冻融循环对土壤团聚体与微生物特性影响研究进展

冻融循环对土壤团聚体与微生物特性影响研究进展

赵兴泽

黑龙江哈尔滨 东北林业大学 150040

摘要：在高纬度和高海拔等寒冷地区，冻融循环会导致土壤水分和热量的变化，进而对土壤的物理化学特性和微生物群落产生显著影响。通过对土壤冻结与融化过程的分析，我们可以预测土壤结构和生态变化，为理解气候变化下土壤团聚体和微生物之间的相互作用提供基础。本文从土壤团聚体和微生物特性的角度入手，结合已有的相关研究，揭示土壤团聚体和微生物之间的互作机制。我们将研究冻结循环对土壤团聚体粒径分布、稳定性、孔隙结构等特性的影响，以及冻结周期对土壤团聚体组成、稳定性、孔隙结构的影响。

关键词：冻融循环；土壤团聚体；土壤孔隙结构；微生物群落；微生物生物量

一、土壤团聚体与微生物的关系

（一）不同粒径团聚体对微生物的影响

团聚体是微生物驱动的一种特殊生态系统，也是微生物驱动的物质循环的重要环节。团聚体的特性经常与整个土壤的均匀性有很大的区别，这导致了团聚体在空间上的分布不均。团聚体内部的微小空间限制了许多可能对微生物构成威胁的因素，因此团聚体内部成为微生物的“避难所”。

颗粒大小对土壤中的细菌群落结构有着显著的影响。一般来说，小颗粒尺寸的细菌群落结构比大颗粒尺寸的细菌群落结构更有利于细菌群落的形成和稳定。在团聚体中，不论是细菌还是放线菌，都倾向于以小颗粒级团聚体为主。相反，大颗粒级的团聚体主要由真菌组成。土壤微生物生物量是评估土壤肥力的一个重要参数，它与团聚体的大小有密切关系，而且小团聚体的微生物生物量通常比大团聚体更大。此外，团聚体的大小也会影响细菌的生理和代谢活动。在团聚体形成的过程中，微生物占据了一定的空间，即团聚体粒子内部及其间的空隙。

（二）微生物对团聚体结构的影响

松散的土壤有助于增加微生物的数量和活力，这也会直接提升土壤中细菌、真菌等微生物的种类和数量，进而改善土壤质量。团聚体的生成与稳定都与土壤中的微生物种群结构紧密相关。

微生物生成团聚体主要通过两种方式：一是某些真菌和放线菌利用物理黏附作用，使土壤颗粒发生物理性的粘连，从而形成暂时且较大的团聚体；二是利用多糖、蛋白质、DNA等物质与自身或其他物质的结合，形成稳定的微团聚体。根据团聚体形态分级原理，由根系和菌丝构成的密集网络结构是形成大团聚体的关键。然而，由于菌丝容易被细菌破坏，因此凝集在一起的力量不会持续很久。此外，大的团聚体会更易受到外力的影响而被破坏，因此更易于形成微小的团聚体。

二、冻融循环对土壤团聚体的影响

（一）冻融循环对土壤团聚体粒径分布的影响

冻融过程对团聚体颗粒级配有着显著的影响。一般认为，在冻融作用下，土壤中的团聚体会被冰晶破坏，导致原有团聚体间的结合力减弱，从而使大团聚体解体，形成小团聚体。然而，随着冻融的继续进行，土石颗粒会再次聚合，形成新的团聚体，从而改变团聚体的尺寸组成。大量的实验数据表明，在冻融条件下，大颗粒团聚体的含有量明显降低，而中小颗粒团聚体的含有量则明显增加。例如，姚珂涵等人的研究表明，随着冻融时间的延长，土层中大于2毫米的团聚物比例明显下降，而小于2毫米的团聚物比例则明显上升。已有的实验结果也显示，在低温环境下，大颗粒团聚体的生成速度会加快，而小颗粒团聚体的数量则会减少。Han等人的前期研究发现，在冻融过程中，泥沙含量会出现明显的增加和减少。这表明，在冻融条件下，泥沙颗粒会发生再聚合反应，并最终形成新的泥沙。

