冻融作用对植物生理生态的影响

华 璐，于晓菲，王啟光，丁珊珊，王国平

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 湿地生态与环境重点研究室，吉林 长春 130102；2.中国科学院大学，北京 100049；3.东北师范大学 环境学院 国家湿地保护与植被恢复环境保护重点实验室吉林省生态恢复与生态系统管理重点实验室 教育部植被生态重点实验室，吉林 长春130117；4.吉林师范大学 旅游与地理科学学院，吉林 四平 136000)

0 引 言

冻融是指由于季节或昼夜气温变化使得土壤温度在0 ℃上下波动而出现的反复冻结-解冻过程，是影响区域土壤生态的重要因素之一[1]。土壤的冻融强度和频率主要取决于当地的气候条件[2]。就全球而言，冻融现象主要发生在中、高纬度以及高海拔地区[3]。北半球存在大面积的季节性冻土，约为5.5×107km2，占全球冻土面积的55%[4]。我国青藏高原和东北区域拥有大面积冻土，由于其生态脆弱性和敏感性，是冻土研究和关注的主要地区[5]。

冻融作用主要通过引起生境胁迫和改变土壤环境而对植物生理生态特性产生一系列直接和间接影响[6]，一方面，冻融作用会通过直接影响植物物候来影响植物生长期，而生长期的延长可以直接增加陆地的净生产能力[7]。有学者综合卫星和地面观测资料分析后发现，全球气温不断升高的30 a间，北半球中高纬度地区的潜在生长期大约增加了10 d，欧亚大陆北部地区的生长期则延长了约12 d[8]。另一方面，冻融作用能够直接改变土壤团聚体[9]、土壤渗透性[10]、力学性质和微生物群落[11]，加速土壤养分流失，进而降低植物对营养物质的利用率，从而间接影响植物萌发和生长以及生态系统生产力[6]。过去对冻融的研究更侧重在对土壤的影响方面，包括冻融作用影响土壤理化性质[9-10,12-13]、土壤微生物[14-17]、土壤生物地球化学循环[18-22]等，为了完善冻融作用对碳氮循环影响的研究，国内外学者逐渐将研究重点转向冻融作用对植物的影响方面。本文总结了植被生理生态过程对冻融作用的响应的部分研究结果，旨在为深入理解冻土区植被对气候变化的响应研究提供参考。

1 冻融作用对植物生长的直接影响

冻融作用时的最低温度、冻融持续频率和频次对植物影响很大。Dietrich等发现，植物存活率、叶片伸长率、叶绿素含量和地上净初级生产力(ANPP)在温度较低和冻融循环频率和频次适中(1～3FTC)时最低，最低冰冻温度比冻融频率对植物的影响更大[23]。他们同时发现，在冬季积雪面积逐渐减少的广大地区，冻融作用会对植物生理生态性能产生负面影响，并且冻结强度比冻结速度对植物的影响更大[23]。Herrmann等[24]发现，在第一次冻融循环时，冻融作用对土壤碳、氮等植物营养元素的影响最大，在随后的冻融循环中，影响逐渐减弱。发生在早春时期的冻融循环会造成植物物候期的改变，物候的推迟或提前都会直接影响植物萌发和生长。冻融胁迫对植物的冻害会受到水分、温度、冻结和融解持续时间等多种因素的影响[25]。Skinner等对冬小麦进行冻融处理后发现，经历过2次冻融循环的冬小麦的存活率明显低于只经历过1次冻融循环的[26]。Connlly等使用田间采集的土壤和多年生丛生禾草Elymuscanadensis的种子进行冻融胁迫下的萌发试验，发现冻融作用的变化直接限制了幼苗出苗，延迟了幼苗物候，并为真菌病原体提供了限制种子持久性的机会[27]。

