凍結(jié)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)60 多天。每年遭受凍害的農(nóng)田多發(fā)生在美國、加拿大、中國和北歐的玉米(Zea mays)、小麥(Triticum aestivum)和大豆(Glycine max)生產(chǎn)密集的地區(qū)[11]。凍融交替不僅能改變土壤水熱狀態(tài)和土壤結(jié)構(gòu)，影響土壤的養(yǎng)分循環(huán)[12-15]，加之凍融期多為植物非生長(zhǎng)季，作物氮磷利用率低從而增加了淋溶損失風(fēng)險(xiǎn)[16]。受全球氣候變化的影響，土壤凍融格局勢(shì)必發(fā)生變化，如： 氣溫升高導(dǎo)致積雪覆蓋厚度變薄、持續(xù)時(shí)間變短，土壤凍結(jié)深度變深、強(qiáng)度變大，冬季凍結(jié)時(shí)間縮短，春季融化期延長(zhǎng)等。迄今為止，對(duì)凍融交替如何影響氮磷淋溶仍然缺乏全面的認(rèn)識(shí)，這對(duì)建立有效的阻控措施、維持季節(jié)性凍土區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。本文對(duì)國內(nèi)外已有研究結(jié)果進(jìn)行歸納和梳理，總結(jié)了凍融交替對(duì)土壤氮磷淋溶損失的影響機(jī)制，并分析了現(xiàn)有的阻控措施(圖1)，為減少肥料損失，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和未來相關(guān)研究工作的開展奠定基礎(chǔ)。

1 凍融交替過程中影響氮磷淋溶的氣候因素

凍融交替的模式受當(dāng)?shù)貧夂颍鐨鉁?、降雪量的直接影響。而不同的凍融模式?huì)對(duì)土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)造成不同程度的影響，進(jìn)而改變氮磷養(yǎng)分淋溶損失的潛力和淋溶方式。氣溫對(duì)土壤凍融狀態(tài)的影響可能是最直接的，氣溫越低，土壤凍結(jié)越深，增加土壤團(tuán)聚體的破碎、根系和微生物細(xì)胞的死亡，從而導(dǎo)致土壤中養(yǎng)分含量增加[17]； 到融化期，土壤溶液中的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量也越高，氮素淋溶損失越大[18]。氣溫還會(huì)影響土壤凍結(jié)的速度，影響冰的大小和微生物對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性，當(dāng)土壤以高冷凍速率發(fā)生凍結(jié)時(shí)，微生物量會(huì)減少，而在較低冷凍速率下，微生物可能不會(huì)受到影響[19]。另外，土壤由多種礦物成分組成，每種礦物成分在凍融交替下都有其自身的變形和應(yīng)力行為，而應(yīng)力取決于溫度變化的大小： 溫度變化越大，應(yīng)力就越大[20]。

積雪覆蓋與否、覆蓋厚度及持續(xù)時(shí)間會(huì)影響土壤溫度和濕度，進(jìn)而會(huì)改變凍融交替模式[21]。積雪能夠反射多達(dá)90%的太陽能，積雪的減少會(huì)導(dǎo)致反射能量的減少，太陽輻射的吸收增加，使系統(tǒng)熱量增加，因此，積雪的存在與否控制著能量的流動(dòng)，影響著土壤凍融的模式[22]。由于積雪的隔熱性能，有積雪覆蓋的土壤與外界空氣溫度隔絕，減弱凍融的作用力[23]； 相反，沒有積雪覆蓋會(huì)增加土壤溫度的日變化，增加凍融交替的頻率，影響土壤凍結(jié)深度，提前土壤凍結(jié)和融化日期[24-25]，從而改變土壤的理化過程和微生物活性，促進(jìn)碳和養(yǎng)分的淋失[26-28]。另一方面，積雪融化形成大量的水，為養(yǎng)分的淋溶提供了載體，這可能導(dǎo)致在一段時(shí)間內(nèi)土壤系統(tǒng)的養(yǎng)分大量流失[29-30]。

