凍融過程對土壤物理化學及生物學性質的影響研究及展望

高敏，李艷霞*，張雪蓮，張豐松，劉蓓,高詩穎，陳興財

（1.北京師范大學環(huán)境學院水環(huán)境模擬國家重點實驗室，北京 100875；2.北京市土肥工作站，北京 100029;3.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101）

凍融過程對土壤物理化學及生物學性質的影響研究及展望

高敏1，李艷霞1*，張雪蓮2，張豐松3，劉蓓1,高詩穎1，陳興財1

（1.北京師范大學環(huán)境學院水環(huán)境模擬國家重點實驗室，北京 100875；2.北京市土肥工作站，北京 100029;3.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101）

凍融是我國北方地區(qū)常見的氣候現象，其水熱條件的反復變化會影響土壤等環(huán)境介質的物理化學及生物學性質。凍融過程產生的交替收縮與膨脹可改變土壤結構、水分分布特征，尤其會降低土壤團聚體的穩(wěn)定性；由于溫度、水分、氧化還原等條件的不斷變化，凍融過程會促進土壤硝化作用和溶解性有機酸的釋放，使土壤微生物量及其活性受到影響，導致土壤pH值、CEC和CaCO3含量等隨之降低。在凍融過程中，土壤有機質的變化最為明顯，反復凍融使有機碳不同程度地暴露和釋放，加快了土壤有機碳礦化速率，使土壤可溶性有機碳量增加，最終加劇可溶性有機碳的流失。以往對凍融作用的研究主要集中在自然土壤介質，缺乏對其他環(huán)境介質如畜禽糞便等有機固體廢棄物的相關報道。在綜述凍融過程對土壤物理、化學及生物學性質影響的基礎上，提出了未來在一定區(qū)域尺度上開展凍融過程對土壤理化性質影響研究，并結合探討畜禽糞便等有機固體廢棄物和土壤污染物的響應機制，為凍融氣候條件下土壤污染控制和科學土地利用管理提供科學依據。

凍融過程；土壤；理化性質；生物學性質

凍融是指日、年和多年發(fā)生在高海拔、高緯度或溫帶地區(qū)的氣候變化現象，可導致特定氣候區(qū)域地球表層一定范圍的環(huán)境介質凍結和融化。地球上中緯度（35°～65°）大部分地區(qū)存在季節(jié)性凍融過程[1]，我國75%以上的國土面積會發(fā)生凍融現象，它是中國北方地區(qū)重要的氣候特征[2]。由于全球氣候變暖，凍融對土壤特別是凍土區(qū)土壤碳庫生物地球化學循環(huán)過程的影響是當前國內外的研究熱點[3-5]。凍融過程通過影響環(huán)境介質的水熱條件，影響使土壤理化性質發(fā)生改變。連續(xù)重復的凍融交替過程中存在的溫差變化、冰面對固體顆粒的剪切作用、微生物的低溫活動等現象，會使土壤經歷一系列物理、化學和生物變化過程，從而對土壤介質的理化性質、生物特性產生影響[6]。

1 凍融過程對土壤理化性質的影響

凍結和融化實質是土壤介質中水的凍結和融化，即水分的相態(tài)變化過程，當液態(tài)水相變成冰，體積會相應增大[7-8]。凍融過程對土壤中水分分布及毛細管結構的破壞，如圖1所示。

圖1 凍融過程中土壤毛細管結構的變化特征Figure 1 Changes of soil capillary structure during the freeze-thaw process

