凍融溫度對東北黑土理化性質及土壤酶活性的影響

李琳慧+李旭+許夢+王觀竹+于濟通+郭平

摘要：選擇東北地區黑土為供試土壤，用人工控溫方法，分析探討不同凍融溫度下凍融處理對土壤理化性質及酶活性的影響。結果表明，隨著土壤凍結溫度的降低，大團聚體更容易被破壞，向中級團聚體轉化;土壤pH值、CaCO3含量升高，氧化還原電位、陽離子交換量降低，這主要是由于凍結土壤的溫度越低，硝化作用越弱，產生的H+減少;可溶性有機質含量升高，微生物量碳含量下降，這主要是由于凍結溫度越低，對微生物的滅殺作用及大團聚體破壞作用越強烈;胡敏酸（HA）含量升高，富里酸（FA）含量降低，HA/FA升高，凍結溫度越低越利于改善腐殖質的品質;土壤FDA水解酶、蛋白酶、纖維素酶和過氧化氫酶活性均下降，這既有凍融作用對土壤酶的直接影響，也有凍融作用通過影響土壤微生物進而對土壤酶產生的間接影響所致。

關鍵詞：凍融溫度;黑土;理化性質;酶活性;氣候變化

中圖分類號： S151.9 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0318-03

收稿日期：2014-08-29

基金項目：國家自然科學基金（編號：40971248）。

作者簡介：李琳慧（1989—），女，吉林長春人，碩士，從事環境污染防治與生物修復研究。E-mail：LLHlilinhui@163.com。

通信作者：郭 平，博士，教授，碩士生導師，從事環境污染防治與生物修復研究。E-mail：guoping@jlu.edu.cn。

東北黑土區是我國重要的商品糧生產基地，區內存在季節性凍融。凍融是指土層由于溫度降到0 ℃以下和升至0 ℃以上而產生凍結和融化的一種物理地質作用和現象，能夠改變土壤固相物質的構成。非凍結條件下土壤固相以礦物成分為主;凍結條件下固相則由礦物和固態冰組成，隨著土溫的變化，水會發生相態轉移。凍融土壤的相變及其伴生現象必然引起土壤理化性質和生物學性質上的變化[1]，進而影響土壤的環境行為及土壤中營養元素的化學循環，并對農作物品質產生影響。國內外對于凍融作用機理的研究起步較早，也取得了一定的進展。Edwards等指出，凍融交替對土壤性質的影響主要取決于凍融速率、凍融溫度、土壤含水量、土壤容重及凍融交替的次數[2-4]。另有研究表明，凍融交替作用可以改變土壤的物理性質，如土壤團聚體的大小分布和穩定性，顯著影響土壤水熱傳導、溶質運移和水分入滲等特性[5-6]，使土壤容重降低、孔隙度增大、飽和導水率提高[7]。關于凍融溫度對土壤影響的研究大多傾向于工程力學，凍融溫度對土壤物理、化學、生物學性質影響的研究并不多見?，F今全球氣候變化問題是人類面臨最為嚴峻的挑戰之一，氣候的變化直接影響凍融溫度的變化，進而對土壤性質產生影響。本試驗以東北黑土為研究對象，進行凍融循環試驗，討論不同凍融溫度對土壤團聚體結構、pH值、氧化還原電位（Eh）、陽離子交換量（CEC）、碳酸鈣（CaCO3）、可溶性有機質（DOM）、微生物量碳和腐殖質、土壤酶活性的影響，從物理、化學、生物學角度全面探索凍融溫度對土壤的影響，并分析其原因，為進一步研究東北地區土壤的污染物環境行為及C、N、P等營養元素循環提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與制備

黑土采自吉林省長春市農業生態園0～20 cm表層土壤，在室溫下風干并完全混合，剔除植物根、沙礫等雜物，按四分法獲取足量樣品，研磨，過孔徑為2 mm的篩，保存于聚乙烯塑料封口袋中備用。供試土壤pH值為6.90，有機質、游離氧化鐵、Eh值、CEC值分別為22.50 g/kg、56.46 g/kg、430 mV、39.25 cmol/kg。