2 凍融交替影響農(nóng)田氮磷淋溶的機(jī)制

2.1 土壤物理性狀的變化

2.1.1 影響土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性

低溫作用下，土壤中水形成冰晶，導(dǎo)致體積膨脹，土壤孔隙變大，從而聚集更多的水分形成冰晶，直至完全凍結(jié)，如此產(chǎn)生的膨脹力會(huì)破壞土壤顆粒間的聯(lián)結(jié)，使粗質(zhì)顆粒中大團(tuán)聚體破碎為小團(tuán)聚體，黏土顆粒中小團(tuán)聚體向中等大小團(tuán)聚體聚集[20，31-32]。且含水量越高的土壤產(chǎn)生的冰晶越多，膨脹力越強(qiáng)，對(duì)土壤團(tuán)聚體的破壞作用也越強(qiáng)[20，33-34]，當(dāng)土壤處于最大持水能力時(shí)，團(tuán)聚體穩(wěn)定性下降的幅度最大[35-36]。團(tuán)聚體的破碎和聚集一方面導(dǎo)致固持在其中的碳、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)釋放，為隨后的礦化提供底物。另一方面使有機(jī)-礦物復(fù)合體暴露出新的礦物表面，影響?zhàn)B分的吸附和解吸[14]。但是，凍融過程中土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性還與土壤質(zhì)地相關(guān)，黏粒含量高土壤的顆粒之間有更多或更強(qiáng)的黏土橋，面對(duì)相同的凍融條件，團(tuán)聚體的穩(wěn)定性會(huì)隨黏粒含量的增加而增加[37]。此外，黏土對(duì)養(yǎng)分的吸附能力也高于砂土，因此，黏粒含量高的土壤，養(yǎng)分的淋溶風(fēng)險(xiǎn)低于砂土[4，38]。

2.1.2 促進(jìn)大孔隙優(yōu)先流的形成

土壤凍結(jié)過程中，因?yàn)槌錆M水的小孔隙凍結(jié)后被冰堵塞，而大孔隙在凍結(jié)時(shí)仍然充滿空氣，進(jìn)入凍土層的水必須經(jīng)大孔隙流動(dòng)從而形成優(yōu)先流通道[39-40]。如果前期含水量非常小，凍土可以迅速滲透大量的積水，而土壤通常不能立即吸收所有的水分，第一次解凍可能會(huì)導(dǎo)致較大的入滲量，氮磷等養(yǎng)分會(huì)隨融化的冰和雪水通過優(yōu)先流途徑迅速輸送到地下[41]。而當(dāng)土壤處于水飽和態(tài)時(shí)，大孔隙含水量增多也會(huì)被冰阻塞，氣溫升高時(shí)，表層土壤先融化，而深層土壤仍處于凍結(jié)狀態(tài)，從而形成滯水層或重新凍結(jié)成冰，降低了水分滲透性，但含水量增加，冰晶的膨脹力更大，當(dāng)冰層融化時(shí)就會(huì)創(chuàng)造新的大孔隙促進(jìn)流動(dòng)。另外，在土壤凍結(jié)過程中出現(xiàn)的干燥裂縫及根系死亡后留下的通道，也會(huì)促進(jìn)優(yōu)先流通道的形成[42]，當(dāng)雨季來臨時(shí)，凍融期形成的大孔隙優(yōu)先流也為氮磷等養(yǎng)分隨雨水的淋溶提供了通道。而且研究發(fā)現(xiàn)，雖然黏粒含量高的土壤團(tuán)聚體在凍融過程中表現(xiàn)出更大的穩(wěn)定性，但更容易形成大孔隙優(yōu)先流，且優(yōu)先流形成的比例隨黏粒含量的增加而增加，與以基質(zhì)流途徑為主的砂土相比，形成了垂直運(yùn)輸?shù)慕輳絒43]。

2.1.3 影響土壤水熱分布

土壤凍融過程中，土壤水分運(yùn)動(dòng)和熱量傳輸是耦合的。因?yàn)橥寥辣韧寥浪哂懈叩臒釋?dǎo)率和更低的熱容，在凍融過程中，隨著土壤水分的相變，土壤的水、熱性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化，凍結(jié)期土壤的感熱通量和潛熱通量均低于土壤凍結(jié)前和融化后[44]。土壤凍結(jié)過程中，表層土壤溫度低于深層，表層土壤的液態(tài)水先發(fā)生相變，凍成冰，下層未凍結(jié)土層的水分因?yàn)樗畡?shì)的原因向上層凍結(jié)的土層中遷移，導(dǎo)致凍融區(qū)上部(凍層)的含水量大于底部(未凍層)含水量； 解凍期，表層土壤吸收太陽的輻射能優(yōu)先融化，積累的融水隨土壤向深層融化過程向下遷移[45]，伴隨著溶質(zhì)的運(yùn)輸，影響著微生物的活動(dòng)，土壤溫度的波動(dòng)還會(huì)影響微生物酶的活性，進(jìn)一步影響微生物的群落結(jié)構(gòu)及其參與的養(yǎng)分循環(huán)。

