作者：郑晓敏

    冻土一般是指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩石和土壤。地球上受冻融作用影响的面积约占全球陆地总面积的70%，其中25%为多年冻土，主要分布在环北极及中、低纬度的高山和高原。在我国，受冻融影响的面积为776.48万km2，约占全国陆地总面积的80.88%，冻土分季节冻土区和多年冻土区，其中多年冻土面积为219.33万km2，约占冻土总面积的28.25%，主要分布在青藏高原、西部高山和东北大、小兴安岭，其余冻土为季节冻土。

    季节性冻融改变了土壤水分状况和分布，直接影响土壤的物理性质和微生物活性，导致土壤的生物地球化学过程和速率发生变化，影响土壤营养物质的迁移和转化。研究表明，在同一深度条件下，冻结土样的含水率都比消融土样的含水率高；冻融作用中，随土壤深度的增加，土壤样品在冻融前后的pH值变化幅度很小；冻融作用影响土壤电导率，且冻融期电导率明显高于消融期电导率。由于土壤中一切生物化学过程均在酶的催化作用参与下完成，土壤酶是土壤生物化学反应的催化剂，能够促进土壤中有机质的分解，其活性反映出土壤中所存在的营养物质转化、能量代谢等过程能力的方向和强度。作为土壤质量的一个指标，土壤酶敏感地反映出土壤质量、生态环境效应在时间序列和各种条件下的变化，冻融期土壤酶活性的波动会导致土壤物理性质和土壤行为的变化。

    目前，在全球变化研究领域内，已有的研究成果多注重植物生长期土壤有机碳的动态变化，较少考虑冻融作用下的土壤有机碳变化；已有的冻融研究成果其研究区也多限于三江平原湿地、松嫩平原黑土、西北地区不同覆盖条件下的耕地，以及高原山区冻土带，北方盐碱土水田区土壤有机碳的研究较少。本文以吉林西部水田土壤作为研究对象，采取室内模拟冻融实验手段，选取土壤脱氢酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶和脲酶作为评价指标，研究水稻土(0~30 cm)土壤有机碳( soil organic carbon，SOC)与酶活性的剖面特征，旨在探讨冻融作用下二者的分异特征，对进一步认识北方季节性冻融期水稻土生态系统营养物质生物地球化学循环过程和机制，具有一定的指导意义和借鉴价值。

1研究区概况与研究方法

1.1研究区概况

    吉林西部位于东北及华北北部温带中一深季节冻土亚区，为松花江、嫩江、洮儿河与霍林河的交汇地带，初冻一般发生在11月份，最晚为11月下旬，解冻在3月中旬，最晚在4月份，多年平均地温为6.92℃，最大冻土深为1.7 m。本文选择典型农牧交错地带大安市大安灌区作为研究区，在灌区内选取3块5 mx5 m样地，3块样地均选取水田中的淡黑钙土作为研究对象，进行冻融作用下水田SOC及酶活性的剖面特征分析与相关性研究。

1.2样品采集

    于2011年9月末进行样品采集，样品采集过程分为原状土柱的采集和土壤样品的采集，在样地内按对角线法设置采样点。于2011年9月末进行样品采集，采样前先剔除植物根及其它杂物，将长30 cm．直径10 cm的PVC管（共15根）垂直打人土壤中，在尽量不破坏土壤的原状结构情况下，保持PVC管上端与土壤表面平行，然后用铁锹挖出装有土壤的PVC管，再将顶部和底部用塑料和胶带封好，带人实验室进行模拟冻融实验；同时用铁锹按0~10 cm、10～20 cm和20~30 cm分层取样装入采样袋中带至实验室内进行土壤样品初始理化性质的测定，见表l。

    将实验土柱在室温下培养24 h后，用棉被将PVC管裹住以使冻融作用由表层土壤开始，放入-5℃冰箱内冷冻培养12 h，再放人5℃生化培养箱内融化培养12 h，以此作为一个冻融循环周期。本次试验共设定10个冻融循环，分别在循环0、2、4、6、8、10次后分层取土（记为FO、F2、F4、F6、F8、Fl0），土壤经风干处理研磨后，分别过1 mm和0.25 mm筛储存，测定SOC与土壤酶活性，每个样品重复3次。

1.3分析方法

    SOC采用重铬酸钾容量法一外加热法测定。

    土壤酶活性的测定参考《土壤酶及其研究方法》和《土壤微生物研究原理与方法》。脱氢酶( dehydrogenase)采用2，3，5-三苯基四氮唑氯化物(TTC)比色法测定，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)采用邻苯三酚比色法测定，酶活性用每100 g干土中含红紫桔精的量表示（mg红紫桔精/100 g干土）；过氧化氢酶( catalase)测定中在5g干土中加入注入40 mL蒸馏水和5 mL 0.3% H202后震荡30 min，酶促反应结束后，利用0.002 mol/L KMn04溶液滴定，利用单位土壤所消耗的KMn04量表示过氧化氢酶活性（mL KMn04／g干土）；脲酶( urease)采用靛酚蓝比色法，酶活性以100 g土壤在38℃下培养3h释放出NH4+-N的mg数表示（mgNH4+-N／（100 g干土·3h））。

