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季节性冻融作用对土壤理化与微生物特征的影响研究

丁慧慧 陈文盛 李江荣

丁慧慧, 陈文盛, 李江荣. 季节性冻融作用对土壤理化与微生物特征的影响研究[J]. 四川林业科技, 2023, 44(1): 10−16 doi: 10.12172/202203020004
引用本文: 丁慧慧, 陈文盛, 李江荣. 季节性冻融作用对土壤理化与微生物特征的影响研究[J]. 四川林业科技, 2023, 44(1): 10−16 doi: 10.12172/202203020004
DING H H, CHEN W S, LI J R. Seasonal freezing-thawing influences on soil physicochemical and microbial characteristics[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2023, 44(1): 10−16 doi: 10.12172/202203020004
Citation: DING H H, CHEN W S, LI J R. Seasonal freezing-thawing influences on soil physicochemical and microbial characteristics[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2023, 44(1): 10−16 doi: 10.12172/202203020004

季节性冻融作用对土壤理化与微生物特征的影响研究


doi: 10.12172/202203020004
详细信息
    作者简介:

    丁慧慧(1997-),女,硕士研究生,1252179657@qq.com

    通讯作者: ljrong06@xza.edu.cn
  • 基金项目:  西藏林芝森林生态站辐射基准站与冻土自动监测系统建设(502219001);科技部国家野外科学观测研究站(生态系统)运行补助项目(西藏林芝高山森林生态系统国家野外科学观测研究(2020—2025);西藏农牧学院研究生创新计划项目(YJS2021-23)

Seasonal Freezing-thawing Influences on Soil Physicochemical and Microbial Characteristics

More Information
    Corresponding author: ljrong06@xza.edu.cn
  • 摘要: 季节性冻融是主要出现在高纬度与高海拔地区的引起土壤内部热量与水分随着时间变化而动态波动的过程。季节性冻融通过反复的冻结——融冻改变了土壤物理结构,降低了土壤团聚体稳定性;通过了土壤的淋溶作用和硝化作用,促进了溶解性有机酸的释放,改变土壤中有机质的含量,从而导致土壤中酸碱度的增减以及碳氮磷与重金属含量的变化;受到温度、水分的影响,使得土壤中微生物的数量与结构趋于动态过程。在综述季节性冻融作用对土壤理化与生物学性质影响研究的基础上,提出了应加强对青藏高原冻土区特别是藏东南高山林线地带冻土的研究与野外监测力度、原位研究以及在更大尺度土壤生态位下对冻融土壤的研究,这对于践行“两山”理论与开展生态安全屏障建设有着重要的意义。
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    出版历程
    • 收稿日期:  2022-03-02
    • 网络出版日期:  2022-07-06
    • 刊出日期:  2023-02-25

    季节性冻融作用对土壤理化与微生物特征的影响研究

    doi: 10.12172/202203020004
      作者简介:

      丁慧慧(1997-),女,硕士研究生,1252179657@qq.com

      通讯作者: ljrong06@xza.edu.cn
    基金项目:  西藏林芝森林生态站辐射基准站与冻土自动监测系统建设(502219001);科技部国家野外科学观测研究站(生态系统)运行补助项目(西藏林芝高山森林生态系统国家野外科学观测研究(2020—2025);西藏农牧学院研究生创新计划项目(YJS2021-23)

    摘要: 季节性冻融是主要出现在高纬度与高海拔地区的引起土壤内部热量与水分随着时间变化而动态波动的过程。季节性冻融通过反复的冻结——融冻改变了土壤物理结构,降低了土壤团聚体稳定性;通过了土壤的淋溶作用和硝化作用,促进了溶解性有机酸的释放,改变土壤中有机质的含量,从而导致土壤中酸碱度的增减以及碳氮磷与重金属含量的变化;受到温度、水分的影响,使得土壤中微生物的数量与结构趋于动态过程。在综述季节性冻融作用对土壤理化与生物学性质影响研究的基础上,提出了应加强对青藏高原冻土区特别是藏东南高山林线地带冻土的研究与野外监测力度、原位研究以及在更大尺度土壤生态位下对冻融土壤的研究,这对于践行“两山”理论与开展生态安全屏障建设有着重要的意义。

