全 文 ：冻融交替对土壤氮素转化及
相关微生物学特性的影响
吕欣欣，孙海岩，汪景宽，丁雪丽 *
（沈阳农业大学 土地与环境学院，辽宁 沈阳 110866）
摘 要：土壤冻融是发生在中、高纬度及高海拔地区的一种常见的自然现象。冻融作用通过影响土壤物理性质及生物学性
状进而对土壤氮素转化过程产生重要影响，但目前关于冻融作用对土壤氮素转化过程影响的研究结果还不尽一致，对于冻
融作用下土壤微生物学特性的研究相对较少。本文着重论述了冻融作用对土壤氮素转化过程（有效氮素含量变化、氮素净
矿化速率、氮素损失途径等）的影响，并对冻融作用下土壤微生物生理和代谢特性进行了归纳和总结，简要指出目前研究过
程中存在的问题，并对未来研究方向提出展望。
关 键 词：土壤；冻融作用；氮素转化；微生物
中图分类号：S153.6文献标识码：A 文章编号：0564-3945(2016)05-1265-08
DOI: 10.19336/j.cnki.trtb.2016.05.37
吕欣欣,孙海岩,汪景宽,丁雪丽.冻融交替对土壤氮素转化及相关微生物学特性的影响[J].土壤通报,2016,47(5):1265-1272
LV Xin-xin, SUN Hai-yan, WANG Jing-kuan, DING Xue-li. Effects of Freeze-thaw Events on Nitrogen Transformation and
MicrobiologicalCharacteristicsinSoils[J].ChineseJournalofSoilScience,2016,47(5):1265-1272
土 壤 通 报
ChineseJournalofSoilScience
收稿日期：2016-02-03；修订日期：2016-07-11
作者简介：吕欣欣（1994-），女，满族，内蒙古呼伦贝尔市阿荣旗人，硕士研究生，主要从事土壤氮素转化研究。E-mail：349285413@qq.com
*通讯作者：E-mail：dingxueli@neigaehrb.ac.cn
土壤冻融交替是由于季节或昼夜热量的变化，在
表土及以下一定深度形成的反复冻结和解冻的过程。
在中、高纬度及高海拔地区，土壤冻融现象非常普遍。
冻融交替是作用于土壤的非生物应力，通过改变土壤
结构和土壤水热状况直接影响土壤元素的生物地球化
学循环过程[1]。氮素是生态系统中最重要的营养元素
之一，循环速率快、受自然和人为因素干扰大。冻融作
用也是土壤氮素循环和积累的关键调控因子[2]，有研
究表明，在有冻融交替发生的生态系统中，冬季土壤中
养分的损失很大一部分是由于冰冻对植物残体、有机
质和微生物区系等造成的破坏作用所导致，冻融作用
增强了可溶性有机物的损失和矿质氮的淋融冲刷作
用，还对温室气体的排放产生影响[3]。在全球变暖日渐
加剧的大背景下，中、高纬度或高海拔区域的冻融格局
(冻结强度、冻结持续时间、冻融循环次数等)势必会发
生改变，这一变化如何影响土壤氮素转化过程已成为
研究的焦点问题。深入认识冻融作用下土壤氮素转化
过程及相关微生物学特性，对于丰富土壤氮素生物地
球化学循环理论、指导农田氮肥高效利用，及促进土壤
生态系统可持续发展具有重要的科学意义。本文结合
国内外现已有的研究成果，综述冻融交替作用对土壤
中氮素转化及相关微生物过程的影响，并对今后的研
究工作提出展望。
1 冻融作用对土壤氮素有效性的影响
1.1 冻融作用对土壤可溶性氮的影响
土壤氮素是评价土壤肥力的重要指标，氮素在土
壤生态系统中的存在形态和迁移转化与生态环境的条
件密不可分。土壤氮素中最活跃的组分就是可溶性氮，
它包括可溶性有机氮和可溶性无机氮[4]。能溶于水或可
被盐溶液所提取的土壤有机氮就是可溶性有机氮，它
可以通过矿化作用形成无机氮或者直接被植物吸收[5]。
土壤可溶性有机氮作为土壤有机氮矿化能力的指标，
