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    作者：鄭曉敏

    凍土一般是指溫度在0℃或0℃以下，并含有冰的各種巖石和土壤。地球上受凍融作用影響的面積約占全球陸地總面積的70%，其中25%為多年凍土，主要分布在環(huán)北極及中、低緯度的高山和高原。在我國(guó)，受凍融影響的面積為776.48萬(wàn)km2，約占全國(guó)陸地總面積的80.88%，凍土分季節(jié)凍土區(qū)和多年凍土區(qū)，其中多年凍土面積為219.33萬(wàn)km2，約占凍土總面積的28.25%，主要分布在青藏高原、西部高山和東北大、小興安嶺，其余凍土為季節(jié)凍土。

    季節(jié)性凍融改變了土壤水分狀況和分布，直接影響土壤的物理性質(zhì)和微生物活性，導(dǎo)致土壤的生物地球化學(xué)過(guò)程和速率發(fā)生變化，影響土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移和轉(zhuǎn)化。研究表明，在同一深度條件下，凍結(jié)土樣的含水率都比消融土樣的含水率高；凍融作用中，隨土壤深度的增加，土壤樣品在凍融前后的pH值變化幅度很��；凍融作用影響土壤電導(dǎo)率，且凍融期電導(dǎo)率明顯高于消融期電導(dǎo)率。由于土壤中一切生物化學(xué)過(guò)程均在酶的催化作用參與下完成，土壤酶是土壤生物化學(xué)反應(yīng)的催化劑，能夠促進(jìn)土壤中有機(jī)質(zhì)的分解，其活性反映出土壤中所存在的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量代謝等過(guò)程能力的方向和強(qiáng)度。作為土壤質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)，土壤酶敏感地反映出土壤質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)在時(shí)間序列和各種條件下的變化，凍融期土壤酶活性的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致土壤物理性質(zhì)和土壤行為的變化。

    目前，在全球變化研究領(lǐng)域內(nèi)，已有的研究成果多注重植物生長(zhǎng)期土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化，較少考慮凍融作用下的土壤有機(jī)碳變化；已有的凍融研究成果其研究區(qū)也多限于三江平原濕地、松嫩平原黑土、西北地區(qū)不同覆蓋條件下的耕地，以及高原山區(qū)凍土帶，北方鹽堿土水田區(qū)土壤有機(jī)碳的研究較少。本文以吉林西部水田土壤作為研究對(duì)象，采取室內(nèi)模擬凍融實(shí)驗(yàn)手段，選取土壤脫氫酶、多酚氧化酶、過(guò)氧化氫酶和脲酶作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究水稻土(0~30 cm)土壤有機(jī)碳( soil organic carbon，SOC)與酶活性的剖面特征，旨在探討凍融作用下二者的分異特征，對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)北方季節(jié)性凍融期水稻土生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程和機(jī)制，具有一定的指導(dǎo)意義和借鑒價(jià)值。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

    吉林西部位于東北及華北北部溫帶中一深季節(jié)凍土亞區(qū)，為松花江、嫩江、洮兒河與霍林河的交匯地帶，初凍一般發(fā)生在11月份，最晚為11月下旬，解凍在3月中旬，最晚在4月份，多年平均地溫為6.92℃，最大凍土深為1.7 m。本文選擇典型農(nóng)牧交錯(cuò)地帶大安市大安灌區(qū)作為研究區(qū)，在灌區(qū)內(nèi)選取3塊5 mx5 m樣地，3塊樣地均選取水田中的淡黑鈣土作為研究對(duì)象，進(jìn)行凍融作用下水田SOC及酶活性的剖面特征分析與相關(guān)性研究。