土壤介質中的孔隙水在0℃以下結冰，液態(tài)水相變成冰，體積增大9%[7，9]。冰的形成對周圍顆粒產生擠壓（圖1b），凍結時土壤孔隙中冰晶的膨脹打破了顆粒之間的聯結，這種擠壓作用使土壤大顆粒團聚體破碎（圖1c），凍融交替發(fā)生將土壤大團聚體不斷破碎成小團聚體,而細小顆粒物有向周圍相對大的顆粒聚集的趨勢，使固體顆粒變得緊實縮小。冰夾層或縫隙也會增多，由于水分的主動運輸作用，未凍結部分的水分不斷向凍結的冰面遷移[10]，進一步的凍結使介質被冰分割成層狀及網狀（圖1d），凍結過程中毛細管壓力降低產生大量的小顆粒（圖1e）[11]。由于水分流失，介質中的部分微生物細胞脫水，細胞膜的完整性被破壞，部分微生物細胞死亡。當溫度到0℃以上冰開始融化時，水分連同其中的溶解性組分可很快從冰融化的縫隙中排出[12-13]（圖1f）。由此可以看出，凍融所產生的物理作用會加速大顆粒固體介質的破碎，增強土壤釋水性和水分滲透系數等[13]，同時伴隨融化過程中可溶性組分的溶出和遷移[5]。

研究顯示，凍融對土壤物理結構及穩(wěn)定性的破壞，受凍融速率、凍融溫度、土壤含水量、土壤自身容重及凍融交替次數等的影響[12,14-15]。土壤凍融作用的本質就是土體內水分體積變化引起的土壤特性的變化，所以土壤含水量與凍融作用有密切聯系。溫美麗等[9]在對東北黑土進行凍融研究時發(fā)現，土壤容重經過凍融后都呈現減小的趨勢，但是含水量不同的土壤其容重減少程度有差別，對于受凍融影響最明顯的表層土壤而言，高含水量時表層5 cm內土壤容重減小幅度大于低含水量時。因此，土壤含水量不同會使凍融對土壤團聚體產生不同的破壞作用，凍融的影響隨土壤含水量的增加而增強。但研究也發(fā)現，當含水量超過土壤飽和含水量后凍融對團粒結構的破壞作用開始下降[12-13]。

凍融的溫度以及凍融交替次數對土壤團聚體的影響也很明顯。實驗證明，凍融交替次數越多，對土壤團粒結構穩(wěn)定性影響越大，隨凍融交替次數增加，壤土、砂壤土中＞1 mm團粒結構比例迅速降低，相應＜0.5 mm的團粒結構比例逐漸增加[16]；在-15～-35℃凍結溫度處理下，凍結溫度越低，凍融作用對大團聚體的破壞作用越強，并且越利于向中級團聚體轉化[17]。說明增加凍融交替次數以及降低凍融溫度會加劇凍融過程對土壤結構的分散作用，使疏松的小容重土壤變得更加致密，而大容重土壤變得疏松。但是增加土壤有機質和粘粒的含量，會提高土壤團聚體的穩(wěn)定性[12,15,18]。

凍融不但對土壤結構產生影響，同時可能改變土壤的pH值、Eh、EC和CEC等化學性質。首先凍融過程會促進土壤的硝化作用[4]和溶解性有機酸的釋放[19]，使土壤溶液pH值隨之降低，土壤溶液H+濃度的增加[20]，也會影響土壤的氧化還原狀態(tài)，使得土壤Eh升高[17]。同時，土壤溶液pH值的下降使土壤膠體表面所載的負電荷減少，從而引起土壤CEC的降低[21]。然而隨著凍結溫度升高，土壤CEC會增加，雖然其機理目前尚不明確，但分析認為CEC的變化可能與土壤中的有機質膠體密切相關。土壤交換性陽離子以土壤有機或無機膠體為載體，有機膠體的CEC遠大于礦質膠體，凍結溫度的變化影響有機質進而增加土壤CEC[17]。由此可見，凍融過程中土壤化學性質的變化往往相互關聯。

