翻譯-土壤凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)

1、土壤凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)：趨勢(shì)，方法缺陷及改進(jìn)建議摘要：凍融循環(huán)可改變土壤的物理性質(zhì)和微生物活性，但其對(duì)土壤功能的整體影 響目前仍不清楚。本文主要就以下幾個(gè)方面探討了凍融循環(huán)對(duì)土壤的影響：土壤 物理性質(zhì)、微生物、碳氮變動(dòng)規(guī)律、痕量氣體釋放和土壤高等生物。作者對(duì)大量 研究文獻(xiàn)中控制土壤凍融循環(huán)的操作方法進(jìn)行了討論，不管這些方法所說(shuō)明的土 壤凍融活動(dòng)機(jī)理的價(jià)值，許多研究都應(yīng)用了凍融循環(huán)周期、凍結(jié)速率和最低溫度 等指標(biāo)，而這些指標(biāo)通常與土壤剖面的溫度變化無(wú)關(guān)。文章還討論了模擬的土壤 凍融期與實(shí)際土壤采樣時(shí)間不同步的問(wèn)題。關(guān)于土壤凍融循環(huán)進(jìn)一步研究的建議 有：保持土壤不同深度真實(shí)的溫度變化，確定適當(dāng)?shù)耐寥啦蓸?/p>

2、時(shí)間，考慮土壤表 層相關(guān)因素的影響如秋季植被凋落物和春季過(guò)量的水。氣候變化對(duì)土壤凍融循環(huán) 的影響應(yīng)被考慮，同時(shí)還應(yīng)評(píng)價(jià)由此帶來(lái)的土壤凍融循環(huán)變化會(huì)如何改變初級(jí)生 產(chǎn)力。關(guān)鍵詞：碳 氣候 凍融循環(huán) 微生物生物量 氮 雪 痕量氣體 冬季1導(dǎo)論土壤凍結(jié)可顯著影響土壤物理性質(zhì)、微生物活性和群落組成。因此，土壤凍 結(jié)可能會(huì)促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)碳氮的淋溶損失，或在融化期促進(jìn)痕量氣體的排放，從而 降低第一生產(chǎn)力。與此相反，也有研究表明土壤凍結(jié)可降低土壤緊湊性，加快養(yǎng) 分從有機(jī)質(zhì)中釋放，從而提高第一生產(chǎn)力。關(guān)于氣候變化影響土壤凍融循環(huán)而改 變土壤養(yǎng)分變化規(guī)律的研究正日益增多。一系列方法被用于研究土壤增溫，包括 在生長(zhǎng)

3、室、野外、溫室培養(yǎng)土壤，在土壤表層埋設(shè)加熱管道和電纜，以及樣地上 方增溫裝置。在這些技術(shù)中，樣地上方增溫裝置是最適合在有雪被的條件使用的， 因?yàn)樗蓮纳戏饺诨e雪。但使用樣地上方增溫裝置通常需要完整的一年，使得 冬季和夏季的增溫難以分離。研究冬季氣候變化對(duì)土壤的影響也有進(jìn)行雪被移除或增加實(shí)驗(yàn)。減少雪被的 厚度，會(huì)增加土壤凍結(jié)程度，從而增加碳氮磷的流失。盡管這些研究論證了雪被 厚度對(duì)土壤過(guò)程的綜合影響，但還需進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)理性的研究，以揭示土壤凍結(jié) 動(dòng)態(tài)中何種因素對(duì)微生物功能和養(yǎng)分變化規(guī)律的影響最強(qiáng)烈。雖然一些微生物可 以在土壤溫度為一10C時(shí)保持活性，但土壤呼吸強(qiáng)度會(huì)在接近0C時(shí)出現(xiàn)顯著下 降，

4、表明控制土壤呼吸的主要過(guò)程在凍結(jié)時(shí)發(fā)生劇烈改變，同時(shí)也觀測(cè)到接近 0C時(shí)碳氮在土壤剖面中的遷移。由此得出，土壤凍結(jié)的時(shí)間很有可能對(duì)土壤年 際碳氮平衡產(chǎn)生重要影響。但也文獻(xiàn)指出，土壤凍融循環(huán)會(huì)破壞土壤微生物、植 被凋落物和土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)，因此凍融循環(huán)的頻率和變化規(guī)律才是導(dǎo)致冬季生 態(tài)系統(tǒng)碳氮損失的主要因素。近些年來(lái)，有大量關(guān)于凍融循環(huán)對(duì)土壤的影響的詳細(xì)研究被報(bào)道，但這些研 究的結(jié)果很少達(dá)成一致。在一些研究中，土壤凍融循環(huán)的作用十分顯著，而在另 一些研究中，其影響卻相對(duì)微小。而且，目前為止，反復(fù)的凍融循環(huán)會(huì)使其對(duì)土 壤過(guò)程的影響是積累還是消散仍不清楚。在這里，作者認(rèn)為這些研究所出現(xiàn)的不 一致主要