    English Abstract

    • 季节性冻融是指由于一年四季与昼夜的变化伴随着环境中温度的变化,反映在多尺度土层上反复冻结-融冻的过程[1],这种情况主要出现在高纬度地区如我国东北地区[2-3]以及高海拔地区如我国青藏高原地区[4-5],是全球中普遍存在的一种自然现象。秋冬季节,温度降低,土层普遍由上至下冻结,春夏季节,温度升高,土层普遍由上至下冻融[6]。已有研究将季节性冻融划分为五个不同时期:冻融初期(10月下旬—11月),该时期土壤表层日最高温大于0℃,日最低温小于0℃,土层由上至下逐渐冻结;冻融后期(12月—1月中旬),该时期昼夜平均温度在0℃以下,土壤冻结从土层表面逐渐渗透到最大冻结层;稳定冻结期(1月中旬—2月),该时期土壤完全处于冻结状态,且土壤深层的平均温度和日最高温持续在0℃以下;融冻初期(3月),日均温在0℃上下波动,土壤开始由上至下与由下至上双向融化;融冻后期(4月下旬),表层土壤温度最低温大于0℃,土壤冻结层开始融化,但在土壤深层也存在温度小于0℃的现象[7]

      随着全球气候变暖,在高纬度与高海拔地区温度也随着升高,从而对土壤生态系统在水分与热量的分配上产生了重大的影响,并且冻土由于其独特的形成过程,对温度特别是全球气候变暖的反应更为敏感[8]。在此背景下,季节性冻土区的冻结时期将往后延迟,而解冻时期将提前[9],也就意味着土壤的冻结时间趋于缩短;Li等[10]在青藏高原研究发现,在1988—2007年期间,土壤解冻开始时间提前约14 d,土壤冻结开始时间推迟约10 d;Li等[11]更是认为土壤冻结日期每10年会推迟2.2 d,解冻日期会提前3.2 d,冻结天数会缩短5.2 d,这一变化也使得地表植被的生存环境发生了变化[6]。国内外学者对高纬度与高海拔地带的土壤冻融作用进行了研究,很多结论都表明冻融作用对土壤的物理特性、化学特性和土壤微生物群落产生了重大影响[12]

      • 冻融作用通过影响环境介质中的水分与热量条件使土壤的理化性质发生改变,主要体现在:改变土壤的团聚体结构;除此之外,土壤物理性质还受到土壤冻融交替、土壤冻融温度、土壤含水量等的因素影响[13]

      • 土壤团聚体是土壤结构的基本组成单位,是有机-无机复合胶体经过反复聚合而形成的基本构成单位[14-15]。其中粒径大小是反映土壤物理性质的重要指标信息[16]。在冻结前土壤中的水分是以液态形式存在的,在冻结后土壤中的水分又以固态形式存在,随着温度的升高,冰会逐渐融化成水,这种水冰的互相转换过程会降低土壤团聚体的水稳性[17]。研究显示,土壤介质中的孔隙水在由液态水转变为固体冰时体积增大9%[18],且由水变成冰体积的增大会对周围的颗粒产生挤压,冰晶的膨胀会打破颗粒与颗粒之间的联结,使得土壤大粒径团聚体破碎形成土壤小粒径团聚体[19-20]。而一些相对较小粒径的团聚体又向相对较大的团聚体聚集,形成中粒径团聚体[21]。Wang等[22]对东北典型褐土区农田土壤研究发现,较小的补水加冻融循环和季节性冻融循环显著增加了土壤粒径<2 mm(干筛)和土壤粒径为0.25~1 mm(湿筛)的质量,但破碎率变化不大,也就说明了季节性冻融作用对该地区土壤的抗侵蚀能力影响较小;而Wang等[23]同时也对爱荷华州立大学南雷诺森农场的土壤冻融实验发现,粒径>0.25 mm 的聚集体减少,<0.25 mm 的聚集体增加;Li等对东北黑土研究发现,随着冻融循环次数的增加,四个较大粒径组的水稳性聚集体减少,而两个较小粒径组的水稳性聚集体增加,这都说明了季节性冻融作用对土壤结构是具有一定的破坏性作用。

