《International Soil and Water Conservation Research》：Changes in soil TN and TP induced by freeze-thaw effect and the driving mechanism of environmental factors in a small watershed
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本研究针对冻融作用如何影响小流域尺度土壤养分这一关键科学问题，通过分析东北典型黑土区184个土壤样品，揭示了冻融后土壤全氮(TN)显著降低12.5%、全磷(TP)显著增加10.5%的规律，阐明了沟壑距离、地形和土壤性质共同驱动TN、TP变化的机制，为寒区农业土壤养分管理提供了科学依据。
在广袤的东北黑土地上，每年冬春之交都会上演一场悄无声息的"养分大迁徙"。当冰雪消融、大地回春之时，土壤中的氮磷养分在冻融作用下发生着剧烈的变化。这种变化不仅关系到作物的生长，更影响着周边水体的环境质量。然而，在小流域尺度上，冻融作用究竟如何改变土壤养分？哪些因素在主导这一过程？这些问题一直困扰着科研工作者。
以往的研究多集中在实验室条件下单一因素的效应，而野外环境中积雪覆盖、地形地貌、土地利用等多种因素相互交织，使得冻融过程对养分的影响机制变得异常复杂。特别是在沟壑发育的东北黑土区，沟壑作为物质输送的重要通道，如何影响养分的迁移和转化，更是知之甚少。为了解开这些谜团，中国科学院与教育部水土保持与生态环境研究中心的科研团队在《International Soil and Water Conservation Research》上发表了他们的最新研究成果。
研究人员选择黑龙江省海伦市一个面积为1.47平方公里的小流域作为研究区，这里是中国典型的黑土区，也是重要的粮食生产基地。研究采用了多学科交叉的技术方法，包括高精度无人机航测获取数字高程模型(DEM)和数字正射影像图(DOM)，系统采集了184个土壤样品进行理化性质分析，同时开展了积雪调查测量雪水当量(SWE)，运用地统计学方法分析空间变异特征，并通过冗余分析(RDA)、方差分解分析(VPA)和结构方程模型(SEM)等多元统计方法解析各环境因子的驱动机制。
3.1. 小流域尺度TN、TP及积雪覆盖特征
研究结果显示，冻融前后TN和TP均表现出中等程度的空间变异性。冻融作用使TN从1.68 g kg-1显著降至1.47 g kg-1，而TP则从0.67 g kg-1显著增至0.74 g kg-1。积雪参数也表现出显著的空间异质性，从西到东呈增加趋势。
3.2. 冻融前后TN和TP的变化
空间分析表明，TN和TP表现出强烈的空间自相关性。冻融后TN在流域大部分区域下降，而TP在多数区域呈现增加趋势。TN变化范围为-0.57至+0.31 g kg-1，TP变化范围为-0.49至+0.35 g kg-1。
3.3. 潜在因素对TN和TP变化的影响
3.3.1. 土地利用 冻融前TN含量依次为菜地>农田>林地>沟壑>草地。冻融后各土地利用类型TN均下降，其中农田和菜地下降最显著。TP在农田和沟壑中增加最为明显。顺坡耕作条件下TN损失更大，而TP增加在横坡耕作中更显著。
3.3.2. 沟壑距离 TN随沟壑距离增加而增加，距沟壑0-25米处的TN显著低于其他距离。沟壑距离对TN的影响更为显著，距沟壑较远区域TN损失更大。
3.3.3. 地形因素 TN和TP随坡度增加而降低。冻融后各坡度TN均下降，其中0-3°坡度TN损失最大。不同坡向上，东北坡向的TN和TP含量显著高于其他坡向。
3.3.4. 土壤性质 TN变化与土壤团聚体稳定性指标（WSA>0.25、MWD、GMD）和pH呈正相关，与土壤可蚀性(K)因子和容重呈负相关。TP变化与土壤孔隙度正相关，与含水量和团聚体稳定性指标负相关。
3.4. TN和TP变化的驱动机制
3.4.1. 影响因素的贡献 沟壑距离、地形和土壤性质的共同作用解释了16.1%的TN和TP变化，表明多因子交互作用对养分循环具有重要影响。
3.4.2. 潜在因素的影响路径和机制 结构方程模型显示，沟壑距离和土壤可蚀性(K)因子是影响TN变化的直接因素。TP变化主要受冻融前TP含量的直接负向影响，同时受到沟壑距离、土壤团聚体稳定性和雪水当量的共同调控。
研究表明，冻融作用导致TN减少而TP增加的现象，是地形、土壤性质、沟壑距离等多因素共同作用的结果。沟壑距离通过影响养分迁移路径长度和汇水面积，成为调控TN变化的关键因素。土壤可蚀性(K)因子反映了冻融作用下土壤对侵蚀的敏感性，是氮素损失的重要指示指标。而TP的变化则更多地受到初始磷含量、土壤结构以及农业管理措施的综合影响。
这项研究首次在小流域尺度上系统阐明了冻融作用下土壤氮磷养分的空间变化规律及其驱动机制，揭示了沟壑在养分迁移中的关键作用。研究结果对指导寒区农业土壤养分管理、优化施肥方案、减少面源污染风险具有重要实践意义，为黑土区农业可持续发展提供了科学依据。未来研究需要进一步关注养分在土壤剖面中的迁移规律，以及微生物群落对养分转化的作用，从而更全面地理解冻融作用下土壤养分的循环过程。