冻融作用对植物最直接的影响表现为对植物根系的损害[28]。冻融过程促使根系死亡，并且对细根的破坏更严重。Yin等[29]通过对比冻融作用对植物主根和须根的过氧化酶活性、脯氨酸等生理指标后发现不同根系对冻融过程采取的应对策略不同，例如须根会增强抗氧化能力，而主根则是积累渗透物质。Kreyling[30]在对草地植物进行去雪被冻融模拟实验后发现，冻融作用虽然会在生长季增加草场地上生物量，但在后续生长季节中导致根长减少。土壤冻结后，植物可利用水分以及土壤微生物与酶活性均会有所下降，同时解冻阶段也会伴随着大量养分淋溶和径流损失，从而间接影响植物根系对土壤中水分和养分的吸收[31]。土壤冻融是地面与大气间热量交换的产物，在土壤自上而下冻结的过程中[32]，由于已冻结土壤的水势梯度比较大，导致未冻结土壤中的水分向上迁移[33]，致使水分再分配的同时微生物活性减弱，矿物质营养元素累积。同时，冻融循环频数、频率、冻结速率和强度由土表向深层递减，因此对土壤生理生态特性的影响也由土表向深层递减[34]，当土壤完全冻结时，土壤和大气间的热量交换几乎停滞[32]，故冻融作用对植物根系发达的浅层土壤水分迁移和再分配影响较大，对底层土壤水分的再分配影响较小[33]，所以0～10 cm根系死亡率远大于20～30 cm的根系。冻融作用对根系的冻害可能会降低后续生长季节植物氮吸收。Kreyling发现，虽然在进行冻融循环的第一年矮秆灌木没有不良反应，但它们从第二年开始变得枯萎[35]，由此提出，植物吸收的氮可以通过两种不同的过程改变，即土壤溶液中氮有效性的变化(由微生物活动或物理干扰引起)和植物使用可利用氮能力的变化(通过根损害、菌根化的变化和相关真菌群落的变化实现)。同时，腐殖质层的良好保温和持水性可以保护植物根系不受冻融环境的影响[36]。此外，不同类型土壤水分渗透性对植物根际生存环境的影响不同。杨平等[37]认为，黏土经历冻融作用后渗透性增强，而砂土几乎没有变化。并且在冻结情况下，土壤水分和养分几乎无法在垂直方向上进行交换，这对于水分利用效率以及植物根系分布可能产生重要影响。

2 冻融作用对植物生理特性的直接影响

冻融作用对植物生理特性造成的影响是多方面的，包括影响植物的细胞膜、抗氧化酶活性、渗透调节物质以及光合作用等。

2.1 冻融作用对植物细胞膜的影响

冻融作用分为冻结和解冻两个过程，冻结和解冻作用都可对植物细胞膜造成胁迫。冻结胁迫主要是在温度上对植物造成影响，温度的显著变化会通过影响其他环境因素(如植物对光和CO2的利用)而对植物产生胁迫[38]。为了让植物少受冻结迫害，提高农作物产量，人们一般会对植物进行抗冻性驯化以提高植物耐冻性。Bertrand等[39]在对红三叶草进行反复室内模拟冻融实验后发现，反复的冻结实验能够有效的提高三红叶草的耐冻性。但是在自然条件下，冻结并不是导致植物组织损伤的唯一原因，解冻的过程也会对植物细胞产生压力[40]。当温度低于0℃时，植物细胞间隙的水分冻结，导致细胞外结冰，细胞内溶液浓度升高，细胞脱水坏死。解冻后细胞膨胀，像这样不断收缩扩张的过程会造成细胞的机械损伤[41-42]。冻融作用下细胞膜损伤、离子渗透提高，从而影响植物正常的生理代谢过程。如Mayr等[43]利用挪威云杉和石松进行冻融胁迫试验，发现反复的冻融循环促使木质部中气泡聚结，导致干旱地区针叶林在冬季栓塞，运输能力受到影响。还有研究表明，植物的抗寒性与其细胞膜系相变温度有着直接的关系，细胞膜相变温度越低，植物抗寒性越高[44]。即使经历过严重的冻融伤害后，由于植物细胞自身的恢复能力，随着其恢复时间的延长，细胞功能可能会恢复到原有的稳态结构。如，Arora等[40]将洋葱切片置于冻融胁迫发现，经历过冻融损害的洋葱细胞随着恢复时间的延长，完全可以恢复到其受胁迫前的稳态结构。

2.2 冻融作用对植物酶活性的影响

Min等以菠菜为研究对象，发现经历过冻融后植物内活性氧和电导率的变化差异显著[45]。冻融过程增加了活性氧(ROS，如超氧阴离子自由基、自由基和过氧化氢)的产生，而活性氧反过来又会影响原始细胞的功能，破坏细胞原有结构。所有需氧生物都会遇到氧化代谢紊乱的现象，这种紊乱会完全改变细胞的氧化还原状态，最终导致一系列应激反应。因此，氧化应激是低温损伤的一个重要因素。低水平的ROS通过激活NF-kB和AP-1等特定转录因子，调节细胞功能，同时作为信号分子诱导应激，维持能量代谢，从而挽救细胞。但是大量的ROS将对细胞施加氧化应激，并引发基因表达的变化。当ROS和抗氧化防御之间的生理平衡丧失时，氧化应激会导致细胞内DNA、蛋白质和脂类的分子损伤，并诱导细胞色素c等凋亡因子从细胞线粒体中释放，最终激活程序性细胞死亡[46-47]。所以，植物为了提高自身的生存能力，机体会产生一系列的抗氧化酶(APX抗坏血酸过氧化物酶、CAT过氧化氢酶、SOD超氧化物歧化酶、POD过氧化物酶)及非酶物质(类胡萝卜素)来抵御冻融导致的氧化应激对细胞的损害。比如SOD可以将某些超氧化物自由基转化为毒性较小的H2O2，但是H2O2仍然会对膜脂(脂肪酸的过氧化作用)和蛋白质(变性)造成损害，所以接下来由CAT、POD和APX继续将H2O2转换成为无害的H2O和O2-，这一系列过程阻止了生物分子的氧化和对细胞的破坏，提高了植物的低温耐受性[48]。已有研究表明，抗氧化物活性的提高能够保护植物在冻融胁迫下仍能维持正常的生命活动[49]。例如，周瑞莲等[50]在进行模拟融冻实验时发现，融冻胁迫下白三叶草叶片的POD和CAT活性以及脯氨酸含量皆高于红三叶草叶片，但细胞膜渗透性却低于红三叶草叶片，这表明白三叶草具有较红三叶草更强的抗融冻能力。

