凍融作用對植物生理生態(tài)的影響

華 璐，于曉菲，王啟光，丁珊珊，王國平

(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 濕地生態(tài)與環(huán)境重點研究室，吉林 長春 130102；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.東北師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院 國家濕地保護(hù)與植被恢復(fù)環(huán)境保護(hù)重點實驗室吉林省生態(tài)恢復(fù)與生態(tài)系統(tǒng)管理重點實驗室 教育部植被生態(tài)重點實驗室，吉林 長春130117；4.吉林師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000)

0 引 言

凍融是指由于季節(jié)或晝夜氣溫變化使得土壤溫度在0 ℃上下波動而出現(xiàn)的反復(fù)凍結(jié)-解凍過程，是影響區(qū)域土壤生態(tài)的重要因素之一[1]。土壤的凍融強(qiáng)度和頻率主要取決于當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件[2]。就全球而言，凍融現(xiàn)象主要發(fā)生在中、高緯度以及高海拔地區(qū)[3]。北半球存在大面積的季節(jié)性凍土，約為5.5×107km2，占全球凍土面積的55%[4]。我國青藏高原和東北區(qū)域擁有大面積凍土，由于其生態(tài)脆弱性和敏感性，是凍土研究和關(guān)注的主要地區(qū)[5]。

凍融作用主要通過引起生境脅迫和改變土壤環(huán)境而對植物生理生態(tài)特性產(chǎn)生一系列直接和間接影響[6]，一方面，凍融作用會通過直接影響植物物候來影響植物生長期，而生長期的延長可以直接增加陸地的凈生產(chǎn)能力[7]。有學(xué)者綜合衛(wèi)星和地面觀測資料分析后發(fā)現(xiàn)，全球氣溫不斷升高的30 a間，北半球中高緯度地區(qū)的潛在生長期大約增加了10 d，歐亞大陸北部地區(qū)的生長期則延長了約12 d[8]。另一方面，凍融作用能夠直接改變土壤團(tuán)聚體[9]、土壤滲透性[10]、力學(xué)性質(zhì)和微生物群落[11]，加速土壤養(yǎng)分流失，進(jìn)而降低植物對營養(yǎng)物質(zhì)的利用率，從而間接影響植物萌發(fā)和生長以及生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力[6]。過去對凍融的研究更側(cè)重在對土壤的影響方面，包括凍融作用影響土壤理化性質(zhì)[9-10,12-13]、土壤微生物[14-17]、土壤生物地球化學(xué)循環(huán)[18-22]等，為了完善凍融作用對碳氮循環(huán)影響的研究，國內(nèi)外學(xué)者逐漸將研究重點轉(zhuǎn)向凍融作用對植物的影響方面。本文總結(jié)了植被生理生態(tài)過程對凍融作用的響應(yīng)的部分研究結(jié)果，旨在為深入理解凍土區(qū)植被對氣候變化的響應(yīng)研究提供參考。

1 凍融作用對植物生長的直接影響

凍融作用時的最低溫度、凍融持續(xù)頻率和頻次對植物影響很大。Dietrich等發(fā)現(xiàn)，植物存活率、葉片伸長率、葉綠素含量和地上凈初級生產(chǎn)力(ANPP)在溫度較低和凍融循環(huán)頻率和頻次適中(1～3FTC)時最低，最低冰凍溫度比凍融頻率對植物的影響更大[23]。他們同時發(fā)現(xiàn)，在冬季積雪面積逐漸減少的廣大地區(qū)，凍融作用會對植物生理生態(tài)性能產(chǎn)生負(fù)面影響，并且凍結(jié)強(qiáng)度比凍結(jié)速度對植物的影響更大[23]。Herrmann等[24]發(fā)現(xiàn)，在第一次凍融循環(huán)時，凍融作用對土壤碳、氮等植物營養(yǎng)元素的影響最大，在隨后的凍融循環(huán)中，影響逐漸減弱。發(fā)生在早春時期的凍融循環(huán)會造成植物物候期的改變，物候的推遲或提前都會直接影響植物萌發(fā)和生長。凍融脅迫對植物的凍害會受到水分、溫度、凍結(jié)和融解持續(xù)時間等多種因素的影響[25]。Skinner等對冬小麥進(jìn)行凍融處理后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷過2次凍融循環(huán)的冬小麥的存活率明顯低于只經(jīng)歷過1次凍融循環(huán)的[26]。Connlly等使用田間采集的土壤和多年生叢生禾草Elymuscanadensis的種子進(jìn)行凍融脅迫下的萌發(fā)試驗，發(fā)現(xiàn)凍融作用的變化直接限制了幼苗出苗，延遲了幼苗物候，并為真菌病原體提供了限制種子持久性的機(jī)會[27]。