1.2樣品采集

    于2011年9月末進(jìn)行樣品采集，樣品采集過(guò)程分為原狀土柱的采集和土壤樣品的采集，在樣地內(nèi)按對(duì)角線法設(shè)置采樣點(diǎn)。于2011年9月末進(jìn)行樣品采集，采樣前先剔除植物根及其它雜物，將長(zhǎng)30 cm．直徑10 cm的PVC管（共15根）垂直打人土壤中，在盡量不破壞土壤的原狀結(jié)構(gòu)情況下，保持PVC管上端與土壤表面平行，然后用鐵鍬挖出裝有土壤的PVC管，再將頂部和底部用塑料和膠帶封好，帶人實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬凍融實(shí)驗(yàn)；同時(shí)用鐵鍬按0~10 cm、10～20 cm和20~30 cm分層取樣裝入采樣袋中帶至實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行土壤樣品初始理化性質(zhì)的測(cè)定，見表l。

    將實(shí)驗(yàn)土柱在室溫下培養(yǎng)24 h后，用棉被將PVC管裹住以使凍融作用由表層土壤開始，放入-5℃冰箱內(nèi)冷凍培養(yǎng)12 h，再放人5℃生化培養(yǎng)箱內(nèi)融化培養(yǎng)12 h，以此作為一個(gè)凍融循環(huán)周期。本次試驗(yàn)共設(shè)定10個(gè)凍融循環(huán)，分別在循環(huán)0、2、4、6、8、10次后分層取土（記為FO、F2、F4、F6、F8、Fl0），土壤經(jīng)風(fēng)干處理研磨后，分別過(guò)1 mm和0.25 mm篩儲(chǔ)存，測(cè)定SOC與土壤酶活性，每個(gè)樣品重復(fù)3次。

1.3分析方法

    SOC采用重鉻酸鉀容量法一外加熱法測(cè)定。

    土壤酶活性的測(cè)定參考《土壤酶及其研究方法》和《土壤微生物研究原理與方法》。脫氫酶( dehydrogenase)采用2，3，5-三苯基四氮唑氯化物(TTC)比色法測(cè)定，酶活性用每g干土中三苯基甲臜(TPF)的量表示（μg TPF/g干土）；多酚氧化酶(polyphenoloxidaze)采用鄰苯三酚比色法測(cè)定，酶活性用每100 g干土中含紅紫桔精的量表示（mg紅紫桔精/100 g干土）；過(guò)氧化氫酶( catalase)測(cè)定中在5g干土中加入注入40 mL蒸餾水和5 mL 0.3% H202后震蕩30 min，酶促反應(yīng)結(jié)束后，利用0.002 mol/L KMn04溶液滴定，利用單位土壤所消耗的KMn04量表示過(guò)氧化氫酶活性（mL KMn04／g干土）；脲酶( urease)采用靛酚藍(lán)比色法，酶活性以100 g土壤在38℃下培養(yǎng)3h釋放出NH4+-N的mg數(shù)表示（mgNH4+-N／（100 g干土·3h））。

1.4數(shù)據(jù)處理

    所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 11.5和Microsoft Excel2010進(jìn)行分析處理。

2結(jié)果與分析

2.1土壤有機(jī)碳在凍融作用下的垂直動(dòng)態(tài)特征圖1是凍融作用下水田0~30 cm SOC動(dòng)態(tài)變化，從圖l中可以看出，凍融作用對(duì)SOC含量影響明顯，隨著土壤凍融次數(shù)的增加，0~10 cm SOC呈現(xiàn)出先降低后增加的波動(dòng)變化，在F4時(shí)SOC含量最大，但增幅僅為5.21%；10~20 cm SOC僅在F8時(shí)略有增長(zhǎng)外均呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，在Fl0時(shí)SOC含量最低，為16.94 g/kg，降低13.35%; 20~30 cm SOC的變化趨勢(shì)為先降低后增加，F(xiàn)l0時(shí)SOC降低了17.4%達(dá)到15.70 g/kg。雖然凍融作用對(duì)各層SOC影響不一致，但總體上0~10 cm SOC增高，10~20 cm和20~30 cmSOC含量降低。