（二）冻融循环对土壤团聚体稳定性的影响

团聚体稳定性是衡量土壤团聚体耐磨损性的关键指标，对于土地的可持续利用和粮食产量的增长具有至关重要的影响。土壤团聚体的稳定有助于提高土壤肥力，增加土壤孔隙度，并降低土壤侵蚀的风险。不同的土壤团聚体的尺寸和比例存在显著差异，团聚体尺寸较大时，其稳定性和孔隙性质通常较好，有利于水分传输和气体交换。一些研究表明，冻融作用会导致大颗粒团聚体的结构发生变化，从而导致小颗粒团聚体含量增加，最终影响团聚体的稳定性。但也有一些实验结果表明，在冻融过程中，颗粒间的粘结力会增强，从而提升团聚体的整体稳定性。有些学者认为，随着冻融周期的延长，团聚体稳定性逐渐减小，直至达到稳定状态；而另一些学者则认为，少量的冰冻可以提高团聚体的稳定性，但在更严重的冰冻条件下，团聚体的稳定性将会降低，甚至土体在冰冻条件下可能出现新的结构变化。这主要是由于土壤结构、孔隙空间和粒径结构发生了较大的变化所致。

（三）冻融循环对土壤孔隙结构的影响

土粒间隙是指土粒之间的空隙，而孔隙则是水和气体的储存场所，为植物和微生物的生长提供了有利条件。团聚体与土层的孔隙结构特性密切相关。研究发现，团聚体的稳定性与孔隙率之间存在明显的负相关关系；颗粒尺寸与孔隙数量和大小有关，颗粒尺寸越大，孔隙数量和大小通常也越好。孔隙度是最基本且最直接的孔隙度指标。在冻融作用下，随着水分的持续释放，土层中的水分会发生体积变化，导致土层表面受力发生变化，进而引起土层内部的偏移，使土体的孔隙扩展，最终影响土层中团聚体的性质和微生物的生存能力。大量研究表明，当土壤初始水分含量保持不变时，土体的孔隙率会随着冻融循环次数的增加而逐渐增长。在最初的冰冻循环（少于6次）中，土体的孔隙率明显增加，土体间距和排列也会发生变化。在反复多次（6—20次）的冻融条件下，由颗粒再排列引起的孔隙改变将趋于稳定，土体的孔隙率将趋于稳定，土体会进入一个新的结构状态。

三、冻融循环对土壤微生物的影响

（一）冻融循环对土壤微生物生物量和活性的影响

微生物生物量是一个能够反映土壤中微生物数量和潜力的有机物质指标。大量研究表明，冻融作用对微生物活力和生物量产生重要影响。持续的冻融会导致土体结构变化，进而降低微生物数量和生物量。只有极少量的冰冻和融化周期才可能增加土壤生物量。通过对我国北方热带森林的野外实验，我们发现在冻融早期，土壤微生物群落结构被破坏，导致营养物质损失和迁移，从而提高了土壤中营养物质的可利用性。已有学者提出，高寒草甸和高寒草地上的微生物生物量碳和氮呈现类似的“低-高-低”模式，可能是因为这些地区的微生物经过一段时间的冻融后，生物量会逐步降低并最终达到一个相对较高的水平。这说明不同的微生物类型和生存条件会导致实验结果的差异。

（二）冻融循环对土壤微生物群落结构的影响

微生物在土壤中主要包括细菌、真菌和放线菌，其数量约占土壤总质量的70%-90%。冻融作用会对土壤结构造成破坏，改变水热环境，导致胞外生成冰晶，进而引起土壤中溶质浓度升高、蛋白质变性、膜损伤、细胞失水以及代谢速率下降。这些变化会对微生物栖息地和生态位的形成产生影响，进而对土壤中的微生物群落产生影响。由于不同微生物在不同环境条件下具有特殊性，它们对冻融作用的响应也不尽相同。目前关于冻融作用的研究主要集中在真菌和细菌上，但由于研究手段和生态环境的差异，对冻融作用的影响尚无定论。已有实验表明，在同样的冻结和融化过程中，土壤中的微生物群落会发生较大的改变。无论是室内人工冻结实验还是现场冻结实验，都表明在冻结过程中，真菌比细菌更容易受到冻结的影响。

结论

冻融作用对土壤的理化性质和微生物特征有着显著影响，进而改变了土壤的肥力和持水性，从而对其耕作效果产生影响。因此，研究冻融作用下土壤团聚体和微生物群落结构的变化规律及其作用机制对于科学和现实都具有重大意义。由于团聚体和菌群之间存在相互关系，冻融作用下团聚体－菌群结构的改变将引起两者间的相互作用。本项目的开展将为揭示土壤团聚体-菌群互作机制提供科学依据。

参考文献

[1]刘锴,张宇,张沛源等.冻融循环作用下不同初始含水率土体损伤效应研究[J].甘肃科技,2023,39(08):44-46+57.

[2]张江峰.冻融循环作用下不同含石量土石混合料剪切特性分析[J].兰州工业学院学报,2023,30(04):22-27.

作者简介：赵兴泽，男（1998.02-）满族，黑龙江哈尔滨，研究生，主要研究方向：环境工程（资源与环境）