凍融交替對土壤氮素循環(huán)關(guān)鍵過程的影響與機制研究進展

徐 歡, 王芳芳,李 婷,伍 星

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學(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,對人類的生產(chǎn)活動和生存環(huán)境都具有極其重要的影響[2-3]。受低溫影響,凍融區(qū)土壤有機質(zhì)分解緩慢,可供植物利用的有效氮素相對缺乏,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促進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物的含量。可溶性有機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)底物促進反硝化作用的進行,最終被微生物分解為氮氣(N2)、一氧化氮(NO)和氧化亞氮(N2O)進入大氣[10]。但是,Groffman等[11]在森林生態(tài)系統(tǒng)進行土壤原位實驗時發(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46篇論文進行meta分析發(fā)現(xiàn),室內(nèi)模擬凍融交替的實驗結(jié)果表明,凍融過程可以促進氮礦化和呼吸,抑制硝化作用；然而野外原位實驗則顯示,凍融過程可以促進土壤硝化作用,抑制呼吸作用,但對氮礦化無明顯影響。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],對于土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化乃至整個生態(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養(yǎng)物質(zhì)對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)的四個關(guān)鍵過程均由微生物所驅(qū)動[17]。為了揭示凍融交替對土壤氮素循環(huán)關(guān)鍵過程影響的微生物學(xué)機制,大量學(xué)者對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)致的土壤中有機物增加會加速氮礦化和硝化作用[18],因此會影響生態(tài)系統(tǒng)氮素的損失、土壤酸化、N2O通量和CO2通量變化。此外,凍融交替還會改變土壤中有機碳、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養(yǎng)物質(zhì)的擴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)中微生物對于溫度和環(huán)境的耐受度有所不同,因此對于凍融交替的響應(yīng)有所差異,在不同生態(tài)系統(tǒng)的表現(xiàn)相對復(fù)雜,還需要進一步深入研究。

目前研究普遍認為,在全球氣候變暖的背景下,氣溫升高會導(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將會引起土壤凍融過程的強烈變化。Henry[20]對加拿大31個氣象站點40年的氣候和土壤溫度數(shù)據(jù)進行分析發(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,Groffman等指出凍融的頻率和強度主要取決于區(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加劇土壤凍結(jié)時的深度和嚴重程度[21-22],將會導(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)成為近年來多個學(xué)科共同關(guān)注的熱點問題之一。雖然已有許多研究結(jié)果表明凍融交替對土壤氮素循環(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,其影響機制尚不明晰,研究方法也還有待進一步創(chuàng)新。因此有必要對現(xiàn)有研究結(jié)果進行歸納和總結(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。本文在大量查閱國內(nèi)外已有研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,重點論述了凍融交替對土壤氮素循環(huán)關(guān)鍵過程的影響程度,并歸納總結(jié)了凍融交替對土壤氮素循環(huán)關(guān)鍵過程的影響機制,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 凍融交替對土壤氮素循環(huán)關(guān)鍵過程的影響

1.1 凍融交替對土壤氮素固持的影響

氮素固持過程是指微生物對土壤無機氮的同化過程,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,凍融過程會顯著影響土壤微生物的生物氮含量。雋英華等[23]對東北棕壤的研究發(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間的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。而任伊濱等[25]對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。另外,土壤微生物生物量氮含量對凍融交替的響應(yīng)在不同地區(qū)存在較大差異,原因可能與土壤質(zhì)地、凍融強度、持續(xù)時間、交替頻率、植被覆蓋和土壤水分含量等眾多因素有關(guān)[26]。一般來說,土壤凍融交替會導(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聚體和死亡微生物會釋放大量營養(yǎng)物質(zhì),激活部分酶活性[27],從而促進氮素固持作用,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)多次凍融交替會增強微生物對無機氮的固持能力,但長期凍結(jié)則不利于微生物對無機氮的固持。此外,還有部分研究表明凍融交替對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質(zhì)能滿足微生物活動所需,因此土壤微生物生物量氮變化不大。