2.3 冻融作用对植物渗透调节物质的影响

冻融作用导致细胞脱水并诱导保护性化合物的产生，包括相容的溶质、植物激素和保护蛋白[51]。植物机体为了提高细胞持水能力，抵消细胞脱水和膨胀带来的损伤，会合成某些低分子渗透物(碳水化合物、甜菜碱、脯氨酸)进行渗透调节，维持自身正常的生理代谢活动[52]。其中甜菜碱在脱水胁迫反应中含量最高，它主要存在于叶绿体中，发挥着调节和保护类囊体膜的重要作用，从而维持光合效率；脯氨酸除了具有渗透调节的作用外，还有助于使亚细胞结构(如细胞膜和蛋白质)膨胀，清除自由基，并在应激条件下缓冲细胞氧化还原作用，从而减少生境胁迫对植物造成的伤害[48]。此外，冻融胁迫还会导致植物表观遗传修饰，在外界压力作用下，基因表达可能会发生持续变化，导致乙酰化、甲基化和遗传物质的磷酸化和转录因子的积累，并且这种表观遗传修饰甚至可以通过有丝分裂和减数分裂来遗传[53]。这些修饰可以在未来增强植物应激反应，目前已经观察到在冻结情况下植物产生的“压力记忆”的现象[54]。

2.4 冻融作用对植物光合作用的影响

冻融作用会通过影响植物对CO2、光的利用以及碳同化能力来影响光合作用。光合速率、气孔导度、蒸腾速率等是判断植物生长和抗逆性强弱的重要指标，可以反映植物对光和CO2的利用情况[55]。植物叶绿体在对光的传递、吸收和转化过程中起着至关重要的作用，是光合作用的重要器官，它对低温环境非常敏感。当外界环境气温过低时，叶绿体的结构和功能会遭到严重破坏；此外，暴露在低温胁迫下的植物细胞会由于冻结失水，阻塞叶片气孔，气体无法通过气孔进入细胞，导致CO2同化减少，从而降低植物的光合速率，影响植物光合作用。Andrewd等[56]发现，当发生短周期和高频率的冻融循环时，植物光合作用将受到更大的损害。但也有研究结果表明，冻融循环频率的增加并未影响冬季植物光和生理特性，但会导致初夏的碳吸收增加[57]。

3 冻融作用对植物生产力和群落组成的影响

冻融作用导致土壤团聚体结构损坏和植物体细胞破裂脱水死亡，由此释放大量有机质，加速土壤矿化和硝化速率，使经历过冻融后的土壤富含丰富的速效养分[58]，土壤融化后，在冻融作用影响下土壤可溶性养分流失，在一定程度上影响了植物生长。Kreyling发现，冻融作用虽然增加了草场第一年地上部分生物量，但却影响了后续生长季的根系长度，从而影响植被生物量[30]。此外，冻融作用会对垫状草甸产生切割破坏作用，严重情况下还会出现石漠化，导致植被覆盖减少，大量地表裸露[6]。王绍令等[59]指出，气候变暖导致的冻融环境变化，导致地下水位降低，地表水分减少，地温升高，地表盐渍化、沙漠化加重，使得原有的生态系统结构发生变化,导致生物量和植被覆盖减少。然而，也有研究指出冻融作用并不会对植物生长产生显著影响，Wang等[60]对青藏高原冻土研究发现，频繁的冻融作用增加了高原草地生态系统第一年的地上生物量，但是却降低了石楠生态系统第二年的地上生物量。Kreyling等[4]发现，增温控制冻融循环第二年，除了C/N比率增加外，草原群落的产量没有受到显着影响。

