凍融溫度對(duì)東北黑土理化性質(zhì)及土壤酶活性的影響

李琳慧+李旭+許夢(mèng)+王觀竹+于濟(jì)通+郭平

摘要：選擇東北地區(qū)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(duì)土壤理化性質(zhì)及酶活性的影響。結(jié)果表明，隨著土壤凍結(jié)溫度的降低，大團(tuán)聚體更容易被破壞，向中級(jí)團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化;土壤pH值、CaCO3含量升高，氧化還原電位、陽(yáng)離子交換量降低，這主要是由于凍結(jié)土壤的溫度越低，硝化作用越弱，產(chǎn)生的H+減少;可溶性有機(jī)質(zhì)含量升高，微生物量碳含量下降，這主要是由于凍結(jié)溫度越低，對(duì)微生物的滅殺作用及大團(tuán)聚體破壞作用越強(qiáng)烈;胡敏酸（HA）含量升高，富里酸（FA）含量降低，HA/FA升高，凍結(jié)溫度越低越利于改善腐殖質(zhì)的品質(zhì);土壤FDA水解酶、蛋白酶、纖維素酶和過(guò)氧化氫酶活性均下降，這既有凍融作用對(duì)土壤酶的直接影響，也有凍融作用通過(guò)影響土壤微生物進(jìn)而對(duì)土壤酶產(chǎn)生的間接影響所致。

關(guān)鍵詞：凍融溫度;黑土;理化性質(zhì);酶活性;氣候變化

中圖分類號(hào)： S151.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）04-0318-03

收稿日期：2014-08-29

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：40971248）。

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

通信作者：郭 平，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，從事環(huán)境污染防治與生物修復(fù)研究。E-mail：guoping@jlu.edu.cn。

東北黑土區(qū)是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，區(qū)內(nèi)存在季節(jié)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(chǎn)生凍結(jié)和融化的一種物理地質(zhì)作用和現(xiàn)象，能夠改變土壤固相物質(zhì)的構(gòu)成。非凍結(jié)條件下土壤固相以礦物成分為主;凍結(jié)條件下固相則由礦物和固態(tài)冰組成，隨著土溫的變化，水會(huì)發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)移。凍融土壤的相變及其伴生現(xiàn)象必然引起土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)上的變化[1]，進(jìn)而影響土壤的環(huán)境行為及土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的化學(xué)循環(huán)，并對(duì)農(nóng)作物品質(zhì)產(chǎn)生影響。國(guó)內(nèi)外對(duì)于凍融作用機(jī)理的研究起步較早，也取得了一定的進(jìn)展。Edwards等指出，凍融交替對(duì)土壤性質(zhì)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(shù)[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(zhì)，如土壤團(tuán)聚體的大小分布和穩(wěn)定性，顯著影響土壤水熱傳導(dǎo)、溶質(zhì)運(yùn)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(dǎo)水率提高[7]。關(guān)于凍融溫度對(duì)土壤影響的研究大多傾向于工程力學(xué)，凍融溫度對(duì)土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)影響的研究并不多見(jiàn)?，F(xiàn)今全球氣候變化問(wèn)題是人類面臨最為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一，氣候的變化直接影響凍融溫度的變化，進(jìn)而對(duì)土壤性質(zhì)產(chǎn)生影響。本試驗(yàn)以東北黑土為研究對(duì)象，進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，討論不同凍融溫度對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、pH值、氧化還原電位（Eh）、陽(yáng)離子交換量（CEC）、碳酸鈣（CaCO3）、可溶性有機(jī)質(zhì)（DOM）、微生物量碳和腐殖質(zhì)、土壤酶活性的影響，從物理、化學(xué)、生物學(xué)角度全面探索凍融溫度對(duì)土壤的影響，并分析其原因，為進(jìn)一步研究東北地區(qū)土壤的污染物環(huán)境行為及C、N、P等營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與制備