5、是因?yàn)樗鼈兪褂玫难芯糠椒ú煌?。不管這些研究在理解凍融循環(huán)對(duì)土壤 影響機(jī)制上的貢獻(xiàn)如何，許多研究都因其人工實(shí)驗(yàn)條件而降低可信度。本文簡(jiǎn)要 地評(píng)論了當(dāng)前土壤凍融循環(huán)研究的結(jié)果，討論了它們應(yīng)用的方法，并對(duì)未來(lái)的研究提出了改進(jìn)建議。2凍融循環(huán)對(duì)土壤的影響2.1 土壤物理性質(zhì)凍融循環(huán)會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，在冬季的農(nóng)業(yè)土壤中，已觀測(cè)到土壤團(tuán)粒密度和 滲透阻力的降低。類似的還有在雪被移除實(shí)驗(yàn)中，由于增強(qiáng)了土壤凍結(jié)程度，導(dǎo) 致土壤團(tuán)聚體的物理破壞增大。在實(shí)驗(yàn)室控制培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，凍融循環(huán)也降低了土 壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，尤其是在土壤水分含量較高的條件下，并且一系列凍融循環(huán) （三次至九次）的作用表現(xiàn)為積累。凍融循環(huán)對(duì)大型土壤

6、團(tuán)聚體的作用比對(duì)小型 團(tuán)聚體要更劇烈。由于凍融循環(huán)的作用，春季土壤融化時(shí)土壤侵蝕通常為年際峰 值。2.2微生物生物量和群落組成土壤微生物在土壤凍結(jié)時(shí)仍可保持活性，但至少在部分生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生 物群落會(huì)有巨大的年際變化，表現(xiàn)為夏季細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)，冬季真菌占優(yōu)勢(shì)。在有較 厚雪被覆蓋的條件下，使地表溫度保持在0C左右，土壤微生物的異養(yǎng)活動(dòng)較沒(méi) 有雪被覆蓋的情況活躍。在一部分生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物的大部分生物量都會(huì)被 凍融循環(huán)破壞，而在另一些生態(tài)系統(tǒng)中，如高山及北極苔原，微生物對(duì)凍融循環(huán) 有較強(qiáng)的抵抗力。凍融循環(huán)會(huì)改變土壤微生物群落組成已有確實(shí)的證據(jù)。凍融循 環(huán)的次數(shù)也會(huì)對(duì)微生物造成不同的影響，在初始一次

7、凍融時(shí)，土壤微生物的多樣 性會(huì)出現(xiàn)快速的下降，而微生物生物量的下降通常發(fā)生在最后一次凍融。2.3可溶及不可溶碳和養(yǎng)分冬季生態(tài)系統(tǒng)碳和養(yǎng)分的損失通常被歸結(jié)為土壤凍融循環(huán)對(duì)植被凋落物、土 壤有機(jī)質(zhì)及土壤微生物的破壞作用?；谶@一認(rèn)識(shí)，一些研究進(jìn)行了控制凍融循 環(huán)的實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)果是，增加了可溶有機(jī)質(zhì)的損失，促進(jìn)了礦質(zhì)氮的流失而減少 了可用的礦質(zhì)氮。這些研究還發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)可促進(jìn)碳氮礦化，而至多三次凍融 循環(huán)后這種促進(jìn)作用就會(huì)減弱，表明受凍融循環(huán)影響的土壤部分是有限的。各樣 地間，凍融循環(huán)對(duì)氮礦化的影響存在較大差異。有研究認(rèn)為，在更溫和的凍融循 環(huán)條件下，受影響的可溶性碳氮的庫(kù)很小，由凍融循環(huán)造成的碳

