凍融交替對(duì)土壤氮素循環(huán)關(guān)鍵過程的影響與機(jī)制研究進(jìn)展

徐 歡, 王芳芳,李 婷,伍 星

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

凍融交替是由于季節(jié)或晝夜熱量的變化,在表土及以下一定深度形成的反復(fù)凍結(jié)和解凍的過程,其廣泛存在于中、高緯度及高海拔地區(qū)[1]。全球大約有55%—70%的陸地面積受凍融交替的影響,對(duì)人類的生產(chǎn)活動(dòng)和生存環(huán)境都具有極其重要的影響[2-3]。受低溫影響,凍融區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)分解緩慢,可供植物利用的有效氮素相對(duì)缺乏,故生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力受土壤氮素有效性限制明顯。氮素主要通過氮輸入與氮輸出等外循環(huán)過程以及土壤氮礦化、固持、硝化與反硝化作用等內(nèi)循環(huán)過程進(jìn)行遷移轉(zhuǎn)化,是陸地生態(tài)系統(tǒng)基本的物質(zhì)循環(huán)之一[4-5]。目前已有研究表明凍融交替在一定程度上會(huì)促進(jìn)土壤的氮礦化過程和硝化作用[3, 6-7],增加土壤中可溶性有機(jī)物的含量。可溶性有機(jī)氮的增加一方面加速了土壤氮素的淋溶沖刷作用[8-9],另一方面作為反應(yīng)底物促進(jìn)反硝化作用的進(jìn)行,最終被微生物分解為氮?dú)?N2)、一氧化氮(NO)和氧化亞氮(N2O)進(jìn)入大氣[10]。但是,Groffman等[11]在森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行土壤原位實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)氮素礦化不受凍融交替的影響；Yanai等[12]的結(jié)果表明在土壤凍融交替期間硝化潛力顯著降低。因此,關(guān)于凍融作用對(duì)氮素循環(huán)關(guān)鍵過程影響結(jié)果在不同生態(tài)系統(tǒng)、不同氣候條件下差異較大。除此之外,不同的研究方法條件下,凍融交替對(duì)土壤氮素循環(huán)關(guān)鍵過程的影響結(jié)果也存在顯著差異。Song等[3]對(duì)46篇論文進(jìn)行meta分析發(fā)現(xiàn),室內(nèi)模擬凍融交替的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,凍融過程可以促進(jìn)氮礦化和呼吸,抑制硝化作用；然而野外原位實(shí)驗(yàn)則顯示,凍融過程可以促進(jìn)土壤硝化作用,抑制呼吸作用,但對(duì)氮礦化無(wú)明顯影響。這些差異均反映了不同生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性以及凍融交替對(duì)土壤中生物、物理和化學(xué)變量的多重影響[11]。

凍融交替作為一種土壤中的非生物應(yīng)力[13],對(duì)于土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化乃至整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)過程有著十分重要的調(diào)控作用[5-6],主要通過改變土壤水熱條件和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)土壤中的微生物種類組成和活性產(chǎn)生影響[14- 16]。而微生物是驅(qū)動(dòng)土壤元素生物地球化學(xué)循環(huán)的引擎,與氮循環(huán)有關(guān)的四個(gè)關(guān)鍵過程均由微生物所驅(qū)動(dòng)[17]。為了揭示凍融交替對(duì)土壤氮素循環(huán)關(guān)鍵過程影響的微生物學(xué)機(jī)制,大量學(xué)者對(duì)土壤凍融交替期間微生物活性、數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)變化等方面開展了相關(guān)研究。結(jié)果表明,凍融交替會(huì)殺死大量土壤微生物[12]、改變土壤結(jié)構(gòu),由此導(dǎo)致的土壤中有機(jī)物增加會(huì)加速氮礦化和硝化作用[18],因此會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)氮素的損失、土壤酸化、N2O通量和CO2通量變化。此外,凍融交替還會(huì)改變土壤中有機(jī)碳、水分含量和養(yǎng)分等微生物賴以生存的環(huán)境條件,可溶性有機(jī)碳與微生物的活性存在緊密的聯(lián)系[13],土壤水分通過控制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散與凍融交替下土壤微生物存活量和活性有密不可分的關(guān)系[19]。然而由于不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物對(duì)于溫度和環(huán)境的耐受度有所不同,因此對(duì)于凍融交替的響應(yīng)有所差異,在不同生態(tài)系統(tǒng)的表現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜,還需要進(jìn)一步深入研究。

