冻融扰动对土壤孔隙水可溶性物质分布及紫外-荧光特性的影响

Effects of Freeze-Thaw Disturbance on Distribution and UV⁃Fluorescence Characteristics of Dissolved Substances in Soil Pore Water

摘要

目的 季节性冻融可深刻改变土壤孔隙结构，但目前对孔隙水中可溶性物质含量与组分的变化了解非常有限。 方法 选取典型季节性冻融区东北黑土为研究对象，通过室内冻融控制性模拟试验，借助高速冷冻离心机和紫外分光光度计，对比分析3种不同粒径（细粒径<0.5 mm、中粒径0.5~2.0 mm和粗粒径2.0~5.0 mm）回填环刀土样，分别在冻融前、后5个不同基质吸力水平下收集测定所得土壤孔隙水的电导率（EC）、可溶性有机碳含量（DOC），以及可溶性有机物紫外-荧光特性（HIX、FI、SUVA₂₅₄）。 结果 1）冻融后，各粒径土样≥34.0 μm大孔隙占比均显著下降（4.84%），而0.4~3.0、<0.4 μm的微孔隙占比增加（5.45%、2.78%）。2）随着当量孔径缩小，DOC、EC和HIX均降低，且冻融后均有增高趋势。3）细粒径组成土样在0.4~3.0 μm微孔径的孔隙水SUVA₂₅₄在冻融后显著增强，而粗粒径几乎所有孔径孔隙水的SUVA₂₅₄均显著下降。 结论 冻融作用不仅可显著改变土壤孔隙结构，还可深刻影响土壤孔隙水分布及可溶性有机物组分，强调北方季节性冻融扰动对来年春季土壤物理结构和生物化学特性的深远影响。

Abstract

Objective Seasonal freeze-thaw can profoundly alter soil pore structure， but current understanding of the changes in the content and composition of dissolved substances in pore water remains very limited. Methods This study selected the black soil of Northeast China from a typical seasonal freeze-thaw region as the research subject. Through controlled laboratory freeze-thaw simulation experiments， utilizing a high-speed refrigerated centrifuge and UV spectrophotometer， this study conducted a comparative analysis of three different particle sizes （fine particles < 0.5 mm， medium particles 0.5-2.0 mm， and coarse particles 2.0-5.0 mm） repacked in cutting rings. Soil pore water was collected and measured at five different matric suction levels to determine its electrical conductivity （EC）， dissolved organic carbon （DOC） content， and UV-fluorescence characteristics of dissolved organic matter （HIX， FI， SUVA₂₅₄） before and after freeze-thaw. Results 1） After freeze-thaw， the proportion of macropores ≥ 34.0 μm significantly decreased （4.84%） in soil samples of all particle size fractions， while the proportions of micropores （0.4-3.0 μm and < 0.4 μm） increased （5.45% and 2.78%， respectively）. 2） As the equivalent pore diameter decreased， DOC， EC， and HIX all decreased， exhibiting an increasing trend after freeze-thaw. 3） For fine-grained soil samples， the SUVA₂₅₄ of pore water in the micropores of 0.4-3.0 μm increased significantly after freeze-thaw， whereas for coarse-grained samples， the SUVA₂₅₄ of pore water in almost all pore sizes decreased significantly. Conclusion Freeze-thaw action can not only significantly alter soil pore structure but also profoundly influence the distribution of soil pore water and the composition of dissolved organic matter. It underscores the far-reaching impact of seasonal freeze-thaw disturbance in northern regions on soil physical structure and biogeochemical properties in the following spring.

Graphical abstract

关键词

冻融 / 孔隙结构 / 孔隙水 / DOM

Key words

freeze-thaw / pore structure / pore water / dissolved organic matter

季节性冻融是影响中、高纬度及高海拔地区土壤理化特性的重要过程之一^［1-2］。季节性冻融过程中温度变化、水-冰两相转化等过程中体积膨胀、冰晶斥盐等物理现象，可改变土壤孔隙结构，重塑孔隙水分布格局，进而影响孔隙水对植物的有效性^［3-5］。低温和冰晶生长季节性破坏还可大量杀灭微生物^［6］，进而通过微生物残体补给改变土壤溶液中可溶性有机物质含量^［7］。尤其在未来气候变化条件下，季节性冻土区冻融深度、强度和循环次数等均将发生深刻变化^［8］，因此，急需定量研究孔隙尺度下土壤水分和可溶性物质对冻融扰动的响应。