8、氮損失對(duì)全年的 碳氮平衡幾乎沒(méi)有影響。在雪被移除實(shí)驗(yàn)中，增強(qiáng)土壤凍結(jié)程度加劇了土壤磷的損失。而在土壤凍融 循環(huán)控制培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，不可溶磷的總量有所增加?？扇芰自趦鋈谘h(huán)后出現(xiàn)的損 失，可能是來(lái)自植物組織而非土壤本身，但目前土壤控制培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)還未能直接觀 測(cè)到凍融循環(huán)造成的可溶磷可用性的變化。2.4痕量氣體排放在大量生態(tài)系統(tǒng)中都有發(fā)現(xiàn)土壤呼吸效應(yīng)在土壤融化時(shí)激增的現(xiàn)象，包括森 林、農(nóng)田、溫帶草原、苔原和高山草甸。但在土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)一系列土壤凍 融循環(huán)后，CO排放的增量會(huì)降低。雖然有觀測(cè)到土壤融化時(shí)CH的排放會(huì)增強(qiáng)， 但也有研究顯示，用原狀土芯法CH的排放沒(méi)有受到凍融循環(huán)的影響。.、.4.一 .在

9、土壤融化時(shí)也有觀測(cè)到旺盛的N O排放，土壤凍融循環(huán)控制培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和清2除土壤覆蓋物使之經(jīng)歷高頻度的凍融循環(huán)，都會(huì)增強(qiáng)土壤NO排放。不可溶有機(jī) .一一 一. 2、-碳的可用性可以部分地解釋土壤融化時(shí)N2O的排放。當(dāng)土壤溫度高于0。幾度后， 由于NO還原酶活性的降低，NO排放會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)镹的排放。NO排放的增量在一系 列凍融循環(huán)中可以維持，但在末期會(huì)下降。在不同樣地，因優(yōu)勢(shì)植被種群不同， NO的排放受凍融循環(huán)的有限程度也有較大差異。22.5 土壤高等生物土壤凍融循環(huán)會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的直接作用，因其會(huì)改變土壤物理性質(zhì) 和養(yǎng)分可用性，但這一假設(shè)還缺乏詳細(xì)的檢驗(yàn)。植物根系的受損更有可能發(fā)生在 極端低溫情況

10、下，而不是受凍融循環(huán)的影響。相似的，土壤小型動(dòng)物和越冬昆蟲 也對(duì)低溫更敏感而非凍融循環(huán)。3凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)中常見(jiàn)問(wèn)題盡管在野外可以進(jìn)行增溫和雪被移除實(shí)驗(yàn)等，以改變土壤凍融循環(huán)的變化規(guī) 律，大多數(shù)控制實(shí)驗(yàn)還是在培養(yǎng)箱或生長(zhǎng)室中，使用均質(zhì)土或微宇宙/中宇宙完 成（表1）。關(guān)于凍融循環(huán)的控制該如何進(jìn)行操作并沒(méi)有取得一致，大量不同的 實(shí)驗(yàn)方法也就解釋了為什么這些研究會(huì)得出不一致甚至相反的結(jié)論。并且人工控 制的土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)也降低了凍融處理的真實(shí)性。3.1表層土壤的凍融周期、凍結(jié)速率和最低溫度由人工控制的土壤凍融周期通常與自然條件下不一致（圖1 ）。為說(shuō)明這一 點(diǎn)，圖1（a）給出了一個(gè)樣地土壤剖面自早秋至晚春

11、的溫度變化情況。土壤表 層溫度變化有以下幾個(gè)階段：在秋季與氣溫變化符合，持續(xù)在5 15C范圍內(nèi) 波動(dòng)；在初冬由于雪被的覆蓋，保持在低于5C；在冬季中期，因反復(fù)融化 而溫度波動(dòng)；有雪被覆蓋又停止波動(dòng)；在春季土壤融化后，受氣溫影響又持 續(xù)波動(dòng)，有時(shí)會(huì)高于20C?？傊?，這一樣地的土壤溫度變化代表了一種極端狀 況，因?yàn)閿?shù)據(jù)來(lái)自與裸露土壤，缺乏植被及其凋落物的遮蔽，以阻隔日間陽(yáng)光照 射增溫和夜間散熱。而就算在5cm深處，土壤溫度的變化也不像表層那樣明顯， 當(dāng)氣溫大大低于0C時(shí)這里的大部分土壤也沒(méi)有凍結(jié)。雖然亞表層的土壤在更寒 冷的氣候中肯定會(huì)凍結(jié)，尤其是在缺少雪被覆蓋的情況下，但通過(guò)觀察一系列冬 季溫度