1.4数据处理

    所有数据均采用SPSS 11.5和Microsoft Excel2010进行分析处理。

2结果与分析

2.1土壤有机碳在冻融作用下的垂直动态特征图1是冻融作用下水田0~30 cm SOC动态变化，从图l中可以看出，冻融作用对SOC含量影响明显，随着土壤冻融次数的增加，0~10 cm SOC呈现出先降低后增加的波动变化，在F4时SOC含量最大，但增幅仅为5.21%；10~20 cm SOC仅在F8时略有增长外均呈现出降低的趋势，在Fl0时SOC含量最低，为16.94 g/kg，降低13.35%; 20~30 cm SOC的变化趋势为先降低后增加，Fl0时SOC降低了17.4%达到15.70 g/kg。虽然冻融作用对各层SOC影响不一致，但总体上0~10 cm SOC增高，10~20 cm和20~30 cmSOC含量降低。

    冻融循环对SOC的影响程度随着土壤深度而发生变化，SOC存在着不同程度的波动，造成这种现象主要有两方面原因：一方面冻融过程中土壤的收缩与膨胀作用打破了有机质之间的连接键，使大团聚体向小团聚体碎化，从而使小分子量物质释放。且冻融循环过程亦能破碎枯枝落叶和增加细根的死亡率，从而导致活性有机质的释放。同时，冻融循环也具有杀菌作用，能杀死微生物，破坏微生物的细胞，释放有机物，从而增加SOC含量。另一方面，冻融循环过程中，存活微生物的矿化作用开始不断消耗原有可溶性有机物，SOC增量不断减少，甚至呈现下降趋势。目前，针对不同环境和实验条件，冻融过程中SOC的变化还没有明确，团聚体碎化作用和微生物的矿化作用同时存在，但何时占主导及其作用机理问题仍有待进一步研究。

    由于冻融作用对土壤营养物质的迁移转化主要由地层内水分相变所决定，从图2可看出冻融作用对土壤含水率影响显著。在冻融过程中，土壤剖面结构发生变异，形成冻结层、似冻层和非冻结层。冻结时，土壤中的水分向冻层迁移，而融化时，由于地表蒸发，土壤中的水分又向地表强烈迁移，表层0~10 cm土壤含水率的增加，同时引起10～20 cm、20~30 cm土壤含水率的降低。冻结过程中，土壤水分的迁移过程带动营养元素的运移，含水率的变化与SOC一致。

    在冻融初期，土壤含水率较高，温度降低过程中，土壤中会有充足的水分向冰晶转化，促进冰晶的生成，土壤空隙较大，促进土壤水分快速向表层迁移，由此造成了冻融初期，表层土壤水分含量增加较快；而当冻融循环发生4次(F4)后，土壤中冰的含量占据了土壤空隙，使得水分在土壤中的运移空间减少，移动路径增长，水分迁移量减少，从而使F4后土壤含水率增加较缓慢。

2.2冻融作用下土壤酶活性剖面动态特征

    冻融作用对土壤酶活性的影响见图3，可以看出所测4种土壤酶活性均随着剖面的加深而逐渐减少，该结果与以往研究相同。这是由于土壤表层积累了较多的植物残体和腐殖质，有机质含量较高，微生物的营养源丰富，水热条件和通气状况相对较好，使微生物生长旺盛，呼吸强度加大而使表层的土壤酶活性较高。随着土壤剖面的加深，有机质下降，pH增加，土壤地下生物量也随之下降，微生物生长受到抑制，酶活性降低。

    脱氢酶属于胞内酶，能催化有机物质脱氢，起着氢的中间转化传递作用，可以作为微生物氧化还原系统的指标，能很好地表征土壤中微生物的氧化能力。冻融过程中，土壤脱氢酶呈现出先增加再降低的反复波动，在Fl0时其酶活性最高，各层分别增长了32.78%、69.54%和76.38%，达到76.87'、72.02、55.25 μg TPF/g干土，在冻融开始前，脱氢酶活性积累在表层0~10 cm土壤中，约占43.96%，10次循环结束后，0～10 cm土壤中脱氢酶活性仅占37.66%。

    土壤多酚氧化酶主要来源于土壤微生物、植物根系分泌物及动植物残体分解释放的一种复合性酶。土壤多酚氧化酶能把土壤中芳香族化合物氧化成醌，醌与土壤中的蛋白质、氨基酸、糖类、矿物等物质反应生成大小分子量不等的有机质和色素，完成土壤芳香族化合物循环，多酚氧化酶的活性与土壤腐殖质程度密切相关。在冻融作用下，土壤多酚氧化酶整体上呈现出下降的趋势，且各层下降速度不一致，表层0~10 cm最慢，20~30 cm最快，冻融结束后，各层分别下降了24.43%、37.39%和41.29%，但冻融前后0—10 cm土壤多酚氧化酶活性最高，分别占37.37%和42.62%。