已有研究^［9］认为，在土壤冻结过程中，孔隙水从液态到冻结成固态冰晶，体积膨胀约9%，推挤土壤颗粒和团聚体，发生位移或形变。升温后冰晶融化，但已经发生的土壤颗粒位移和形变却无法复原，从而改变土壤孔径大小和空间分布^［3］。由于土壤水势在空间是不均匀的^［10］，导致土壤水-冰相变是不均匀的，而是受到含水量、外部荷载及盐浓度等的影响^［11］。孔径越小，孔隙水压力越大，冻结冰点降低越明显^{［10，12］}，致使大孔隙先冻结，小孔隙则需要温度降至更低才能冻结，而微小孔隙则可能持续处于未冻状态^［13］。因此，在东北黑土区或青藏高原地区等土壤孔隙和结构具有较强空间变异性的区域^［14-16］，不同颗粒组成或孔隙组成对冻融时间、强度和溶质迁移等方面的变异性^［17］将进一步影响坡面尺度水文连通性和土壤剖面水分纵向分布格局。多个研究均发现，一次冻融可杀灭大量微生物^［18］，释放其内部有机碳和氮^［19-20］。不仅增加土壤可溶性有机物质含量^［7］，也改变孔隙水中可溶性物质的组成及其紫外-荧光特征。吴松洋^［21］研究发现，类富里酸和类腐殖酸物质的荧光强度随冷冻时长的增加而显著增加；XUE等^［22］和YANG等^［23］进一步研究发现，冻融可显著降低可溶性有机质的芳香性和可溶性微生物代谢产物等荧光物质，而提高多糖和脂肪酸甲酯类的丰度，增加微生物源有机质的积累；WU等^［24］则研究发现，随着初始含水率增高，冻融作用将可溶性有机质从腐殖酸向富里酸转变，增强土壤有机溶质的生物有效性。而且土壤孔隙的生物功能至关重要，控制微生物的水、有机物和营养物的供应和吸收^［25］。但是目前的研究对冻融扰动如何影响孔隙尺度的可溶性物质紫外荧光特性的研究不够深入，因此，亟需定量刻画冻融扰动对不同孔径中土壤水冻结过程及可溶性物质组分的影响。

本研究以中国东北典型季节性冻土区黑土为对象，针对冻融扰动对土壤孔隙水及可溶性物质组分影响等问题，对比研究3种不同粒径黑土环刀在冻融与非冻融条件下，5个不同孔径土壤水含量、可溶性物质含量及光学特性，旨在验证不同孔径孔隙水对冻融扰动的敏感性，定量刻画冻融扰动对孔隙尺度可溶性有机物光学特性的影响。1）定量刻画冻融对不同粒径土壤孔隙结构变化的影响；2）明确冻融对不同粒径土壤孔隙水中可溶性有机物荧光特性的变化特征；3）揭示冻融作用下孔隙结构变化对孔隙水再分布和DOM紫外-荧光特性响应的影响机理。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与土样采集

本研究选取黑龙江省嫩江市鹤北小流域（48°43′N，124°56′E）农耕地 为研究对象。研究区所在流域面积为2.8 km²，坡长一般800~1 500 m，平均坡度为6°^［26］。采样点典型作物有春小麦、大豆和玉米。该区属寒温带半湿润大陆性气候，夏季温暖湿润，冬季寒冷干燥。年平均降水量为534 mm^［27］，年平均气温0.4 ℃。最暖月（7月）平均气温22.5 ℃，最冷月（1月）平均气温-20.8 ℃^［28］。研究区为典型的季节性冻土区，冬季持续性低温导致土壤冻结深度达1.5~2.0 m，从第1次冻结到最后1次解冻的冻融持续时间长达170~200 d。每年10月中旬至11月中旬、3月中旬至4月中旬土壤剖面经历多次冻融循环过程。土壤温度的最低值出现在1—2月，其中0~10 cm土层低至-8.89 ℃，而翌年4月气温迅速回升，土壤开始自上而下单向解冻，融化期持续约30 d，呈现昼融夜冻交替特征^［29］。