2 凍融過程對土壤生物學性質的影響

凍結和融化過程中，溫度、水分以及土壤顆粒釋放出的小分子有機質的變化，會導致土壤微生物種群數量及結構在凍融過程中的不斷改變[18-22]。微生物量的變化是由環(huán)境介質的溫度、濕度、基質的可利用性和溶解的速率決定的[23]，它也是參與調控有機質轉化的易變組分。在凍結溫度下，孔隙水結冰，未凍結部分水分向冰面的遷移導致微生物脫水死亡。另外，由于缺乏水分，基質的流動性和可利用性受限[24]，這種條件下微生物難以維持其活性，造成微生物量降低。但是隨著凍融交替次數的增加，微生物能夠通過改變土壤中有機質的性質來適應凍融環(huán)境[25]，因此凍融交替會使微生物量及結構處于不斷變化的過程。研究顯示，真菌是木質素的主要分解者，土壤經過凍融后真菌的生物量降低，木質素這種難降解的有機質變化將減少[26]。Koponen等[25]研究發(fā)現，隨著凍融交替次數的增加，微生物會通過改變基質的碳鏈長度或脂肪酸的飽和度來適應環(huán)境，使其活性得到恢復。Feng等[26]也證實，土壤在-15℃凍結和17℃下融化的8個凍融交替后，其中真菌和細菌活性恢復率高達93%。有研究[27-28]發(fā)現，季節(jié)性凍融過程使休耕期土壤中微生物種群和生命活動過程與生長季不同，-15℃強烈的凍結會減少真菌生物量而細菌生物量不受影響；凍結過程中氧氣、水分和營養(yǎng)物等的利用受到限制，會激發(fā)厭氧細菌和兼性厭氧菌的活性，因為它們具有較強的生命力，能夠在一定的溫度、壓力下利用額外的有機質。Larsen等[29]研究認為，多次凍融交替可以使土壤微生物群落由C/N比較高的真菌群落轉變?yōu)镃/ N比較低的細菌群落，從而改變土壤中有機質分解與固持的能力[30]。以上研究說明，凍融過程對土壤微生物代謝群落的影響存在一定差異。

土壤酶是土壤中一切生物化學過程的主要參與者，目前對凍融過程土壤介質中酶活性的研究較少，現有研究表明凍融過程能夠影響酶活性[6]，但是因所觀察的土壤類型以及酶的種類和性質不同而存在差異。土壤β-葡糖苷酶在連續(xù)凍融后降低16%，而磷酸酶呈波動性變化[31]。反硝化酶活性存在季節(jié)性變化，可在一年中最冷的月份觀測到比較活躍的土壤反硝化酶活性，土壤融化加劇了反硝化反應[32]。對比未凍融處理，東北黑土經歷凍融后土壤FDA水解酶、蛋白酶、纖維素酶和過氧化氫酶的活性均降低[17]；由于土壤凍結時，部分土壤微生物受到低溫脅迫而死亡，死亡微生物數量越多，產生的酶數量越少；凍結溫度越低，酶的活性下降越明顯[33]。譙興國等[34]研究卻發(fā)現，石油污染的土壤凍融處理對土壤過氧化氫酶活性無顯著性影響，而未污染土壤經凍融處理后，土壤過氧化氫酶和脲酶活性卻分別提高了47.65%和41.11%，并且水溶性有機碳比未凍融處理土壤明顯增高。大部分研究認為，凍融可增加土壤酶活性從而促進土壤大分子有機質的降解[35]，而且酶反應還能提高微生物對結構復雜芳香化合物，如木質素或腐化的有機質的代謝能力[36]。

以上研究說明，土壤微生物及酶活性在凍融環(huán)境下的變化沒有必然趨勢，不同介質環(huán)境中的微生物有不同的形態(tài)、生長方式、生態(tài)位，由于環(huán)境介質中有機質等條件的不同，它們對凍融過程的反應也不同，最終導致介質中有機質及污染物的釋放也不同[25,37]。