1.2 凍融模擬試驗

稱取土壤樣品100 g若干份，調節土壤含水率為90%;將土壤樣品分別置于-15、-25、-35 ℃不同溫度的低溫冰箱中完全凍結24 h，然后取出放到5 ℃冰箱里再融化24 h為1個凍融周期，經過6次凍融循環;將土壤取出風干，分別得到凍結溫度為-15、-25、-35 ℃的土壤樣品。在相同凍融時間內，將土樣一直保存在5 ℃作為未凍融處理。凍融結束，測定凍融組及未凍融組2～1、1～0.5、0.5～0.25 mm和 <0.25 mm 的土壤團聚體分布、pH值、Eh、CEC、CaCO3含量、DOM、微生物量碳、腐殖質以及土壤酶活性。

1.3 測定方法

采用玻璃電極法測定土壤pH值（水土比為1 ∶ 2.5）;Eh測定采用鉑電極直接測定法（水土比為1 ∶ 2.5）;CEC測定采用醋酸銨交換法[8];土壤有機質含量測定采用Waikley-Black 濕式氧化法[9];游離氧化鐵測定采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉提取法，簡稱DCB法[10];CaCO3含量測定采用擴散吸收法;土壤DOM含量采用島津TOC儀測量;微生物量碳測定采用氯仿熏蒸法;腐殖質組成測定采用焦磷酸鈉提取土壤中的富里酸和胡敏酸，然后采用重鉻酸鉀氧化法測定;FDA水解酶活性采用劉海芳等的方法[11]測定;蛋白酶活性采用茚三酮比色法測定;纖維素酶活性采用3，5-二硝基水楊酸法測定;過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定。

2 結果與分析

2.1 凍結溫度對團聚體粒徑分布的影響

由圖1可知，隨著凍結溫度的降低，土壤 2～1 mm和0.5～0.25 mm粒徑范圍的團聚體含量逐漸下降，1～0.5 mm和<0.25 mm粒徑范圍的團聚體含量上升;凍融組2～1 mm和1～0.5 mm 粒徑范圍的團聚體含量均低于未凍融組，凍融組0.5～0.25 mm和<0.25 mm粒徑范圍的團聚體含量均高于未凍融組;隨著凍結溫度的降低，大團聚體含量變化較大，而小團聚體變化并不明顯。這說明凍結溫度越低，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，這可能是在土壤凍結時，土壤孔隙中冰晶的膨脹打破了顆粒與顆粒之間的聯結，而有效地將土壤大團聚體破碎成小團聚體[12]。endprint

2.2 凍結溫度對pH值、Eh、EC、CEC 和 CaCO3的影響

由圖2、圖3可知，與未凍融相比，凍融作用使土壤pH值、CEC、CaCO3含量降低，Eh升高;凍融處理組中，隨著凍結溫度的降低，土壤pH值、CaCO3含量升高，Eh、CEC降低。

凍融作用使土壤的pH值降低，這可能是由于凍融處理促進了硝化作用[13]和溶解性有機酸的釋放[7]，從而促進了土壤溶液的酸化。CEC是表示土壤吸附或交換周圍溶液中陽離子的參數，土壤膠體微粒表面羥基（OH）的解離受介質pH值的影響，當介質pH值降低時，土壤膠體微粒表面所載負電荷減少[14]，因此，凍融土壤pH值的降低引起了土壤CEC降低。此外，土壤中CaCO3含量與pH值具有良好的正相關關系[15]，因此，凍融后的土壤CaCO3含量也降低。土壤pH值Eh有重要影響（Eh=Eh0-0.059pH），Eh隨pH值的降低而升高，凍融土壤pH值的降低自然引起凍融土壤Eh的升高。

在不同凍結溫度處理中，土壤pH值隨著凍結溫度的升高而降低，這是由于硝化速率隨著溫度的升高而增加[16]，提供了更多H+，并進一步導致CaCO3含量逐漸降低，Eh逐漸升高。目前，CEC隨凍結溫度升高而升高的原因尚不明確，有研究表明，土壤交換性陽離子以土壤膠體（有機質和礦質膠體）為載體，有機質的CEC遠大于礦質膠體，凍結溫度的變化可能引起了土壤有機質含量的變化，進而影響了CEC。

2.3 凍結溫度對DOM、微生物量碳和腐殖質的影響

土壤DOM及微生物量碳都屬土壤活性有機質，受氣候影響較大，能在不同程度上反映土壤有機質（碳）的有效性，指示土壤有機質（碳）或土壤質量。由圖4可知，與未凍融相比，凍融作用使DOM含量提高、土壤微生物量碳含量降低;

