土壤凍融交替的自然機(jī)制

土壤凍融交替的自然機(jī)制

全球變化是人類(lèi)面臨的主要挑戰(zhàn)，也是國(guó)際社會(huì)公認(rèn)的全球環(huán)境問(wèn)題。主要原因是，近年來(lái)，一些溫室氣體的濃度顯著增加。其中大氣中CO2、CH4和N2O的濃度增加對(duì)增強(qiáng)溫室效應(yīng)的總貢獻(xiàn)率占了近80%(Kiehl&Trenberth,1997),是溫室效應(yīng)的主要貢獻(xiàn)者,并且其大氣濃度仍分別以年均0.5%、0.8%和0.3%的速率在增長(zhǎng)(IPCC,2007)。土壤是這3種溫室氣體重要的排放源,大氣中每年有近5%～20%的CO2,15%～30%的CH4和60%～80%的N2O來(lái)源于土壤(IPCC,2007)。土壤凍融交替是中、高緯度和高海拔地區(qū)常見(jiàn)的自然現(xiàn)象,主要是由于季節(jié)或晝夜溫度的變化使得土壤出現(xiàn)反復(fù)凍結(jié)-融化過(guò)程。凍融過(guò)程不僅改變了土壤的水熱條件(李瑞平等,2007;劉帥等,2009),而且影響土壤的理化性質(zhì)和微生物活性,導(dǎo)致土壤的生物地球化學(xué)過(guò)程速率發(fā)生變化(Fengetal.,2007;Henry,2007;孫輝等,2008;周旺明等,2008)。研究表明,凍融區(qū)土壤是溫室氣體的重要排放源,凍融期土壤溫室氣體的排放量在全年總排放量中占有重要的份額(宋長(zhǎng)春等,2005;Morkvedetal.,2006;Wuetal.,2010)。特別是N2O,凍融期的排放量可占全年排放量的80%以上(Goldbergetal.,2009)。我國(guó)是世界第三大凍土國(guó),其中土壤凍深大于0.5m的季節(jié)性?xún)鐾撩娣e約443萬(wàn)km2,占國(guó)土面積的46.3%(趙其國(guó)等,1993)。在全球變暖條件下,部分地區(qū)的土壤環(huán)境將經(jīng)受更廣泛和頻繁的凍融交替作用(Walkeretal.,2006;Matzner&Borken,2008),這會(huì)對(duì)凍土生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生很大影響,導(dǎo)致長(zhǎng)期儲(chǔ)存在凍土中的有機(jī)質(zhì)以CO2、CH4和N2O等溫室氣體的形式排放,從而又進(jìn)一步促進(jìn)了氣候變暖。目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于土壤溫室氣體排放量的研究多集中于植物生長(zhǎng)季和作物耕種期,而對(duì)冰雪覆蓋期和凍融期的土壤溫室氣體排放及其影響機(jī)制關(guān)注較少。因此,本文主要介紹凍融作用對(duì)土壤主要溫室氣體產(chǎn)生與排放的影響及其影響機(jī)制,并討論目前土壤凍融研究中存在的問(wèn)題和今后的研究重點(diǎn)。1凍融作用對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響大量的野外原位觀測(cè)表明,土壤凍融交替過(guò)程中CO2排放通量增大的現(xiàn)象在許多生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在,包括高寒草甸(Katoetal.,2005)、北方針葉林(Goldbergetal.,2009)、農(nóng)田(D?rschetal.,2004)、苔原(Mikanetal.,2002)、泥炭地(Bubieretal.,2002)等。在我國(guó)三江平原地區(qū),Song等(2006)發(fā)現(xiàn)沼澤濕地在土壤凍融季節(jié)也有明顯的CO2排放高峰出現(xiàn)。一些土壤室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,CO2排放通量的增加幅度逐漸減小(Lipsonetal.,1999;Prieme&Christensen,2001)。而與全年總排放量相比,凍融期CO2排放量所占的比重不大。D?rsch等(2004)根據(jù)野外農(nóng)田觀測(cè)實(shí)驗(yàn)估算了凍融期的CO2排放量約為180kgC·hm-2,僅占其全年排放量的5%左右。雖然野外實(shí)驗(yàn)也觀測(cè)到了CH4的排放強(qiáng)度在凍融期增大(Heyeretal.,2002;宋長(zhǎng)春等,2005),但原狀土柱室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明,CH4通量變化受凍融作用的影響較小(Prieme&Christensen,2001)。