2.2 土壤微生物的變化

2.2.1 土壤微生物量

微生物對(duì)初次凍融非常敏感，大約50%的微生物細(xì)胞會(huì)在第一次凍融時(shí)死亡，土壤凍結(jié)產(chǎn)生的冰晶一方面對(duì)微生物細(xì)胞造成機(jī)械損傷，一方面導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)外滲透壓失去平衡造成細(xì)胞死亡[46-47]； 此外，低溫會(huì)破壞細(xì)胞膜的完整性，從具有功能狀態(tài)的液相變成凝膠相，細(xì)胞失去轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的能力導(dǎo)致死亡[48]。但即使在?20 ℃的土壤環(huán)境條件下，仍然有微生物可以存活，例如進(jìn)入低代謝活性的休眠狀態(tài)或脫水保護(hù)細(xì)胞膜免受破壞等[48-49]。在土壤融化后，團(tuán)聚體破壞、根系殘?bào)w裂解以及死亡微生物會(huì)釋放出大量營養(yǎng)物質(zhì)[50-51]，有效水和通氣性的增加，為這些存活的微生物修復(fù)受損細(xì)胞及大量生長(zhǎng)提供了必要條件[51-52]，使得短期內(nèi)微生物生物量和活性快速增加，但這種增加并不會(huì)持續(xù)，一方面養(yǎng)分會(huì)隨融水向下層土壤淋溶導(dǎo)致有效基質(zhì)下降，另一方面如果脫水的微生物細(xì)胞不能快速適應(yīng)滲透勢(shì)的突然上升，也可能導(dǎo)致微生物細(xì)胞膜的破裂[53]。這些不同原因的相對(duì)影響在不同地區(qū)和年份可能有所不同，而且由于不同研究的凍融條件、測(cè)量手段等試驗(yàn)方法上的差異，土壤微生物生物量對(duì)凍融的響應(yīng)并不一致[54]。有些研究顯示凍融交替對(duì)微生物量沒有影響[55-56]，而有研究報(bào)道冬季土壤凍結(jié)會(huì)導(dǎo)致微生物量和活性下降，且土壤增溫后也不能恢復(fù)[57]，還有研究報(bào)道土壤凍結(jié)不會(huì)改變細(xì)菌生物量卻會(huì)降低真菌生物量[58]，而Sjursen 等[59]觀察到延長(zhǎng)冷凍時(shí)間并不會(huì)影響真菌的生物量，但會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌數(shù)量的下降。因土壤微生物量氮能反映土壤中氮的生物固持作用，土壤微生物量氮的形成能減少土壤中可提取氮含量，從而減少硝態(tài)氮淋溶[60]； 但大部分研究結(jié)果顯示凍融后土壤微生物量氮的含量是降低的[61-62]。此外，土壤微生物生物量又是土壤和地表水中磷的重要來源[63]。綜上，在土壤凍融期間，存活的微生物活性很低，死亡的微生物又會(huì)釋放出大量的氮磷化合物，因此，凍融對(duì)微生物量的影響有增加氮磷淋溶的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 土壤微生物群落

不同種類的微生物對(duì)土壤凍融的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和頻率有不同的反應(yīng)。Monteux 等[64]研究發(fā)現(xiàn)，在永凍層僅嗜熱絲菌門(Caldiserica)和厚壁菌門(Firmicutes)的相對(duì)豐度就占總細(xì)菌豐度的50%以上；在斯瓦爾巴特群島的阿森達(dá)倫山谷(78°11′N，15°55′E)，活動(dòng)層和永凍層的細(xì)菌群落組成顯著不同，永凍層的細(xì)菌群落以放線菌(Actinobacteria)為主，平均相對(duì)豐度可達(dá)70%，而活動(dòng)層以變形菌門(Proteobacteria，24%)、疣微菌門(Verrucomicrobia，16%)、酸桿菌門(Acidobacteria，14%)和放線菌門(Actinobacteria，9%)為主[65]。但是經(jīng)歷多次凍融交替后，優(yōu)勢(shì)門的特征就會(huì)減弱，此時(shí)，起主要作用的門類包括放線菌門(Actinobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、酸桿菌門(Acidobacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、變形菌門(Proteobacteria，Alpha-、Beta-和Gamma-亞門)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、浮霉菌門(Planctomycetes)和綠彎菌門(Chloroflexi)[66-67]。真菌因與細(xì)菌具有不同的形態(tài)、生長(zhǎng)策略和生態(tài)位，對(duì)凍融交替的響應(yīng)也不同[68]。一般認(rèn)為，細(xì)菌在寒冷的溫度下比真菌更脆弱，對(duì)于凍結(jié)比較嚴(yán)重且時(shí)間較長(zhǎng)的土壤，真菌可能在群落中占主導(dǎo)地位[69]。而對(duì)于凍融交替頻次較高的土壤，群落結(jié)構(gòu)可能以微生物碳氮比較低的細(xì)菌為主，其原因是土壤解凍時(shí)，土壤溫度較高、水分充足、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量高且數(shù)量充足，細(xì)菌會(huì)優(yōu)于真菌做出響應(yīng)，從而成為優(yōu)勢(shì)微生物群落[70]。