可以反映出土壤有机氮被矿化的难易程度[6]。通过分析
冻融交替对土壤可溶性氮的影响，阐明非生长季节中
土壤可溶性氮转化的机制，对控制氮素引起的生态环
境问题有重要意义。
冻融作用显著影响土壤可溶性氮含量变化。研究
表明，在前几次冻融循环尤其是初次冻融期间，土壤可
溶性有机氮和无机氮含量均显著增加，而随着冻融次
数增多，微生物逐渐适应温度变化死亡量减少，土壤团
聚体基本稳定，所以土壤可溶性氮含量的变化也趋于
稳定[7~10]。三次冻融交替后，土壤矿化作用的增加幅度
减小，表明土壤内部可以释放的氮素随冻融次数增加
第 47卷第 5期
2016年 10月
Vol .47 ,No .5
Oct . , 2016
第 47 卷土 壤 通 报
而处于稳定状态[11]，即土壤释放的可溶性氮含量减少，
又由于土壤氮素的矿化作用不断进行，所以土壤可溶
性有机氮含量呈下降趋势，无机氮含量表现为增加或
者变化不显著[4,7,12,13]。目前关于冻融作用引起土壤可溶
性氮素积累的原因，可以概括为三个方面。第一，冻融
作用可以减少土壤板结[14]：在初次冻融期间，土壤稳定
性团聚体受冻融影响波动较大，大型土壤团聚体破坏
成小型土壤团聚体，因为大土颗粒包含的空气较多，低
温使空气收缩，又由于冰晶对土壤团聚体产生挤压作
用，导致其不稳定或者破裂，释放出有机质等营养物
质，还使原先固定在有机、无机胶体中的氮素被裸露出
来[15,16]，增加了土壤有效氮含量。第二，冻融作用可以激
活酶和微生物活性：土壤冰冻时，土壤酶并没有完全被
钝化，融化后土壤酶的效应被激活，各种酶促作用加
快[17]；冰冻还会造成微生物大量死亡从而放了小分子
糖和氨基酸，提高了土壤可溶性有机质的含量，即短期
内土壤可溶性有机氮含量也被提高，剩余微生物活性
增强[18]，促进了有机氮矿化作用，增加了土壤中无机氮
含量。第三，冻融期间土壤C/N也会影响土壤有机氮
的矿化与同化固氮作用[19,20]：土壤类型不同和微生物群
落差异均会导致土壤C/N和有机氮矿化速率不同。若
从营养成分比例的角度来解释，则当土壤C/N大于当
地微生物活动所需的C/N时，土壤有机氮主要受生物
同化固氮作用，反之，土壤有机氮主要受矿化作用，则
微生物在有机质分解时就会释放出多余的氮，使土壤
有效氮含量增大。冻融作用能增加土壤氮的矿化[21]，还
导致土壤胶体中原先不可利用的铵离子被释放 [22]，所
以冻融作用下无机氮的增加主要以铵态氮为主，硝态
氮含量表现为降低趋势[12]。然而关于冻融作用对无机
氮素含量的研究影响结果不尽一致，也有研究发现随
着冻融次数增加，硝态氮含量呈现先减少后增加的趋
势，铵态氮则相反[23]。产生这种差异的原因可能是土地
利用类型或实验方法不同，进而造成实验结果之间有
明显差异。
冻融过程对土壤可溶性氮素转化的影响较大，影
响因素主要包括五个方面。第一，冻融时间：随着冻融
时间的增加，可溶性有机氮、铵态氮和硝态氮含量呈先
增加后下降的趋势[24]。短期冻融循环（4 d）可提高氨化
速率，降低硝化速率和矿化速率，使铵态氮含量提高。
而长期自然冻融（138 d）有利于氨化和矿化作用，尤其
当土壤含水量高时，长时间的反硝化和淋融作用导致
硝化作用减弱，硝态氮含量显著降低，铵态氮含量明显
提高[18]。第二，含水量：含水量主要是通过硝化和反硝
化作用来影响无机氮含量[12]，当冻融等其他条件相同
时，高含水量土壤要比低含水量土壤的可溶性有机氮
和铵态氮含量高，而低含水量土壤则有利于硝态氮的
积累。第三，冻融强度：冻融强度越大，可溶性氮含量越
高[4]，这可能与团聚体和微生物受低温影响较大有关。
但也有研究表明，弱冻（-10℃）有利于增加硝态氮含
量，使铵态氮含量降低，强冻（-20℃）使硝态氮增加量
显著大于铵态氮减少量。当温度低于10℃时，土壤中
的硝化速率通常小于氨化速率[25]。强冻可能是通过减