與CO2一樣,野外(D?rschetal.,2004;Reginaetal.,2004;Wuetal.,2010)和室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)(Kurganovaetal.,2004;Ludwigetal.,2004)都證實(shí)土壤凍融作用可導(dǎo)致N2O排放量增加,并且可以持續(xù)數(shù)個(gè)凍融循環(huán),但土壤N2O排放量的增加幅度隨著凍融循環(huán)的次數(shù)增加而減小(Koponen&Martikainen,2004;Teepe&Ludwig,2004)。雖然土壤凍融作用已經(jīng)被證實(shí)會(huì)促進(jìn)土壤溫室氣體排放,但在目前的研究中,其排放量增加的數(shù)量存在較大的差異,特別是不同生態(tài)系統(tǒng)之間。在農(nóng)田土壤室內(nèi)凍融模擬實(shí)驗(yàn)中,單個(gè)凍融循環(huán)周期的N2O排放量在1～350gN·hm-2(Prieme&Christensen,2001;Koponen&Martikainen,2004;Kurganovaetal.,2004)。野外觀測(cè)結(jié)果的差異也很大,同樣是農(nóng)田土壤,D?rsch等(2004)測(cè)得的凍融期N2O排放量約為0.7kgN·hm-2,而Flessa等(1995)的結(jié)果為4.5kgN·hm-2,約占全年排放量的46%。Papen和Butterbach-Bahl(1999)基于多年高頻率連續(xù)觀測(cè)估算了德國(guó)H?glwald云杉林地土壤在凍融期N2O的排放量約為2.5kgN·hm-2,是目前野外森林土壤報(bào)道的最大值。造成這些差異的主要原因是土壤類(lèi)型的不同和土壤理化性質(zhì)以及微生物活性的空間異質(zhì)性。另外,凍結(jié)溫度、凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)、凍融循環(huán)次數(shù)以及凍結(jié)前土壤水分含量都影響土壤凍融交替過(guò)程中溫室氣體的產(chǎn)生與排放(王連峰等,2007;Matzner&Borken,2008)。一般情況下,凍結(jié)溫度越低,凍結(jié)時(shí)間越長(zhǎng),凍結(jié)前土壤水分含量越高,在凍融交替過(guò)程中排放的溫室氣體就越多,但其排放增量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小。Goldberg等(2008)在3種不同凍結(jié)溫度條件下(-3℃,-8℃和-13℃)模擬凍融交替,結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)強(qiáng)凍處理(-13℃)的土壤在凍融交替過(guò)程中排放的CO2顯著高于其他溫度處理。Teepe等(2004)測(cè)定了不同凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)和凍結(jié)前4個(gè)不同土壤水分含量條件下農(nóng)田土壤凍融期N2O排放量的差異,結(jié)果表明,當(dāng)凍結(jié)前土壤孔隙水含量為64%時(shí),凍融期N2O排放量最大,而當(dāng)土壤孔隙水含量為76%條件下,凍融期N2O排放量明顯減少,其主要原因是在土壤水分含量過(guò)高的厭氧條件下,N2/N2O的比例增大。另外,該研究結(jié)果顯示,經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)凍結(jié)時(shí)間(10d左右)后的融化時(shí)期N2O排放量要顯著大于短期凍結(jié)(<7d)后的結(jié)果。2冷融作用影響了土壤溫度中氣體的產(chǎn)生和排放2.1凍融作用對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響凍融作用通過(guò)土壤物理性狀的改變主要從2個(gè)方面影響溫室氣體的產(chǎn)生與排放,一是改變土壤團(tuán)聚體的大小和穩(wěn)定性,導(dǎo)致團(tuán)聚體的破碎,并隨之釋放出大量的活性有機(jī)碳供微生物利用,從而促進(jìn)礦化和反硝化等作用(?quistetal.,2004;Morkvedetal.,2006);另一方面,凍結(jié)的土壤顆粒表面覆蓋了一層薄冰膜,降低了土壤的通透性,不僅阻止了氧氣進(jìn)入土壤,使土壤處于厭氧環(huán)境促進(jìn)了反硝化作用,而且也阻礙了土壤中產(chǎn)生的氣體向外擴(kuò)散,從而聚積在土壤中并在土壤融解期時(shí)形成排放高峰(Teepeetal.,2001;Koponenetal.,2004)。