3 凍融過程對土壤有機質的影響

凍融過程中有機質變化是通過物理、化學及生物共同作用實現的。

凍融過程土壤有機質可能經歷如下過程：（1）擠壓和剪切作用下大顆粒的破碎，使被包裹的碳水化合物、脂肪酸和固醇類等暴露，使有機溶劑可提取量增至原來的2～3倍，更利于微生物接觸及利用[26]；此外，凍融過程中與固體顆粒結合的大分子有機質膨脹與收縮，其中的氫鍵等發(fā)生斷裂，釋放出小分子量有機質[29]。（2）未凍結部分水分向凍結冰面的遷移會攜帶部分有機質，融化后產生較多的溶解性有機質（DOM）[38]。（3）水分相態(tài)的變化導致有機質收縮，引起與固體顆粒結合位點的破壞，增加有機質的釋放；部分微生物細胞在低溫度下死亡，釋放出糖類和氨基酸等可利用的碳源，增加溶解性有機碳（DOC）和溶解性有機氮（DON）等的溶出[8]。（4）凍融過程對介質粒徑的破壞會產生更多比表面積大的細顆粒（<0.075 mm）、粘土顆粒（0.005 mm）及有機膠體，它們對有機質等具有更強的吸附力，也會導致土壤溶液中的有機質重新分配或溶出[11，39]。

凍融過程通過影響介質的溫度變化速率、水分和營養(yǎng)物的遷移特征來改變微生物量及其活性，這是影響和調控土壤有機質礦化的重要機制[40]。微生物可利用有機質的主要來源是顆粒破碎暴露的有機質、微生物細胞死亡釋放的可溶性有機質、微生物量碳氮等，其中不穩(wěn)定易分解的有機質如微生物生長所需的蛋白質、脂肪類、醇類、游離脂質等最先受到凍融過程的影響[36]。凍融交替對土壤易降解碳影響明顯，隨著凍結溫度和凍融頻次的增加，土壤水溶性有機碳含量上升最為顯著，微生物量碳則相應減少，究其原因仍然是來自固體顆粒破壞后暴露的有機質以及死亡的微生物細胞溶解釋放較多的單糖和氨基酸[8]，微生物量碳轉化為可溶性有機碳,同時土壤中冰晶快速形成破壞了微生物細胞機構,使其轉化為其他微生物可利用的有機碳，導致微生物量碳含量下降。同時，凍融過程中土壤有機物質從顆粒物上釋放,土壤植物根死亡輸入的活性物質等提高了微生物的活性，加快了土壤中有機質的礦化與硝化過程，也促使土壤中可溶性有機碳含量增加[41]，凍融過程不但會增加土壤DOM含量，還能改變土壤DOM的熒光特征，增強其分子的芳香化程度和腐殖化程度[42]。然而，這些可溶性及易降解碳占土壤總碳比重較小，所以凍融對土壤總有機碳的含量影響不大[41]，總有機質同時受凍結溫度、凍融過程頻次、有機質的溶解性、膠體攜帶等因素的綜合影響[43]。

4 研究展望

綜上所述，凍融雖然是一個水相變化的物理過程，但是其通過影響介質物理結構、化學性質、微生物種群及結構等，引起土壤中有機質、礦質元素等組分的改變。在全球變暖背景下，凍融作用對土壤有機質礦化及溫室氣體排放的影響受到廣泛關注。但是，隨著對土壤面源污染控制研究的深入開展，還存在一些未受到關注的重點領域，主要表現為：

（1）以往研究多是圍繞苔原、森林、草原、濕地、農田和凍土等自然土壤介質展開，對于同樣可能經歷凍融過程的其他環(huán)境介質如畜禽糞便、污水污泥等鮮有報道。我國每年有幾十億噸的畜禽糞便等有機固體廢棄物進入土壤環(huán)境，在北方地區(qū)會經歷最長7個月的秋冬季節(jié)凍融過程。畜禽糞便等含有遠高于土壤的水分和有機質，經歷凍結-融化循環(huán)過程時，其物理化學和生物學性質的響應及其對土壤組分的影響可能比自然土壤更為明顯或劇烈。因此，研究這些有機固體廢棄物對凍融過程的響應機制，對于溫室氣體排放以及土壤面源污染控制具有重要的理論和實際意義。