少铵态氮的转移量，而不是通过促进硝态氮的生成量
来增加土壤的矿化作用[26]。第四，冻融温差：冻融温差
较小时，土壤无机氮的积累减少，反之，则促进铵态氮
的积累，但是对硝态氮的影响不大，其原因可能是自养
硝化细菌对外界环境变化很敏感，而且不易恢复，使硝
化反应减慢，又由于反硝化速率增加，所以不利于硝态
氮的积累[12]。第五，土地利用类型和土层深度：研究发
现，水田和旱田铵态氮转化量都随深度增加而减少，旱
田硝态氮转化量随深度增加而增加，水田则相反[8]。可
以看出，冻融作用显著影响土壤不同形态氮素的含量
和转化过程，但不同学者对冻融作用下土壤氮素含量
的变化规律结果有明显差异。主要是因为大多数控制
实验还是在培养箱或生长室中使用均质土等条件完
成，与自然环境下的冻融过程有所不同，降低了冻融处
理的真实性。所以在今后进行冻融模拟实验时，应尽量
将野外试验与室内模拟试验方法相结合，并进行长期
冻融实验。
1.2 冻融作用对土壤净氮矿化速率和土壤微生物量
氮的影响
关于冻融作用对土壤净氮矿化过程的研究较多，
土壤的净氮矿化速率能反映出土壤的供氮能力，它是
描述土壤氮素矿化作用速率的指标，对农业生产中作
物的选择和肥料的施用有重要的指导意义。由于冻融
作用改变了土壤团聚体结构和微生物活性，导致无机
氮含量产生变化，所以土壤净氮矿化速率也会发生变
化，然而目前对其在冻融作用下的响应规律仍存在争
议。冻融作用对农田土壤净氮矿化速率影响显著，能使
土壤净氮矿化速率增加2 ~ 3倍[10]。冻融作用下河岸缓
冲带土壤净氮矿化速率呈增加趋势，并随着冻融次数
增加而增加幅度降低[27]。也有研究发现，当冻融次数逐
渐增多时，农田土壤净氮矿化速率呈现减少趋势，并随
着冻融最低温度增加，土壤净氮矿化速率表现为先减
小后增大的趋势[4]，这可能与强冻对土壤理化性质和微
生物的影响要大于弱冻有关[28]。短期冻融使矿化氮积
累，但目前冻融实验多为室内模拟实验，缺少植物对氮
素吸收和雪雨淋融等因素影响，导致矿化氮积累且抑制
1266
5 期 吕欣欣等：冻融交替对土壤氮素转化及相关微生物学特性的影响
了氮矿化速率[29]。而Hentschel在森林流域野外试验研
究表明，土壤净氮矿化速率受冻融交替影响不显著[30]。
这些研究结果存在差异主要是因为土壤氮的矿化会受
很多因素影响，土壤质地不同，则冻融作用下粘粒矿物
晶格释放铵离子含量不同；土壤含水量不同，不仅影响
土壤微生物活性，还对随水流失的氮素含量造成影响。
因此，在研究冻融对土壤氮素矿化速率的影响时，应从
多个因素进行综合性研究。同时不仅要考虑氨化过程
和硝化过程等本身生物学过程，还应对植物根系吸收、
细根和微生物死亡后细胞裂解以及土壤结构破坏后的
养分释放等相关因素进行综合分析[31]。
土壤微生物生物量氮含量变化能表征土壤中氮素
的生物固持作用。多数研究结果表明，冻融交替对土壤
微生物量氮有显著影响，初次冻融后，微生物量氮显著
降低，随着冻融次数增加，呈先增加后下降趋势[23,24,27]，
并且较大的冻融温差使微生物量氮减少[4]。关于不同
土层中微生物量氮对冻融作用的响应则表现为冻融作
用对土壤微生物量氮的影响随着深度增加而减小，冻
融次数是关键影响因素，而冻融强度对微生物量氮影
响不显著。这可能与冻融作用影响土壤物理结构和微
生物这一复杂的变化有关。在非生长季节的冻融交替
过程中土壤氮素微生物固持这方面的研究还相对较
少。冻融期间微生物如何对氮素进行固定还有待于进
一步研究。从土壤氮素循环转化的总体来看，微生物对
无机氮的吸收和同化，有利于土壤氮素的保存和周转。
稳定同位素示踪试验的研究结果证明，微生物可以快
速同化土壤中的无机氮素合成自身细胞组分，如蛋白
质氨基酸和细胞壁聚合物氨基糖，同时构成了土壤中
重要的微生物来源有机氮库[32]。因而，探明冻融作用下
微生物同化无机氮素合成有机氮组分的转化动态，对