      • 冻融过程中水分、热量对不同深度土层的影响是错综复杂的[24]。冬季是表层土壤要经历漫长的冻结时期,而冻融交替多是发生在秋冬与冬春交际之处,一般情况为晚上温度下降土壤冻结,白天温度上升土壤融冻;而对于深层土壤而言,其土壤温度变化则较为稳定[8]。杨梅学等[25]通过在西藏那曲地区长时间监测得出这样的结论:表层土壤的冻融循环持续天数大概为6个月,10 cm深度土壤的冻融循环天数大概为2个月,20 cm深度土壤的冻融循环天数微乎其微,这也就表明了土壤的冻融交替过程对不同深度土层的影响是不同的。与此同时,土壤冻融交替次数的多少对土壤物理性质的影响也不同[26]。Taskin Oztas等[27]研究认为,在湿筛处理下,当土壤冻融交替由3次增加到6次时,其土壤稳定性会先增加后降低。Zuyong Li等[28]则在研究黄土强度与孔隙结构相关性研究中发现,冻融交替次数在0~10间,土壤中各类型孔隙体积变化较大,表明土壤结构在冻融作用下,破坏程度高,破坏速度快;在10~30间,土壤中各类型孔隙体积变化减小,说明了此时土壤结构在冻融作用下,破坏程度降低,破坏率降低,这是因为土壤形成了新的孔隙结构特征,减小了冻融交替对土壤结构的影响程度;当达到 50 次后,土壤中各类型孔隙体积几乎没有变化,这是因为土壤结构此时基本被破坏,土壤孔隙结构重组得到了一定程度的稳定。Zhao等[29]也认为随着冻融循环次数的增加,土壤的孔隙度呈递减趋势。

        当前在对土壤冻融交替的研究中也存在着众多的问题:冻融交替实验设置不合理,冻融交替周期长度过短,最适应为1~2个月,冻融循环次数过少,最妥应大于或等于5次,且大都局限于室内实验,容易造成用于实验的土壤体积过小,容易产生误差,从而与野外实地调查结果差异较大,只适用于理论探讨与研究[2,18-19]

      • 季节与昼夜的更替使得土壤中的温度也随之变化,当土壤温度小于0℃时,土壤开始冻结,当大于0℃时,土壤开始融冻[30]。由此可看出温度是影响土壤冻结与融冻的关键因子。Wang等[5]在青藏高原东北部研究发现,随着温度的降低,自下而上的土壤冻结厚度也随之增加;Li等[16]在进行湿筛实验发现,随着温度下降,四个较大粒径组的土壤质量减少,而两个较小粒径组的土壤质量增加;与此同时,李琳慧等 [31]曾设计这样的实验:将土壤的样品分别置于−15、−25、−35 ℃ 三种不同温度的冰箱中完全冻结 24 h,之后取出土壤样品放到5℃冰箱里再融化 24 h作为 1个冻融周期,然后再经过6次冻融循环;将土壤取出烘干,分别得到冻结温度为−15、−25、−35 ℃的土壤样品,在相同冻融时间内,将土壤样品一直保存在5℃作为未冻融处理,结果表明了随着土壤冻结温度的降低,大粒径团聚体更容易被破坏,有利于形成小粒径团聚体且向中级团聚体转化。从以上结论可以看出降低土壤的冻融温度会使土壤的团聚体更加破碎化,使大容重的土壤变得更加疏松,使疏松的土壤变得更加紧致[24,32]

      • 土壤的冻融过程本质上就是土壤中水冰、液固相互转化的过程[33]。而这一过程在不同的时间与不同的空间表现上也是十分复杂的[34]。冰雪的融化以及冰雪的冻结阻碍了水分在土壤中的流动等因素造成了温度升高冰雪融化土壤含水量的增加[35]。土壤含水量增加伴随着土壤缝隙与冰夹层的增多[36],融化后水分很容易就从缝隙与冰夹层中流出,从而也使得了土壤的渗水性得到了加强[37]。温美丽等人[38]曾提出,不同深度土层容重的变化规律是:高含水量时,在5 cm 的土层内土壤容重减小幅度较大,下层较之较小,低含水量时,在5 cm 的土层内土壤容重减小相对较小,而下层土壤容重减小幅度较大,高含水量与低含水量的情况恰好相反。并且有相关研究指出:在冻融初期,土壤表层温度下降,冻结过程由上向下逐步发生,使得土壤的冻结厚度逐步加深,深层的液态水也逐渐的向表层集结,使得该时期土壤表层的含水量升高;到了融冻初期即早春,环境温度升高,土壤的温度也由上至下逐步升高,使得土壤中冻结的水分得以开始融化,而在一定深度的土壤其温度的变化是比较稳定的,所以该时期深层土壤一般还处于冻结状态,而土壤深层这一固体冰的存在正是阻挡了表层土壤融化后液态水的流动路径,使得土壤表层出现了“返浆”的现象,而这一种现象正是表层土壤含水量过高的表现[39-40]。由以上可以得出,在冻融初期与融冻初期,表层的含水量相对来说是比较高的。