本研究于2024年入冬前在研究区典型坡耕地上坡位弱侵蚀区采集表层黑土（0~20 cm），土壤颗粒组成为：砂粒6.10%，粉粒56.92%、黏粒36.97%。平均有机碳质量分数为25.32 g/kg，平均pH为5.75，平均总氮质量分数为2.27 g/kg。在东北漫川漫岗地区，由于侵蚀和耕作扰动，坡背处粗骨化，而坡脚处细颗粒沉积富集，可显著改变不同坡位土壤质地，重塑孔隙结构^［30］，形成较强的空间异质性，因此亟需针对不同土壤颗粒孔隙结构进行冻融扰动对比研究。

1.2 冻融模拟与孔隙水采集

将采集表层0~20 cm黑土，避光风干，为对比不同粒径形成孔隙结构下孔隙水对冻融扰动的响应，过0.5、2.0、5.0 mm筛，并去除可见植物根系等杂物，后分别回填环刀（体积100 cm³），形成细粒径（<0.5 mm）、中粒径（0.5~2.0 mm）和粗粒径（2.0~5.0 mm），3种粒径组成土柱。回填过程中，为避免土壤颗粒被破坏，仅通过土壤颗粒自重自由沉降，没有进行外部压实，使其体积质量分别为1.00、0.98、0.95 g/cm³。然后将细、中、粗粒径组成的环刀土样润湿至饱和含水量，此时其质量含水率分别为58.0%、53.42%和45.60%。为模拟冻融过程土壤温度变化，将润湿后环刀土样包裹多层塑料薄膜后，直接放入冰箱，于-10 ℃冷冻12 h后，在10 ℃恒温箱解冻12 h，即一次完整的冻融，每种处理重复设置6个环刀土样（图1）。根据预试验结果，多次冻融循环对土壤孔隙结构和孔隙水特性的影响较为复杂，且可能存在非线性变化趋势，需进一步深入系统研究，故暂不在本研究讨论范围。

将未冻融和经历冻融扰动的环刀样品分别使用高速离心机进行离心，并分阶段收集离心水。将不同粒径土壤装入环刀后使用高速离心机离心，可保证同一吸力段土壤孔隙水样可比性，进而保证试验中孔隙结构数据的准确。具体而言，共设置5个离心转速，分别持续5个离心时间，对应土壤水吸力（表1）。在各个离心阶段结束后，从转子中取出环刀，收集并测定各吸力下离心的孔隙水重量，并计算出对应的体积含水率。将收集的孔隙水储存在样品瓶中，培养箱4 ℃保存。5个阶段离心全部结束后，记录环刀和内部土壤的总质量，将环刀土风干后，记录环刀和内部干土的总质量，计算残余水。离心后，土壤总孔隙水回收率>96%。

1.3 土壤当量孔径计算

根据5个不同离心吸力下的含水率，以及公式（1）和公式（2）计算得出冻融前后各当量孔径。具体而言，假定土壤中的孔隙为圆形毛管，即假定土壤水吸力和毛管直径的关系^［31］为：

d=300/S（1）

式中：S为土壤水吸力，Pa；d为毛管直径，mm。

若土壤含水率θ₁、θ₂对应的当量孔径分别为d₁、d₂，则d₂与d₁之间的孔隙所占体积与孔隙总体积之比（k）为：

k=（θ₁-θ₂）/θ_s（2）

式中：θ_s为饱和含水率，cm³/cm³；θ₁>θ₂。

基于以上计算公式，5个基质吸力水平对应的孔径当量见表1。

1.4 土壤孔隙水DOM紫外-荧光特性测定与计算

土壤孔隙水DOM紫外-可见吸收光谱采用紫外分光光度计测定，荧光光谱分析采用F－7000三维荧光分光光度计。PMT电压设为700 V，配以1 cm石英比色皿；激发光谱波长范围λ_ex=200~500 nm，间隔5 nm；发射光谱波长范围λ_em=250~550 nm，间隔5 nm；扫描速度为12 000 nm/min，狭缝宽度为10 nm。采用超纯水作空白，系统自动校正拉曼散射。