土壤微生物群落組成或優(yōu)勢(shì)菌群的變化會(huì)影響土壤氮磷養(yǎng)分循環(huán)。對(duì)于參與土壤氮轉(zhuǎn)化的細(xì)菌群落，研究發(fā)現(xiàn)，硝化和反硝化作用相關(guān)的群落隨著季節(jié)性土壤凍融的時(shí)間會(huì)發(fā)生巨大變化，凍結(jié)時(shí)多樣性最低，融化時(shí)迅速增加，而且反硝化細(xì)菌對(duì)凍結(jié)溫度的承受能力大于硝化細(xì)菌[71]，一旦土壤開始解凍，反硝化功能就會(huì)迅速恢復(fù)[72]，這可能導(dǎo)致被消耗，從而掩蓋了凍融過程對(duì)硝化作用的積極影響[73-74]。對(duì)于硝化微生物種群，實(shí)時(shí)定量PCR的研究發(fā)現(xiàn)整個(gè)凍融期間氨氧化古菌(AOA)和氨氧化細(xì)菌(AOB)均維持較高的數(shù)量，且AOA 的豐度始終高于AOB[75]。而AOA 被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中硝酸鹽淋失的驅(qū)動(dòng)因素[76-77]，AOA 和AOB 在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)不同的生態(tài)位，AOA 在酸性土壤中主導(dǎo)硝化過程，而AOB 在中性、堿性和氮富足的土壤中占據(jù)主導(dǎo)地位[78]。土壤微生物群落中優(yōu)勢(shì)種的變化還會(huì)影響生物量磷釋放的數(shù)量和形式[79]。例如，不同種類的菌根真菌對(duì)養(yǎng)分淋溶的影響是不同的，與沒有菌根真菌的對(duì)照土壤相比，Glomus claroideum 使黑麥草(Lolium perenne)微區(qū)滲濾液中難反應(yīng)磷降低13%，而Glomus mosseae 使浸出增加了46%[80]； 另外，形成包囊或孢子的細(xì)胞很可能釋放細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)中的含磷化合物，經(jīng)磷酸酶水解后可以變成可溶性磷，隨積雪融化產(chǎn)生的下滲水流向深層土壤或地表水遷移[63]。

2.3 土壤化學(xué)性質(zhì)的變化

2.3.1 土壤氮循環(huán)

早在1992年，DeLuca 等[36]發(fā)現(xiàn)，凍融會(huì)顯著提高耕地土壤的氮礦化速率，且春季解凍后的凈氮礦化可能提供了土壤剖面中總的很大一部分。隨后Herrmann 等[81]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過凍結(jié)處理后農(nóng)田土壤凈氮礦化增加了 2～3 倍。作為有機(jī)質(zhì)礦化的產(chǎn)物，通常在冬天土壤凍結(jié)時(shí)積累[71]，再經(jīng)土壤的硝化作用轉(zhuǎn)化為。作為凍融期間土壤氮素轉(zhuǎn)化的主要過程，硝化作用是凍融期間積累的主要原因[71，82-83]。根據(jù)Campbell 等[29]利用氧同位素研究結(jié)果，淋溶液中來自土壤硝化作用產(chǎn)生的比例可達(dá)80%。也有研究顯示土壤的硝化作用似乎不受凍融的影響，但可能是由于反硝化作用的增強(qiáng)對(duì)該過程造成掩蓋的結(jié)果[84]。據(jù)估計(jì)，農(nóng)田土壤因凍融導(dǎo)致的氧化亞氮(N2O) 排放占農(nóng)業(yè)總排放的17%～28%[10]，而且大部分N2O 是在春季土壤解凍時(shí)以脈沖方式釋放[85]。2017年，Song 等[74]和Gao 等[86]分別開展了凍融對(duì)土壤氮素循環(huán)的meta 分析，結(jié)果均顯示，凍融后土壤NH4+和含量顯著增加，土壤總氮和土壤微生物量氮含量顯著下降，可溶性無機(jī)氮和可溶性有機(jī)氮含量及N2O 排放顯著提高，土壤的淋溶損失更是增加了66.9%。2019年，雋英華等[87]對(duì)3 種農(nóng)田土壤進(jìn)行相同凍融頻次的室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果也顯示，隨著凍融頻次的增加，土壤可溶性無機(jī)氮、可溶性有機(jī)氮和可溶性全氮含量均顯著增加。