      • 冻融作用不仅会改变土壤的物理结构,也会通过淋溶等作用改变土壤中有机质的含量,从而导致土壤中酸碱度的增减以及碳氮磷与重金属含量的变化。

      • 冻融作用会加快土壤的硝化作用以及促进溶解性有机酸的释放,使得土壤溶液pH值降低[32],Yang[41]、Hou[42]与Li [43]等人也均在研究中发现,冻融循环会使得土壤的pH值下降。并且温度的升高会加快土壤硝化的进程,所以随着温度的上升土壤pH值有着降低的趋势[24]。李琳慧等人[31]在研究我国东北黑土中采用人工控温的方法得出这样的结论:与未冻融相比,冻融作用使土壤 pH值降低;冻融处理组中,随着冻结温度的降低,土壤 pH 值升高;且当冻结温度在5℃至−15℃时,土壤pH值呈下降趋势;在−15℃至−35℃时,土壤的pH值呈上升趋势。刘亚红等人[33]也认为东北黑土区土壤pH值的变化趋势与冻结温度也是密切相关的。以上学者均论证了温度与土壤pH值之间负相关的关系,而这正是由于冻融促进了硝化作用和溶解性有机酸的释放,从而促进了土壤溶液的酸化[37,44]

      • 土壤的冻融交替会引起土壤溶液中的可溶性物质增加,会进一步导致土壤养分加快流失以及肥力退化,且土壤团聚体的破碎使得土壤中的碳氮磷以及其他养分暴露出来,容易随水土流失而丧失[45]。王洋等人[46]认为冻融作用会加速土壤有机碳与植物凋落物矿化的分解速率,使得有机碳组分的固定与活化产生分异,促进土壤有机碳的转化迁移,冻融初期的土壤有机碳含量会增加,并且在该时期其流失影响也会比较大。Wagner-Riddle C等[47]在对加拿大两处农田土壤研究时发现,季节性冻融作用使得农田土壤氮含量增加1.07 ± 0.59 Tg。同时也有研究报道,冻融作用对不同深度的土层的影响是不尽相同的,比如在土层0~10 cm土壤有机碳含量会增加5.21%,在土层10~20 cm降低13.5%以及在20~30 cm的土层其土壤有机碳含量会减少17.4%[48]。有相关研究表明利用土柱培养证实了冻融循环会增加N2O的排放,其甚至可能持续整个冻融循环[8]。王丽芹等人[49]认为冻融循环对土壤氮素矿化-固持周转的长期效应主要取决于冻融对土壤微生物的破坏程度以及剩余微生物的生存能力。对于含水率对冻结后土壤磷的释放量的影响则有不同的见解:有些研究认为土壤在高含水率时土壤磷的释放量高,在中含水率或低含水率时土壤磷的释放量低,而有些研究则认为含水率对土壤磷的释放量影响很小[39,50]。周丽丽[51]、邹慧芳[52]等人发现,在冻融交替条件下,土壤对磷的吸附量会随着外源磷浓度的增加而下降。综上所述,土壤碳氮磷的含量与水分和热量充分相关。

      • 土壤中的重金属直接影响土壤生态系统的功能和结构,对食物链以及生物多样性产生了不利的影响[53]。Li等 [43]在东北季节性冻土区发现,未冻土中Pb2+和Cd2+的解吸率小于冻融处理土壤,而冻结温度较低的土壤对Pb2+和Cd2+的解吸率小于冻结温度较高的土壤;郭平等 [54]发现冻融会降低土壤对重金属的吸附量; Wang等[55]则发现冻融循环次数越多,而土壤中 P 吸附能力则越低;樊志颖等[53]针对西藏色季拉山森林土壤中存在7种重金属的空间分布展开了研究,发现该地带0~20 cm土层重金属元素Cr、Se、As、Pb含量要低于全国土壤元素背景值和西藏土壤元素背景值;Cd和Hg含量要高于全国土壤元素背景值和西藏土壤元素背景值;Ni含量要高于全国土壤元素背景值,却低于土壤元素背景值;且在同一土层上Cr、As含量阴坡要大于阳坡,Pb、Ni、Hg含量则表现为阳坡要比阴坡大;在阳坡上,As、Cd和Hg的含量随着海拔的升高而降低,Se则升高,在阴坡上,Cr、Se、As的含量随着海拔的升高而降低,Pb和Hg的含量随着海拔的升高而增加;其余的重金属则在不同的海拔、不同深度的土层以及不同的坡度无明显规律性。而查阅文献发现,对于藏东南色季拉山在冻融作用下土壤重金属及其养分含量变化的研究报道还远远不足。