隨著凍結溫度的降低，DOM含量呈現上升趨勢，當凍結溫度達到-35 ℃時，DOM 含量急劇上升，而土壤微生物量碳含量逐漸降低。

凍融作用使土壤DOM的含量增加，這可能是由于凍融作用對微生物有滅殺作用，當土壤凍結時微生物死亡，當土壤融化時死亡微生物細胞內所含的有機質溶解釋放出來進入土壤，從而增加了土壤DOM含量[17];另外，凍融作用可以將大團聚體破碎成小團聚體，使得被土壤包裹吸附著的小分子物質提前釋放出來，從而也增加了土壤DOM含量。由于溫度越低，土壤穩定性團聚體越少[3]，因而隨著凍結溫度的降低，DOM含量升高，且凍結溫度越低，微生物死亡量越多，更多胞內有機質釋放到土壤中，DOM含量隨之升高。與此同時，微生物死亡量增加會導致微生物量碳的減少。

腐殖酸是自然環境中廣泛存在的一類高分子物質，是影響農藥在土壤環境中行為和歸宿的重要因子之一。腐殖酸包括胡敏酸（HA）和富里酸（FA）。HA的芳構化程度、縮合程度較FA的高[18]，因此，HA/FA是衡量土壤腐殖化程度的標志之一，比值越大，表明腐殖質的品質越好[19]。由圖5、圖6可知，與未凍融相比，凍融處理使FA的含量降低、HA的含量升高，并且使腐殖化程度HA/FA增強;凍融處理組中，隨著凍結溫度的降低，FA呈現下降趨勢，HA和 HA/FA值呈現上升趨勢，凍融作用可以改善腐殖質的品質，并且凍結溫度越低，改善效果越好。

2.4 凍融作用對土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤中一切生物化學過程的主要參與者，對土壤肥力的演化具有重要影響。由表2可知，與未凍融處理相比，凍融作用使土壤FDA水解酶、蛋白酶、纖維素酶和過氧化氫酶的活性均降低;隨著凍結溫度降低，酶的活性下降。這是由于土壤酶主要來源于微生物[20]，凍融處理通過影響微生物活性而間接影響酶活性，土壤凍結時，部分土壤微生物受到低

溫脅迫死亡，凍結溫度越低，死亡微生物數量越多，因而導致產生的酶數量減少;土壤融化時，由于融化的時間較短，微生物繁殖緩慢，活性仍然很低，因此不利于土壤酶的產生。凍融作用還可以直接影響酶的活性，這是由于酶的活性受溫度影響很大，只有在最適溫度時酶的活性才最高，高于或低于最適溫度，酶活性都會降低，凍結溫度越低，土壤酶活性受到的抑制越強烈，融化后酶的活性也難以恢復。

表1 凍結溫度對土壤FDA水解酶、蛋白酶、纖維素酶

和過氧化氫酶活性的影響

溫度

（℃）

酶的活性

FDA水解酶

[mg/（kg·h）] 蛋白酶

[μg/（g·24 h）] 纖維素酶

[mg/（g·72 h）] 過氧化氫酶

[mL/（g·20 min）]

5 1.90 1.00 0.59 4.73

-15 1.02 0.98 0.37 4.71

-25 1.01 0.90 0.35 4.68

-35 0.97 0.81 0.29 4.67

3 結論

研究結果表明，凍融溫度的變化影響了土壤的性質，隨著凍結溫度的降低，凍融作用對大團聚體的破壞作用越強，并且越利于向中小級團聚體轉化;土壤pH值、CaCO3含量升高，Eh、CEC降低，這是因為硝化速率隨著溫度的升高而增加，提供了更多H+，從而導致pH值、CaCO3、Eh、CEC發生相應變化;凍融作用對微生物的滅殺作用及大團聚體破壞越強烈，導致更多DOM釋放，在這個過程中，微生物量碳含量由于微生物的死亡而下降，從而導致微生物量碳含量下降;FA的含量降低，HA的含量升高，腐殖化程度HA/FA增大，腐殖質的品質改善效果越好;FDA 水解酶、蛋白酶、纖維素酶和過氧化氫酶活性呈現下降趨勢，凍融作用可以直接或通過影響微生物而間接抑制酶活性。

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