目前研究普遍認(rèn)為,在全球氣候變暖的背景下,氣溫升高會(huì)導(dǎo)致多年凍土大面積的退化,因此,季節(jié)性凍土區(qū)的凍結(jié)期縮短而消融期延長(zhǎng)將會(huì)引起土壤凍融過程的強(qiáng)烈變化。Henry[20]對(duì)加拿大31個(gè)氣象站點(diǎn)40年的氣候和土壤溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),積雪面積、積雪深度和土壤凍結(jié)天數(shù)均隨氣候變暖而有所減少；與此相反的是,土壤凍融循環(huán)頻率、年融雪量和土壤最低溫度均隨著平均溫度的升高而增加。與此同時(shí),Groffman等指出凍融的頻率和強(qiáng)度主要取決于區(qū)域性的氣候條件(溫度、降水)和積雪厚度[11]。由于氣候變化導(dǎo)致的未來(lái)中高緯度地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的凍融周期的增加,特別是積雪的消減可能會(huì)加劇土壤凍結(jié)時(shí)的深度和嚴(yán)重程度[21-22],將會(huì)導(dǎo)致更頻繁的凍融交替過程。因此,關(guān)于氣候變化下凍融格局的變化可能對(duì)土壤氮素循環(huán)關(guān)鍵過程產(chǎn)生的影響已經(jīng)成為近年來(lái)多個(gè)學(xué)科共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。雖然已有許多研究結(jié)果表明凍融交替對(duì)土壤氮素循環(huán)關(guān)鍵過程有顯著影響,但是現(xiàn)有的研究結(jié)果差異仍較大,其影響機(jī)制尚不明晰,研究方法也還有待進(jìn)一步創(chuàng)新。因此有必要對(duì)現(xiàn)有研究結(jié)果進(jìn)行歸納和總結(jié),以便于更好地把握凍融交替作用下的土壤氮素循環(huán)過程。本文在大量查閱國(guó)內(nèi)外已有研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)論述了凍融交替對(duì)土壤氮素循環(huán)關(guān)鍵過程的影響程度,并歸納總結(jié)了凍融交替對(duì)土壤氮素循環(huán)關(guān)鍵過程的影響機(jī)制,將有助于更好地剖析凍融交替期間氮素在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律,促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展,并為今后深入開展相關(guān)研究工作奠定基礎(chǔ)。

1 凍融交替對(duì)土壤氮素循環(huán)關(guān)鍵過程的影響

1.1 凍融交替對(duì)土壤氮素固持的影響

氮素固持過程是指微生物對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮的同化過程,通常根據(jù)土壤微生物生物量氮的變化量來(lái)衡量土壤微生物氮素固持作用。大量研究結(jié)果表明,凍融過程會(huì)顯著影響土壤微生物的生物氮含量。雋英華等[23]對(duì)東北棕壤的研究發(fā)現(xiàn),較大的凍融溫差造成微生物生物量氮顯著減少。徐俊俊等[24]對(duì)高寒草甸的研究表明,土壤微生物生物量氮含量隨著凍融時(shí)間的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。而任伊濱等[25]對(duì)小興安嶺濕地的研究結(jié)果與此相反,隨凍融次數(shù)的增加,土壤微生物生物量氮呈先增加后減小的趨勢(shì)。另外,土壤微生物生物量氮含量對(duì)凍融交替的響應(yīng)在不同地區(qū)存在較大差異,原因可能與土壤質(zhì)地、凍融強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、交替頻率、植被覆蓋和土壤水分含量等眾多因素有關(guān)[26]。一般來(lái)說,土壤凍融交替會(huì)導(dǎo)致微生物活性下降或死亡[5],降低土壤中微生物生物量氮含量。然而,受凍融交替破壞的土壤團(tuán)聚體和死亡微生物會(huì)釋放大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),激活部分酶活性[27],從而促進(jìn)氮素固持作用,使土壤中微生物生物氮含量有所增加。但是隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,這種激發(fā)作用逐漸減小[28],且低溫下微生物的活性還是受到了一定的抑制作用[25]。因此,短期內(nèi)多次凍融交替會(huì)增強(qiáng)微生物對(duì)無(wú)機(jī)氮的固持能力,但長(zhǎng)期凍結(jié)則不利于微生物對(duì)無(wú)機(jī)氮的固持。此外,還有部分研究表明凍融交替對(duì)土壤微生物生物量氮含量沒有顯著影響[28- 30],原因是這些研究區(qū)基本都位于緯度較高或高海拔地區(qū),土壤雖然經(jīng)歷了凍融交替,但微生物受低溫的影響較小,而且土壤含水量和有機(jī)質(zhì)能滿足微生物活動(dòng)所需,因此土壤微生物生物量氮變化不大。

1.2 凍融交替對(duì)土壤氮礦化的影響

表1 凍融交替對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素循環(huán)關(guān)鍵過程的影響

F：野外原位培養(yǎng)試驗(yàn) Field experiment；L：室內(nèi)模擬試驗(yàn) Laboratory experiment；+：促進(jìn)作用 Promoting effect；-：抑制作用 Inhibition effect；0：無(wú)影響 No effect