计算土壤孔隙水DOM紫外-可见吸收光谱荧光光谱特征参数^［33］：荧光指数 （fluorescence index，FI）、腐殖化指数（humification index， HIX）及SUVA₂₅₄。荧光指数（fluorescence index， FI）是反映芳香与非芳香氨基酸对DOM荧光强度的相对贡献率，作为衡量DOM来源及降解程度的指标^［34］。FI≤1.4，表示DOM主要为外生源（有机物质转化等）；FI≥1.9，表示DOM主要为自生源（微生物分解所产生）；1.4≤FI≤1.9，表示DOM为混合源^［35］。腐殖化指数（humifi-cation index， HIX）表征DOM的腐殖化程度，HIX越高表明腐殖化程度高，DOM越稳定^［36］。SUVA₂₅₄定义为在254 nm处的紫外吸收除以溶解性有机碳（DOC）浓度所得的比值［L/（mg·m）］。SUVA₂₅₄值越高，表明DOM中含有更多的共轭双键结构和芳香环化合物，较低的SUVA₂₅₄值则指示DOM以脂肪族、蛋白质类或微生物代谢产物为主^［37］。参照荧光激发-发射矩阵区域积分定量溶解有机物光谱^［38］。根据土壤DOM三维荧光光谱特征，一般将激发波长和发射波长所形成的二维荧光区域划分为5个特征峰区域，通过MATLAB 2024a调用DomFluor工具箱计算荧光区域积分（fluorescence regional integra-tion，FRI）：区域Ⅰ为类酪氨酸物质；区域Ⅱ为类色氨酸物质，二者均为类芳香蛋白物质；区域Ⅲ是类富里酸物质，区域Ⅳ为微生物代谢产物；区域Ⅴ为类腐殖酸物质。

1.5 其他指标测定与数据分析

将收集的各孔隙水样品稀释20倍后，使用电导率仪测定电导率（EC）。将稀释后的水样用0.45 μm滤膜对离心后的水样抽滤，采用总有机碳分析仪测定滤液中的DOC含量。各指标数据采用Excel 2019软件处理，采用Origin 2021软件绘图，采用SPSS 23软件进行差异显著性分析（p<0.05）。

2 结果与分析

2.1 冻融前后不同粒径土壤孔隙结构及孔隙水分布

未冻融时，≥34.0 μm大孔隙在中粒径土样（0.5~2.0 mm）中占比为45.66%，显著高于其他粒径中的占比（表2），而9.5~34.0 μm中孔隙在细粒径土样中占比为16.04%，显著高于粗粒径（8.07%）和中粒径（8.95%）。6.0~9.5 μm小孔隙在细、中、粗粒径土样的占比分别为4.76%、3.57%、3.88%。<0.4 μm的极微孔隙在粗粒径土样中占比最高为35.21%（表2）。

冻融扰动后，各粒径土样≥34.0 μm大孔隙占比均显著下降（平均为4.84%），而0.4~3.0、<0.4 μm的极微孔隙占比增加（平均为5.45%，2.78%）（表2）。就不同粒径而言，细粒径土样≥34.0 μm大孔隙占比下降最为显著，从未冻融时的37.29%下降至冻融后的34.50%。同时，细粒径土样<0.4 μm的极微孔隙占比也从未冻融时的31.46%增加至冻融后的33.39%（表2）。冻融后，中、粗粒径土样也大致表现为大孔隙减少，小孔隙和微孔隙占比增加，但总体趋势不太显著（表2）。

2.2 冻融前后不同粒径孔隙水可溶性有机碳和电导率分布差异

由图2可知，未冻融时，随着土壤粒径增大，孔隙水DOC和EC均有下降趋势。细粒径土样中各孔隙DOC平均值为23.96 mg/L，而粗粒径中仅为19.09 mg/L。孔隙水EC随着土壤粒径的变化更为敏感，粗粒径土样孔隙水EC仅为细粒径的73%（图2）。随着孔径缩小，孔隙水DOC和EC也有所下降，0.4~3.0 μm微孔径孔隙水DOC和EC平均值是≥34.0 μm大孔径孔隙水的78.73%~100.55%。

冻融可显著增加土壤孔隙水DOC和EC。冻融后，DOC和EC的平均值约为未冻融初始值的1.10、1.18倍。冻融后DOC的增幅在粗粒径土样中最为显著，平均约为14.71%，而EC的增加则在细粒径土样中较为明显，尤其≥34.0、9.5~34 μm的大中孔隙中最为显著，平均增幅可达38.74%。