Oztas和Fayetorbay(2003)研究表明,凍融作用降低土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,破壞程度主要受土壤類(lèi)型、團(tuán)聚體大小、土壤含水量、凍結(jié)溫度和凍融循環(huán)次數(shù)等因素的影響。凍融作用對(duì)大團(tuán)聚體穩(wěn)定性的破壞程度大于微團(tuán)聚體(Sixetal.,2004),在出現(xiàn)連續(xù)凍融循環(huán)的情況下,其破壞作用具有累積效應(yīng)(Oztas&Fayetorbay,2003),并且破壞作用還隨著土壤凍結(jié)前水分含量的升高而增加(?quistetal.,2004)。Lehrsch等(1991)則認(rèn)為,由凍結(jié)導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的升高或降低應(yīng)該綜合考慮土壤的凍結(jié)過(guò)程。在土壤凍結(jié)過(guò)程中,由于土壤水會(huì)向凍層移動(dòng),使得一部分土壤變得更濕潤(rùn)而另外部分則趨于干燥。在濕潤(rùn)部分形成的冰晶顆粒會(huì)在土壤孔隙中擴(kuò)張,從而減弱土粒間的結(jié)合力并破壞土壤團(tuán)聚體;而干燥則會(huì)引起土粒的收縮,從而增強(qiáng)土粒間的結(jié)合力。因此,凍融作用對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響應(yīng)該考慮這2個(gè)相反過(guò)程的綜合效應(yīng)。vanBochove等(2000)的研究顯示,凍融作用使得微團(tuán)聚體含量明顯增加,其增量比大團(tuán)聚體高57%,與此同時(shí),土壤礦化作用和反硝化作用增強(qiáng)了95%,而N2O的排放量增加了2倍以上。另外,由于反硝化作用是土壤凍融交替過(guò)程中N2O產(chǎn)生的主要過(guò)程(Ludwigetal.,2004;?quistetal.,2004),土壤凍結(jié)層的形成促進(jìn)了反硝化作用,并使得在未凍底土中產(chǎn)生的N2O在冰凍表土下封存累積。Teepe等(2001)認(rèn)為,土壤融解期的N2O排放高峰主要來(lái)源于表層濕潤(rùn)土壤產(chǎn)生和土壤下表面擴(kuò)散。2.2凍融期大量細(xì)根的死亡由于土壤凍融作用會(huì)造成部分植物根系的死亡,在其腐爛和降解的過(guò)程中會(huì)促進(jìn)土壤碳、氮循環(huán),從而釋放出更多的溫室氣體。Tierney等(2001)對(duì)美國(guó)次生闊葉林的研究表明,凍融作用會(huì)導(dǎo)致植物細(xì)根(直徑<1mm)的死亡率顯著增加,死亡根系的生物量大約為30g·m-2,這大致相當(dāng)于15gC·m-2。而Fitzhugh等(2001)在對(duì)該樣地的另一研究中也證實(shí),凍融期大量細(xì)根的死亡是導(dǎo)致土壤中碳、氮和磷等含量升高的重要原因。這不僅僅是由于根系的物理?yè)p傷,更主要來(lái)自于冰凍對(duì)根系細(xì)胞的破壞(Cleavittetal.,2008)。Reuss等(1998)在阿拉斯加苔原帶針葉林的研究也顯示大量細(xì)根在土壤凍融過(guò)程中死亡,增加了土壤中的有機(jī)質(zhì)。根系腐爛和降解對(duì)土壤氮礦化作用的影響主要取決于凈礦化速率和根系碳氮含量的比例(Matzner&Borken,2008)。Tierney等(2001)估算了在凍融期植物細(xì)根的死亡會(huì)導(dǎo)致大約0.5gN·m-2的額外釋放,該釋放量相當(dāng)于觀測(cè)樣地的年均大氣N沉降量。另外,凍融期植物根系的死亡也會(huì)減少植物對(duì)土壤中養(yǎng)分的吸收,從而使得土壤中NH+4和NO-3等含量增加,并最終在促進(jìn)N2O排放的同時(shí)也抑制了CH4的氧化過(guò)程(Groffmanetal.,2006)。2.3凍融作用ch4對(duì)殘余微生物的影響凍融作用一般可通過(guò)改變土壤通透性,土壤水熱變化速率以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移等而影響微生物的生物量和活性(Jarvisetal.,1996)。