12、和降水差異較大的樣地，發(fā)現(xiàn)5cm深度土壤的溫度變化范圍還是比較小的 （圖2），說(shuō)明土壤亞表層溫度變化與氣溫變化的相關(guān)性差。多數(shù)控制實(shí)驗(yàn)中，氣溫的變化的幅度設(shè)定為15 30C，與野外觀測(cè)的數(shù)據(jù) 相似。雖然這種變化幅度能代表沒(méi)有雪被覆蓋時(shí)土壤表層的狀況，但多數(shù)實(shí)驗(yàn)中 土壤采樣都有10 20cm深，由于土壤容量很小，使得在培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中土壤溫 度迅速與氣溫一致，而使亞表層土壤暴露于現(xiàn)實(shí)情況中不存在的劇烈溫度變化 中。在培養(yǎng)箱為上下同時(shí)凍結(jié)時(shí)，這一問(wèn)題更加嚴(yán)重，使亞表層土壤的溫度變化 大大超出自然觀測(cè)數(shù)據(jù)。以Grogan等人2004年的實(shí)驗(yàn)為例，他們用兩天一15 至20C的溫度變化處理土芯（直徑21

13、24cm，深12 17cm ），觀測(cè)到土芯最大 7至10C的溫度變化。許多培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中使用的土壤容量更小，會(huì)導(dǎo)致更大的土 壤溫度變化。在凍融循環(huán)控制實(shí)驗(yàn)中，較小的土壤容量和上下同時(shí)凍結(jié)的培養(yǎng)箱， 造成了人為的快速溫度變化。有證據(jù)顯示，在相同溫度范圍內(nèi)，土壤微生物對(duì)快 速凍結(jié)比緩慢凍結(jié)更敏感。與此相反，快速的凍結(jié)導(dǎo)致形成較小的冰品，從而減弱了對(duì)土壤團(tuán)聚體的物理破壞。另外，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤培養(yǎng)，常使土壤溫度和 氣溫高度保持一致，即使氣溫的最低溫度在現(xiàn)實(shí)中可能出現(xiàn)，也會(huì)使土壤經(jīng)受嚴(yán) 酷的低溫。幾乎一半的研究都將最低溫度設(shè)定為一20。，在現(xiàn)實(shí)中如有較厚雪被 覆蓋，這樣的低溫很少出現(xiàn)，并且其對(duì)多數(shù)土壤生物

14、是致命的。總之，先前的諸多研究提供了關(guān)于凍結(jié)可破壞土壤結(jié)構(gòu)和土壤生物方面的有 用信息。但是，在土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，處理10 20cm深度土壤時(shí)，凍結(jié)溫度過(guò)低， 凍結(jié)速率過(guò)快，從而可能夸大了凍融循環(huán)的作用。并且，各個(gè)研究中使用的溫度 范圍相差很大，導(dǎo)致所報(bào)道的結(jié)果相差也較大。如果實(shí)驗(yàn)設(shè)定的凍融周期較長(zhǎng)， 那么凍融循環(huán)的作用也比較明顯，若凍融周期較短，則其影響也較小。日DueJdiil-ubMdr30圖 1(a)灰色線為氣溫，細(xì)黑線為土壤表層溫度，粗黑線為土壤5cm深度處溫度。數(shù) 據(jù)來(lái)源為加拿大安大略省環(huán)境科學(xué)野外觀測(cè)站(43 04, N，81 20，W )的裸露 土壤觀測(cè)數(shù)據(jù)。帶圈數(shù)字表土壤凍結(jié)變化

15、過(guò)程中不同階段。3.2凍融循環(huán)的次數(shù)與頻率與凍融循環(huán)的周期不同，在已有的研究中很少關(guān)注凍融循環(huán)的次數(shù)，實(shí)驗(yàn)通 常都少于5次，最常用的是只有一次。進(jìn)行這樣少次數(shù)的凍融循環(huán)，增大了觀測(cè) 不到多次凍融循環(huán)作用積累現(xiàn)象的可能性，而這種現(xiàn)象在自然狀況的寒冷季節(jié) 中，至少在土壤表層是很典型的。多倍的凍融循環(huán)效用可能會(huì)改變年際的凍融循 環(huán)次數(shù)，也是研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)氣候變化響應(yīng)的重要內(nèi)容，但目前為止，氣候變化 對(duì)凍融循環(huán)頻率和強(qiáng)度的影響仍不清楚。冬季增溫造成的十暖效應(yīng)，可能會(huì)減少 雪被覆蓋厚度，從而增加凍融循環(huán)的頻率。與此相反，更加濕冷的冬季會(huì)增加雪 被厚度，使土壤表層溫度維持接近0C，導(dǎo)致凍融循環(huán)次數(shù)增加。氣