2.3 冻融前后不同粒径孔隙水可溶性有机物紫外-荧光特性

由图3可知，未冻融时，HIX主要在0.71~0.77变化，说明孔隙水DOM腐殖化程度普遍较低，且中、粗粒径土样HIX显著高于细粒径，前者平均值是后者的1.04、1.05倍。不同孔径间，≥34.0 μm大孔隙HIX的平均值为0.77，显著高于0.4~3.0 μm小孔隙（0.73）。冻融后，各粒径土样的HIX均有提升，尤其是细粒径土样的HIX平均值由冻融前的0.72提升至冻融后的0.76。总体上HIX随孔径减小而减小。

未冻融时，FI主要在1.77~1.87变化，说明孔隙水DOM为混合源，但自生源（微生物分解所产生）相对较多。粗粒径土样的FI（1.79）显著低于细粒径（1.83），但≥34.0 μm大孔径孔隙水的FI平均值为1.79，显著低于0.4~3.0 μm小孔隙水FI平均值（1.84）。冻融后，FI均有上升趋势，但仅粗粒径土样各孔径孔隙水冻融前后FI差异较为显著，细、中粒径分别是9.5~34.0、≥34.0 μm的孔隙水冻融后FI增幅较大。

未冻融时，细粒径土样SUVA₂₅₄平均值为0.60，在9.5~34.0 μm的SUVA₂₅₄最高为0.73，之后随孔径减小，SUVA₂₅₄减小，显著低于粗粒径平均值（1.00）。但冻融后，孔隙水SUVA₂₅₄在细、粗粒径土样中的表现截然相反。细粒径土样除≥34.0 μm的大孔隙水SUVA₂₅₄冻融前后无显著差异外，其他孔隙水的SUVA₂₅₄均显著增大。0.4~3.0 μm的微孔隙冻融后SUVA₂₅₄为冻融前的2.07倍。然而，粗粒径土样所有孔径的孔隙水SUVA₂₅₄均在冻融后显著下降，平均降幅为19.53%。

2.4 冻融前后不同粒径孔隙水可溶性有机物荧光光谱特性

由图4不同孔径孔隙水DOM三维荧光图谱可知，峰值出现在Ⅲ区（E_x：240~250 nm，E_m：410~440 nm） 和Ⅴ区（E_x：250~270 nm，E_m：410~440 nm），分别代表类富里酸物质和类腐殖酸物质。孔隙水DOM的荧光峰荧光强度随着孔径当量的减小而减弱；与未冻融相比，冻融后孔隙水荧光峰强度明显增强，细粒径的荧光峰强度明显高于粗粒径。

不同孔径孔隙水DOM荧光区域积分比例详见图5。未冻融时，区域Ⅱ（类色氨酸物质）占比最高32.73%，区域Ⅰ（类酪氨酸物质）占比最低6.21%，细粒径在区域Ⅰ积分占比（7.39%）显著大于中粒径（4.52%），区域Ⅱ各土样差别不大，区域Ⅴ占比在6.0~34.0 μm的中、小孔隙，细粒径显著小于中粒径。冻融后，区域Ⅰ的细粒径占比减小39.89%，中粒径≥34.0 μm大孔隙占比增幅51.55%，粗粒径>6.0 μm的孔隙水显著小于未冻融，区域Ⅱ占比为32.22%，区域Ⅱ≥34.0 μm大孔隙的细粒径占比显著小于中粒径，区域Ⅴ占比细粒径总体增幅为11.86%。