    凍融循環(huán)對(duì)SOC的影響程度隨著土壤深度而發(fā)生變化，SOC存在著不同程度的波動(dòng)，造成這種現(xiàn)象主要有兩方面原因：一方面凍融過(guò)程中土壤的收縮與膨脹作用打破了有機(jī)質(zhì)之間的連接鍵，使大團(tuán)聚體向小團(tuán)聚體碎化，從而使小分子量物質(zhì)釋放。且凍融循環(huán)過(guò)程亦能破碎枯枝落葉和增加細(xì)根的死亡率，從而導(dǎo)致活性有機(jī)質(zhì)的釋放。同時(shí)，凍融循環(huán)也具有殺菌作用，能殺死微生物，破壞微生物的細(xì)胞，釋放有機(jī)物，從而增加SOC含量。另一方面，凍融循環(huán)過(guò)程中，存活微生物的礦化作用開始不斷消耗原有可溶性有機(jī)物，SOC增量不斷減少，甚至呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。目前，針對(duì)不同環(huán)境和實(shí)驗(yàn)條件，凍融過(guò)程中SOC的變化還沒有明確，團(tuán)聚體碎化作用和微生物的礦化作用同時(shí)存在，但何時(shí)占主導(dǎo)及其作用機(jī)理問題仍有待進(jìn)一步研究。

    由于凍融作用對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化主要由地層內(nèi)水分相變所決定，從圖2可看出凍融作用對(duì)土壤含水率影響顯著。在凍融過(guò)程中，土壤剖面結(jié)構(gòu)發(fā)生變異，形成凍結(jié)層、似凍層和非凍結(jié)層。凍結(jié)時(shí)，土壤中的水分向凍層遷移，而融化時(shí)，由于地表蒸發(fā)，土壤中的水分又向地表強(qiáng)烈遷移，表層0~10 cm土壤含水率的增加，同時(shí)引起10～20 cm、20~30 cm土壤含水率的降低。凍結(jié)過(guò)程中，土壤水分的遷移過(guò)程帶動(dòng)營(yíng)養(yǎng)元素的運(yùn)移，含水率的變化與SOC一致。

    在凍融初期，土壤含水率較高，溫度降低過(guò)程中，土壤中會(huì)有充足的水分向冰晶轉(zhuǎn)化，促進(jìn)冰晶的生成，土壤空隙較大，促進(jìn)土壤水分快速向表層遷移，由此造成了凍融初期，表層土壤水分含量增加較快；而當(dāng)凍融循環(huán)發(fā)生4次(F4)后，土壤中冰的含量占據(jù)了土壤空隙，使得水分在土壤中的運(yùn)移空間減少，移動(dòng)路徑增長(zhǎng)，水分遷移量減少，從而使F4后土壤含水率增加較緩慢。

2.2凍融作用下土壤酶活性剖面動(dòng)態(tài)特征

    凍融作用對(duì)土壤酶活性的影響見圖3，可以看出所測(cè)4種土壤酶活性均隨著剖面的加深而逐漸減少，該結(jié)果與以往研究相同。這是由于土壤表層積累了較多的植物殘?bào)w和腐殖質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量較高，微生物的營(yíng)養(yǎng)源豐富，水熱條件和通氣狀況相對(duì)較好，使微生物生長(zhǎng)旺盛，呼吸強(qiáng)度加大而使表層的土壤酶活性較高。隨著土壤剖面的加深，有機(jī)質(zhì)下降，pH增加，土壤地下生物量也隨之下降，微生物生長(zhǎng)受到抑制，酶活性降低。