黑土采自吉林省長(zhǎng)春市農(nóng)業(yè)生態(tài)園0～20 cm表層土壤，在室溫下風(fēng)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(guò)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(jī)質(zhì)、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(yàn)

稱取土壤樣品100 g若干份，調(diào)節(jié)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(jié)24 h，然后取出放到5 ℃冰箱里再融化24 h為1個(gè)凍融周期，經(jīng)過(guò)6次凍融循環(huán);將土壤取出風(fēng)干，分別得到凍結(jié)溫度為-15、-25、-35 ℃的土壤樣品。在相同凍融時(shí)間內(nèi)，將土樣一直保存在5 ℃作為未凍融處理。凍融結(jié)束，測(cè)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(tuán)聚體分布、pH值、Eh、CEC、CaCO3含量、DOM、微生物量碳、腐殖質(zhì)以及土壤酶活性。

1.3 測(cè)定方法

采用玻璃電極法測(cè)定土壤pH值（水土比為1 ∶ 2.5）;Eh測(cè)定采用鉑電極直接測(cè)定法（水土比為1 ∶ 2.5）;CEC測(cè)定采用醋酸銨交換法[8];土壤有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用Waikley-Black 濕式氧化法[9];游離氧化鐵測(cè)定采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉提取法，簡(jiǎn)稱DCB法[10];CaCO3含量測(cè)定采用擴(kuò)散吸收法;土壤DOM含量采用島津TOC儀測(cè)量;微生物量碳測(cè)定采用氯仿熏蒸法;腐殖質(zhì)組成測(cè)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(cè)定;FDA水解酶活性采用劉海芳等的方法[11]測(cè)定;蛋白酶活性采用茚三酮比色法測(cè)定;纖維素酶活性采用3，5-二硝基水楊酸法測(cè)定;過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍結(jié)溫度對(duì)團(tuán)聚體粒徑分布的影響

由圖1可知，隨著凍結(jié)溫度的降低，土壤 2～1 mm和0.5～0.25 mm粒徑范圍的團(tuán)聚體含量逐漸下降，1～0.5 mm和<0.25 mm粒徑范圍的團(tuán)聚體含量上升;凍融組2～1 mm和1～0.5 mm 粒徑范圍的團(tuán)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(tuán)聚體含量均高于未凍融組;隨著凍結(jié)溫度的降低，大團(tuán)聚體含量變化較大，而小團(tuán)聚體變化并不明顯。這說(shuō)明凍結(jié)溫度越低，凍融作用對(duì)大團(tuán)聚體的破壞作用越強(qiáng)，并且越利于向中級(jí)團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，這可能是在土壤凍結(jié)時(shí)，土壤孔隙中冰晶的膨脹打破了顆粒與顆粒之間的聯(lián)結(jié)，而有效地將土壤大團(tuán)聚體破碎成小團(tuán)聚體[12]。endprint

2.2 凍結(jié)溫度對(duì)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(jié)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(jìn)了硝化作用[13]和溶解性有機(jī)酸的釋放[7]，從而促進(jìn)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(yáng)離子的參數(shù)，土壤膠體微粒表面羥基（OH）的解離受介質(zhì)pH值的影響，當(dāng)介質(zhì)pH值降低時(shí)，土壤膠體微粒表面所載負(fù)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(guān)關(guān)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(jié)溫度處理中，土壤pH值隨著凍結(jié)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(jìn)一步導(dǎo)致CaCO3含量逐漸降低，Eh逐漸升高。目前，CEC隨凍結(jié)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(yáng)離子以土壤膠體（有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)膠體）為載體，有機(jī)質(zhì)的CEC遠(yuǎn)大于礦質(zhì)膠體，凍結(jié)溫度的變化可能引起了土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化，進(jìn)而影響了CEC。