（2）針對凍融過程的研究，不應僅僅局限于對土壤碳、氮循環(huán)的影響及溫室氣體排放的效應方面，土壤介質在凍融過程中物理化學及生物學性質的變化，不但會造成有機質礦化速率的提高和可溶性有機碳的增加，土壤中所存在的其他組分如有機、無機污染物也會隨之受到影響。研究凍融過程中土壤有機質組分、土壤團聚體與污染物的結合特征及影響機制，對土壤污染控制具有現實的指導意義。

（3）由于室內模擬實驗的可控性，目前大多數的研究集中在室內模擬層面。建議更多開展一定區(qū)域尺度下凍融過程對土壤介質的影響研究，以便掌握實際土壤生態(tài)位條件下土壤各組分對凍融作用的響應特征，這對區(qū)域面源污染控制和科學土地利用管理具有重要的實踐意義。

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Influence of freeze-thaw process on soil physical,chemical and biological properties:A review

GAO Min1，LI Yan-xia1*，ZHANG Xue-lian2，ZHANG Feng-song3，LIU Bei1，GAO Shi-ying1，CHEN Xing-cai1
（1.State Key Laboratory of Water Environment Simulation,School of Environment,Beijing Normal University,Beijing 100875,China;2.Beijing Soil and Fertilizer Extension Service Station,Beijing 100029,China;3.Institute of Geographic Sciences and Natural Resource Research, Beijing 100101,China）

Freeze-thaw process is a natural phenomenon in Northern China.The fluctuation of hydrothermal conditions may strongly influence soil physiochemical properties,microbial enzymatic activities and total microbial community abundance.The alternating contraction and expansion caused by freeze-thaw process may alter soil structure and water distribution,which especially reduce soil aggregates water stability and bulk density.Because of the fluctuations in soil temperature,water distribution and redox conditions,as a consequence of the freezingthaw process will accelerate the soil nitrification and release of soluble organic acids.Accordingly,soil pH value,CEC and CaCO3content will be reduced.The organic matter composition is typically affected during freeze-thaw process.In this process,various forms of organic carbon in soil aggregates will be exposed,dissolved organic matter（DOM）will be released into the aqueous phase and as a result,the soil components absorbed by soil aggregate and organic matter become more mobilized.However,previous studies mainly focused on the effects of freeze-thaw process on natural soils while other types of environmental matrixes have always been neglected.On the basis of previous studies, investigations into the effects of soil pollutants are recommended due to their deep connection with the soil organic components.Furthermore, large amounts of organic solid wastes like animal manure and farm waste have to be used in farmland.The organic wastes change the bulk density,enhance the microbial activity and carbon stock in the soil,protect soil from water erosion should be considered in freeze-thaw process.

freeze-thaw process;soil;physicochemical property;biological property

S15

A

1672-2043（2016）12-2269-06

10.11654/jaes.2016-1087

高敏，李艷霞，張雪蓮，等.凍融過程對土壤物理化學及生物學性質的影響研究及展望[J].農業(yè)環(huán)境科學學報,2016,35（12）：2269-2274.

GAO Min，LI Yan-xia，ZHANG Xue-lian，et al.Influence of freeze-thaw process on soil physical,chemical and biological properties:A review[J].Journal of Agro-Environment Science,2016,35（12）:2269-2274.

2016－08－22

國家自然科學基金項目（21577007,21277013）；“十三五”國家重點研發(fā)計劃重點專項（2016YFD0800204）

高敏（1991—），女，碩士研究生，主要從事固體廢棄物資源化處理及污染物環(huán)境行為研究。

*通信作者：李艷霞E-mail:liyxbnu@bnu.edu.cn