1.3 凍融交替對(duì)土壤硝化作用的影響

一般來(lái)說,凍融交替主要是通過改變硝化微生物生物量進(jìn)而對(duì)硝化作用產(chǎn)生影響[12]。已知的土壤硝化微生物群落對(duì)環(huán)境變化很敏感,凍融交替后的土壤亞硝酸鹽氧化菌的數(shù)量會(huì)降低44%[52],土壤的硝化潛力明顯受到凍融交替的抑制。但是凍融交替并不完全會(huì)對(duì)其造成致命傷害[12],Wang 等[53]發(fā)現(xiàn)越冬期的氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)和氨氧化細(xì)菌 (ammonia-oxidizing bacteria,AOB)仍保持著較高的活性,且 AOA 的數(shù)量始終大于 AOB 的數(shù)量。除此之外,凍融交替對(duì)硝化微生物種群的影響還會(huì)因土壤理化性質(zhì)不同產(chǎn)生差異。Clark等[54]研究發(fā)現(xiàn),在冰點(diǎn)以下溫度時(shí),黏性土壤的硝化速率是壤質(zhì)土壤的3.2—4.8倍。Yannni等[52]在凍土區(qū)的研究表明,土壤解凍周期后的微生物存活率與土壤pH值密切相關(guān),土壤凍融交替造成的pH值下降會(huì)對(duì)硝化群落造成一定損害,因此,土壤樣品的pH值越高,則土壤的硝化潛力越高。

1.4 凍融交替對(duì)土壤反硝化作用的影響

凍融交替作用下,由于凋落物或積雪覆蓋會(huì)使表土與低溫大氣形成隔離層,覆蓋層下土壤的這種溫暖、厭氧的環(huán)境會(huì)促進(jìn)反硝化作用[21, 57]。van Bochove等模擬田間條件進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),凍融交替使反硝化速率增加32%[6],導(dǎo)致大量N2O排放[58],對(duì)溫室效應(yīng)有顯著貢獻(xiàn)[41]。凍融交替一方面促進(jìn)反硝化細(xì)菌數(shù)量的增加,例如,Mergel等[59]對(duì)挪威云杉土壤進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),秋、冬及早春季節(jié)的反硝化細(xì)菌數(shù)量最高；Christensen等[27]的研究結(jié)果表明反硝化酶的濃度在土壤凍結(jié)期間降低了40%,而在土壤消融后則會(huì)迅速增加。另一方面凍融過程中釋放出的養(yǎng)分還會(huì)增強(qiáng)土壤微生物活性,研究發(fā)現(xiàn)凍融交替過程中反硝化細(xì)菌(亞硝酸鹽還原酶)活性增加 2.5—4.5倍[4,60]。由此可見,凍融交替會(huì)顯著促進(jìn)土壤反硝化速率。

土壤凍融交替期間的反硝化作用受土壤理化性質(zhì),凍融溫差,凍融頻率,凍融深度等因素的共同作用[61]。首先,土壤凍結(jié)過程中微生物和細(xì)根的死亡及團(tuán)聚體的破碎,導(dǎo)致土壤中反應(yīng)底物含量有所增加[62],因此,土壤解凍后反硝化速率通常能在短時(shí)間內(nèi)大幅增大。其次,凍融交替過程中不同土壤深度的反硝化作用強(qiáng)度存在一定差異。Jacinthe等[63]進(jìn)行土壤原位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),凍融交替后,5—30 cm土壤深度的反硝化酶活性保持不變,而0—5 cm土層中的反硝化酶活性顯著下降。再次,不同土壤質(zhì)地的反硝化作用受凍融交替的影響也有所不同,van Bochove等[6]基于濕篩法分級(jí)后的土壤團(tuán)聚體研究表明,粒徑較小的土壤團(tuán)聚體反硝化率比粒徑較大的團(tuán)聚體高出40%。最后,在不同的土壤管理方法的情況下,凍融交替可能會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的物理破壞,可溶性碳擴(kuò)散,以及土壤孔隙度的變化,這些因素都會(huì)促進(jìn)反硝化作用[6]。

1.5 凍融交替對(duì)土壤氣態(tài)氮排放的影響

土壤氣態(tài)氮的排放不僅是導(dǎo)致氮肥利用效率偏低的主要原因之一[64],同時(shí)也加劇了全球氣候變暖和大氣污染等環(huán)境問題。氣態(tài)氮主要包括 NO、N2O、N2和NH3,主要通過土壤中的硝化作用、反硝化作用、硝態(tài)氮異化還原成銨等過程釋放到大氣中[65]。土壤中NO、N2O和N2的排放比例,取決于土壤特性、土壤微生物、氣候因素和管理措施之間復(fù)雜的相互作用。目前關(guān)于凍融交替對(duì)N2和NO排放的影響研究相對(duì)較少[18],對(duì)土壤NH3揮發(fā)的研究主要集中于石灰性土壤和農(nóng)田施肥過程中[66],而關(guān)于凍融交替對(duì)土壤N2O排放影響的研究相對(duì)較多。