3 讨 论

3.1 不同孔径内孔隙水可溶性有机物组成差异

不同孔径间孔隙水可溶性物质含量和组分存在显著差异，可能主要与土壤孔隙非均质结构所导致的孔隙压力和周转速度差异有关。一方面，≥34.0 μm大孔径孔隙水中DOC含量显著高于0.4~3.0 μm的小孔隙（图2）；另一方面，随着孔径减小，HIX指数减小（图3），荧光强度也减弱（图4），但FI指数增大（图3）。主要是因为，随着土壤孔隙变小，土壤颗粒间距缩短，导致孔隙水压力快速增大^［39］，使得土壤颗粒对孔隙水和可溶性物质的吸附力强烈，捕获在大团聚体内的有机物比小规模、局部的有机物活跃得多^［25］，导致大孔径孔隙水周转速度快，主要由降雨或灌溉过程进行补给^［40］，与土壤矿质表面和有机物质交互时间短。并且大孔径孔隙水中的DOM含量和组分除与植物地上凋落物和根系降解有关，也可能与植物叶片被雨水冲刷后剥落的脂类等有机分子输入密切相关^［41］，导致大孔隙可溶性有机物质含量丰富（图2）。然而，小孔径因其孔隙压力大，显著延缓水分周转（老水）^［42］，尺寸排阻效应更强^［43］，主动扩散和被动扩散的营养物质、酶和氧气等更难进入小孔隙^［44］，可溶性有机物吸附后更会导致孔隙堵塞，不利于小孔隙吸附DOM^［45-46］，DOC含量更低。且小孔隙与根系接触时间更长^［42］，根系也更倾向于从小孔径中吸收水分和养分物质^［47］，导致小孔径中DOC补给少，消耗多，积累量小（图2）。DOM可能主要是根系分泌物与微生物残体等来源的组分^［48］，腐殖化程度较低（HIX低）（图3）。

3.2 孔隙水可溶性有机物含量与组分对冻融扰动的响应

冻融后，≥34.0 μm大孔隙占比显著减小，同时0.4~3.0 μm微孔径和<0.4 μm极微孔径的占比显著增加（表2），表明冻融作用可显著影响土壤孔隙结构和孔隙水分布格局。同时，冻融后各孔隙DOC和EC均有增加趋势（图2），一方面是因为冻结过程中的冰晶冻胀作用会破坏团聚体，尤其在粗颗粒表面应力集中处产生断裂^［15］，不仅减小大孔隙占比（表1），还暴露新的土壤颗粒表面，更有利于矿物离子释放^［49］，提高土壤孔隙水中的EC（图2）；另一方面，冰晶冻胀对微生物的机械破坏剧烈^［50］，导致微生物裂解死亡，释放出小分子糖、氨基酸^［20］，补给土壤水中的DOC。而冻融后土壤孔隙水FI普遍提高（图3），HIX显著增大（图3），也说明冻融增强土壤孔隙水中可溶性有机物的腐殖化程度，微生物分解所产生的可溶性有机物也增多。由于孔隙水压力的差异，小孔径孔隙水的冻结冰点大大降低^［10］，延缓冻结，或处于未冻状态。因此，≥34.0 μm大孔径孔隙水冻结时带来机械性冻胀破坏，矿物质释放（即EC增高），比0.4~3.0 μm微孔径孔隙水更显著（图2）。此外，冻融作用使蛋白质类荧光组分（区域Ⅰ、Ⅱ）占比下降，而类富里酸与类腐殖酸组分（区域Ⅲ、Ⅴ）占比上升（图5），同样表明冻融扰动可增强孔隙水DOM的腐殖化程度，可能是因为未冻水膜中小分子有机碳的浓缩可能诱发部分氧化反应，使简单的有机物结构复杂化，进一步提升腐殖化程度^［51-52］。由于冰晶斥盐等效应，腐殖酸样荧光物质更容易从冰相排出，被冻融作用分解成非荧光结构，破坏前期不稳定腐殖质结构^［22］，进而提升冻融后各孔径孔隙水DOM的腐殖化程度（图3）。

3.3 不同粒径组成下孔隙水可溶性有机物对冻融扰动的异质性响应

不同粒径组成的土样在相同孔径下，孔隙水可溶性有机物含量和组分变化对冻融扰动的响应也不尽相同，尤其是细粒径组成土样在0.4~3.0 μm微孔径的孔隙水SUVA₂₅₄在冻融后显著增强，而粗粒径几乎所有孔径孔隙水的SUVA₂₅₄均显著下降（图3）。可能是因为细粒径组成土样虽然总含水率高，但总孔隙度偏小，可有效减缓孔隙水冻结过程，冻结冰点更低^{［15，48］}，使得冰晶生长速度更为缓慢、充分，加剧微生物体因低温和内外冰晶冻胀带来的机械性破坏^［53］，孔隙水可溶性有机物中微生物残体的输入占比相对更大，因此，细粒径组成土样在孔隙水DOC增高的前提下（图2），SUVA₂₅₄增幅更明显（图3）。而粗粒径组成土样总孔隙度相对较大，且总含水量低，致使其孔隙水冻结温度相对较高^［54］，冰晶生长迅速但不充分^［55-56］，存活微生物在冻融后依然活跃，甚至因冻融应激响应带来的生长与呼吸作用更加剧烈^［20］，导致粗粒径土样微生物自身代谢产物对冻融后孔隙水可溶性有机物的贡献相对增高（即FI增高，SUVA₂₅₄降低）。本研究中，SUVA₂₅₄、HIX和FI 3个指标的耦合变化揭示冻融扰动对不同孔隙微环境中DOM性质的差异化重塑机制。

