秦海蘭 朱金山 羅友進

摘要：在干濕交替的條件下，對土壤中C、N的循環(huán)以及土壤團聚體結構、土壤脹縮性、土壤微生物和酶活性等的影響進行了綜合評述。研究表明，干濕交替對有機C礦化、腐殖化和N礦化、硝化與反硝化產生影響，且與土壤團聚體結構、土壤脹縮性以及土壤微生物和酶活性密切相關。此外，針對目前研究的不足，提出了今后的研究方向，認為干濕交替下土壤C、N循環(huán)過程與土壤中微生物特性有關系，為進一步開展干濕交替條件下C、N循環(huán)在土壤中轉化，為農業(yè)生產提供了科學依據(jù)。

關鍵詞：干濕交替；C、N礦化；腐殖化；硝化與反硝化；物理性質；生物性質

中圖分類號：S15 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）17-0011-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.17.002 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstracts： Under the alternating wet and dry conditions， the effects of C， N circulation， agglomeration structure， expansion and contraction， microorganism and enzyme activity in soils were comprehensively reviewed. Studies showed that， the dry-wet alternation had an impact on organic C mineralization， humification and nitrogen mineralization， nitrification and denitrification， and which had a close relation with the aggregate structure， expansion and contraction， microorganism and enzyme activities in soils. In addition， according to the deficiencies of current research， the future research direction was proposed， and the relationship between soil C， N cycling processes and the soil microbial characteristics under wet-dry alternation conditions was considered， which provided a scientific basis for further developing the transformation of C，N circulation in soils under wet-dry alternation conditions and agricultural production.

Key words： wet-dry alternation； C， N mineralization； humification； nitrification and denitrification； physical properties； biological properties

干濕交替是陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤水分運移的常見現(xiàn)象，受氣溫和降水的控制。C、N對土壤生態(tài)系統(tǒng)有著極其重要的作用，它們的變化將影響著整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能的變化。在眾多影響土壤C、N循環(huán)的環(huán)境影響因素中，土壤水分是最主要影響因素。在自然條件下，土壤難以長期維持恒定的水分，特別是表層土壤，降水或灌溉后土壤將經(jīng)歷緩慢的干燥過程，即土壤常常處于干濕交替狀態(tài)。干濕交替將導致土壤發(fā)生物理、化學和生物學的變化，從而對土壤團聚體的形成、有機質的分解和礦質養(yǎng)分的循環(huán)產生顯著的影響。

1 干濕交替對土壤C循環(huán)的影響

1.1 礦化

有機C礦化是聯(lián)系土壤系統(tǒng)內部與外部物質循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是土壤C動態(tài)的重要組成部分。有機C在土壤微生物作用下發(fā)生礦化所釋放的主要是溫室氣體，其中影響C礦化過程和干濕交替的因素主要是土壤中的水分含量。長期的水分過飽和長期的干旱都會對土壤呼吸產生抑制作用[1]。周期性干濕交替處理，能明顯激發(fā)土壤的呼吸作用，促進土壤有機C礦化。1958年，Birch最早發(fā)現(xiàn)，干旱的土壤復水后，呼吸作用顯著增強，導致土壤碳化速率增加。較恒濕土壤而言，多次干濕交替能顯著激發(fā)土壤有機C礦化，激發(fā)效應隨著干濕交替頻率的增加而逐漸減弱。周期性的干濕交替處理能明顯激發(fā)土壤的呼吸作用，促進土壤有機C礦化，其中累積的C礦化量受干濕交替強度和持續(xù)時間的影響[2，3]。歐陽揚等[4]研究表明，干濕交替處理激發(fā)了CO2釋放速率。干濕交替下，土壤中的有機物以CO2的形態(tài)進入到空氣中，土壤表層有機C含量高，有機C礦化速率較快，累積礦化量就大，但土壤中的有機物是一定的，隨著干濕交替的次數(shù)增加，土壤中的有機物就會越來越少，釋放的CO2量就會減少。