硝化和反硝化作用都可以產(chǎn)生N2O,頻繁的凍融交替會(huì)使土壤形成大量“有氧”、“無(wú)氧”或者介于二者之間環(huán)境,這為硝化和反硝化作用創(chuàng)造了各自有利的條件[66]。目前大多數(shù)研究認(rèn)為反硝化作用是凍融交替過程中N2O的主要來(lái)源[58,60,67],僅有4.4%的N2O排放量來(lái)源于硝化作用[67]。由于凍融條件下土壤溫度較低、含水量較高、通氣性較差,不僅會(huì)破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu),釋放有效養(yǎng)分,而且還可促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)、改變土壤微生物群落和結(jié)構(gòu),促使土壤N2O排放增加[68-69]。如Regina 等[70]對(duì)芬蘭大麥田進(jìn)行研究表明,凍融期N2O累積排放量3.3—18.9 kg N hm-2,占全年排放量的53%—81%；王廣帥等研究表明青藏高寒草甸凍融期N2O排放量約為0.3 kg N hm-2,占全年排放量的63%[14]。從表2可以看出,大部分研究結(jié)果均表明凍融交替會(huì)促進(jìn)土壤N2O排放,從而致使凍融區(qū)土壤成為N2O的一個(gè)重要排放源。但在已有的研究中,不同生態(tài)系統(tǒng)和凍融條件下N2O排放的增量還存在較大差異。室內(nèi)模擬試驗(yàn)表明土壤消融過程中N2O排放量是對(duì)照組的1—10000倍,野外觀測(cè)結(jié)果同樣也存在較大差異,土壤消融過程中N2O排放量可增加2.5—173.3倍不等[76]。

表2 凍融交替下不同生態(tài)系統(tǒng)的N2O排放

F：野外原位培養(yǎng)試驗(yàn) Field experiment；L：室內(nèi)模擬試驗(yàn) Laboratory experiment；d：天 Day；m：月 month；y：年 Year

1.6 凍融交替對(duì)土壤氮素淋溶的影響

2 凍融交替對(duì)土壤氮素循環(huán)關(guān)鍵過程的影響機(jī)制

2.1 凍融交替過程中土壤物理性狀改變對(duì)氮循環(huán)的影響

2.1.1土壤結(jié)構(gòu)

凍融是作用于土壤的非生物應(yīng)力,會(huì)使土壤的相態(tài)組成比例發(fā)生變化[16]。凍融交替對(duì)土壤的影響首先表現(xiàn)在對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)的改變,大量研究?jī)鋈诮惶孀饔煤蟮耐馏w結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),凍融過程會(huì)改變土壤顆粒間的排列和連結(jié),因此對(duì)土壤團(tuán)聚體的大小和穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響[16,44,80]。van Bochove和Oztas等的研究表明,土壤凍結(jié)時(shí)土壤孔隙中冰晶的膨脹會(huì)打破顆粒與顆粒之間的聯(lián)結(jié),破壞土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性,從而將其破碎成小團(tuán)聚體[6,80]。與此相反的是,Lehrsch等發(fā)現(xiàn)凍融交替下的微小顆粒有向中等大小顆粒聚集的趨勢(shì)[88],導(dǎo)致表層土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性增加[89]。這主要是因?yàn)閳F(tuán)聚體的破壞不僅與凍融作用相關(guān),還與土壤含水量的影響有關(guān)[90-91]。一般來(lái)說,凍融溫差越大,則破壞土壤結(jié)構(gòu)的力變化越劇烈,土壤團(tuán)聚體受到的破壞越強(qiáng)[92]；土壤含水量越高,則土壤團(tuán)聚體對(duì)凍融交替的抵抗力越弱[93]。

隨著團(tuán)聚體的破碎,土壤中原本包裹吸附著的活性有機(jī)碳和無(wú)機(jī)氮由于凍結(jié)所造成的物理破壞被提前釋放出來(lái),增加了土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[41,94]。一方面有利于促進(jìn)土壤微生物的氮固持作用,并加速土壤的氮礦化過程。樸河春等研究結(jié)果表明,凍融交替會(huì)顯著加強(qiáng)土壤氮素礦化過程[95]。另一方面大量活性有機(jī)碳被釋放出來(lái)供微生物利用,促進(jìn)反硝化作用,產(chǎn)生和排放較多的N2O[6,67]。van Bochove等基于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果表明,反硝化潛力與可礦化的有機(jī)碳含量顯著相關(guān)[6]。