3.4 意义与局限性

本研究表明，冻融扰动能够破坏土壤结构，并显著改变DOM的组成和流动性，共同影响其迁移途径和生物活性特征^［57］。冻融扰动对土壤孔隙结构的改变及孔隙水EC和DOC增加的趋势，与章泽炜等^［49］在盐渍土冻融条件下得出的结论一致，共同强调北方季节性冻融扰动对土壤物理结构和生物化学特性的深远影响。不同孔径孔隙水的DOC含量及可溶性有机物紫外-荧光特性差异也进一步说明，冬季冻融作用对来年春季土壤养分可利用性，尤其是出苗期根系对土壤孔隙水的利用，存活微生物的群落与活性，甚至温室气体排放等都有很强的联动效应。而同一孔径但不同粒径组成的孔隙水对冻融扰动的异质性响应，与LIU等^［17］和HU等^［58］的结果相似，共同凸显因地形、侵蚀、耕作等因素造成的田间土壤质地差异（如坡位间、层位间），可深刻影响局部土壤水-冰相变过程，进一步加剧来年春季土壤水分和可溶性有机物质活性的空间变异性。本研究采用过筛均质回填土样，虽无法还原田间原位土壤复杂孔隙结构，但3个典型粒径组成孔隙水对冻融扰动的异质性响应已充分说明，粒径组成和孔隙结构差异可深刻影响孔隙水可溶性物质含量、组分和分布对冻融扰动的响应特征。未来研究需结合原状土柱与X-ray和CT等量化技术，验证冻融期田间不同坡面位置原位土壤剖面孔隙水迁移特征和时空异质性。在未来气候变化条件下，除关注季节性冻融对土壤总体理化生特性改变外，还应深入辨析不同冻融情景下（如温度、深度、频率和循环次数等），不同冻融阶段（如，正冻、全冻、正融、全融等），田间土壤空间异质性（坡面、剖面、孔隙），如何影响来年土壤水分和养分对作物根系及存活微生物的有效性。

4 结 论

1） 冻融前，随着孔径减小，孔隙水中DOC含量和HIX显著降低，荧光强度也减弱，但FI指数和SUVA₂₅₄增大。

2） 冻融后，≥34.0 μm大孔隙占比显著减小（4.84%），同时0.4~3.0 μm微孔隙和<0.4 μm极微孔径的占比显著增加（5.45%、2.78%），且各孔隙DOC、EC、HIX和FI均有增加趋势，说明冻融显著改变土壤孔隙结构，增强土壤孔隙水中可溶性有机物的腐殖化程度，自生源性更强。

3） 不同粒径组成的土样在相同孔径下，孔隙水可溶性有机物含量和组分变化对冻融扰动的响应也不尽相同，尤其是细粒径土样在0.4~3.0 μm微孔隙的孔隙水SUVA₂₅₄在冻融后显著增强，而粗粒径几乎所有孔径孔隙水的SUVA₂₅₄均显著下降，可能与不同颗粒土样的总含水量和孔隙水冰点差异有关。

可溶性有机物在不同孔径中的非均匀分布，以及不同粒径下孔隙水对冻融的异质性响应，从微观尺度揭示冻融扰动对土壤孔隙水可溶性有机物的固持与释放过程，共同凸显冬季冻融作用下土壤结构变形与孔隙微生物生存策略，及其对随后生长季碳排放与DOM的生物有效性的深远影响。

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基金资助

国家重点研发计划青年科学家项目(2024YFD1502000)

国家自然科学基金项目(52279049)

国家自然科学基金项目(42477373)