1.2 凍融交替對土壤氮礦化的影響

表1 凍融交替對不同生態(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 Field experiment；L：室內(nèi)模擬試驗 Laboratory experiment；+：促進作用 Promoting effect；-：抑制作用 Inhibition effect；0：無影響 No effect

1.3 凍融交替對土壤硝化作用的影響

一般來說,凍融交替主要是通過改變硝化微生物生物量進而對硝化作用產(chǎn)生影響[12]。已知的土壤硝化微生物群落對環(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對其造成致命傷害[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,凍融交替對硝化微生物種群的影響還會因土壤理化性質(zhì)不同產(chǎn)生差異。Clark等[54]研究發(fā)現(xiàn),在冰點以下溫度時,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值下降會對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)境會促進反硝化作用[21, 57]。van Bochove等模擬田間條件進行試驗發(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],對溫室效應(yīng)有顯著貢獻[41]。凍融交替一方面促進反硝化細菌數(shù)量的增加,例如,Mergel等[59]對挪威云杉土壤進行研究發(fā)現(xiàn),秋、冬及早春季節(jié)的反硝化細菌數(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迅速增加。另一方面凍融過程中釋放出的養(yǎng)分還會增強土壤微生物活性,研究發(fā)現(xiàn)凍融交替過程中反硝化細菌(亞硝酸鹽還原酶)活性增加 2.5—4.5倍[4,60]。由此可見,凍融交替會顯著促進土壤反硝化速率。

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)過程中微生物和細根的死亡及團聚體的破碎,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度存在一定差異。Jacinthe等[63]進行土壤原位試驗發(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]基于濕篩法分級后的土壤團聚體研究表明,粒徑較小的土壤團聚體反硝化率比粒徑較大的團聚體高出40%。最后,在不同的土壤管理方法的情況下,凍融交替可能會導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的物理破壞,可溶性碳擴散,以及土壤孔隙度的變化,這些因素都會促進反硝化作用[6]。

1.5 凍融交替對土壤氣態(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N2和NO排放的影響研究相對較少[18],對土壤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)于凍融交替對土壤N2O排放影響的研究相對較多。

硝化和反硝化作用都可以產(chǎn)生N2O,頻繁的凍融交替會使土壤形成大量“有氧”、“無氧”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)研究認為反硝化作用是凍融交替過程中N2O的主要來源[58,60,67],僅有4.4%的N2O排放量來源于硝化作用[67]。由于凍融條件下土壤溫度較低、含水量較高、通氣性較差,不僅會破壞土壤團聚體結(jié)構(gòu),釋放有效養(yǎng)分,而且還可促進土壤微生物活動、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]對芬蘭大麥田進行研究表明,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促進土壤N2O排放,從而致使凍融區(qū)土壤成為N2O的一個重要排放源。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)模擬試驗表明土壤消融過程中N2O排放量是對照組的1—10000倍,野外觀測結(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 Field experiment；L：室內(nèi)模擬試驗 Laboratory experiment；d：天 Day；m：月 month；y：年 Year

1.6 凍融交替對土壤氮素淋溶的影響

2 凍融交替對土壤氮素循環(huán)關(guān)鍵過程的影響機制

2.1 凍融交替過程中土壤物理性狀改變對氮循環(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,會使土壤的相態(tài)組成比例發(fā)生變化[16]。凍融交替對土壤的影響首先表現(xiàn)在對于土壤結(jié)構(gòu)的改變,大量研究凍融交替作用后的土體結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),凍融過程會改變土壤顆粒間的排列和連結(jié),因此對土壤團聚體的大小和穩(wěn)定性會產(chǎn)生強烈影響[16,44,80]。van Bochove和Oztas等的研究表明,土壤凍結(jié)時土壤孔隙中冰晶的膨脹會打破顆粒與顆粒之間的聯(lián)結(jié),破壞土壤團聚體的穩(wěn)定性,從而將其破碎成小團聚體[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[88],導(dǎo)致表層土壤團聚體的穩(wěn)定性增加[89]。這主要是因為團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,土壤團聚體受到的破壞越強[92]；土壤含水量越高,則土壤團聚體對凍融交替的抵抗力越弱[93]。