凍融作用對植物最直接的影響表現(xiàn)為對植物根系的損害[28]。凍融過程促使根系死亡，并且對細(xì)根的破壞更嚴(yán)重。Yin等[29]通過對比凍融作用對植物主根和須根的過氧化酶活性、脯氨酸等生理指標(biāo)后發(fā)現(xiàn)不同根系對凍融過程采取的應(yīng)對策略不同，例如須根會增強(qiáng)抗氧化能力，而主根則是積累滲透物質(zhì)。Kreyling[30]在對草地植物進(jìn)行去雪被凍融模擬實驗后發(fā)現(xiàn)，凍融作用雖然會在生長季增加草場地上生物量，但在后續(xù)生長季節(jié)中導(dǎo)致根長減少。土壤凍結(jié)后，植物可利用水分以及土壤微生物與酶活性均會有所下降，同時解凍階段也會伴隨著大量養(yǎng)分淋溶和徑流損失，從而間接影響植物根系對土壤中水分和養(yǎng)分的吸收[31]。土壤凍融是地面與大氣間熱量交換的產(chǎn)物，在土壤自上而下凍結(jié)的過程中[32]，由于已凍結(jié)土壤的水勢梯度比較大，導(dǎo)致未凍結(jié)土壤中的水分向上遷移[33]，致使水分再分配的同時微生物活性減弱，礦物質(zhì)營養(yǎng)元素累積。同時，凍融循環(huán)頻數(shù)、頻率、凍結(jié)速率和強(qiáng)度由土表向深層遞減，因此對土壤生理生態(tài)特性的影響也由土表向深層遞減[34]，當(dāng)土壤完全凍結(jié)時，土壤和大氣間的熱量交換幾乎停滯[32]，故凍融作用對植物根系發(fā)達(dá)的淺層土壤水分遷移和再分配影響較大，對底層土壤水分的再分配影響較小[33]，所以0～10 cm根系死亡率遠(yuǎn)大于20～30 cm的根系。凍融作用對根系的凍害可能會降低后續(xù)生長季節(jié)植物氮吸收。Kreyling發(fā)現(xiàn)，雖然在進(jìn)行凍融循環(huán)的第一年矮稈灌木沒有不良反應(yīng)，但它們從第二年開始變得枯萎[35]，由此提出，植物吸收的氮可以通過兩種不同的過程改變，即土壤溶液中氮有效性的變化(由微生物活動或物理干擾引起)和植物使用可利用氮能力的變化(通過根損害、菌根化的變化和相關(guān)真菌群落的變化實現(xiàn))。同時，腐殖質(zhì)層的良好保溫和持水性可以保護(hù)植物根系不受凍融環(huán)境的影響[36]。此外，不同類型土壤水分滲透性對植物根際生存環(huán)境的影響不同。楊平等[37]認(rèn)為，黏土經(jīng)歷凍融作用后滲透性增強(qiáng)，而砂土幾乎沒有變化。并且在凍結(jié)情況下，土壤水分和養(yǎng)分幾乎無法在垂直方向上進(jìn)行交換，這對于水分利用效率以及植物根系分布可能產(chǎn)生重要影響。

2 凍融作用對植物生理特性的直接影響

凍融作用對植物生理特性造成的影響是多方面的，包括影響植物的細(xì)胞膜、抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以及光合作用等。