干濕交替能夠刺激土壤中微生物的代謝活性，從而增加土壤有機質的礦化作用，干旱土壤的再濕潤導致微生物死亡和殘留有機質的暴露使得礦化度提高[5]。當經(jīng)歷長時期的干旱，大多數(shù)微生物處于休眠期或者死亡，快速的復水則會刺激微生物的活性，進而在短時間內土壤礦化速率顯著提高[6]。但土壤結構和微生物活性變化的程度會受干濕交替頻率的影響，導致有機C礦化速率有所差異。Christensen[7]認為土壤C礦化與團聚體密切相關，影響土壤團聚體的因素都將影響土壤C的礦化，尤其是團聚體粒徑的改變將影響土壤有機C礦化速率。土壤再經(jīng)歷濕潤的時候會膨脹，土壤團粒結構進一步遭到破壞，暴露給微生物的有機質表面會進一步增大，從而增加了土壤養(yǎng)分的生物可利用性[8]。

1.2 腐殖化

土壤的干燥和潮濕的循環(huán)是控制腐殖質分解作用的主要因素之一，干濕循環(huán)的頻率和效率決定于氣候和各種農業(yè)實踐[9]。干濕交替的條件造就了土壤中氧化還原電位的交替和不同性質微生物群落的周期交替，為有機質的降解和腐殖化提供了條件[10]。有研究表明，5月洪泛區(qū)表層土壤有機質的腐殖化程度相對較高，表層土壤C的累積慢；相比一年一遇、五年一遇或十年一遇、百年一遇洪泛區(qū)有機質腐殖化程度相對較低，短期的干濕交替能加快土壤有機質的腐殖化程度[11]。含木質素量高的有機質形成的腐殖質量更多，但濕處理土壤的環(huán)境不利于枯落物的分解，枯落物分解便更快地進入分解較慢階段，且分解速度在迅速降低后遠低于干濕交替[12]。表明在干濕交替條件下，有機質腐殖化的速度加快。

2 干濕交替對土壤N循環(huán)的影響

2.1 礦化

干濕交替對土壤氮素的累積、遷移、損失等過程有重大影響，是驅動氮素環(huán)境中轉化的重要因子[13]。土壤氮素礦化是在微生物的作用下進行的生物化學過程，微生物的活性與土壤的濕度密切相關，而水分直接影響微生物活性，同時水也通過控制土壤中微生物的擴散來間接影響N礦化和好氧微生物的活性[14]。1958年，Birch最早發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)的干濕交替條件下，土壤N礦化顯著增加。N礦化會隨水分而改變，隨水分的增加而增加，但含水量到達某一個限定值之后，礦化量反而會降低。因水分含量持續(xù)的增加使得土壤透氣效果變差，微生物活性便會降低，礦化量也就減少，這表明干濕交替更利于N礦化。有研究表明，N礦化量與含水量呈正相關，隨含水量變化N礦化量呈近似直線的上升[15]。不同類型的土壤含水量不同，則N礦化存在一定的差異。也有研究者認為溫度和水分是土壤N礦化的重要因子，且溫度和水分的交互作用對土壤N礦化影響更大。巨曉棠等[16]發(fā)現(xiàn)，溫度和水分對礦化速率常數(shù)有明顯的正交互作用。

稻田排水落干可改善土壤的氧化還原狀況，提高土壤的Eh值，抑制水稻根際有毒物質的積累，有利于提高微生物的活性，加速有機物質的分解和養(yǎng)分的釋放，N礦化增加。干濕交替中土壤中N礦化過程還會受不同施肥處理的影響，劉艷麗等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在干濕交替整個過程中，總N的含量沒有明顯變化，無機態(tài)N含量有變動；在干濕交替的干燥過程中，無機態(tài)N含量有明顯的降低。此外，干濕交替結束后，土壤N礦化速率對干濕交替無延時性響應[18]。