2.3.2 土壤磷循環(huán)

土壤對(duì)磷的吸附能力在磷的淋溶損失中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，如果土壤對(duì)磷的吸附作用比較強(qiáng)，即使磷含量很高淋溶風(fēng)險(xiǎn)也很低[4]。但是凍融對(duì)團(tuán)聚體的破壞作用一方面造成比表面積增大，吸附位點(diǎn)增多； 另一方面有其他離子與磷酸鹽共同競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)，而且磷的吸附和解吸附同時(shí)受土壤黏土含量、水分含量以及鐵鋁化合物等的共同影響，因此，土壤凍融對(duì)磷的吸附和解吸的影響與土壤本身的性質(zhì)有關(guān)[88-89]。磷的同位素試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，土壤凍融過程中不發(fā)生磷的固定作用[90]，但是凍融對(duì)植物殘?bào)w、微生物生物量以及土壤團(tuán)聚體的物理破壞會(huì)刺激土壤磷的礦化作用[91]，導(dǎo)致土壤淋溶液中總磷濃度和不同形態(tài)磷比例發(fā)生顯著變化[92]。有研究表明，凍融會(huì)顯著降低土壤微生物量磷含量[90]，提高土壤溶液中總?cè)芙饬?TDP)含量[90-91，93]，并且溶解性有機(jī)磷(DOP)對(duì)TDP 貢獻(xiàn)率達(dá)50%以上[91]。此外，不同土壤類型磷素組分對(duì)凍融交替的響應(yīng)不同，相同凍融條件下，礦質(zhì)土壤中醋酸提取磷的含量沒有發(fā)生顯著變化，而有機(jī)土壤中醋酸提取磷的含量幾乎增加1 倍； 相似地，凍融后礦質(zhì)土壤中DOP 的增幅比例最大，而在有機(jī)土壤中，DOP、鉬酸活性磷(MRP)以及除DOP 和MRP 之外的溶解磷含量都大幅度增加[93]。胡鈺等[94]對(duì)我國東北地區(qū)的黑土、暗棕壤和水稻土的研究發(fā)現(xiàn)，多次凍融提高了黑土和水稻土的有效磷含量，但降低了暗棕壤的有效磷含量。與此相似，張迪龍等[95]對(duì)我國東北地區(qū)的旱田和水田的研究也發(fā)現(xiàn)，凍融交替會(huì)增加不同土層深度土壤TDP、MRP 和DOP 釋放量。由此可見，凍融交替對(duì)土壤磷循環(huán)的影響會(huì)增加磷素的淋溶損失風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.3 土壤有機(jī)質(zhì)

在土壤凍融過程中，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量和數(shù)量的變化從多個(gè)方面影響土壤氮磷淋溶[68，96]。土壤有機(jī)質(zhì)與礦質(zhì)顆粒的結(jié)合作用，對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定起著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量高的土壤，團(tuán)聚體對(duì)凍融交替表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性[37]； 高土壤有機(jī)質(zhì)含量意味著較強(qiáng)的陽離子交換能力，對(duì)水和養(yǎng)分的持有能力也更強(qiáng)[97]； 另外，土壤有機(jī)質(zhì)還是土壤食物網(wǎng)的主要能源物質(zhì)，影響著微生物群落結(jié)構(gòu)，初始有機(jī)質(zhì)含量高的土壤，微生物的豐富度和多樣性更高，在凍融交替脅迫下會(huì)表現(xiàn)出更高的抗性或恢復(fù)力[62]，與低有機(jī)質(zhì)含量的土壤相比，高有機(jī)質(zhì)含量的土壤凍融后真菌與細(xì)菌生物量之比下降更明顯[68]； 土壤有機(jī)質(zhì)和氮的變化還會(huì)影響土壤的碳氮比，當(dāng)土壤碳氮比小于微生物碳氮比時(shí)，微生物的礦化作用會(huì)增強(qiáng)。其他土壤化學(xué)性質(zhì)，如pH 不僅會(huì)影響土壤的離子交換能力，還會(huì)通過影響礦物表面電荷及吸附位點(diǎn)影響礦物對(duì)有機(jī)質(zhì)的吸附，在氮磷養(yǎng)分淋溶中也發(fā)揮重要的作用。

