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，主要分布在環北極及中、低緯度的高山和高原。在我國，受凍融影響的面積為776.48萬km2，約占全國陸地總面積的80.88%，凍土分季節凍土區和多年凍土區，其中多年凍土面積為219.33萬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，其余凍土為季節凍土。

    季節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和微生物活性，導致土壤的生物地球化學過程和速率發生變化，影響土壤營養物質的遷移和轉化。研究表明，在同一深度條件下，凍結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率，且凍融期電導率明顯高于消融期電導率。由于土壤中一切生物化學過程均在酶的催化作用參與下完成，土壤酶是土壤生物化學反應的催化劑，能夠促進土壤中有機質的分解，其活性反映出土壤中所存在的營養物質轉化、能量代謝等過程能力的方向和強度。作為土壤質量的一個指標，土壤酶敏感地反映出土壤質量、生態環境效應在時間序列和各種條件下的變化，凍融期土壤酶活性的波動會導致土壤物理性質和土壤行為的變化。

    目前，在全球變化研究領域內，已有的研究成果多注重植物生長期土壤有機碳的動態變化，較少考慮凍融作用下的土壤有機碳變化；已有的凍融研究成果其研究區也多限于三江平原濕地、松嫩平原黑土、西北地區不同覆蓋條件下的耕地，以及高原山區凍土帶，北方鹽堿土水田區土壤有機碳的研究較少。本文以吉林西部水田土壤作為研究對象，采取室內模擬凍融實驗手段，選取土壤脫氫酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶和脲酶作為評價指標，研究水稻土(0~30 cm)土壤有機碳( 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，對進一步認識北方季節性凍融期水稻土生態系統營養物質生物地球化學循環過程和機制，具有一定的指導意義和借鑒價值。

1研究區概況與研究方法

1.1研究區概況

    吉林西部位于東北及華北北部溫帶中一深季節凍土亞區，為松花江、嫩江、洮兒河與霍林河的交匯地帶，初凍一般發生在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。本文選擇典型農牧交錯地帶大安市大安灌區作為研究區，在灌區內選取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象，進行凍融作用下水田SOC及酶活性的剖面特征分析與相關性研究。

1.2樣品采集

    于2011年9月末進行樣品采集，樣品采集過程分為原狀土柱的采集和土壤樣品的采集，在樣地內按對角線法設置采樣點。于2011年9月末進行樣品采集，采樣前先剔除植物根及其它雜物，將長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構情況下，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，帶人實驗室進行模擬凍融實驗；同時用鐵鍬按0~10 cm、10～20 cm和20~30 cm分層取樣裝入采樣袋中帶至實驗室內進行土壤樣品初始理化性質的測定，見表l。

    將實驗土柱在室溫下培養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℃冰箱內冷凍培養12 h，再放人5℃生化培養箱內融化培養12 h，以此作為一個凍融循環周期。本次試驗共設定10個凍融循環，分別在循環0、2、4、6、8、10次后分層取土（記為FO、F2、F4、F6、F8、Fl0），土壤經風干處理研磨后，分別過1 mm和0.25 mm篩儲存，測定SOC與土壤酶活性，每個樣品重復3次。

1.3分析方法

    SOC采用重鉻酸鉀容量法一外加熱法測定。

    土壤酶活性的測定參考《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）；過氧化氫酶( catalase)測定中在5g干土中加入注入40 mL蒸餾水和5 mL 0.3% H202后震蕩30 min，酶促反應結束后，利用0.002 mol/L KMn04溶液滴定，利用單位土壤所消耗的KMn04量表示過氧化氫酶活性（mL KMn04／g干土）；脲酶( urease)采用靛酚藍比色法，酶活性以100 g土壤在38℃下培養3h釋放出NH4+-N的mg數表示（mgNH4+-N／（100 g干土·3h））。

1.4數據處理

    所有數據均采用SPSS 11.5和Microsoft Excel2010進行分析處理。

2結果與分析

2.1土壤有機碳在凍融作用下的垂直動態特征圖1是凍融作用下水田0~30 cm SOC動態變化，從圖l中可以看出，凍融作用對SOC含量影響明顯，隨著土壤凍融次數的增加，0~10 cm SOC呈現出先降低后增加的波動變化，在F4時SOC含量最大，但增幅僅為5.21%；10~20 cm SOC僅在F8時略有增長外均呈現出降低的趨勢，在Fl0時SOC含量最低，為16.94 g/kg，降低13.35%; 20~30 cm SOC的變化趨勢為先降低后增加，Fl0時SOC降低了17.4%達到15.70 g/kg。雖然凍融作用對各層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。

    凍融循環對SOC的影響程度隨著土壤深度而發生變化，SOC存在著不同程度的波動，造成這種現象主要有兩方面原因：一方面凍融過程中土壤的收縮與膨脹作用打破了有機質之間的連接鍵，使大團聚體向小團聚體碎化，從而使小分子量物質釋放。且凍融循環過程亦能破碎枯枝落葉和增加細根的死亡率，從而導致活性有機質的釋放。同時，凍融循環也具有殺菌作用，能殺死微生物，破壞微生物的細胞，釋放有機物，從而增加SOC含量。另一方面，凍融循環過程中，存活微生物的礦化作用開始不斷消耗原有可溶性有機物，SOC增量不斷減少，甚至呈現下降趨勢。目前，針對不同環境和實驗條件，凍融過程中SOC的變化還沒有明確，團聚體碎化作用和微生物的礦化作用同時存在，但何時占主導及其作用機理問題仍有待進一步研究。