2.2 硝化和反硝化

土壤的硝化-反硝化作用是土壤中氮素轉化的重要過程。硝化作用是在有氧的條件下，NH4+-N在微生物的作用下轉化為NO3--N的過程，即NH4+→NO3-；反硝化作用是在缺氧的條件下，反硝化細菌還原硝態(tài)N，釋放N2或N2O的過程，即NO3-→NO2-→N2，兩個作用過程相互影響。劉學華[19]研究表明，與恒濕、干旱、淹水組土壤相比，干濕交替組更有利于NO3--N含量的累積，干濕交替促進NH4+-N向NO3--N轉化，增強了硝化作用。在干濕交替灌水初期，大量的水使土壤通氣性變差，土壤的反硝化作用加大，氮素會快速流失，在逐漸干旱的過程中，積累反硝化所需的氮素。干濕交替對硝化-反硝化的影響即影響土壤的氧化還原能力，土壤中含水量增加，O2減少時，抑制需氧的硝化作用，厭氧的反硝化作用增強[20]。水分是影響土壤中硝化-反硝化作用的重要因素，土壤含水量為田間持水量的80%對硝化作用有一定抑制作用；40%的含量明顯抑制土壤硝化作用的進行；60%的含量是進行土壤硝化作用的合適水分含量[21]。陳志剛等[22]研究發(fā)現(xiàn)在不同的水分管理模式下，土壤水分含量大小為：連續(xù)灌溉>干濕交替>控水模式，反硝化勢也具有同樣的變化趨勢。與恒濕土壤相比，干濕交替處理的土壤每次復水均能刺激NO3--N量增長，更有利于NO3--N含量的積累。

3 影響機理

3.1 土壤物理性質

3.1.1 土壤團聚體結構 土壤團聚體是在干濕凍融交替等自然物理過程或蚯蚓等生物過程的作用下，礦物顆粒和有機物形成不同尺度大小的多孔單元，是土壤養(yǎng)分的貯存庫和各種微生物的生存環(huán)境[23]。土壤團聚體內顆粒有機質是維持團聚體穩(wěn)定的重要物質，而干濕交替在一定程度上會對團聚體的穩(wěn)定性造成影響。干濕交替會降低團聚體的水穩(wěn)定性，能將土壤大團聚體破碎成小團聚體，在團聚體內受物理保護的有機質被暴露出來，則礦化程度就會增加。因此，土壤團聚體結構對土壤有機質起到物理性保護作用，可以避免土壤有機質的迅速降解，使土壤有機質更多地截獲在土壤中。Denef等[24]研究發(fā)現(xiàn)，多次使土壤暴露于干濕交替環(huán)境可以促進團聚體的穩(wěn)定性而不是團聚體的破壞，并且認為干濕循環(huán)破壞大團聚體且在短期內阻止小團聚體的形成，但是最終將導致大團聚體重新形成。與微團聚體結合，有機質可以受到團聚體的保護，不易被礦化分解。有研究發(fā)現(xiàn)，隨著干濕交替次數(shù)的增加，砂土、壤土和粘土這三種土壤的微團聚體總量影響各不相同，砂土和粘土的最終含量明顯上升；其中對于不同粒級的微團聚體影響較大，出現(xiàn)上下波動的情況[25]。

3.1.2 土壤脹縮性 土壤在干濕交替過程中會發(fā)生脹縮現(xiàn)象，隨著土壤含水量的改變，土壤容積也會隨之改變，干燥過程中收縮，濕潤時膨脹[26]。在干濕交替過程中，土壤容積隨含水量的變化包括水平和垂直兩個方面，即土壤表面的下陷和上移以及裂隙的產生和封閉，不僅影響土壤的結構與質量，同時水分和溶質還會通過收縮裂隙優(yōu)先運移到下層土壤和地下水中，導致水分、養(yǎng)分的損失及地下水污染[26，27]。