深入理解冻土区土壤氮素转化的过程和机理以及减少
氮素损失具有重要意义。
2 冻融作用对土壤氮素损失的影响
2.1 冻融作用对土壤氧化亚氮排放的影响
氧化亚氮（Nitrous Oxide, N2）是一种痕量气体[17]，
它的单分子增温势能是CO2的298倍[33]，还会上升到平
流层破坏臭氧层，增加紫外线对地面的辐射。每年由土
壤向大气中排放的N2O数量非常巨大，而且在某些生
态系统中，冻融交替导致土壤对N2O的排放量要占总
年度80%以上[34]。在全球增温的背景下，冻融交替频率
增加，研究冻融交替过程中土壤对N2O排放的影响及
内在机理已成为当前土壤学和环境科学领域的研究热
点之一。冬季冻融期间土壤N2O的排放量显著增加[35,36]。
研究表明，在土壤冰冻、融化的2小时后，N2O和CO2的
排放量均达到峰值，培养至8小时，N2O与CO2的排放
都呈缓慢下降趋势[37]。在冻融期间，用 γ射线灭菌土壤
与未灭菌土壤对 N2O排放量进行比较发现，微生物过
程产生的 N2O是其主要来源，N2O的排放与微生物的
活性有关[38]。冻融作用能显著影响微生物活性，因为冻
融过程会导致土壤中部分微生物死亡，凋落物、植物根
系和土壤团聚体破碎，释放出氮和活性有机碳等营养
物质，尤其是耕作土壤，在农耕期施入氮肥后，部分氮
素被固定在黏土矿物中，冻融期大量矿物被冰晶破碎，
使氮素释放出来。土壤中存活的微生物利用冻融过程
中释放的能源和养分使其活性增强，加强了微生物呼
吸作用，N2O的排放量随之增加，而随着冻融过程的进
行微生物作用的底物减少，活性降低，N2O的排放量也
逐渐减少[35]。
冻融交替期间微生物的反硝化作用对 N2O排放
贡献率很大，大约占整个冻融交替过程的83%[39]，冻融
作用可以使反硝化细菌亚硝酸盐还原酶活性增加 2.5
~ 4.5 倍[40]，又由于冻后聚墒作用增加了冻融区域土壤
的含水量，阻碍氧气从土壤基质中扩散，氧气消耗速率
大于扩散速率，使厌氧菌和兼性厌氧菌的活性增强，加
速土壤的反硝化作用。而且N2O产生酶比还原酶活性
更强，在冰点及以下温度N2O还原酶活性降低，只有
少部分N2O还原成N2，使N2O/(N2+N2O)比值增高[31]。
很多学者研究表明，在冰冻融化时，土壤N2O的排放
量显著增加，随后缓慢排放[25,41,42]。他们指出，融冻初期
土壤含水量增加，微生物感知温度变化而活性增强，加
速反硝化作用，而且冻融交替一般作用于表层土壤，对
深层土壤理化性质的影响并不显著 ，但是上表层冰冻
阻碍深层土壤空气扩散，随着氧气的消耗，深层土壤反
硝化作用增强释放大量N2O。例如，有研究发现，冻结
11天的土壤比冻结3天的土壤排放N2O量要多22%
[43]，很可能是冰层使下层土壤排放的N2O造成累加，所
以融化后N2O释放量急剧升高。然而具体关于土壤冻
层与非冻层对N2O排放比例还不确定，有待进一步研
究。
冻融作用下N2O的排放也与硝化微生物的活性
密切相关。氨氧化细菌和氨氧化古菌是自养型硝化细
菌中比较重要的两种微生物，越冬期两种菌仍然具有
较高的活性[31]。M覬rkved发现，土壤硝化作用产生N2O
可占整个冻融期的4.35%左右[44]，证明冻融作用下硝
化作用也是N2O排放的一个重要途径。冻融作用下土
壤含水率是影响土壤硝化和反硝化作用的关键因素，
土壤含水率高的土壤有利于反硝化作用，但若水分过
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第 47 卷土 壤 通 报
高土壤处于极度厌氧状态，N2/N2O的比例增大，则土
壤会减少对N2O的排放[45]。Koponen实验表明，冻融期
间含水率65%的土壤对N2O的排放量要大于含水率
58%的土壤[46]。硝化作用和反硝化作用都是土壤中产
生N2O的主要机制，有时通过反硝化作用提供的底物