2.1.2土壤溫度

2.1.3土壤水分

在土壤凍融過程中不僅有溫度的變化,還伴隨著水分的重新分布、滲透、傳導(dǎo)等的改變[97]。土壤凍結(jié)時(shí),上部?jī)鼋Y(jié)土體的水勢(shì)較低,導(dǎo)致下部非凍結(jié)土壤中的水分向凍結(jié)土體遷移[16],當(dāng)土壤開始由表層向下解凍,消融的土壤水分開始向下遷移,但下部未解凍層阻礙了土壤水分的遷移進(jìn)而形成上層滯水[98]。與此同時(shí),凍融交替還會(huì)使土壤容重降低、孔隙度增大、飽和導(dǎo)水率提高[93],二者共同造成土壤消融后水分含量的顯著提高[2]。隨著含水量的增大,土壤釋水性和水分滲透性也相應(yīng)提升。楊平等研究發(fā)現(xiàn),凍融交替后砂土滲透性增加5%—10%,粘土滲透系數(shù)增大了3—10倍,且土壤水平方向滲透性均大于垂直方向滲透性3—5倍[99]。

凍融過程中土壤含水量的變化是調(diào)控土壤氮素循環(huán)的重要驅(qū)動(dòng)因子之一,主要表現(xiàn)在以下6個(gè)方面：(1)土壤水分可以促進(jìn)微生物的活動(dòng)。由于微生物只能生活在水溶性的環(huán)境中,所以土壤有效性水分是維持微生物活性的重要資源,影響著土壤微生物群落生理結(jié)構(gòu)和功能[48]。而且在土壤水向凍層移動(dòng)的過程中,會(huì)將養(yǎng)分運(yùn)至凍層附近,有利于微生物進(jìn)行固持、硝化、反硝化作用[75]。(2)水分含量與土壤礦化作用呈正相關(guān)關(guān)系。李貴才等[100]對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的研究表明,土壤氮礦化作用隨土壤水分增加而增強(qiáng),直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),這與Zhou等[26]對(duì)長(zhǎng)白山森林的研究結(jié)果一致。(3)隨著水分含量的增加總硝化速率明顯降低。Breuer等[101]研究發(fā)現(xiàn),水分含量的增加會(huì)促進(jìn)硝化作用的進(jìn)行,但當(dāng)水分含量增加到一定程度后,厭氧環(huán)境又會(huì)抑制硝化作用進(jìn)行。(4)隨著土壤含水量的增加反硝化速率也變大。Teepe和Ludwig[10]的研究表明土壤N2O的排放量隨著土壤孔隙水含量上升而增加(42% < 55% < 64%)。這是由于水分含量通過對(duì)土壤的通氣狀況和土壤中的氧分壓的影響而影響到反硝化作用。(5)土壤水分會(huì)影響氣態(tài)氮的釋放。凍融交替會(huì)導(dǎo)致水分發(fā)生相變使得土壤表面被一層冰膜包裹,而內(nèi)部水分的升高導(dǎo)致顆粒內(nèi)部處于缺氧狀態(tài),有利于進(jìn)行反硝化過程。但是冰膜在一定程度上會(huì)阻礙N2O釋放[22],從而導(dǎo)致土壤消融后N2O排放量達(dá)到峰值[90]。(6)凍融交替增強(qiáng)土壤釋水性和水分滲透性,會(huì)減小土壤消融后氮素淋溶阻力,養(yǎng)分易于溶出或通過各種途徑包裹在礦物顆粒內(nèi)或吸附于土壤膠體表面,隨水遷移而流失[13,66]。

2.2 凍融交替過程中土壤化學(xué)性質(zhì)改變對(duì)氮循環(huán)的影響

2.3 凍融交替過程中土壤微生物性質(zhì)改變對(duì)氮循環(huán)的影響

2.3.1土壤微生物量的改變

土壤微生物是氮循環(huán)過程的重要驅(qū)動(dòng)元素,凍融交替對(duì)于微生物來(lái)說是一種嚴(yán)重的干擾[67]。Dorsch等[73]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,冷凍后的微生物生物量減少,而在解凍后,微生物的生物量迅速恢復(fù)。同樣地,Christensen等[27]通過熏蒸法對(duì)微生物生物量進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),在凍融之后的土壤微生物大約減少了44%—50%,由土壤凍結(jié)導(dǎo)致的脫氮酶生物量減少了40%。Feng等[40]通過使用磷脂脂肪酸的方法研究指出,在-15℃條件下,真菌的生物量減少了,而細(xì)菌的生物量卻沒有受到影響。