2.1 凍融作用對植物細(xì)胞膜的影響

凍融作用分為凍結(jié)和解凍兩個過程，凍結(jié)和解凍作用都可對植物細(xì)胞膜造成脅迫。凍結(jié)脅迫主要是在溫度上對植物造成影響，溫度的顯著變化會通過影響其他環(huán)境因素(如植物對光和CO2的利用)而對植物產(chǎn)生脅迫[38]。為了讓植物少受凍結(jié)迫害，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，人們一般會對植物進(jìn)行抗凍性馴化以提高植物耐凍性。Bertrand等[39]在對紅三葉草進(jìn)行反復(fù)室內(nèi)模擬凍融實驗后發(fā)現(xiàn)，反復(fù)的凍結(jié)實驗?zāi)軌蛴行У奶岣呷t葉草的耐凍性。但是在自然條件下，凍結(jié)并不是導(dǎo)致植物組織損傷的唯一原因，解凍的過程也會對植物細(xì)胞產(chǎn)生壓力[40]。當(dāng)溫度低于0℃時，植物細(xì)胞間隙的水分凍結(jié)，導(dǎo)致細(xì)胞外結(jié)冰，細(xì)胞內(nèi)溶液濃度升高，細(xì)胞脫水壞死。解凍后細(xì)胞膨脹，像這樣不斷收縮擴(kuò)張的過程會造成細(xì)胞的機(jī)械損傷[41-42]。凍融作用下細(xì)胞膜損傷、離子滲透提高，從而影響植物正常的生理代謝過程。如Mayr等[43]利用挪威云杉和石松進(jìn)行凍融脅迫試驗，發(fā)現(xiàn)反復(fù)的凍融循環(huán)促使木質(zhì)部中氣泡聚結(jié)，導(dǎo)致干旱地區(qū)針葉林在冬季栓塞，運輸能力受到影響。還有研究表明，植物的抗寒性與其細(xì)胞膜系相變溫度有著直接的關(guān)系，細(xì)胞膜相變溫度越低，植物抗寒性越高[44]。即使經(jīng)歷過嚴(yán)重的凍融傷害后，由于植物細(xì)胞自身的恢復(fù)能力，隨著其恢復(fù)時間的延長，細(xì)胞功能可能會恢復(fù)到原有的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。如，Arora等[40]將洋蔥切片置于凍融脅迫發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷過凍融損害的洋蔥細(xì)胞隨著恢復(fù)時間的延長，完全可以恢復(fù)到其受脅迫前的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。

2.2 凍融作用對植物酶活性的影響

Min等以菠菜為研究對象，發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷過凍融后植物內(nèi)活性氧和電導(dǎo)率的變化差異顯著[45]。凍融過程增加了活性氧(ROS，如超氧陰離子自由基、自由基和過氧化氫)的產(chǎn)生，而活性氧反過來又會影響原始細(xì)胞的功能，破壞細(xì)胞原有結(jié)構(gòu)。所有需氧生物都會遇到氧化代謝紊亂的現(xiàn)象，這種紊亂會完全改變細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)，最終導(dǎo)致一系列應(yīng)激反應(yīng)。因此，氧化應(yīng)激是低溫?fù)p傷的一個重要因素。低水平的ROS通過激活NF-kB和AP-1等特定轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)節(jié)細(xì)胞功能，同時作為信號分子誘導(dǎo)應(yīng)激，維持能量代謝，從而挽救細(xì)胞。但是大量的ROS將對細(xì)胞施加氧化應(yīng)激，并引發(fā)基因表達(dá)的變化。當(dāng)ROS和抗氧化防御之間的生理平衡喪失時，氧化應(yīng)激會導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)DNA、蛋白質(zhì)和脂類的分子損傷，并誘導(dǎo)細(xì)胞色素c等凋亡因子從細(xì)胞線粒體中釋放，最終激活程序性細(xì)胞死亡[46-47]。所以，植物為了提高自身的生存能力，機(jī)體會產(chǎn)生一系列的抗氧化酶(APX抗壞血酸過氧化物酶、CAT過氧化氫酶、SOD超氧化物歧化酶、POD過氧化物酶)及非酶物質(zhì)(類胡蘿卜素)來抵御凍融導(dǎo)致的氧化應(yīng)激對細(xì)胞的損害。比如SOD可以將某些超氧化物自由基轉(zhuǎn)化為毒性較小的H2O2，但是H2O2仍然會對膜脂(脂肪酸的過氧化作用)和蛋白質(zhì)(變性)造成損害，所以接下來由CAT、POD和APX繼續(xù)將H2O2轉(zhuǎn)換成為無害的H2O和O2-，這一系列過程阻止了生物分子的氧化和對細(xì)胞的破壞，提高了植物的低溫耐受性[48]。已有研究表明，抗氧化物活性的提高能夠保護(hù)植物在凍融脅迫下仍能維持正常的生命活動[49]。例如，周瑞蓮等[50]在進(jìn)行模擬融凍實驗時發(fā)現(xiàn)，融凍脅迫下白三葉草葉片的POD和CAT活性以及脯氨酸含量皆高于紅三葉草葉片，但細(xì)胞膜滲透性卻低于紅三葉草葉片，這表明白三葉草具有較紅三葉草更強(qiáng)的抗融凍能力。