2.3 凍結(jié)溫度對(duì)DOM、微生物量碳和腐殖質(zhì)的影響

土壤DOM及微生物量碳都屬土壤活性有機(jī)質(zhì)，受氣候影響較大，能在不同程度上反映土壤有機(jī)質(zhì)（碳）的有效性，指示土壤有機(jī)質(zhì)（碳）或土壤質(zhì)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(jié)溫度的降低，DOM含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)凍結(jié)溫度達(dá)到-35 ℃時(shí)，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(duì)微生物有滅殺作用，當(dāng)土壤凍結(jié)時(shí)微生物死亡，當(dāng)土壤融化時(shí)死亡微生物細(xì)胞內(nèi)所含的有機(jī)質(zhì)溶解釋放出來(lái)進(jìn)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(tuán)聚體破碎成小團(tuán)聚體，使得被土壤包裹吸附著的小分子物質(zhì)提前釋放出來(lái)，從而也增加了土壤DOM含量。由于溫度越低，土壤穩(wěn)定性團(tuán)聚體越少[3]，因而隨著凍結(jié)溫度的降低，DOM含量升高，且凍結(jié)溫度越低，微生物死亡量越多，更多胞內(nèi)有機(jī)質(zhì)釋放到土壤中，DOM含量隨之升高。與此同時(shí)，微生物死亡量增加會(huì)導(dǎo)致微生物量碳的減少。

腐殖酸是自然環(huán)境中廣泛存在的一類高分子物質(zhì)，是影響農(nóng)藥在土壤環(huán)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(gòu)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(biāo)志之一，比值越大，表明腐殖質(zhì)的品質(zhì)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(qiáng);凍融處理組中，隨著凍結(jié)溫度的降低，F(xiàn)A呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，HA和 HA/FA值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，凍融作用可以改善腐殖質(zhì)的品質(zhì)，并且凍結(jié)溫度越低，改善效果越好。

2.4 凍融作用對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤中一切生物化學(xué)過(guò)程的主要參與者，對(duì)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(guò)氧化氫酶的活性均降低;隨著凍結(jié)溫度降低，酶的活性下降。這是由于土壤酶主要來(lái)源于微生物[20]，凍融處理通過(guò)影響微生物活性而間接影響酶活性，土壤凍結(jié)時(shí)，部分土壤微生物受到低

溫脅迫死亡，凍結(jié)溫度越低，死亡微生物數(shù)量越多，因而導(dǎo)致產(chǎn)生的酶數(shù)量減少;土壤融化時(shí)，由于融化的時(shí)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(chǎn)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(shí)酶的活性才最高，高于或低于最適溫度，酶活性都會(huì)降低，凍結(jié)溫度越低，土壤酶活性受到的抑制越強(qiáng)烈，融化后酶的活性也難以恢復(fù)。

表1 凍結(jié)溫度對(duì)土壤FDA水解酶、蛋白酶、纖維素酶

和過(guò)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(guò)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(jié)論

研究結(jié)果表明，凍融溫度的變化影響了土壤的性質(zhì)，隨著凍結(jié)溫度的降低，凍融作用對(duì)大團(tuán)聚體的破壞作用越強(qiáng)，并且越利于向中小級(jí)團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化;土壤pH值、CaCO3含量升高，Eh、CEC降低，這是因?yàn)橄趸俾孰S著溫度的升高而增加，提供了更多H+，從而導(dǎo)致pH值、CaCO3、Eh、CEC發(fā)生相應(yīng)變化;凍融作用對(duì)微生物的滅殺作用及大團(tuán)聚體破壞越強(qiáng)烈，導(dǎo)致更多DOM釋放，在這個(gè)過(guò)程中，微生物量碳含量由于微生物的死亡而下降，從而導(dǎo)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(zhì)的品質(zhì)改善效果越好;FDA 水解酶、蛋白酶、纖維素酶和過(guò)氧化氫酶活性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，凍融作用可以直接或通過(guò)影響微生物而間接抑制酶活性。

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