在整個(gè)凍融交替期間,土壤微生物量的變化主要表現(xiàn)在以下方面：(1)土壤凍結(jié)期間,冰晶的形成會(huì)造成細(xì)胞膜和細(xì)胞器的機(jī)械性損傷,從而引起細(xì)胞的形態(tài)發(fā)生變化[48]。其次,凍結(jié)會(huì)改變土壤中水勢(shì),使細(xì)胞內(nèi)外滲透壓失去平衡,細(xì)胞膜流動(dòng)性降低,細(xì)胞壁受損[105]。Mikan 等[106]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)土壤溫度降到-10℃ 以下時(shí),微生物基本上難以生存,數(shù)量迅速下降。但這種下降趨勢(shì)不會(huì)隨著凍結(jié)持續(xù)而繼續(xù),一方面因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)含量較高的土壤對(duì)存活下來(lái)的微生物有激活作用,可以維持其基本生存[107]。另一方面,隨著凍融交替次數(shù)的增加,土壤微生物會(huì)逐漸適應(yīng)低溫環(huán)境[46],使得由于凍融交替而導(dǎo)致的死亡土壤微生物絕對(duì)量在減少[13]。(2)土壤消融后會(huì)大量釋放凍結(jié)期所積累的養(yǎng)分,增加土壤中的有效基質(zhì),從而激發(fā)微生物的快速生長(zhǎng)繁殖[108]。還有學(xué)者指出土壤微生物作為氮循環(huán)過程的重要驅(qū)動(dòng)因素對(duì)凍融交替表現(xiàn)出了截然不同的反應(yīng),Grogan和Neilson等人研究指出,凍融交替對(duì)微生物生物量幾乎沒有顯著影響[30, 51]。這一點(diǎn)與Koponen等[46]對(duì)芬蘭農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究的結(jié)果基本一致,主要是因?yàn)樵谶@些土壤中,微生物已經(jīng)適應(yīng)了低溫環(huán)境的壓力。同時(shí),Freppaz等[47]認(rèn)為在季節(jié)性積雪覆蓋的土壤中,凍融交替會(huì)對(duì)微生物生物量有選擇性的影響,目前造成這種差異原因尚不清楚,可能與土壤微生物對(duì)寒冷地區(qū)的環(huán)境適應(yīng)有關(guān)。綜上,凍融交替作用對(duì)土壤微生物生物量影響的研究結(jié)果還具有很多不確定性,應(yīng)該進(jìn)一步探討。

2.3.2土壤微生物組成和結(jié)構(gòu)的改變

凍融交替改變了土壤水分含量、溫度、有機(jī)質(zhì)和酸堿度等土壤微生物賴以生存的環(huán)境條件,對(duì)微生物的組成和結(jié)構(gòu)有強(qiáng)烈影響[8,48,96]。土壤微生物群落以細(xì)菌為主(70%—90%),其次是放線菌,真菌相對(duì)較少[109]。在季節(jié)性土壤凍融過程中,土壤溫度急劇下降改變了土壤微生物群落的組成,低溫會(huì)使細(xì)菌類群數(shù)量明顯降低,細(xì)菌類群的豐富度及多樣性也急劇下降[110]。Wang等[8]在青藏高原的研究顯示,與土壤氨氧化過程有關(guān)的氨氧化古菌(AOA)和氨氧化細(xì)菌(AOB)豐度均有所降低,當(dāng)群落土壤負(fù)積溫最大時(shí),AOA數(shù)量明顯高于AOB,而在相對(duì)溫暖的土壤中,AOB數(shù)量相對(duì)較高。原因在于嗜溫性和嗜熱性細(xì)菌會(huì)在凍結(jié)過程中死亡,而嗜冷型細(xì)菌類群得以存活[111]。一般來(lái)說,夏季和冬季的微生物群落的組成和結(jié)構(gòu)有所差異,真菌在冬天起主導(dǎo)作用,而細(xì)菌則在夏天增加[41]。Lipson等[111]對(duì)高寒草甸進(jìn)行的DNA雜交研究表明,冬季土壤中的真菌/細(xì)菌比值有所增加,且真菌對(duì)低溫的適應(yīng)性比細(xì)菌更強(qiáng)。與此相反,Staricka和Benoit[112]對(duì)極地苔原微生物的研究發(fā)現(xiàn),凍融交替后的微生物群落優(yōu)勢(shì)種從真菌逐漸轉(zhuǎn)向細(xì)菌。這是由于短期的凍融交替會(huì)加劇土壤中植物殘?bào)w的破碎作用,使微生物活性增加,導(dǎo)致土壤微生物中C/N 較小的細(xì)菌群落增多；但長(zhǎng)期凍融交替,真菌比細(xì)菌對(duì)低溫的抗性強(qiáng),且二者之間又具有拮抗作用,所以凍融期細(xì)菌/真菌的比值降低[8]。