3 凍融交替背景下土壤氮磷淋溶的阻控措施

3.1 合理施肥

肥料施用過量和利用率低是農(nóng)田土壤氮磷淋失的主要因素。研究顯示，當(dāng)?shù)适┯昧砍^225 kg·hm?2時(shí)，大量的肥料氮素就會(huì)進(jìn)入地表水，目前很多地區(qū)的施氮量遠(yuǎn)高于225 kg·hm?2，甚至達(dá)600 kg·hm?2[98]。實(shí)際上，許多作物并不需要如此多的肥料就能保證糧食產(chǎn)量，例如，在我國，谷物的施氮量在 150～180 kg·hm?2時(shí)就能保障產(chǎn)量在4.9～5.9 t·hm?2[98]。而且不同作物的需氮量不同，因此，應(yīng)根據(jù)種植作物需求提出合理的施肥意見，制定標(biāo)準(zhǔn)，并鼓勵(lì)農(nóng)民按此標(biāo)準(zhǔn)施肥[99-100]。另外，氮磷養(yǎng)分在土壤中的積累和運(yùn)移也受施肥方式、施用時(shí)間、灌溉等因素的影響，例如，與傳統(tǒng)施肥相比，堆肥會(huì)降低硝酸鹽的淋溶損失[101]，通過灌溉系統(tǒng)定期施用液態(tài)氮肥也可降低硝酸鹽的淋溶損失[102]。因此，在人口不斷增長(zhǎng)、對(duì)糧食需求不斷增加的背景下，從“源頭”著手，合理施肥是減少氮磷養(yǎng)分淋失的關(guān)鍵。

3.2 增施生物炭

生物炭是一種土壤改良劑，是生物質(zhì)在部分或完全無氧氣的情況下，于300～600 ℃下熱分解的產(chǎn)物。無論是田間原位試驗(yàn)還是室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)，不同類型的生物炭可以不同程度地降低土壤中氮磷養(yǎng)分的淋溶損失[103]。李美璇等[104]研究發(fā)現(xiàn)，施加生物炭后，東北黑土因凍融作用引起的氮素淋失降低50%以上； 周麗麗等[105]對(duì)凍融期棕壤磷有效性的研究發(fā)現(xiàn)，增施生物炭降低了凍融期間土壤磷素的淋溶損失。但是師瀾峰等[106]的研究表明，雖然不同比例的秸稈生物炭施入量均降低了凍融期黑土表層無機(jī)磷淋溶量，但高生物炭施入量處理的無機(jī)磷淋溶量高于低生物炭施入量處理。生物炭影響凍融期養(yǎng)分淋溶的潛在機(jī)制可能包括： 1)生物炭的多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積會(huì)影響土壤的物理性質(zhì)，包括團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和孔隙分布特征，影響?zhàn)B分的持有能力[107-108]。最近的研究發(fā)現(xiàn)，施加生物炭能顯著改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[109-110]，提高凍融期間土壤的保水能力[111]。2)通過改變土壤的化學(xué)性質(zhì)影響土壤對(duì)養(yǎng)分的持有能力。一方面，生物炭的分解很慢，在氧化過程中表面產(chǎn)生帶負(fù)電荷的官能團(tuán)[112]會(huì)增加與養(yǎng)分循環(huán)有關(guān)的陽離子交換能力，而這是生物炭養(yǎng)分保留的最基本的表面化學(xué)特性之一[113-114]； 另一方面，生物炭一般具有較高的pH，可以通過改變土壤pH 間接改變土壤養(yǎng)分的溶解度[103]。3)通過影響土壤微生物活動(dòng)和群落結(jié)構(gòu)改變土壤對(duì)養(yǎng)分的保留[103]。多孔結(jié)構(gòu)為土壤微生物提供了適宜的棲息地[115]，從生物炭表面解吸的營養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)為微生物生長(zhǎng)提供了條件，導(dǎo)致養(yǎng)分循環(huán)的改變[116]； 此外，生物炭具有很高的碳氮比，也在一定程度上誘導(dǎo)土壤氮素固定。生物炭對(duì)水和養(yǎng)分固持能力的影響為植物生長(zhǎng)創(chuàng)作了條件，從而還會(huì)通過提高生長(zhǎng)季作物對(duì)肥料的利用效率[117-118]，減少凍融期可供淋溶的養(yǎng)分含量。