      • 土壤微生物是整个生态系统的一个重要组成部分,特别是对于诸如凋落物等生物的降解、矿化以及营养元素循环起着重要的作用[56]。且作为评价土壤质量的灵敏生物指标,能较好的对环境变化与胁迫作出快速的反应[57]

      • 随着温度的下降,土壤中的孔隙水逐渐结冰,导致了土壤中一些耐受性较差的微生物死亡,造成微生物量下降,严重影响了该时期土壤微生物多样性[58];随着冻融交替次数的增加,土壤微生物的活性会降低[59];Li等人[60]也研究发现冻融作用降低了土壤细菌群落的丰富度和多样性;Joanna E Sawicka等[61]在对北极研究时发现,在4℃的环境下,冻融培养使微生物活性逐渐下降至初始水平的0.25%,之后便迅速恢复,且达到解冻状态初始活性的60%,这就说明了土壤微生物很有可能会通过改变土壤的有机质和逐渐的适应该种恶劣的环境[62]。因此,冻融交替会使得土壤中微生物的数量与结构处于动态的过程[63]。刘利等人[64]通过研究季节性冻融对亚高山/高山森林土壤微生物多样性的影响得出以下结论:季节性冻结使得土壤中的细菌类的微生物群落多样性及其数量显著下降。陈泓硕等人[7]则在研究扎龙湿地土壤微生物多样性中,通过Shannon-Wiener指数、Simpson指数、McIntosh指数来反映,其中Shannon-Wiener指数、McIntosh指数都表现为在冻融初期和融冻后期其多样性均高于稳定冻结期和融冻初期;Simpson指数则表现为稳定冻结期高于冻融初期、冻融后期和融冻后期。综上所述,冻融作用不仅影响着土壤微生物多样性,还影响着土壤微生物群落的演替过程[24]

      • 在极地和高山土壤中,土壤冻结由于低温会导致土壤内部耐寒性较弱的微生物死亡或由于水分迁移而导致微生物脱水死亡,但总有一部分耐受性较强的微生物存活下来从而改变了土壤微生物的群落结构[62,65]。有相关研究发现真菌群落比细菌群落更能耐受冻融循环的影响[66];Ren等人[2]在中国东北三江沼泽区域研究发现,秋季季节性冻融作用后细菌和产甲烷菌减少,而春季季节性冻融作用后细菌和产甲烷菌增加,而在昼夜解冻期间,活性产甲烷菌明显更加丰富;Carla Perez-Mon等[67]在北极和阿尔卑斯山发现,重复的短而频繁的冻融循环有利于富营养性细菌,而时间更长和不太频繁的冻融循环促进了贫营养细菌;陈泓硕等人[7]对扎龙湿地土壤微生物群落结构进行了研究发现,有6种PLFA土壤微生物是扎龙湿地的优势类群,主要是以细菌为主,且细菌PLFA含量占总含量的84.79%~86.51%,在不同的冻融时期6种PLFA各自的含量也有着显著的不同。在土壤微生物中,随着冻融作用的发生,温度降低,微生物群落的组成与结构发生了转变,以夏天的细菌为主转变为以冬天的真菌为主[68]

      • 季节性冻融作用实质上是水冰转换过程,同时全球气候变暖促使了土壤冻融过程与其冻融格局的变化。首先,查阅国内相关文献得知季节性冻融作用对土壤的性质影响研究主要集中在高纬度地区特别是东北黑土的研究,而对于高海拔如青藏高原有关于这方面研究还远远不足,尤其对于藏东南高山林线地带冻融作用下土壤的研究少之又少,而林线的变化又可作为气候环境变化的敏感指标。因此应加强对青藏高原冻土区特别是藏东南高山林线地带冻土的研究,这对于建设我国生态安全屏障有着重大的意义。

        其次,目前对于土壤的研究大都局限于室内实验,由于土壤其物理、化学、生物等性质随空间和时间而变化,使得其与最原始的性状有所偏差,从而这也加大了室内实验的误差性。因此应加强对野外监测的力度以及原位研究。

        最后,对于土壤采样流程缺乏规范性与严谨性,存在着周期短、次数少、范围窄等问题,且冻融对土壤的影响会随着地形、凋落物、植被等因素的不同而有所差异,如不加以控制会使监测或实验结果存在着更大的误差。因此,应加强在更大尺度土壤生态位下对冻融土壤的研究。

    参考文献 (68)

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