Schimel和Bennett[113]的研究發(fā)現(xiàn)土壤氮素循環(huán)的限制步驟是大蛋白的解聚作用(depolymerization),因?yàn)楹酆衔?蛋白質(zhì)和肽聚糖等) 通過解聚作用生成微生物可利用的單體物質(zhì)(氨基酸、氨基糖和核酸等)是后續(xù)氮素轉(zhuǎn)化過程的基礎(chǔ)。而Wild等在北極區(qū)的研究結(jié)果表明,總蛋白解聚率隨真菌的相對(duì)豐度的降低而降低[114]。因?yàn)檎婢粌H能夠產(chǎn)生多種細(xì)胞外酶,還會(huì)參與許多復(fù)雜有機(jī)分子的降解,包括纖維素和木質(zhì)素等。因此,凍融作用下生物群落中真菌豐度的降低會(huì)導(dǎo)致低蛋白解聚速率,而且通常還會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的分解減緩,對(duì)土壤氮礦化作用和硝化作用有所抑制。

2.3.3土壤微生物和酶活性的改變

凍融交替通過改變土壤中的水熱條件和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)而對(duì)土壤中的微生物及酶的活性產(chǎn)生影響。一般來(lái)說, 土壤酶活性與溫度呈正相關(guān),即土壤溫度降低,酶活性也降低[107]。主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一、凍結(jié)過程會(huì)導(dǎo)致土壤微生物和酶活性降低：(1)凍融導(dǎo)致土壤內(nèi)部形成厭氧環(huán)境,使得轉(zhuǎn)化酶、淀粉酶、纖維素酶、脈酶、磷酸酶和硫酸酶等活性降低[28,115]。(2)由于凍融交替所導(dǎo)致的土壤pH偏酸,使得過氧化氫酶和脫氫酶的活性幾乎完全喪失,但是鄧娜等[7]的研究指出凍融結(jié)束后,除草地脫氫酶活性有所降低外,其余地類土壤脫氫酶活性呈現(xiàn)出不同程度的升高趨勢(shì),這與不同土壤類型的管理措施不同有關(guān)。(3)過低的土壤溫度直接影響到釋放酶類的微生物種群及數(shù)量從而導(dǎo)致土壤酶活性的鈍化和失活。二、土壤消融過程可以激活酶和微生物活性：(1)土壤酶在凍結(jié)的土壤中并不完全鈍化,王洋等研究表明,一旦凍結(jié)土壤消融,各種酶活性增強(qiáng),會(huì)導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)礦化速度加快[16]。(2)凍結(jié)作用會(huì)導(dǎo)致大量微生物死亡,這些死亡的微生物直接釋放的無(wú)機(jī)氮會(huì)增加土壤中無(wú)機(jī)氮含量[102]；此外,冰晶對(duì)土壤團(tuán)聚體的擠壓作用也會(huì)增加了土壤有效氮含量、多糖以及氨基酸等,這些有效養(yǎng)分不僅可以作為底物被殘余的微生物加以利用,還對(duì)微生物活性有刺激作用[12,49]有利于土壤氮素的礦化過程[61],從而提高有效氮含量。Sharma等[41]的研究中明確指出凍融增加了微生物的活性(CO2產(chǎn)量的增加),從而導(dǎo)致了N2O氣體的大量釋放。三、隨凍融強(qiáng)度的加大和凍融頻率的增加,土壤中的磷酸酶、硝酸還原酶和亞硝酸還原酶的活性呈現(xiàn)出增強(qiáng)的趨勢(shì)[93]。土壤酶活性的增強(qiáng)有利于促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分解礦化和改變土壤氮素營(yíng)養(yǎng),進(jìn)一步增強(qiáng)土壤中的氮礦化作用、反硝化作用[90],導(dǎo)致凍融期CO2排放量和N2O排放量迅速增多。

3 問題及展望

凍融交替是中、高緯度地區(qū)土壤熱量動(dòng)態(tài)的一種表現(xiàn),即由于土壤水分相變導(dǎo)致的反復(fù)凍融過程[83],可以通過改變土壤水熱狀況等土壤環(huán)境因子而影響土壤結(jié)構(gòu)及營(yíng)養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化和土壤微生物特性,進(jìn)而影響氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)[3, 4, 8, 16, 18,93],對(duì)于陸地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的變化具有重要貢獻(xiàn)。但是關(guān)于凍融交替對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化的研究,還存在一些不足,主要表現(xiàn)為：

(1)室內(nèi)凍融模擬實(shí)驗(yàn)布局設(shè)置不合理。由于野外實(shí)驗(yàn)條件差,難以實(shí)現(xiàn)精確控制,所以目前凍融交替對(duì)氮素轉(zhuǎn)化的機(jī)理研究以室內(nèi)模擬研究方法為主。這使得土壤所處凍融環(huán)境與自然條件下的凍融過程有所不同,降低了凍融處理的真實(shí)性,造成了某些研究結(jié)果的不確定性。而且在室內(nèi)模擬處理下的凍融交替的極端溫度過大,變溫速度太快,而實(shí)際在覆雪的作用下,極端溫度不會(huì)太低,變溫速度也相對(duì)比較緩慢。因此,關(guān)于室內(nèi)模擬研究的方法有待進(jìn)一步探索。