可以将硝化和反硝化作用进行耦合，所以当土壤含水
率同时促进两种作用过程时，土壤对N2O的排放量可
能最高。除了土壤含水率，冻融次数和土壤质地（如粘
粒含量）也是影响土壤N2O排放的因素。研究表明，冻
融作用破坏土壤结构使其释放大量营养物质，但随着
冻融次数增多，土壤有机质等微生物作用的底物量逐
渐下降，并且这种长期的冻融交替环境使微生物对其
产生了适应性，所以N2O排放量一般呈先增加后减少
的趋势[35,37]。粘粒含量也是影响N2O排放的一个重要作
用因子，零度以下的土壤含有未结冰的水含量在一定
范围内与粘粒含量呈正比[47]。有实验表明，在0℃以下
时，黏质土中净氮矿化速率和硝化速率都要大于壤质
土，但是对氮的固持作用却相反，所以黏质土的反硝化
速率较大，甚至会使N2O进一步被还原成N2，减少了
部分N2O的排放[47,48]。土壤类型、土层深度、植物种类和
冻融时间等都是影响土壤排放N2O的影响因素[37,49]，由
于土壤 N2O产生机理的复杂性，尽管现有研究揭示了
冻融作用下N2O等温室气体排放的一些规律，但是对
这些低温生态系统中冻融作用下温室气体排放过程和
机理的认识还非常有限。今后应该更多综合运用稳定
同位素标记、高效液相、气相和气质联用仪等现代分析
手段，结合磷脂脂肪酸、核酸同位素探针技术等研究方
法，对冻融交替背景下微生物功能群动态和多样性及
其相关功能进行分析，将为揭示N2O的排放机理提供
有力帮助。
2.2 冻融作用对土壤氮素淋融损失的影响
冻融作用不仅会增加土壤对N2O的排放，还能使
土壤溶液中速效氮含量增加，进而增加土壤矿质氮流
失的风险，研究冻融作用下土壤氮素淋融损失对农业
和生态环境方面的有重要意义。冻融交替期间，土壤水
发生相变，对土壤有效孔径产生影响，导致土壤水的渗
透性增加，使排入地下水的铵态氮和硝态氮的总量高
出对照组近两倍[8]，而且土壤微生物中真菌群落数量增
多[50]，减少了对氮素固持且使氮素易于流失，增大了地
下水被污染的可能性。有研究表明，高山森林氮素的淋
溶损失量与冻融频率和海拔高度呈正相关，在季节性
冻融期，由于冻融作用改变了土壤团粒结构，降低了土
壤对氮素的吸附作用，使氮素更易融于土壤水中并随
水流失，铵态氮和硝态氮的流失量已经占据了全年的
62%，导致土壤肥力减少，更使土壤全氮含量下降，造
成水体富营养化[51]。土壤可溶性有机氮可占林地土壤
可溶性全氮含量的90%以上，由于其流动性较强，所
以在土壤渗透液中也占很大比例[52]，有学者对森林冬
季土壤氮素淋融损失量测定结果表明，硝态氮淋融率
最高，其次为可溶性有机氮的淋融量[53,54]。然而模拟装
置温度和土壤实际受温条件等仍有一定差异，已有研
究表明冻融作用会增加土壤氮素淋融，但具体影响因
素和影响机理还不明确，需要进一步研究。
3 冻融作用对土壤氮转化相关微生物的
群落特征及生物学特性的影响
3.1 冻融作用对氮转化相关微生物群落特征的影响
冻融作用通过改变土壤结构和水热状况对微生物
群落结构、活性及相关微生物学特性产生重要影响，进
而影响土壤氮素的生物地球化学循环过程。研究表明
冻融作用显著影响土壤氮素转化相关微生物－氨氧化
细菌和氨氧化古菌等的群落特征和丰度。以微生物为
媒介的氨氧化作用不仅是硝化作用的初始步骤，也是
生态系统氮循环的中心环节与限速步骤[55]，氨氧化古
菌（ammonia-oxidizing archaea，AOA）和氨氧化细菌
（ammonia-oxidizing bacteria，AOB）均参与了氨氧化过
程[56]。温度变化引起的季节性冻融改变了氨氧化微生
物的群落特征，进而影响氨氧化作用甚至是氮循环过
程。有学者以氨单加氧酶基因的α亚基（amoA）为标
记，对三个森林群落土壤有机层中的氨氧化细菌与古
菌进行了调查，结果表明[57]，两菌丰度从生长期至冻结
期均表现为显著降低趋势，在冻结阶段最低，随后显著