隨著團聚體的破碎,土壤中原本包裹吸附著的活性有機碳和無機氮由于凍結(jié)所造成的物理破壞被提前釋放出來,增加了土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)[41,94]。一方面有利于促進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,凍融交替會顯著加強土壤氮素礦化過程[95]。另一方面大量活性有機碳被釋放出來供微生物利用,促進反硝化作用,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,上部凍結(jié)土體的水勢較低,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而形成上層滯水[98]。與此同時,凍融交替還會使土壤容重降低、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)動因子之一,主要表現(xiàn)在以下6個方面：(1)土壤水分可以促進微生物的活動。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的過程中,會將養(yǎng)分運至凍層附近,有利于微生物進行固持、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,直至達到穩(wěn)定狀態(tài),這與Zhou等[26]對長白山森林的研究結(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),水分含量的增加會促進硝化作用的進行,但當水分含量增加到一定程度后,厭氧環(huán)境又會抑制硝化作用進行。(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)土壤水分會影響氣態(tài)氮的釋放。凍融交替會導(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),有利于進行反硝化過程。但是冰膜在一定程度上會阻礙N2O釋放[22],從而導(dǎo)致土壤消融后N2O排放量達到峰值[90]。(6)凍融交替增強土壤釋水性和水分滲透性,會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)動元素,凍融交替對于微生物來說是一種嚴重的干擾[67]。Dorsch等[73]的實驗結(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]通過熏蒸法對微生物生物量進行研究時發(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,而細菌的生物量卻沒有受到影響。

在整個凍融交替期間,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,冰晶的形成會造成細胞膜和細胞器的機械性損傷,從而引起細胞的形態(tài)發(fā)生變化[48]。其次,凍結(jié)會改變土壤中水勢,使細胞內(nèi)外滲透壓失去平衡,細胞膜流動性降低,細胞壁受損[105]。Mikan 等[106]研究發(fā)現(xiàn),當土壤溫度降到-10℃ 以下時,微生物基本上難以生存,數(shù)量迅速下降。但這種下降趨勢不會隨著凍結(jié)持續(xù)而繼續(xù),一方面因為有機質(zhì)含量較高的土壤對存活下來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量在減少[13]。(2)土壤消融后會大量釋放凍結(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)動因素對凍融交替表現(xiàn)出了截然不同的反應(yīng),Grogan和Neilson等人研究指出,凍融交替對微生物生物量幾乎沒有顯著影響[30, 51]。這一點與Koponen等[46]對芬蘭農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究的結(jié)果基本一致,主要是因為在這些土壤中,微生物已經(jīng)適應(yīng)了低溫環(huán)境的壓力。同時,Freppaz等[47]認為在季節(jié)性積雪覆蓋的土壤中,凍融交替會對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寒冷地區(qū)的環(huán)境適應(yīng)有關(guān)。綜上,凍融交替作用對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、有機質(zhì)和酸堿度等土壤微生物賴以生存的環(huán)境條件,對微生物的組成和結(jié)構(gòu)有強烈影響[8,48,96]。土壤微生物群落以細菌為主(70%—90%),其次是放線菌,真菌相對較少[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,低溫會使細菌類群數(shù)量明顯降低,細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)和氨氧化細菌(AOB)豐度均有所降低,當群落土壤負積溫最大時,AOA數(shù)量明顯高于AOB,而在相對溫暖的土壤中,AOB數(shù)量相對較高。原因在于嗜溫性和嗜熱性細菌會在凍結(jié)過程中死亡,而嗜冷型細菌類群得以存活[111]。一般來說,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,而細菌則在夏天增加[41]。Lipson等[111]對高寒草甸進行的DNA雜交研究表明,冬季土壤中的真菌/細菌比值有所增加,且真菌對低溫的適應(yīng)性比細菌更強。與此相反,Staricka和Benoit[112]對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)勢種從真菌逐漸轉(zhuǎn)向細菌。這是由于短期的凍融交替會加劇土壤中植物殘體的破碎作用,使微生物活性增加,導(dǎo)致土壤微生物中C/N 較小的細菌群落增多；但長期凍融交替,真菌比細菌對低溫的抗性強,且二者之間又具有拮抗作用,所以凍融期細菌/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),因為含氮聚合物(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豐度的降低而降低[114]。因為真菌不僅能夠產(chǎn)生多種細胞外酶,還會參與許多復(fù)雜有機分子的降解,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導(dǎo)致低蛋白解聚速率,而且通常還會導(dǎo)致土壤有機質(zhì)的分解減緩,對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)進而對土壤中的微生物及酶的活性產(chǎn)生影響。一般來說, 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)在以下兩個方面：一、凍結(jié)過程會導(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,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,會導(dǎo)致有機質(zhì)礦化速度加快[16]。(2)凍結(jié)作用會導(dǎo)致大量微生物死亡,這些死亡的微生物直接釋放的無機氮會增加土壤中無機氮含量[102]；此外,冰晶對土壤團聚體的擠壓作用也會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)出增強的趨勢[93]。土壤酶活性的增強有利于促進有機質(zhì)分解礦化和改變土壤氮素營養(yǎng),進一步增強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)及營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化和土壤微生物特性,進而影響氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)[3, 4, 8, 16, 18,93],對于陸地生態(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。但是關(guān)于凍融交替對土壤氮素轉(zhuǎn)化的研究,還存在一些不足,主要表現(xiàn)為：

