评估干燥诱导的土壤生化特性偏差：敏感性模式与质地调控机制

本研究针对土壤预处理方法（风干与冻干）对关键生化指标测量的系统性偏差问题，通过多土地利用类型和质地梯度的黄土高原样本分析，揭示了有机质（OM）、微量养分有效性及氮转化速率对干燥处理高度敏感，且冻干处理效应更强；而全氮（TN）、速效磷（AP）、速效钾（AK）和铵态氮（NH4+）相对稳定。土壤质地强烈调控干燥效应：砂质土壤pH降幅更大，而粉粒和黏粒土壤OM和微量养分增加更显著。研究成果为跨区域土壤监测的预处理方法选择提供了实证依据。

　　

在土壤科学研究中，准确测量土壤生化指标对于理解养分循环、碳固存和污染物降解等关键土壤功能至关重要。然而，土壤样品的预处理方法——尤其是常用的风干和冻干技术——可能显著改变土壤的生化特性，进而影响数据的准确性和生态学解释的可靠性。尽管新鲜样品能提供最真实的结果，但在大规模或长期研究中，干燥处理因便于储存和运输而被广泛采用。不同的干燥方法如何影响各类土壤指标？这些影响是否受到土壤质地和土地利用类型的调控？这些问题至今缺乏系统性的实证研究，特别是在生态脆弱的半干旱地区。

为此，来自西北农林科技大学水土保持科学与工程学院的研究团队在《Geoderma》上发表了题为“Evaluating drying-induced biases in soil biochemical properties: sensitivity patterns and texture controls”的研究论文。该研究以黄土高原四个典型站点（安塞、子午岭、扶风、固原）的三种土地利用类型（耕地、草地、林地）土壤为对象，系统分析了风干和冻干处理对有机质（OM）、pH、全氮（TN）、矿质氮（NO₃^?、NH₄⁺）、速效磷（AP）、速效钾（AK）、有效微量养分（A_Fe、A_Mn、A_Cu、A_Zn）及氮转化速率（Ra、Rn、Rm）的影响，并深入探讨了土壤质地的调控作用。

为开展本研究，作者采集了黄土高原不同质地梯度的36个土壤样本，将其分为新鲜、风干和冻干三组进行处理。关键实验方法包括：采用Walkley-Black法测定有机质（OM），Macro-Kjeldahl法测定全氮（TN），Olsen法测定速效磷（AP），原子吸收光谱法测定速效钾（AK）和有效微量养分（DTPA提取），离子选择性电极法测定pH，KCl提取-自动分析仪测定铵态氮（NH₄⁺）和硝态氮（NO₃^?），并通过28天室内培养实验计算氮氨化速率（Ra）、硝化速率（Rn）和净矿化速率（Rm）。统计分析采用Friedman检验和Cohen's dz效应值量化处理影响，并利用线性回归分析质地参数（砂粒、粉粒、黏粒含量）与干燥效应之间的关系。

3.1 干燥对土壤理化性质和养分动态的影响

研究发现，风干和冻干处理对TN、AP和AK的影响较小，但显著增加了OM、有效微量养分（A_Fe、A_Mn、A_Cu、A_Zn）及氮转化速率（Rn、Rm），且冻干的效应更强。例如，冻干使OM增加24.3%，A_Fe增加143.0%，Rn增加331.6%，Rm增加1240.8%；而风干组的增幅相对较低。相反，NO₃^?和矿质氮（Min_N）浓度在干燥后显著降低，冻干导致的降幅更大。pH在风干下变化不显著，但冻干后显著降低。NH₄⁺浓度在风干和冻干间存在差异，但相对于新鲜土壤无显著变化。

3.2 土壤对干燥处理的响应幅度与方向

通过Cohen's dz效应值分析，A_Cu、Rn、A_Mn、Rm、OM和A_Fe对两种干燥处理均表现出强正响应（dz > 0.8），其中A_Cu的响应最显著。NO₃^?和Min_N则呈现强负响应，冻干效应更明显。pH、TN、AP、NH₄⁺和Ra的响应较弱或不一致，表明这些指标对干燥不敏感。

3.3 质地特性对干燥效应差异的影响

土壤质地显著调控干燥效应。砂粒含量与pH、AK和A_Cu的降低呈负相关，表明砂质土壤更易发生酸化和养分流失。粉粒含量与OM和A_Cu的增加呈正相关；冻干处理后，粉粒还与A_Fe、A_Mn和Rm的增加正相关。黏粒含量与pH、AK和A_Cu的变化正相关，但与Rn和Rm（特别是冻干后）负相关，说明黏粒土壤抑制了氮转化过程。

研究表明，干燥处理通过微生物细胞裂解释放细胞内溶质、破坏胶体结构、改变氧化还原状态等机制影响土壤指标。冻干因冰晶形成和升华过程造成更严重的结构破坏，因而效应更强。土壤质地通过影响阳离子交换量（CEC）、水分保持能力和有机质结合状态来调制这些效应：砂质土壤缓冲能力差，更易发生酸化；粉粒和黏粒土壤因有机质含量高和表面积大，在干燥后释放更多养分；黏粒则通过保护有机质和抑制微生物活动降低氮转化速率。

本研究系统阐明了风干和冻干处理对土壤生化性质的差异性影响，揭示了土壤质地在调控这些效应中的关键作用。研究成果强调，在测量OM、微量养分和氮转化速率等敏感指标时，应优先使用新鲜样品；对于TN、AP、AK等稳定指标，风干仍可提供可靠结果。此外，土壤质地应作为选择预处理方法的重要依据，特别是在大规模、跨区域或长期监测项目中。该研究为半干旱地区土壤样品预处理提供了实证支持和具体指导，对提高土壤养分评价的准确性、推动标准化样品处理 protocols 的发展具有重要意义。