    脫氫酶屬于胞內(nèi)酶，能催化有機(jī)物質(zhì)脫氫，起著氫的中間轉(zhuǎn)化傳遞作用，可以作為微生物氧化還原系統(tǒng)的指標(biāo)，能很好地表征土壤中微生物的氧化能力。凍融過(guò)程中，土壤脫氫酶呈現(xiàn)出先增加再降低的反復(fù)波動(dòng)，在Fl0時(shí)其酶活性最高，各層分別增長(zhǎng)了32.78%、69.54%和76.38%，達(dá)到76.87'、72.02、55.25 μg TPF/g干土，在凍融開始前，脫氫酶活性積累在表層0~10 cm土壤中，約占43.96%，10次循環(huán)結(jié)束后，0～10 cm土壤中脫氫酶活性僅占37.66%。

    土壤多酚氧化酶主要來(lái)源于土壤微生物、植物根系分泌物及動(dòng)植物殘?bào)w分解釋放的一種復(fù)合性酶。土壤多酚氧化酶能把土壤中芳香族化合物氧化成醌，醌與土壤中的蛋白質(zhì)、氨基酸、糖類、礦物等物質(zhì)反應(yīng)生成大小分子量不等的有機(jī)質(zhì)和色素，完成土壤芳香族化合物循環(huán)，多酚氧化酶的活性與土壤腐殖質(zhì)程度密切相關(guān)。在凍融作用下，土壤多酚氧化酶整體上呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，且各層下降速度不一致，表層0~10 cm最慢，20~30 cm最快，凍融結(jié)束后，各層分別下降了24.43%、37.39%和41.29%，但凍融前后0—10 cm土壤多酚氧化酶活性最高，分別占37.37%和42.62%。

    土壤過(guò)氧化氫酶是一種分布廣泛的酶，它能促進(jìn)過(guò)氧化氫對(duì)化合物的氧化作用，破壞對(duì)生物體有毒的過(guò)氧化氫。其活性表征土壤腐殖化強(qiáng)度大小和有機(jī)質(zhì)積累程度。土壤過(guò)氧化氫酶在凍融過(guò)程中呈波動(dòng)變化，在9.23~9.76 mL KMnO4／g干土內(nèi)改變，總體上變化不大。

    土壤脲酶是參與土壤生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的重要酶類之一，主要來(lái)源于微生物，其參與尿素的水解，并且該酶活性大部分存在于胞外酶，水解的最終產(chǎn)物氨是植物氮素營(yíng)養(yǎng)的直接來(lái)源，其活性高低表征了土壤有機(jī)氮轉(zhuǎn)化狀況。凍融作用下，各層土壤脲酶均先增后減，最大值出現(xiàn)在F6，分別為214.76、194.21和155.15 mg NH4+-N/(100 g干土．3h)，增幅較小，各為3.50%、13.97%、13.80%。

    凍融循環(huán)不僅有殺菌作用，同時(shí)對(duì)土壤微生物和酶活性又有激活效應(yīng)。在凍結(jié)土壤中一些酶和微生物并沒有完全鈍化，尤其是在寒冷地區(qū)。雖然在凍融循環(huán)剛開始階段，凍融循環(huán)殺死了微生物，降低了土壤酶活性，但是凍融循環(huán)導(dǎo)致團(tuán)聚體的破碎和微生物細(xì)胞的破裂增加了胞內(nèi)酶向土壤的釋放，同時(shí)也增加了微生物與活性有機(jī)質(zhì)的接觸面積，增加的活性有機(jī)碳為微生物提供了有效的碳源，從而促進(jìn)了土壤酶活性的增加。

2.3土壤酶剖面特征與土壤有機(jī)碳特征指標(biāo)的相

關(guān)性

    土壤酶活性具有明顯的時(shí)空變化，與土壤的溫度、濕度、有機(jī)碳、養(yǎng)分及微生物等密切相關(guān)，從凍融作用下土壤酶活性與SOC的相關(guān)性中可以看出，SOC與過(guò)氧化氫酶相關(guān)性較差，與脫氫酶、多酚氧化酶和脲酶均表現(xiàn)為顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.563(p =0.015)、0.660(p=0.003)和0.774(p=0.001)．表現(xiàn)為：脲酶>多酚氧化酶>脫氫酶>過(guò)氧化氫酶。見圖4。

