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土壤冻融循环实验：趋势，方法缺陷及改进建议 摘要：冻融循环可改变土壤的物理性质和微生物活性，但其对土壤功能的整体影响目前仍不清楚。本文主要就以下几个方面探讨了冻融循环对土壤的影响：土壤物理性质、微生物、碳氮变动规律、痕量气体释放和土壤高等生物。作者对大量研究文献中控制土壤冻融循环的操作方法进行了讨论，不管这些方法所说明的土壤冻融活动机理的价值，许多研究都应用了冻融循环周期、冻结速率和最低温度等指标，而这些指标通常与土壤剖面的温度变化无关。文章还讨论了模拟的土壤冻融期与实际土壤采样时间不同步的问题。关于土壤冻融循环进一步研究的建议有：保持土壤不同深度真实的温度变化，确定适当的土壤采样时间，考虑土壤表层相关因素的影响如秋季植被凋落物和春季过量的水。气候变化对土壤冻融循环的影响应被考虑，同时还应评价由此带来的土壤冻融循环变化会如何改变初级生产力。 关键词：碳 气候 冻融循环 微生物生物量 氮 雪 痕量气体 冬季 1导论 土壤冻结可显著影响土壤物理性质、微生物活性和群落组成。因此，土壤冻结可能会促进生态系统碳氮的淋溶损失，或在融化期促进痕量气体的排放，从而降低第一生产力。与此相反，也有研究表明土壤冻结可降低土壤紧凑性，加快养分从有机质中释放，从而提高第一生产力。关于气候变化影响土壤冻融循环而改变土壤养分变化规律的研究正日益增多。一系列方法被用于研究土壤增温，包括在生长室、野外、温室培养土壤，在土壤表层埋设加热管道和电缆，以及样地上方增温装置。在这些技术中，样地上方增温装置是最适合在有雪被的条件使用的，因为它可从上方融化积雪。但使用样地上方增温装置通常需要完整的一年，使得冬季和夏季的增温难以分离。 研究冬季气候变化对土壤的影响也有进行雪被移除或增加实验。减少雪被的厚度，会增加土壤冻结程度，从而增加碳氮磷的流失。尽管这些研究论证了雪被厚度对土壤过程的综合影响，但还需进一步进行机理性的研究，以揭示土壤冻结动态中何种因素对微生物功能和养分变化规律的影响最强烈。虽然一些微生物可以在土壤温度为－10℃时保持活性，但土壤呼吸强度会在接近0℃时出现显著下降，表明控制土壤呼吸的主要过程在冻结时发生剧烈改变，同时也观测到接近0℃时碳氮在土壤剖面中的迁移。由此得出，土壤冻结的时间很有可能对土壤年际碳氮平衡产生重要影响。但也文献指出，土壤冻融循环会破坏土壤微生物、植被凋落物和土壤团聚体的结构，因此冻融循环的频率和变化规律才是导致冬季生态系统碳氮损失的主要因素。 近些年来，有大量关于冻融循环对土壤的影响的详细研究被报道，但这些研究的结果很少达成一致。在一些研究中，土壤冻融循环的作用十分显著，而在另一些研究中，其影响却相对微小。而且，目前为止，反复的冻融循环会使其对土壤过程的影响是积累还是消散仍不清楚。在这里，作者认为这些研究所出现的不一致主要是因为它们使用的研究方法不同。不管这些研究在理解冻融循环对土壤影响机制上的贡献如何，许多研究都因其人工实验条件而降低可信度。本文简要地评论了当前土壤冻融循环研究的结果，讨论了它们应用的方法，并对未来的研究提出了改进建议。 2冻融循环对土壤的影响 2.1土壤物理性质 冻融循环会破坏土壤结构，在冬季的农业土壤中，已观测到土壤团粒密度和渗透阻力的降低。类似的还有在雪被移除实验中，由于增强了土壤冻结程度，导致土壤团聚体的物理破坏增大。在实验室控制培养实验中，冻融循环也降低了土壤团聚体的稳定性，尤其是在土壤水分含量较高的条件下，并且一系列冻融循环﹙三次至九次﹚的作用表现为积累。冻融循环对大型土壤团聚体的作用比对小型团聚体要更剧烈。由于冻融循环的作用，春季土壤融化时土壤侵蚀通常为年际峰值。 2.2微生物生物量和群落组成 土壤微生物在土壤冻结时仍可保持活性，但至少在部分生态系统中土壤微生物群落会有巨大的年际变化，表现为夏季细菌占优势，冬季真菌占优势。在有较厚雪被覆盖的条件下，使地表温度保持在0℃左右，土壤微生物的异养活动较没有雪被覆盖的情况活跃。在一部分生态系统中土壤微生物的大部分生物量都会被冻融循环破坏，而在另一些生态系统中，如高山及北极苔原，微生物对冻融循环有较强的抵抗力。冻融循环会改变土壤微生物群落组成已有确实的证据。冻融循环的次数也会对微生物造成不同的影响，在初始一次冻融时，土壤微生物的多样性会出现快速的下降，而微生物生物量的下降通常发生在最后一次冻融。 2.3可溶及不可溶碳和养分 冬季生态系统碳和养分的损失通常被归结为土壤冻融循环对植被凋落物、土壤有机质及土壤微生物的破坏作用。基于这一认识，一些研究进行了控制冻融循环的实验，得到结果是，增加了可溶有机质的损失，促进了矿质氮的流失而减少了可用的矿质氮。这些研究还发现，冻融循环可促进碳氮矿化，而至多三次冻融循环后这种促进作用就会减弱，表明受冻融循环影响的土壤部分是有限