3.3 覆蓋作物

覆蓋作物是在只有1 個(gè)生長(zhǎng)季的地區(qū)，為了覆蓋土壤，在主經(jīng)濟(jì)作物收獲后種植的淡季作物[119]。覆蓋作物在改善土壤質(zhì)量、減少農(nóng)業(yè)投入和提高環(huán)境可持續(xù)性方面發(fā)揮著越來越重要的作用。Abdalla等[120]對(duì)涵蓋不同國家和地區(qū)的106 項(xiàng)研究分析顯示，覆蓋作物能顯著降低土壤氮素的淋溶損失。這可能是由于： 1)非豆科類的覆蓋作物可以吸收土壤中過量的硝酸鹽用于自身生物量的生長(zhǎng)[121]； 2)覆蓋作物能增加土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量，改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤的持水能力，影響微生物種群大小和活性[122]；3)春季土壤融化時(shí)，覆蓋作物對(duì)水分的吸收也可以減緩水分向下運(yùn)移的速度。但是，覆蓋作物對(duì)磷淋溶的影響是不穩(wěn)定的，Aronsson 等[123]對(duì)斯堪的納維亞(Scandinavia)南部和芬蘭地區(qū)農(nóng)田土壤的研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋作物對(duì)總磷淋溶的影響在增加86%和減少43%之間變化。這可能因?yàn)橥寥纼鋈趯?duì)植物細(xì)胞的破壞會(huì)增加土壤中溶解磷的含量，且隨凍融交替頻次的增加釋放更多的磷素到土壤中[14，124]。Liu 等[14]對(duì)寒冷氣候下覆蓋作物對(duì)土壤可溶性磷和總磷損失的研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋作物可降低易受侵蝕地區(qū)土壤顆粒磷的損失，但傾向于增加非侵蝕性土壤中可溶性磷的損失。對(duì)總磷損失的影響在各種研究中不一致，受到土壤、氣候和管理因素的復(fù)雜影響，還與覆蓋作物的品系顯著相關(guān)[123-125]。此外，覆蓋作物生長(zhǎng)過程中吸收了大量水分，競(jìng)爭(zhēng)了部分可以被主作物吸收的養(yǎng)分，可能導(dǎo)致干旱和半干旱地區(qū)水分含量下降，主作物產(chǎn)量降低[126]。

3.4 免耕秸稈覆蓋還田

免耕秸稈覆蓋還田作為一種保護(hù)性耕作措施，在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。在對(duì)養(yǎng)分淋溶的影響上： 1)可以通過提高肥料利用率，降低可供淋溶養(yǎng)分含量。最新研究發(fā)現(xiàn)，免耕秸稈覆蓋可以通過提高土壤水分，激活植物有效態(tài)氮和Olsen-P的釋放，從而提高根系活力、根系表面積、干物質(zhì)積累速率，進(jìn)而提高水肥利用效率，與免耕無秸稈覆蓋相比，秸稈覆蓋處理的玉米平均氮肥利用率提高36.9%[127]，冬季油菜(Brassica campestris)氮素利用效率提高51.6%[128]。Zhang 等[129]和Truong 等[130]利用15N 同位素標(biāo)記的肥料研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋能有效地將肥料氮固持在土壤中，顯著減少肥料氮素?fù)p失。Dong 等[131]也發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋能在一定程度上減緩?fù)寥老鯌B(tài)氮在深層的積累。2)免耕秸稈覆蓋起到很好的保溫作用，影響凍融期土壤剖面的水熱分布及土壤凍融模式。玉米秸稈覆蓋下耕層土壤溫度比裸地高1.0～2.8 ℃，整個(gè)凍融過程緩慢且滯后于裸地[132]，表層土壤融化的時(shí)間延緩3～6 d，融化速度每天降低0.4～0.8 cm[133]； 陳軍鋒等[134]對(duì)比了裸地和5 種玉米秸稈覆蓋厚度地塊的水熱分布情況，裸地時(shí)0～40 cm 土層的水熱變化劇烈，隨著秸稈覆蓋厚度增加水熱變化的活躍層不斷減小，當(dāng)秸稈覆蓋為15 cm 時(shí)可抑制土壤剖面水熱的變化。3)秸稈具有較高的碳氮比，添加后會(huì)促進(jìn)土壤氮的固定作用，降低土壤溶液中硝態(tài)氮濃度[135]。另外，免耕秸稈覆蓋還具有增加有機(jī)碳的固持、改善土壤結(jié)構(gòu)、影響微生物群落組成、結(jié)構(gòu)、功能等特點(diǎn)[136-138]，對(duì)養(yǎng)分淋溶的影響可能更為復(fù)雜。而且作物殘?bào)w本身也是重要的養(yǎng)分來源[139]，還有研究認(rèn)為秸稈覆蓋有利于大孔隙優(yōu)先流的形成[140]，從而促進(jìn)養(yǎng)分的淋溶。因此，還需要更多關(guān)于免耕秸稈覆蓋對(duì)養(yǎng)分淋溶影響的研究。