    在凍融過(guò)程中，土壤含水率及水形態(tài)發(fā)生變化，土壤處于缺氧狀態(tài)，自由水減少，使得多酚氧化酶的活性受到抑制。多酚化合物的積累抑制了土壤水解酶的活性，進(jìn)而限制土壤有機(jī)質(zhì)的降解。脫氫酶和過(guò)氧化氫酶為氧化還原酶，脫氫酶是一種以轉(zhuǎn)移一個(gè)或多個(gè)氫化物（H-）到一個(gè)受體的形式氧化一個(gè)底物的酶脫氫酶的種類因電子供給體和接受體的特性而不同，某些能將氫直接傳遞給分子態(tài)氧，而另一些則是傳遞給其它受體，其活性增加導(dǎo)致有機(jī)物的氧化還原反應(yīng)加劇，SOC含量增加，其與有機(jī)碳相關(guān)性較好。在土壤冰層的凍結(jié)過(guò)程中，活動(dòng)層處于局部厭氧環(huán)境。一旦土壤融化，氧氣會(huì)從活動(dòng)層底部飽和水中溢出，造成缺氧狀態(tài)，從而殺死微生物降低酶活性，但土壤酶活性對(duì)凍融循環(huán)的響應(yīng)是多樣的，目前針對(duì)凍融期土壤酶活性與土壤有機(jī)碳的影響機(jī)理研究還有待進(jìn)一步探討。

3結(jié)論

    (1)凍融作用下，0~30 cm SOC、脫氫酶、多酚氧化酶、過(guò)氧化氫酶和脲酶的垂直變化趨勢(shì)一致，表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加，其含量遞減。

    (2)由于凍融過(guò)程中土壤水分的遷移帶動(dòng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)移，土壤含水率與有機(jī)碳均為0~10 cm含量增加，與此同時(shí)，10~20 cm和20~30 cm的含量呈現(xiàn)出隨凍融次數(shù)增加而逐漸降低的變化趨勢(shì)。

    (3)土壤過(guò)氧化氫酶在凍融作用下的變化幅度較小；脫氫酶和脲酶總體上呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；多酚氧化酶活性隨凍融次數(shù)的增加而逐漸降低。

(4)統(tǒng)計(jì)分析凍融作用下SOC和4種酶活性的相關(guān)性，其表現(xiàn)為：脲酶>多酚氧化酶>脫氫酶>過(guò)氧化氫酶，凍融作用下，土壤不斷處于好氧和厭氧交替輪換，在一定程度上抑制了好氧微生物和部分酶的分解作用，影響土壤中有機(jī)碳的積累。

4摘要：

選取-5~5℃作為研究溫度，以24 h(12 h凍結(jié)，12 h消融)為一個(gè)凍融循環(huán)，研究吉林西部大安灌區(qū)水田0~30 cm土壤有機(jī)碳以及土壤酶活性（脫氫酶、多酚氧化酶、過(guò)氧化氫酶和脲酶）的剖面特征，分析了二者之間的相關(guān)性。結(jié)果表明：凍融過(guò)程中，土壤有機(jī)碳、脫氫酶、多酚氧化酶、過(guò)氧化氫酶和脲酶均隨土壤深度的增加而遞減；0~10 cm土壤有機(jī)碳含量增加，10~20 cm和20~30 cm土壤有機(jī)碳含量降低，其變化趨勢(shì)與含水率一致；過(guò)氧化氫酶變化較小，脫氫酶和脲酶總體增加，而多酚氧化酶活性降低；土壤有機(jī)碳與酶活性的相關(guān)性大小表現(xiàn)為：脲酶>多酚氧化酶>脫氫酶>過(guò)氧化氫酶。凍融作用改變了土壤中水環(huán)境，抑制了土壤微生物呼吸和酶的分解作用，影響土壤有機(jī)碳的積累。