另外,凍融作用還可以殺死土壤中的一些微生物并釋放出碳、氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),從而增強(qiáng)了殘余土壤微生物的活性,使得融化期排放的CO2和N2O增多(Herrmann&Witter,2002;Sharmaetal.,2006)。Larsen等(2002)研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)后存活的微生物數(shù)量顯著減少,并且物種多樣性也明顯降低。Feng等(2007)利用磷脂脂肪酸分析方法(PLFA)對(duì)凍融過(guò)程中微生物量進(jìn)行了監(jiān)測(cè),結(jié)果表明,低溫凍結(jié)(-15℃)使真菌數(shù)量大幅減少,但對(duì)細(xì)菌數(shù)量影響不大。D?rsch等(2004)的研究顯示,在土壤凍結(jié)期,微生物量急劇減少,但在融化期微生物量很快恢復(fù)到原有水平,表明在凍結(jié)過(guò)程中死亡的微生物為殘余微生物提供了新的碳源與能量。Herrmann和Witter(2002)利用14C示蹤技術(shù)研究了凍融過(guò)程中CO2的產(chǎn)生過(guò)程,結(jié)果表明在土壤融化期排放的CO2中,約65%是由于死亡微生物降解而生成的。Sharma等(2006)研究表明,凍融作用不僅增強(qiáng)了殘余微生物的活性,還促進(jìn)了其反硝化基因的表達(dá),從而增加融化期CO2和N2O的排放。而Wagner等(2003)在西伯利亞Lena三角洲苔原地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn),CH4的排放量與凍土層中微生物的甲烷產(chǎn)生與氧化過(guò)程密切相關(guān),由于凍土融化層的加深增加了微生物的數(shù)量與活動(dòng)空間,增強(qiáng)了微生物的活性,使得CH4排放量與凍土融化深度顯著正相關(guān)。盡管凍融作用會(huì)導(dǎo)致一些生態(tài)系統(tǒng)(例如農(nóng)田、森林等)的土壤微生物大量死亡(Papen&Butterbach-Bahl,1999;D?rschetal.,2004;Bolteretal.,2005),但另有研究表明,由于對(duì)低溫環(huán)境的長(zhǎng)期適應(yīng),高山和苔原土壤微生物可在凍融過(guò)程中呈現(xiàn)較高的抗性(Groganetal.,2004;Lipson&Schmidt,2004)。另外,凍融作用除了可以影響土壤微生物數(shù)量之外,還可以改變土壤微生物的群落組成與結(jié)構(gòu)(Larsenetal.,2002;Schadtetal.,2003;Sharmaetal.,2006)。Schadt等(2003)對(duì)苔原土壤微生物季節(jié)性變化的研究表明,低溫凍融對(duì)土壤微生物量影響不大,但微生物群落組成由夏季以細(xì)菌為主轉(zhuǎn)變?yōu)槎疽哉婢鸀橹鳌?.4對(duì)土壤凍融作用的影響由于土壤凍融作用對(duì)植物凋落物和根系,土壤團(tuán)聚體以及土壤微生物的破壞和影響,引起土壤溶液中可溶性物質(zhì)增加,導(dǎo)致土壤養(yǎng)分更容易以溶液(NH+4、NO-3、可溶性有機(jī)碳氮)或氣體(CO2、N2O、NO)等形式流失。大量研究表明,凍融循環(huán)使得土壤中NO-3等含量顯著增加,從而有利于硝化和反硝化過(guò)程(Fitzhughetal.,2001;Mülleretal.,2002,2003;Callesenetal.,2007)。Wang和Bettany(1993)對(duì)農(nóng)田土壤的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示,凍融作用可增加土壤溶液中可溶性有機(jī)碳(DOC)含量并促進(jìn)CO2排放。而由于施肥使得土壤養(yǎng)分增加也是導(dǎo)致農(nóng)田土壤在凍融循環(huán)過(guò)程中N2O等的排放量要明顯高于其他土地類(lèi)型的重要原因之一。另外,凍融作用對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)礦化作用有著重要影響,這不僅僅是源于微生物數(shù)量的變化,更主要的是由于凍融作用對(duì)酶的激活效應(yīng)(關(guān)松蔭,1986)。土壤酶在土壤凍結(jié)條件下并不完全純化,其活性在融化期顯著增強(qiáng),加快土壤有機(jī)質(zhì)礦化速度,從而產(chǎn)生大量的可供生物利用的無(wú)機(jī)氮、低分子量有機(jī)碳以及礦質(zhì)態(tài)化合物等(Ivarson&Sowden,1970;Chengetal.,1971)。