(1)室內(nèi)凍融模擬實驗布局設(shè)置不合理。由于野外實驗條件差,難以實現(xiàn)精確控制,所以目前凍融交替對氮素轉(zhuǎn)化的機理研究以室內(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,而實際在覆雪的作用下,極端溫度不會太低,變溫速度也相對比較緩慢。因此,關(guān)于室內(nèi)模擬研究的方法有待進一步探索。

(2)已有的關(guān)于凍融交替對氣態(tài)氮損失的研究已經(jīng)證實了對N2O排放的促進作用,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氣體(如NO、N2、NH3)造成的氮素損失狀況尚不清楚。而且凍融作用下N2O排放量與累積排放量等也很難進行精確評價。這些問題都阻礙了凍融過程中氮循環(huán)研究的進一步深化,今后應(yīng)重點關(guān)注,從而為深入理解土壤氮素轉(zhuǎn)化機理提供理論基礎(chǔ)。

(3)凍融交替對土壤氮素循環(huán)機制的認識還遠遠不夠。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,并不能同時測定4個關(guān)鍵氮素轉(zhuǎn)化過程的速率,對中間過程的定量研究相對不足,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氮素轉(zhuǎn)化的影響,而對土壤水分、團聚體、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,微生物在分子細胞、基因蛋白質(zhì)等水平上對低溫凍結(jié)或凍融交替的反應(yīng)機理很少。從微觀方向來看,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凍融交替下氮素形態(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土壤氮素轉(zhuǎn)化的貢獻,未來有待于進一步研究。

針對以上存在的問題,未來的研究可在以下3個方面有所加強：

(1)原位監(jiān)測與室內(nèi)模擬相結(jié)合。在全球變化背景下,需要對不同類型生態(tài)系統(tǒng)進行研究來評價凍融格局變化對生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的影響。而目前原位監(jiān)測試驗相對較少,所得觀測資料有限。未來的研究重點是實地測量氣態(tài)氮通量和氮淋溶量,同時在室內(nèi)研究中應(yīng)該特別強調(diào)控制凍融溫度,盡量與野外實際情況貼合,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。其中核酸分析法實現(xiàn)了對土壤微生物酶系及其編碼基因的研究,而且通過對控制氮素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵微生物功能基因的分析能為評價凍融過程中氨化、硝化、反硝化作用提供更可靠依據(jù)[66]。因此分子生物學(xué)方法將是深入探究凍融環(huán)境下土壤氮素周轉(zhuǎn)機理的重要手段和新的切入點。

(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等[20]。這在一定程度上會極大地改變土壤凍融的強度和頻率,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)所得的試驗規(guī)律是否同樣適用于中緯度地區(qū)。未來關(guān)于凍融交替對中緯度地區(qū)土壤氮循環(huán)的影響還有待進一步加強。