    土壤过氧化氢酶是一种分布广泛的酶，它能促进过氧化氢对化合物的氧化作用，破坏对生物体有毒的过氧化氢。其活性表征土壤腐殖化强度大小和有机质积累程度。土壤过氧化氢酶在冻融过程中呈波动变化，在9.23~9.76 mL KMnO4／g干土内改变，总体上变化不大。

    土壤脲酶是参与土壤生态系统氮循环的重要酶类之一，主要来源于微生物，其参与尿素的水解，并且该酶活性大部分存在于胞外酶，水解的最终产物氨是植物氮素营养的直接来源，其活性高低表征了土壤有机氮转化状况。冻融作用下，各层土壤脲酶均先增后减，最大值出现在F6，分别为214.76、194.21和155.15 mg NH4+-N/(100 g干土．3h)，增幅较小，各为3.50%、13.97%、13.80%。

    冻融循环不仅有杀菌作用，同时对土壤微生物和酶活性又有激活效应。在冻结土壤中一些酶和微生物并没有完全钝化，尤其是在寒冷地区。虽然在冻融循环刚开始阶段，冻融循环杀死了微生物，降低了土壤酶活性，但是冻融循环导致团聚体的破碎和微生物细胞的破裂增加了胞内酶向土壤的释放，同时也增加了微生物与活性有机质的接触面积，增加的活性有机碳为微生物提供了有效的碳源，从而促进了土壤酶活性的增加。

2.3土壤酶剖面特征与土壤有机碳特征指标的相

关性

    土壤酶活性具有明显的时空变化，与土壤的温度、湿度、有机碳、养分及微生物等密切相关，从冻融作用下土壤酶活性与SOC的相关性中可以看出，SOC与过氧化氢酶相关性较差，与脱氢酶、多酚氧化酶和脲酶均表现为显著相关，相关系数分别为0.563(p =0.015)、0.660(p=0.003)和0.774(p=0.001)．表现为：脲酶>多酚氧化酶>脱氢酶>过氧化氢酶。见图4。

    在冻融过程中，土壤含水率及水形态发生变化，土壤处于缺氧状态，自由水减少，使得多酚氧化酶的活性受到抑制。多酚化合物的积累抑制了土壤水解酶的活性，进而限制土壤有机质的降解。脱氢酶和过氧化氢酶为氧化还原酶，脱氢酶是一种以转移一个或多个氢化物（H-）到一个受体的形式氧化一个底物的酶脱氢酶的种类因电子供给体和接受体的特性而不同，某些能将氢直接传递给分子态氧，而另一些则是传递给其它受体，其活性增加导致有机物的氧化还原反应加剧，SOC含量增加，其与有机碳相关性较好。在土壤冰层的冻结过程中，活动层处于局部厌氧环境。一旦土壤融化，氧气会从活动层底部饱和水中溢出，造成缺氧状态，从而杀死微生物降低酶活性，但土壤酶活性对冻融循环的响应是多样的，目前针对冻融期土壤酶活性与土壤有机碳的影响机理研究还有待进一步探讨。

3结论

    (1)冻融作用下，0~30 cm SOC、脱氢酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶和脲酶的垂直变化趋势一致，表现为随着土壤深度的增加，其含量递减。

    (2)由于冻融过程中土壤水分的迁移带动营养物质的运移，土壤含水率与有机碳均为0~10 cm含量增加，与此同时，10~20 cm和20~30 cm的含量呈现出随冻融次数增加而逐渐降低的变化趋势。

    (3)土壤过氧化氢酶在冻融作用下的变化幅度较小；脱氢酶和脲酶总体上呈现增加的趋势；多酚氧化酶活性随冻融次数的增加而逐渐降低。

(4)统计分析冻融作用下SOC和4种酶活性的相关性，其表现为：脲酶>多酚氧化酶>脱氢酶>过氧化氢酶，冻融作用下，土壤不断处于好氧和厌氧交替轮换，在一定程度上抑制了好氧微生物和部分酶的分解作用，影响土壤中有机碳的积累。

4摘要：

选取-5~5℃作为研究温度，以24 h(12 h冻结，12 h消融)为一个冻融循环，研究吉林西部大安灌区水田0~30 cm土壤有机碳以及土壤酶活性（脱氢酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶和脲酶）的剖面特征，分析了二者之间的相关性。结果表明：冻融过程中，土壤有机碳、脱氢酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶和脲酶均随土壤深度的增加而递减；0~10 cm土壤有机碳含量增加，10~20 cm和20~30 cm土壤有机碳含量降低，其变化趋势与含水率一致；过氧化氢酶变化较小，脱氢酶和脲酶总体增加，而多酚氧化酶活性降低；土壤有机碳与酶活性的相关性大小表现为：脲酶>多酚氧化酶>脱氢酶>过氧化氢酶。冻融作用改变了土壤中水环境，抑制了土壤微生物呼吸和酶的分解作用，影响土壤有机碳的积累。