3.2 土壤生物性質

3.2.1 微生物 土壤微生物參與多種生化反應，在土壤C、N循環(huán)的中扮演分解者的作用，能加快C、N循環(huán)的速度，有利于C、N循環(huán)的快速進行；能將動植物遺體分解并轉化為CO2釋放到空氣中或者轉化成碳酸鹽釋放到土壤中被植物利用。土壤中的有機質經(jīng)過微生物分解可以被植物再次利用，為其提供營養(yǎng)元素。同時，土壤微生物可以儲備植物的有效養(yǎng)分，對土壤C、N等養(yǎng)分的有效性及其在地上、地下的循環(huán)特征方面起著調控作用，土壤微生物的活性和數(shù)量共同反映了土壤同化和礦化能力的大小[28]。干濕交替對氮素的激發(fā)效應來源于微生物迅速的新陳代謝，土壤氮庫須通過土壤微生物的礦化作用，將有機N轉化為可吸收的有效N；長時間的落干后灌溉時，給土壤微生物提供了良好的條件，硝化作用劇烈，土壤中微生物含量和硝態(tài)N的量都呈上升趨勢；隨著水含量的再次降低，大量微生物死亡，導致土壤微生物量C、N降低[29]。

有研究發(fā)現(xiàn)，多重干濕交替處理能夠顯著提高土壤的礦化作用，因緩慢的干旱使得土壤中大部分微生物得以存活，且在復水后的數(shù)小時內進行快速生長代謝。復水刺激了微生物的大量繁殖，使得土壤中的溶解性有機C能夠被微生物在短時間內分解礦化，滿足自身生長繁殖的需要[6]。在干燥過程中土壤無機態(tài)N隨微生物生物量的增加而降低，淹水過程中隨微生物生物量的降低而增加；干濕交替過程中好氧和厭氧微生物交替及其周轉速率使得土壤有機C礦化增加；水稻土慢速干燥過程中促進了微生物的生長和活性的提高，增強了土壤有機質的礦化速率[18]。

3.2.2 酶活性 土壤酶是土壤中所有生物化學的主要參與者，在土壤的C、N循環(huán)中起著很重要的作用。干濕交替作用能刺激土壤酶活性的增強，李源等[30]研究發(fā)現(xiàn)，無植物生長時的黑土脲酶活性隨著土壤干濕交替的進行含水量逐漸減少，水分脅迫可以增加脲酶的活性；脲酶活性的刺激作用隨著干濕交替次數(shù)的增加而逐漸減弱。崔萌等[31]在不同含水量的狀況下紅壤水稻土中有機物料分解及酶活性的變化中，研究發(fā)現(xiàn)好氣處理土壤脲酶、酸性磷酸酶、轉化酶活性較高，而淹水和干濕交替處理土壤酶活性較低，而且在未加物料培養(yǎng)30 d時，淹水處理的脲酶、轉化酶、酸性磷酸酶活性要比干濕交替灌溉處理分別高21.4%、24.7%和87.5%。萬忠梅等[32]研究發(fā)現(xiàn)，與持續(xù)淹水相比，干濕交替增加了土壤酸性磷酸酶、轉化酶、脲酶和過氧化氫酶活性。

4 展望

干濕交替對土壤C、N循環(huán)的影響與土壤的理化性質和微生物特性有關，而研究干濕交替下土壤C、N的轉化過程與微生物的特性是將來研究的重點。干濕條件下對不同類型的土壤進行研究，觀察其微生物種類、活性、數(shù)量的參數(shù)變化以及土壤中C、N轉化過程中各種形態(tài)物質的變化情況，為提高農作物的產量和質量提供研究方向。同時研究土壤中團聚體在不同干濕交替強度或頻率的條件下對土壤中C、N循環(huán)的影響，包括CO2以及NO3--N的量，判斷有機質給植物提供的營養(yǎng)量。另外，各粒徑團聚體中有機C、N質量分布與植物的生長有密切關系；適宜的土壤團聚體能較好地貯藏和釋放養(yǎng)分，同時具備較強的保水力和通氣性，可為作物的生長提供優(yōu)良的環(huán)境。通過對這些變化特征的研究，為農業(yè)生產方面提供了科學依據(jù)。

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