2.3 凍融作用對植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

凍融作用導(dǎo)致細(xì)胞脫水并誘導(dǎo)保護(hù)性化合物的產(chǎn)生，包括相容的溶質(zhì)、植物激素和保護(hù)蛋白[51]。植物機(jī)體為了提高細(xì)胞持水能力，抵消細(xì)胞脫水和膨脹帶來的損傷，會合成某些低分子滲透物(碳水化合物、甜菜堿、脯氨酸)進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，維持自身正常的生理代謝活動[52]。其中甜菜堿在脫水脅迫反應(yīng)中含量最高，它主要存在于葉綠體中，發(fā)揮著調(diào)節(jié)和保護(hù)類囊體膜的重要作用，從而維持光合效率；脯氨酸除了具有滲透調(diào)節(jié)的作用外，還有助于使亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)(如細(xì)胞膜和蛋白質(zhì))膨脹，清除自由基，并在應(yīng)激條件下緩沖細(xì)胞氧化還原作用，從而減少生境脅迫對植物造成的傷害[48]。此外，凍融脅迫還會導(dǎo)致植物表觀遺傳修飾，在外界壓力作用下，基因表達(dá)可能會發(fā)生持續(xù)變化，導(dǎo)致乙?；?、甲基化和遺傳物質(zhì)的磷酸化和轉(zhuǎn)錄因子的積累，并且這種表觀遺傳修飾甚至可以通過有絲分裂和減數(shù)分裂來遺傳[53]。這些修飾可以在未來增強(qiáng)植物應(yīng)激反應(yīng)，目前已經(jīng)觀察到在凍結(jié)情況下植物產(chǎn)生的“壓力記憶”的現(xiàn)象[54]。

2.4 凍融作用對植物光合作用的影響

凍融作用會通過影響植物對CO2、光的利用以及碳同化能力來影響光合作用。光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率等是判斷植物生長和抗逆性強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，可以反映植物對光和CO2的利用情況[55]。植物葉綠體在對光的傳遞、吸收和轉(zhuǎn)化過程中起著至關(guān)重要的作用，是光合作用的重要器官，它對低溫環(huán)境非常敏感。當(dāng)外界環(huán)境氣溫過低時，葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能會遭到嚴(yán)重破壞；此外，暴露在低溫脅迫下的植物細(xì)胞會由于凍結(jié)失水，阻塞葉片氣孔，氣體無法通過氣孔進(jìn)入細(xì)胞，導(dǎo)致CO2同化減少，從而降低植物的光合速率，影響植物光合作用。Andrewd等[56]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生短周期和高頻率的凍融循環(huán)時，植物光合作用將受到更大的損害。但也有研究結(jié)果表明，凍融循環(huán)頻率的增加并未影響冬季植物光和生理特性，但會導(dǎo)致初夏的碳吸收增加[57]。