Müller等(2003)對(duì)德國(guó)草地土壤的室內(nèi)凍融模擬實(shí)驗(yàn)表明在土壤融化期,氧化亞氮還原酶的活性隨著土壤溫度的升高而逐漸增強(qiáng)。目前,大部分研究普遍證實(shí)凍融作用可以促進(jìn)農(nóng)田或草地土壤在融化期的氮礦化作用(Herrmann&Witter,2002;Mülleretal.,2002),這可能是由于這些土壤的pH值較高或C/N比值較小(Matzner&Borken,2008)。但對(duì)于森林、極地苔原和高山草甸等類(lèi)型的土壤,凍融作用是否也促進(jìn)了土壤氮礦化作用仍未達(dá)成共識(shí)。Grogan等(2004)對(duì)極地苔原土壤的研究發(fā)現(xiàn)凍融作用可以顯著提高土壤氮礦化速率,然而同樣是極地苔原土壤,Larsen等(2002)的研究結(jié)果顯示,與對(duì)照相比,凍融循環(huán)抑制了土壤氮礦化作用。另外,土壤含水量、土壤凍結(jié)溫度、土壤類(lèi)型以及凍融循環(huán)次數(shù)都是影響凍融過(guò)程中土壤礦化作用的重要因子(Bullocketal.,1988;Hassink,1992;Herrmann&Witter,2002;Schimeletal.,2004)。Herrmann和Witter(2002)對(duì)凍融過(guò)程中土壤碳氮礦化作用的動(dòng)態(tài)研究顯示,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土壤碳氮礦化增量逐漸減小,表明凍融作用對(duì)土壤礦化作用的影響受土壤本底碳庫(kù)和氮庫(kù)大小的限制。3土壤溫度與氣體養(yǎng)分的研究雖然已有一些通過(guò)人工升溫和除雪等方式在野外對(duì)原位土壤進(jìn)行凍融模擬研究,但由于野外控制實(shí)驗(yàn)難度大、成本高,使得原位連續(xù)監(jiān)測(cè)受到很大限制。因此,目前關(guān)于凍融作用對(duì)土壤溫室氣體產(chǎn)生與排放的研究多數(shù)是采集土壤樣品(均勻混合土樣或原狀土柱)在實(shí)驗(yàn)室條件下培養(yǎng)(Prieme&Christensen,2001;Koponen&Martikainen,2004;Teepe&Ludwig,2004)。但目前不同室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)之間的研究方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在很大差異,例如土壤樣品采集的時(shí)間和方法,凍融溫度變化的幅度與速度以及凍融循環(huán)的周期與頻率等方面。這些因素在凍融循環(huán)過(guò)程中對(duì)土壤溫室氣體產(chǎn)生與排放起著重要作用,從而導(dǎo)致不同研究的最終結(jié)果差異較大。3.1土樣溫度變化對(duì)土壤溫度的影響目前,大多數(shù)室內(nèi)凍融模擬實(shí)驗(yàn)采集的土壤樣品量偏小,體積多在1L以下,采集的土壤深度一般在10～20cm(Prieme&Christensen,2001;Larsenetal.,2002;Oztas&Fayetorbay,2003),有部分實(shí)驗(yàn)的土樣體積甚至<0.1L(Herrmann&Witter,2002;Yanaietal.,2004)。由于培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的土樣體積太小,并且溫度變化從多個(gè)方位同時(shí)影響土體,使得土壤溫度與氣溫的差異并不明顯,土樣整體幾乎同時(shí)凍結(jié)或融化。然而野外原位實(shí)驗(yàn)表明,土壤深度和體積對(duì)土壤剖面溫度變化具有緩沖作用,自然條件下深層土壤溫度相對(duì)穩(wěn)定,當(dāng)氣溫降至-20℃左右時(shí),5cm深處的土壤溫度仍能保持在0℃以上(Henryetal.,2007;Wuetal.,2010)。因此,采集的土壤樣品量偏小會(huì)加劇下表層土壤的溫度波動(dòng),這與自然條件下的土壤凍融過(guò)程差異較大。另外,不同研究的土壤樣品采集時(shí)間差別也很大,還有些研究并沒(méi)有說(shuō)明采樣時(shí)間(Oztas&Fayetorbay,2003;Ludwigetal.,2004;Yanaietal.,2004)。