增加，融化期表现为全年最高趋势。因为冻结过程中，
不仅微生物对温度变化较为敏感，且底物活性与养分
的有效性也降低，所以两菌丰度降低。由于土壤氨氧化
微生物类群结构（AOA/AOB）易受负积温影响，氨氧化
古菌和细菌amoA丰度比例在整个研究期间均呈先升
高后降低趋势，且在冻结后期最高。冻结后期三个森林
群落土壤负积温最大时，AOA数量明显高于AOB，说
明AOA更能适应低温环境，对低温有较强的耐受性，
此外，有学者对珠峰地区的研究也证实AOA/AOB在
不同海拔高度明显不同，在相对温暖的土壤中，AOB
数量也相对较高[58]。在冻融交替过程中，不仅温度是影
响微生物类群的主要因素，土壤含水量也会影响微生
物活性和数量，N2O排放通量和反硝化细菌数量之间
呈一定正相关关系，反硝化细菌数量随冻前含水量的
增加而增加，且在同一含水量处理条件下，反硝化细菌
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5 期 吕欣欣等：冻融交替对土壤氮素转化及相关微生物学特性的影响
数量随着培养时间的增加而表现出先上升后下降的趋
势，最后趋于平稳状态[59]，分析原因是冻结期含水量越
高的土壤，水分对大团聚体破坏就越明显，其释放的大
量活性有机碳可被微生物利用，促进了反硝化作用，且
死亡微生物也释放营养，使反硝化细菌数量增加，但随
培养时间的延续，营养物质被消耗殆尽，所以反硝化细
菌数量逐渐平稳降低。周晓庆对高山森林凋落物对微
生物活性的影响进行研究，指出自养硝化细菌受冻融
影响很大且不易恢复，在第一个冬季冻融循环中分解
凋落物的细菌群落数较多，在第二个冬季冻融循环中
细菌数量降了一半左右，真菌群落数在第二个冬季冻
融循环后逐渐占主要地位，比第一年真菌数量高出几
百倍[60]。短期的冻融循环会加剧土壤中植物残体的破
碎作用，使微生物活性增加，导致土壤微生物中C/N
较小的细菌群落增多，增加了微生物对土壤氮素的固
持作用。但长期冻融循环，真菌比细菌对低温的抗性
强，而且真菌和细菌之间又具有拮抗作用，所以冻融期
细菌与真菌的比例降低[28,50,61]。相似地，Larsen发现，多
次冻融循环可促使微生物群落结构从C/N比较高的
真菌群落转变为C/N比较低的细菌群落，进而降低了
土壤微生物量C/N比[62]。然而也有研究者发现，冻融作
用并不能显著影响微生物量C/N比，甚至有时还会出
现增加的现象。例如对泥炭土与壤质沙土实验结果表
明，冻融作用对土壤微生物量和群落组成影响不大。王
娇月等对高山和苔原土壤的研究结果也表明长期冻结
则会导致土壤微生物量C/N比明显增大[63]，与此同时，
微生物群落结构也会逐渐向以真菌群落为主的方向转
变[56]。
3.2 冻融作用对土壤微生物生理和代谢特性的影响
冻融过程中微生物的生理特性和代谢模式会发生
显著变化。冻融交替会导致微生物活性下降或微生物
群落大量死亡，部分微生物细胞内部某些细胞器功能
下降或丧失使其代谢活动降低，还有一部分微生物只
有处于代谢极低的休眠状态才能适应环境，但是活下
来的微生物会对此温度具有较高的抗逆性，这些残余
微生物将死的微生物细胞作为基质而使自身活性增
强，尤其是解冻后它的生命活性会强于普通微生物并
处于增值状态[47,64,65]。研究表明，在冰冻和解冻过程中培
养上清液里含有大量的细胞泄漏物质，通过变性梯度
凝胶电泳可以测出很明显的16sRNA和18sRNA基因
和转录，在解冻过程中观察到表面大量气体排放就是
冻结和解冻引发的微生物活性提高的结果[66]。冻融作
用扰乱了土壤微生物生存的模式，通过改变土壤中未
冻水含量和渗透压等物理条件直接对微生物细胞造成
损伤，由于全球变暖，冬季雪层覆盖厚度变薄，土壤更
易受地上空气温度和光照强度影响，加快了冻融循环
频率。若冻融循环频率过快，土壤微生物在冻结过程中