16、候變化會(huì)增 大極端天氣事件的可能性，可能會(huì)增加冬季中期土壤融化的頻率。所以，設(shè)計(jì)凍 融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行當(dāng)前氣候條件下和預(yù)測(cè)的未來(lái)氣候狀況下的比較，將是十分有 意義的。在目前研究中，凍融循環(huán)進(jìn)行的時(shí)間長(zhǎng)度也有顯著不同。許多實(shí)驗(yàn)的凍融循 環(huán)維持了 1一2天，以模擬持續(xù)的氣溫波動(dòng)。也有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一周或更長(zhǎng)的凍融循 環(huán)，以模擬冬季中期或春季較長(zhǎng)時(shí)間的土壤凍結(jié)或融化。這種較長(zhǎng)時(shí)間的凍融循 環(huán)及其積累效應(yīng)，在很大程度上不同于短期凍融循環(huán)的影響。Winter等人于1994 年曾報(bào)導(dǎo)，經(jīng)歷7天凍結(jié)處理的土壤微生物生物量要高于1天凍結(jié)處理的結(jié)果， 這可能是由于更長(zhǎng)時(shí)間的凍結(jié)加大了對(duì)土壤團(tuán)聚體的破壞，從而提高了氯仿熏

17、蒸 /萃取的效果。3.3 土壤采樣時(shí)間用于進(jìn)行凍融實(shí)驗(yàn)的土壤，其采樣時(shí)間各不相同，春季、夏季、秋季都有（表 1）。然而，近一半的研究沒(méi)有說(shuō)明其土壤采樣的時(shí)間。也就是說(shuō)，這些研究假 定任何季節(jié)的土壤對(duì)凍融循環(huán)的響應(yīng)方式都是相似的。但這一假設(shè)很可能是不正 確的，比如土壤微生物群落的組成及其對(duì)溫度的耐受力，就有較大的季節(jié)差異。 在春季采樣的土壤，已經(jīng)經(jīng)歷了若干次凍融循環(huán)，比在秋季采樣的土壤可能已濾 去了易受凍融循環(huán)影響的微粒。4 土壤凍融循環(huán)研究改進(jìn)建議4.1保持土壤不同深度真實(shí)的溫度變化土壤凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)的溫度控制方法需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)，以減小土壤表層下的劇 烈溫度波動(dòng)。在野外樣地，可以用上方增溫裝置來(lái)

18、融化凍結(jié)的土壤。如果是在偏 遠(yuǎn)地區(qū)缺少電力，可用原狀土芯法將土壤運(yùn)送到有相似凍結(jié)條件的地區(qū)，再用上 方增溫裝置處理。如果在生長(zhǎng)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可在土芯側(cè)面和底部加裝隔熱材料， 或使用足夠大容量的土壤樣品，以減少人工凍結(jié)的不合理性。冰柜的溫度設(shè)定也 應(yīng)調(diào)整到，能夠反映有雪被覆蓋情況時(shí)土壤的最低溫度。用來(lái)評(píng)價(jià)凍融循環(huán)效果的控制實(shí)驗(yàn)也應(yīng)設(shè)計(jì)的更加精細(xì)。通常，凍融循環(huán)的 對(duì)照實(shí)驗(yàn)是持續(xù)凍結(jié)或保持不凍結(jié)。如果能使對(duì)照實(shí)驗(yàn)的溫度與凍融處理的平均 溫度相匹配，或進(jìn)行單次凍融循環(huán)與多重凍融循環(huán)的對(duì)照，能獲得更有用的信息。4.2 土壤采樣時(shí)間正如前文所述，土壤采樣的時(shí)間應(yīng)與研究所模擬的土壤凍融循環(huán)的季節(jié)一 致。模擬春季時(shí)的凍融循環(huán)就不應(yīng)使用夏季的采樣，因其土壤有機(jī)質(zhì)性質(zhì)和微生 物群落組成都不能代表春季的狀況。如果一些地區(qū)在晚秋及早春不便于采樣（如 高緯度的偏遠(yuǎn)地區(qū)），可在生長(zhǎng)室模擬秋季或冬季的條件培養(yǎng)土芯，逐漸降低溫 度并減少日長(zhǎng)，再進(jìn)行凍融處理。凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)還應(yīng)考慮相應(yīng)季節(jié)中土壤表面的生態(tài)因子。例如，研究秋季的 凍融循環(huán)，就要考慮新鮮植被凋落物的影響，因?yàn)楫?dāng)其中的碳淋溶進(jìn)入土壤時(shí)可 改變土壤微生物的活性。并且，植被結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)土壤凍融循環(huán)的程度，植被凋