由于土壤微生物的群落組成與結(jié)構(gòu)受土壤溫度季節(jié)性變化影響明顯,而春季或初夏采集的土壤也可能剛經(jīng)歷完數(shù)個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程,其培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)與秋冬季采集土樣的結(jié)果顯著不同。因此,用于室內(nèi)凍融模擬實(shí)驗(yàn)研究的土壤樣品應(yīng)盡量在秋冬季采集,或者應(yīng)在凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)之前對(duì)土壤樣品進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)。3.2土壤溫度隨時(shí)間的變化土壤凍融研究中的不同溫度變化范圍是造成目前凍融過(guò)程中土壤溫室氣體排放量差異明顯的重要原因之一。經(jīng)歷較大溫度變化凍融過(guò)程的土壤排放N2O或CO2的量要明顯高于在較小溫度變化范圍內(nèi)培養(yǎng)的土壤(Koponen&Martikainen,2004;Sharmaetal.,2006;Goldbergetal.,2008)。此外,雖然很多培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的溫度變化范圍是根據(jù)野外采樣點(diǎn)實(shí)地氣溫變化而確定的,但由于室內(nèi)一般是通過(guò)冰箱或培養(yǎng)箱調(diào)節(jié)溫度進(jìn)行凍融循環(huán)的模擬,這使得土壤溫度變化速度極快,因此凍融循環(huán)過(guò)程也快速完成。目前大多數(shù)研究設(shè)定的最低凍結(jié)溫度為-15℃～-20℃,當(dāng)土壤溫度驟降至這樣的極低溫度時(shí),絕大多數(shù)土壤微生物將快速死亡。而在自然條件下的土壤凍結(jié)過(guò)程,氣溫和土壤溫度的下降是逐步且緩慢的,使得部分土壤微生物能夠適應(yīng)這種緩慢的溫度變化。另外,土壤快速凍結(jié)有利于細(xì)小冰晶顆粒的形成(Hobbs,1974),從而可能減小對(duì)土壤團(tuán)聚體的物理破壞。3.3凍融循環(huán)周期和循環(huán)次數(shù)現(xiàn)有室內(nèi)凍融模擬研究中設(shè)計(jì)的凍融循環(huán)周期長(zhǎng)度要明顯小于野外實(shí)際情況。部分野外原位的觀測(cè)表明,土壤凍融循環(huán)周期一般可以持續(xù)2～3個(gè)月以上(Papen&Butterbach-Bahl,1999;D?rschetal.,2004;Wuetal.,2010),而目前室內(nèi)凍融模擬實(shí)驗(yàn)中的凍融循環(huán)周期最長(zhǎng)的為幾周,大多數(shù)為1～2d,還有的僅僅只有幾個(gè)小時(shí)(Herrmann&Witter,2002;Yanaietal.,2004;Sharmaetal.,2006)。由于土壤凍結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)對(duì)土壤溫室氣體產(chǎn)生與排放具有累積效應(yīng),導(dǎo)致經(jīng)歷較長(zhǎng)凍融循環(huán)周期的土壤溫室氣體排放量要顯著大于短期凍融循環(huán)的結(jié)果(Teepeetal.,2004)。除了凍融循環(huán)周期較短之外,目前凍融模擬研究中的凍融循環(huán)次數(shù)也偏少,絕大多數(shù)研究的凍融循環(huán)次數(shù)小于5次,而有一些研究只模擬了1次凍融交替過(guò)程(Ludwigetal.,2004;Teepe&Ludwig,2004)。這也難以揭示凍融作用對(duì)土壤溫室氣體產(chǎn)生與排放的長(zhǎng)期效應(yīng)和累積效應(yīng),特別是在全球氣候變化的背景下,極端氣候事件會(huì)使得土壤凍融循環(huán)頻率增加。4土壤凍融作用對(duì)溫室氣體排放的影響應(yīng)更隨著全球氣候變暖,土壤的季節(jié)融化層會(huì)不斷加深,凍融區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大,部分地區(qū)的土壤環(huán)境將經(jīng)受更廣泛和頻繁的凍融交替作用。這不僅會(huì)增強(qiáng)土壤微生物的代謝活動(dòng)并加速分解貯存在多年凍土層中的有機(jī)碳氮,促進(jìn)CO2和N2O等溫室氣體的排放,還會(huì)造成大量原本封存在