冻融作用影响群落组成。不同植物功能类型之间吸收和分配营养元素的能力不同，如草本植物和矮灌木，尤其是木本和非木本物种之间的差异非常明显，因为它们代表了不同的生长策略(生长速率不同)和不同的时间响应动力学(如物候的变化)[61]。Grogan等对草类和灌木类植物做解冻后的示踪实验表明，草类对地上器官的养分吸收和分配较快，而灌木对养分吸收和分配较慢，仅在根系中发现了氮的示踪元素[20]。所以，不同植物对土壤冻融方式改变的响应可能促使植物群落组成改变，从而影响生态系统功能[4]。

4 冻融作用通过影响土壤环境而对植物的间接影响

冻融作用导致的团聚体、凋落物、植物根系的破碎和微生物裂解可促进土壤中可溶性有机质的释放[62]，最终对植物生长产生强烈的间接影响。土壤孔隙水的冻结导致微生物脱水死亡，细胞内溶液外渗，增加土壤中的可溶性碳、氮[20]；冻结时土壤孔隙水膨胀成冰晶，破坏土壤团聚体和稳定性[63]，使碳水化合物、脂肪酸等暴露，更利于被分解利用[11]；冻融作用促使细根及植物凋落物破碎后的大分子有机质的分子键破裂，从而产生更多的可溶性有机物和养分[14]。冻融循环后，酶活性增强，加快有机质矿化，产生大量植物可利用矿质化合物[64-65]。Liu等[66]发现土壤冻融处理显著增加了嫩枝和根系的潜在磷损失，导致植物体营养元素流失，从而影响植物的生长。Groffman等[67]认为，越冬和冰雪融化过程是氮素积累和循环的关键环节。冻土融化后，微生物活性急剧增加，同时由于土壤的高含水量，促进厌氧微生物脱氮，氮排放量增加[68-69]，导致植物生长必须的营养元素氮的流失。冻融作用对植物的损害会在短期内增加氮损失，同时降低植物在生长季节后期摄取氮的能力[70]。氮是构成与植物光合作用紧密相关的各种光合酶以及NADP+和ATP的重要组成成分[71]，类似氮、磷、硫等矿物元素的冻融流失会影响光合酶的合成和细胞组织的生长，从而影响植物光合速率[72]。同时，CO2和土壤养分的交互作用对植物光合速率、水分利用和产量都会产生显著的影响[73]。冻融循环前期会释放大量CO2，Aim等利用密闭室法对芬兰东部天然沼泽、排水沼泽及沼泽湿地冬季CO2和CH4通量进行了测量，发现芬兰泥炭地冬季CO2和CH4排放量占全年排放量的10%～30%[69]。CO2的增加加大了叶片CO2分压，促进了CO2和植物叶绿体内光合关键物质二磷酸核酮糖的结合，提高了光合作用量子效率[74-75]。同时，增加的CO2通过促进叶片和茎节伸长来扩大植物光合面积，提高单位叶面积承载的库容量以及库对物质的调运能力，在一定程度上提高了光合速率[76]。也有研究指出，在温度升高的情况下，CO2浓度的增加会促使植物叶绿体类囊体膜中氮、Rubisco含量降低和单位叶面积Rubisco活化中心浓度降低，最终导致植物光合作用量子效率下降[77]。由此可见，冻融作用导致的土壤环境养分的变化将会在一定程度上影响后一个生长季植物的生长。基于上述研究成果，我们总结出冻融作用对植物生理生态影响的框架(图1)。

5 结语及展望

冻融作用通过改变土壤团聚体、土壤渗透性、力学性质、微生物群落、养分环境等对植物生理生态特性产生间接的影响。同时冻融作用形成的胁迫环境不仅影响植物地下根系、植物物候、细胞膜和渗透调节物质，而且还会通过改变土壤养分有效性影响植物地上部分的光合作用，由此影响植被生产力和群落结构。冻融作用下土壤(养分、酶活性、微生物)、植物(生产力、生长季、来年生长季)的研究将有助于明确冻土区土壤肥力、土壤酶活性、地球化学循环过程和区域碳收支情况。今后应更加注重气候变化下降水量、雪被厚度的改变以及温室气体(N2O、CO2)共同作用下导致的冻融格局和冻土区生物地球化学特性的改变，关注不同类型植被生理生态特性、根系形态以及植物群落等方面的研究，提升植被生态系统生产力，这对于深入理解冻土区植被对气候变化的响应具有重要的理论意义。此外，目前国内外关于冻融作用对植物生理生态的影响大多是与分子机制相关的表观遗传学方向，针对植物整个生长季的长期性田间实验基本缺失。今后可以注重冻融作用对植物生理生态的长期的生长性研究，并试着从分子生物学解释其机理。