3 凍融作用對植物生產(chǎn)力和群落組成的影響

凍融作用導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)損壞和植物體細(xì)胞破裂脫水死亡，由此釋放大量有機(jī)質(zhì)，加速土壤礦化和硝化速率，使經(jīng)歷過凍融后的土壤富含豐富的速效養(yǎng)分[58]，土壤融化后，在凍融作用影響下土壤可溶性養(yǎng)分流失，在一定程度上影響了植物生長。Kreyling發(fā)現(xiàn)，凍融作用雖然增加了草場第一年地上部分生物量，但卻影響了后續(xù)生長季的根系長度，從而影響植被生物量[30]。此外，凍融作用會對墊狀草甸產(chǎn)生切割破壞作用，嚴(yán)重情況下還會出現(xiàn)石漠化，導(dǎo)致植被覆蓋減少，大量地表裸露[6]。王紹令等[59]指出，氣候變暖導(dǎo)致的凍融環(huán)境變化，導(dǎo)致地下水位降低，地表水分減少，地溫升高，地表鹽漬化、沙漠化加重，使得原有的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,導(dǎo)致生物量和植被覆蓋減少。然而，也有研究指出凍融作用并不會對植物生長產(chǎn)生顯著影響，Wang等[60]對青藏高原凍土研究發(fā)現(xiàn)，頻繁的凍融作用增加了高原草地生態(tài)系統(tǒng)第一年的地上生物量，但是卻降低了石楠生態(tài)系統(tǒng)第二年的地上生物量。Kreyling等[4]發(fā)現(xiàn)，增溫控制凍融循環(huán)第二年，除了C/N比率增加外，草原群落的產(chǎn)量沒有受到顯著影響。

凍融作用影響群落組成。不同植物功能類型之間吸收和分配營養(yǎng)元素的能力不同，如草本植物和矮灌木，尤其是木本和非木本物種之間的差異非常明顯，因為它們代表了不同的生長策略(生長速率不同)和不同的時間響應(yīng)動力學(xué)(如物候的變化)[61]。Grogan等對草類和灌木類植物做解凍后的示蹤實驗表明，草類對地上器官的養(yǎng)分吸收和分配較快，而灌木對養(yǎng)分吸收和分配較慢，僅在根系中發(fā)現(xiàn)了氮的示蹤元素[20]。所以，不同植物對土壤凍融方式改變的響應(yīng)可能促使植物群落組成改變，從而影響生態(tài)系統(tǒng)功能[4]。