细胞内会形成冰或者形成无冰晶的液晶状，这对微生物
影响较小；若冻融频率缓慢，微生物细胞外水分成冰，
细胞只能逐渐脱水来维持细胞内外渗透压平衡从而抵
抗冻结胁迫，对微生物影响较大[64]。细胞脱水或者结冰
还与细胞膜的通透性和细胞含水量有关，细胞膜能在
温度为-10 ~ -15℃以上保护细胞内部不结冰[67,68]，而
且当细胞质的含水量低于10%时，温度即便在- 40℃
时也不会使细胞质冻结。细胞在0℃以下时对水的相变
有抵抗力，即对融应力，自身形态也会发生一定变化[69]，
在南北两极冻土中，完整细菌细胞的细胞壁加厚，核仁
紧凑细胞质浓缩，细胞中的悬浮物质和细胞膜可以提
供冷冻保护[70]，部分微生物还会分泌胞外基质形成囊
泡状被膜从而保护细胞，这样可以降低细胞代谢活动
来抵抗寒冷直到细胞破损或死亡[64]。细胞破损可能是
由细胞内或细胞外的冰晶对细胞壁进行机械作用导
致，或者是由于细胞膜的保护能力衰减的结果[64,69]。冻
融交替下的土壤在冰冻过程中，土壤微生物表面有层
薄水膜，这种水膜可以用作抗冻剂，使很多微生物都得
以生存[69,71]。此时水最重要的生物学特征，就是它使冰
冻层的土壤中仍然存有可交换的离子和可流动的液态
水。土壤在冻结时，进入细胞的营养物质和细胞排除的
废物都通过这条窄的水膜通道[71]。所以物质的通过与
薄膜水的厚度有关，当通道过窄时，微生物处于饥饿状
态，核糖体DNA表达量发生变化，导致细胞产生的
DNA和蛋白质含量明显减少[64]，在-1.5℃时膜的厚度
约为15 nm，在-10℃时膜的厚度约为5 nm，当温度
足够低时，营养物质和废物最终会减缓运输甚至是停
止运输[71]。
综上，可以看出关于冻融作用下土壤微生物活性、
数量、群落结构变化及相关的微生物代谢模式等方面
学者们均开展了相关研究。在冻融过程中微生物仍会
同化利用土壤中原有或外加的底物用以构建必须的细
胞组分，如蛋白质、核酸和细胞壁进行合成生长代谢。
这部分微生物代谢产物经过这种周而复始的生长－代
谢－死亡循环不断地在土壤中积累，构成土壤有机氮库
的重要组成部分。目前关于冻融作用对土壤微生物代谢
组分合成转化动态方面的研究很少。由于土壤微生物
量和微生物群落结构仅能反应活体微生物当前的状态
[72]，却无法获知氮素转化过程中微生物时间变化的连
续性，即微生物的长期作用效应[73]。而微生物代谢组分
（如细胞壁物质氨基糖）由于其特有的化学特性能不断
1269
第 47 卷土 壤 通 报
积累到土壤中，对评价冻融作用下微生物在土壤氮素
转化过程中的持续作用效应及其对土壤氮库积累的贡
献具有重要的指示意义[74]。未来研究工作中，可以通过
同位素示踪和微生物代谢组分分离相结合的技术手
段，研究冻融作用下氮素形态转化过程，将有助于我们
深入理解冻融作用下微生物参与土壤氮素循环转化过
程和作用机理的认识。
4 结语
冻融交替在中、高纬度地区是一种普遍的现象，它
通过改变土壤水热状况等土壤环境因子而影响土壤结
构及营养元素转化和土壤微生物特性，进而影响氮素
的生物地球化学循环。但是关于冻融作用对土壤氮素
转化和微生物的影响方面的研究，还存在一些不足，尚
待加强，主要表现为：
（1）目前关于冻融作用下土壤可溶性有机氮转化
和损失的影响研究结果还有很大的不确定性，主要归
因于已有研究多数是在室内模拟控制条件下进行的，
如培养箱或生长室中使用均质土来完成，这使得土壤
所处冻融环境与自然条件下的冻融过程有所不同，降
低了冻融处理的真实性。所以在今后进行冻融研究工
作时应尽量开展原位定量研究，并进行长期冻融实验。
（2）关于冻融作用对土壤N2O等温室气体的排放
的影响研究中，尽管揭示了N2O排放的一些规律，但
不同研究中研究结果仍存在差异，而且关于冻融期间
硝化和反硝化作用对土壤中N2O排放的相对贡献也
很难进行精确评价，已有研究尚不能明确冻融作用的
影响机理。今后应进一步加强在冻融交替现象频繁发