    由于凍融作用對土壤營養物質的遷移轉化主要由地層內水分相變所決定，從圖2可看出凍融作用對土壤含水率影響顯著。在凍融過程中，土壤剖面結構發生變異，形成凍結層、似凍層和非凍結層。凍結時，土壤中的水分向凍層遷移，而融化時，由于地表蒸發，土壤中的水分又向地表強烈遷移，表層0~10 cm土壤含水率的增加，同時引起10～20 cm、20~30 cm土壤含水率的降低。凍結過程中，土壤水分的遷移過程帶動營養元素的運移，含水率的變化與SOC一致。

    在凍融初期，土壤含水率較高，溫度降低過程中，土壤中會有充足的水分向冰晶轉化，促進冰晶的生成，土壤空隙較大，促進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；而當凍融循環發生4次(F4)后，土壤中冰的含量占據了土壤空隙，使得水分在土壤中的運移空間減少，移動路徑增長，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態特征

    凍融作用對土壤酶活性的影響見圖3，可以看出所測4種土壤酶活性均隨著剖面的加深而逐漸減少，該結果與以往研究相同。這是由于土壤表層積累了較多的植物殘體和腐殖質，有機質含量較高，微生物的營養源豐富，水熱條件和通氣狀況相對較好，使微生物生長旺盛，呼吸強度加大而使表層的土壤酶活性較高。隨著土壤剖面的加深，有機質下降，pH增加，土壤地下生物量也隨之下降，微生物生長受到抑制，酶活性降低。

    脫氫酶屬于胞內酶，能催化有機物質脫氫，起著氫的中間轉化傳遞作用，可以作為微生物氧化還原系統的指標，能很好地表征土壤中微生物的氧化能力。凍融過程中，土壤脫氫酶呈現出先增加再降低的反復波動，在Fl0時其酶活性最高，各層分別增長了32.78%、69.54%和76.38%，達到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次循環結束后，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源于土壤微生物、植物根系分泌物及動植物殘體分解釋放的一種復合性酶。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、氨基酸、糖類、礦物等物質反應生成大小分子量不等的有機質和色素，完成土壤芳香族化合物循環，多酚氧化酶的活性與土壤腐殖質程度密切相關。在凍融作用下，土壤多酚氧化酶整體上呈現出下降的趨勢，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%。

    土壤過氧化氫酶是一種分布廣泛的酶，它能促進過氧化氫對化合物的氧化作用，破壞對生物體有毒的過氧化氫。其活性表征土壤腐殖化強度大小和有機質積累程度。土壤過氧化氫酶在凍融過程中呈波動變化，在9.23~9.76 mL KMnO4／g干土內改變，總體上變化不大。

    土壤脲酶是參與土壤生態系統氮循環的重要酶類之一，主要來源于微生物，其參與尿素的水解，并且該酶活性大部分存在于胞外酶，水解的最終產物氨是植物氮素營養的直接來源，其活性高低表征了土壤有機氮轉化狀況。凍融作用下，各層土壤脲酶均先增后減，最大值出現在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%。

    凍融循環不僅有殺菌作用，同時對土壤微生物和酶活性又有激活效應。在凍結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。雖然在凍融循環剛開始階段，凍融循環殺死了微生物，降低了土壤酶活性，但是凍融循環導致團聚體的破碎和微生物細胞的破裂增加了胞內酶向土壤的釋放，同時也增加了微生物與活性有機質的接觸面積，增加的活性有機碳為微生物提供了有效的碳源，從而促進了土壤酶活性的增加。

2.3土壤酶剖面特征與土壤有機碳特征指標的相

關性

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

    在凍融過程中，土壤含水率及水形態發生變化，土壤處于缺氧狀態，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，進而限制土壤有機質的降解。脫氫酶和過氧化氫酶為氧化還原酶，脫氫酶是一種以轉移一個或多個氫化物（H-）到一個受體的形式氧化一個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氧，而另一些則是傳遞給其它受體，其活性增加導致有機物的氧化還原反應加劇，SOC含量增加，其與有機碳相關性較好。在土壤冰層的凍結過程中，活動層處于局部厭氧環境。一旦土壤融化，氧氣會從活動層底部飽和水中溢出，造成缺氧狀態，從而殺死微生物降低酶活性，但土壤酶活性對凍融循環的響應是多樣的，目前針對凍融期土壤酶活性與土壤有機碳的影響機理研究還有待進一步探討。

3結論

    (1)凍融作用下，0~30 cm SOC、脫氫酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶和脲酶的垂直變化趨勢一致，表現為隨著土壤深度的增加，其含量遞減。

    (2)由于凍融過程中土壤水分的遷移帶動營養物質的運移，土壤含水率與有機碳均為0~10 cm含量增加，與此同時，10~20 cm和20~30 cm的含量呈現出隨凍融次數增加而逐漸降低的變化趨勢。

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

(4)統計分析凍融作用下SOC和4種酶活性的相關性，其表現為：脲酶>多酚氧化酶>脫氫酶>過氧化氫酶，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，影響土壤中有機碳的積累。

4摘要：

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