4 凍融作用通過影響土壤環(huán)境而對植物的間接影響

凍融作用導(dǎo)致的團(tuán)聚體、凋落物、植物根系的破碎和微生物裂解可促進(jìn)土壤中可溶性有機(jī)質(zhì)的釋放[62]，最終對植物生長產(chǎn)生強(qiáng)烈的間接影響。土壤孔隙水的凍結(jié)導(dǎo)致微生物脫水死亡，細(xì)胞內(nèi)溶液外滲，增加土壤中的可溶性碳、氮[20]；凍結(jié)時土壤孔隙水膨脹成冰晶，破壞土壤團(tuán)聚體和穩(wěn)定性[63]，使碳水化合物、脂肪酸等暴露，更利于被分解利用[11]；凍融作用促使細(xì)根及植物凋落物破碎后的大分子有機(jī)質(zhì)的分子鍵破裂，從而產(chǎn)生更多的可溶性有機(jī)物和養(yǎng)分[14]。凍融循環(huán)后，酶活性增強(qiáng)，加快有機(jī)質(zhì)礦化，產(chǎn)生大量植物可利用礦質(zhì)化合物[64-65]。Liu等[66]發(fā)現(xiàn)土壤凍融處理顯著增加了嫩枝和根系的潛在磷損失，導(dǎo)致植物體營養(yǎng)元素流失，從而影響植物的生長。Groffman等[67]認(rèn)為，越冬和冰雪融化過程是氮素積累和循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。凍土融化后，微生物活性急劇增加，同時由于土壤的高含水量，促進(jìn)厭氧微生物脫氮，氮排放量增加[68-69]，導(dǎo)致植物生長必須的營養(yǎng)元素氮的流失。凍融作用對植物的損害會在短期內(nèi)增加氮損失，同時降低植物在生長季節(jié)后期攝取氮的能力[70]。氮是構(gòu)成與植物光合作用緊密相關(guān)的各種光合酶以及NADP+和ATP的重要組成成分[71]，類似氮、磷、硫等礦物元素的凍融流失會影響光合酶的合成和細(xì)胞組織的生長，從而影響植物光合速率[72]。同時，CO2和土壤養(yǎng)分的交互作用對植物光合速率、水分利用和產(chǎn)量都會產(chǎn)生顯著的影響[73]。凍融循環(huán)前期會釋放大量CO2，Aim等利用密閉室法對芬蘭東部天然沼澤、排水沼澤及沼澤濕地冬季CO2和CH4通量進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)芬蘭泥炭地冬季CO2和CH4排放量占全年排放量的10%～30%[69]。CO2的增加加大了葉片CO2分壓，促進(jìn)了CO2和植物葉綠體內(nèi)光合關(guān)鍵物質(zhì)二磷酸核酮糖的結(jié)合，提高了光合作用量子效率[74-75]。同時，增加的CO2通過促進(jìn)葉片和莖節(jié)伸長來擴(kuò)大植物光合面積，提高單位葉面積承載的庫容量以及庫對物質(zhì)的調(diào)運能力，在一定程度上提高了光合速率[76]。也有研究指出，在溫度升高的情況下，CO2濃度的增加會促使植物葉綠體類囊體膜中氮、Rubisco含量降低和單位葉面積Rubisco活化中心濃度降低，最終導(dǎo)致植物光合作用量子效率下降[77]。由此可見，凍融作用導(dǎo)致的土壤環(huán)境養(yǎng)分的變化將會在一定程度上影響后一個生長季植物的生長?；谏鲜鲅芯砍晒?，我們總結(jié)出凍融作用對植物生理生態(tài)影響的框架(圖1)。

5 結(jié)語及展望

凍融作用通過改變土壤團(tuán)聚體、土壤滲透性、力學(xué)性質(zhì)、微生物群落、養(yǎng)分環(huán)境等對植物生理生態(tài)特性產(chǎn)生間接的影響。同時凍融作用形成的脅迫環(huán)境不僅影響植物地下根系、植物物候、細(xì)胞膜和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，而且還會通過改變土壤養(yǎng)分有效性影響植物地上部分的光合作用，由此影響植被生產(chǎn)力和群落結(jié)構(gòu)。凍融作用下土壤(養(yǎng)分、酶活性、微生物)、植物(生產(chǎn)力、生長季、來年生長季)的研究將有助于明確凍土區(qū)土壤肥力、土壤酶活性、地球化學(xué)循環(huán)過程和區(qū)域碳收支情況。今后應(yīng)更加注重氣候變化下降水量、雪被厚度的改變以及溫室氣體(N2O、CO2)共同作用下導(dǎo)致的凍融格局和凍土區(qū)生物地球化學(xué)特性的改變，關(guān)注不同類型植被生理生態(tài)特性、根系形態(tài)以及植物群落等方面的研究，提升植被生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，這對于深入理解凍土區(qū)植被對氣候變化的響應(yīng)具有重要的理論意義。此外，目前國內(nèi)外關(guān)于凍融作用對植物生理生態(tài)的影響大多是與分子機(jī)制相關(guān)的表觀遺傳學(xué)方向，針對植物整個生長季的長期性田間實驗基本缺失。今后可以注重凍融作用對植物生理生態(tài)的長期的生長性研究，并試著從分子生物學(xué)解釋其機(jī)理。