生的中、高海拔、高寒地区进行土壤氮素转化和N2O
排放过程和机理研究，为深入理解土壤氮素转化机理
提供理论基础。
（3）关于冻融作用对土壤微生物影响的研究多围
绕冻融作用对土壤微生物活性、数量和群落结构方面
而展开，目前关于冻融作用对土壤微生物代谢组分合
成转化动态方面的研究很少。未来研究工作中，可以通
过同位素示踪和微生物代谢组分分离相结合的技术手
段，研究冻融作用下氮素形态转化过程，将有助于我们
深入理解冻融作用下微生物对土壤氮素转化和截获的
贡献，为揭示冻融作用下土壤氮素转化过程和内在驱
动机理研究带来新的思路。
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第 47 卷土 壤 通 报
Effects of Freeze-thaw Events on Nitrogen Transformation and
Microbiological Characteristics in Soils
LVXin-xin, SUNHai-yan, WANGJing-kuan, DINGXue-li*
(College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China）
Abstract: Freezing and thawing of soils occurred regularly in mid-and high- latitudes and high altitude. Freeze-thaw
events strongly affected soil physical properties, microbiological characteristics and thus nitrogen (N) transformation
process in soils. To date, however, there were no consistent results on the effects of freezing and thawing on soil N
transformation. Few studies investigated the effect of freeze-thaw cycles on microbial processes involved in N cycling.
Here we reviewed the literature with special focus on the effects of freeze-thaw cycles on soil N transformation and
underlying microbial mechanisms. Particularly, information about how freeze-thaw cycles influenced dynamics of
dissolved organic N, inorganic N, microbial biomass N, net mineralization rate, N2O emission and nitrate losses was
included. We also addressed microbial responses to freeze-thaw events, along with the suggestions regarding further
research.
Key words: Soils; Freeze-thaw events; Nitrogen transformation; Microorganisms
[责任编辑：韩春兰]
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