(2)已有的關(guān)于凍融交替對(duì)氣態(tài)氮損失的研究已經(jīng)證實(shí)了對(duì)N2O排放的促進(jìn)作用,但不同研究結(jié)果仍存在差異。除N2O排放外凍融期其他含氮?dú)怏w(如NO、N2、NH3)造成的氮素?fù)p失狀況尚不清楚。而且凍融作用下N2O排放量與累積排放量等也很難進(jìn)行精確評(píng)價(jià)。這些問題都阻礙了凍融過程中氮循環(huán)研究的進(jìn)一步深化,今后應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注,從而為深入理解土壤氮素轉(zhuǎn)化機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。

(3)凍融交替對(duì)土壤氮素循環(huán)機(jī)制的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。已有研究局限于土壤氨化、硝化以及反硝化作用最終產(chǎn)物,并不能同時(shí)測(cè)定4個(gè)關(guān)鍵氮素轉(zhuǎn)化過程的速率,對(duì)中間過程的定量研究相對(duì)不足,使得凍融條件下氮素礦化、反硝化和微生物固持等變化關(guān)系的不確定性增加。目前較多關(guān)注了土壤凍融格局對(duì)氮素轉(zhuǎn)化的影響,而對(duì)土壤水分、團(tuán)聚體、pH值、通氣條件等關(guān)鍵因子作用的研究稍顯不足。

(4)關(guān)于凍融交替對(duì)土壤微生物影響的研究還不夠深入。目前大多圍繞凍融交替對(duì)土壤微生物活性、數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)方面而展開,微生物在分子細(xì)胞、基因蛋白質(zhì)等水平上對(duì)低溫凍結(jié)或凍融交替的反應(yīng)機(jī)理很少。從微觀方向來(lái)看,微生物在凍融條件下的死亡、休眠以及生理生化功能的改變有助于研究?jī)鋈诮惶嫦碌匦螒B(tài)轉(zhuǎn)化過程,將有助于我們深入理解凍融交替下微生物對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn),未來(lái)有待于進(jìn)一步研究。

針對(duì)以上存在的問題,未來(lái)的研究可在以下3個(gè)方面有所加強(qiáng)：

(1)原位監(jiān)測(cè)與室內(nèi)模擬相結(jié)合。在全球變化背景下,需要對(duì)不同類型生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究來(lái)評(píng)價(jià)凍融格局變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的影響。而目前原位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)相對(duì)較少,所得觀測(cè)資料有限。未來(lái)的研究重點(diǎn)是實(shí)地測(cè)量氣態(tài)氮通量和氮淋溶量,同時(shí)在室內(nèi)研究中應(yīng)該特別強(qiáng)調(diào)控制凍融溫度,盡量與野外實(shí)際情況貼合,有助于減少研究結(jié)果的不確定性,增加不同生態(tài)系統(tǒng)之間的可比性。

(2)凍融條件下土壤微生物的研究需要跨學(xué)科的方法。如今同位素和分子生物學(xué)方法日趨成熟,使微生物多樣性、代謝模式、酶活性等研究快速發(fā)展。其中核酸分析法實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤微生物酶系及其編碼基因的研究,而且通過對(duì)控制氮素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵微生物功能基因的分析能為評(píng)價(jià)凍融過程中氨化、硝化、反硝化作用提供更可靠依據(jù)[66]。因此分子生物學(xué)方法將是深入探究?jī)鋈诃h(huán)境下土壤氮素周轉(zhuǎn)機(jī)理的重要手段和新的切入點(diǎn)。

(3)氣候變暖正在逐漸打破部分地區(qū)土壤的凍融格局,如季節(jié)性雪蓋減少,土壤活動(dòng)層厚度增加,季節(jié)性凍土區(qū)的凍結(jié)期縮短而消融期延長(zhǎng)等[20]。這在一定程度上會(huì)極大地改變土壤凍融的強(qiáng)度和頻率,部分地區(qū)的土壤環(huán)境將經(jīng)受更廣泛、更頻繁的凍融作用[83]。這一變化將會(huì)如何影響土壤碳氮循環(huán)已經(jīng)引起了研究人員的廣泛關(guān)注。目前關(guān)于凍融生態(tài)效應(yīng)涉及的研究主要集中于極地、高山苔原和寒帶針葉林等高緯度地區(qū),而中緯度溫帶地區(qū)分布面積更廣、積雪更薄、凍融格局變異更大。因此還不清楚高緯度、高海拔地區(qū)所得的試驗(yàn)規(guī)律是否同樣適用于中緯度地區(qū)。未來(lái)關(guān)于凍融交替對(duì)中緯度地區(qū)土壤氮循環(huán)的影響還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。