此外，施用硝化抑制劑、不同作物輪作在氮素淋溶方面也取得了不同程度的效果。硝化抑制劑的開發(fā)在控制氨氧化速率方面發(fā)揮了重要作用，例如，雙氰胺(DCD)是一種非揮發(fā)性的商業(yè)可用化合物，通過共價(jià)結(jié)合到活性位點(diǎn)使AMO 氨單加氧酶失活，抑制土壤的硝化作用，達(dá)到減少硝態(tài)氮損失和N2O排放的目的[141]。

4 總結(jié)與展望

土壤凍融是一種非生物應(yīng)力，土壤凍結(jié)和融化的過程實(shí)際上是水隨溫度的波動(dòng)在土壤中的相變過程，而土壤氮磷養(yǎng)分的淋溶損失必須同時(shí)具有兩個(gè)條件： 一是土壤中有氮磷養(yǎng)分積累可供淋失； 二是有下滲水流，使得氮磷養(yǎng)分可隨之遷移進(jìn)而發(fā)生淋溶損失。因此，概括來講，凍融交替對(duì)養(yǎng)分淋溶的影響機(jī)制主要是通過土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的變化影響可淋溶養(yǎng)分的含量、水分和淋溶通道，具體包括： 1)凍融對(duì)土壤團(tuán)聚體、微生物細(xì)胞和植物根系殘?bào)w的破壞作用會(huì)釋放出有機(jī)質(zhì)和不同形態(tài)的氮磷化合物，養(yǎng)分可利用性的增加會(huì)刺激存活微生物的活性，導(dǎo)致土壤礦化作用增強(qiáng)，從而增加了土壤中可溶性礦質(zhì)態(tài)養(yǎng)分含量； 2)凍融過程中水熱分布特征，以及孔隙結(jié)構(gòu)的變化易形成大孔隙優(yōu)先流，促進(jìn)養(yǎng)分向深層的運(yùn)移，同時(shí)影響著易發(fā)生淋溶的時(shí)間； 3)凍融循環(huán)對(duì)土壤微生物群落的影響會(huì)改變土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化的方向，進(jìn)而可改變可供淋溶的養(yǎng)分形態(tài)和含量； 4)凍融期間土壤化學(xué)性質(zhì)的改變影響著淋溶液中養(yǎng)分的形態(tài)和濃度，土壤有機(jī)質(zhì)、pH 和離子交換能力等性質(zhì)的變化影響著土壤對(duì)養(yǎng)分和水分的持有能力、土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、微生物的活動(dòng)和群落特征。

根據(jù)凍融對(duì)養(yǎng)分淋溶的作用機(jī)制，可以通過以下4 種措施降低凍融期間養(yǎng)分淋溶損失。1)合理施肥，從“源頭”降低可淋溶的養(yǎng)分含量； 2)增施生物炭，通過影響土壤理化性質(zhì)和微生物群落提高土壤對(duì)養(yǎng)分和水分的固持能力； 3)種植覆蓋作物，作物生長(zhǎng)過程中對(duì)養(yǎng)分的吸收利用可減少可淋溶的養(yǎng)分含量和養(yǎng)分向下運(yùn)移的速度； 4)實(shí)施免耕秸稈覆蓋的耕作制度，可提高生長(zhǎng)季作物的氮素利用率，從而降低可淋溶養(yǎng)分含量，秸稈地表覆蓋可以減緩凍融的作用效果，通過對(duì)土壤物理、化學(xué)、生物多方面的變化影響?zhàn)B分的淋溶。

當(dāng)前的許多研究受試驗(yàn)設(shè)備和條件的限制，存在試驗(yàn)周期短、因素單一的缺點(diǎn)，研究結(jié)果多基于室內(nèi)模擬，容易偏離實(shí)際情況； 凍融交替對(duì)養(yǎng)分淋溶損失的影響程度(正、負(fù)和無影響)又受凍融模式和土壤性質(zhì)本身的影響； 淋溶過程涉及養(yǎng)分從表層向深層遷移的動(dòng)態(tài)過程，即使同一地區(qū)，同一土層，不同裝置收集的淋溶液含量也存在較大差距。凍融對(duì)土壤氮磷養(yǎng)分淋溶的過程仍存在分歧，很難評(píng)價(jià)凍融期間養(yǎng)分淋溶量及在全年養(yǎng)分淋溶損失中所占的比例，現(xiàn)有阻控措施對(duì)養(yǎng)分淋溶的影響機(jī)理和作用效果還需要更全面的研究，以建立完善的評(píng)估體系，結(jié)合特定的土壤、管理和區(qū)域氣候條件，在保證土壤可持續(xù)發(fā)展的前提下，有針對(duì)性地選擇或建立更有效的阻控措施。