氮是植物生長的必需元素，土壤中的氮包括有機氮和無機氮兩大類，前者占了95%以上，部分可溶性有機氮可被植物直接吸收，但在大多數情況下，有機氮只有被轉化為無機氮后才能被植物有效利用。植物根系和土壤微生物往往會競爭利用土壤有效氮，當微生物具有較強競爭能力時則不利于植物生長，此外，部分氮素還可通過淋失或以氣體形態損失而降低土壤氮庫貯量，因此，土壤氮素通常被認為是最易耗竭和限制植物生長的營養元素之一。植物殘留物、肥料施用以及大氣氮沉降等是土壤氮素的主要來源，有機氮和無機氮在土壤介質中的相互轉化作用即為土壤氮素轉化過程（主要包括氮礦化、固持、硝化和反硝化等）（圖1）。該過程不僅與氮素可利用性密切相關，還顯著影響N2O產生和排放。N2O是一種重要的溫室氣體，此外，其還可以破壞平流層中的臭氧層，使到達地球表面的紫外線輻射量增加，從而危害人體健康。研究表明，由土壤氮素轉化過程產生并釋放的N2O約占生物圈排放到大氣中N2O總量的53%.關于土壤氮素轉化過程及N2O產生和排放機理的研究一直是關注的焦點，在全球氣候變暖大背景下，這一問題更是成為當前研究的熱點。
土壤凍融循環是指由于季節或晝夜氣溫變化使得土壤溫度在0℃上下波動而出現的反復凍結-解凍過程，這一現象普遍存在于中、高緯度及高海拔地區。凍融作用可通過改變土壤水熱情況而影響土壤理化和生物學性狀，進而影響到土壤氮素轉化過程和N2O排放，但是，目前有關凍融作用對其影響的研究結果還存在著較大的不一致性（表1和表2）。研究發現，北半球有大約1/3的土地每年都要經歷至少三個月的冰雪覆蓋期，然而，季節性雪被覆蓋厚度在1973年至1998年間已降低了7%,這一變化與北半球溫度的改變息息相關，兩者的相關系數達到了-0.67,表明氣溫升高會導致雪被覆蓋厚度減小。雪被有著較高的絕熱能力，且當雪被厚度在30~40cm或者更大時能有效避免土壤被凍結。全球變暖日漸加劇將導致季節性雪被的分布面積逐步減小，從而勢必會影響到中、高緯度或高海拔區域的土壤溫度動態，由此而引發的凍融格局（凍結強度、凍結持續時間、凍融循環次數等）改變如何影響土壤氮素轉化過程也已逐漸成為研究的焦點問題。理解和闡明凍融作用對土壤氮素轉化和N2O排放的影響及其可能的作用機制，有助于深入探討凍融前后土壤氮素的變化特征及其對植物生長的影響，對于如何調控施肥、提高氮肥利用率，減少土壤N2O排放以及促進土壤生態系統可持續發展具有重要意義。
凍融對氮礦化和固持過程的影響氮礦化過程是緩效態氮轉化為有效態氮的起始過程，這對于土壤氮素遷移轉化乃至整個生態系統的氮循環均十分重要。過去傳統觀念認為土壤NH+4-N的產生過程是氮素生物地球化學循環的限制性環節，然而，Schimel和Bennett新近研究指出，單體物質的產生過程才是土壤氮礦化和生態系統氮循環的限制性步驟，因為含氮聚合物（蛋白質、幾丁質和肽聚糖等）通過解聚作用生成的生物可利用單體物質（氨基酸、氨基糖和核酸等）是后續氮素轉化過程的基礎。傳統意義上的氮礦化僅是指氨化過程，但一般情況下將有機態氮轉變成NH+4-N和NO-3-N的過程（囊括了氨化和硝化兩個過程）均統稱為氮礦化過程，即凈氮礦化過程。與氮礦化過程截然相反，氮固持過程是指微生物對土壤無機氮的同化過程（圖1中灰色線所涉及的過程）。通常通過測定一定時間內土壤無機氮的變化量來估算凈氮礦化量（速率），這一指標能較好地反映出土壤有效氮的狀態，因此，在以往關于凍融作用對土壤養分特征影響的研究方面往往較多關注于凈氮礦化過程（表1）。
土壤性質變化與氮礦化、固持作用的關系大多數微生物（包括細菌、真菌和放線菌等）均可驅動有機氮進行礦化，土壤凍結通常會直接導致微生物活性下降或死亡，從而影響該過程的進行。
然而，有研究發現，四次凍融循環后仍有60%~94%的微生物可存活下來，同時還指出土壤理化性狀是決定土壤微生物存活程度的關鍵控制因素。
此外，土壤微生物群落改變也會影響氮礦化過程，Larsen等發現，多次凍融循環可促使微生物群落結構從C/N比較高的真菌群落轉變為C/N比較低1034土壤學報50卷的細菌群落，降低土壤微生物量C/N比，這一變化增強了微生物對無機氮的固持能力，從而可以在一定程度上減弱氮淋溶損失的風險。然而，其他研究者則指出，凍融作用并不能顯著降低微生物量C/N比，甚至在有些時候還出現增加的現象，但土壤長期凍結則會導致微生物量C/N比明顯增大，微生物群落結構也會往以真菌為主的方向轉變而不利于微生物對無機氮的固持。凍結土壤中未凍水的存在是養分傳遞和微生物活動的前提，在持續幾天保持土壤溫度為-5℃的情況下，Stahli和Stadler發現土壤中有大約8%~20%的水未被凍結。此外，冷凍作用下土壤中的未凍水含量會隨著土壤黏粒含量的增加而有所增加，當黏質土壤溫度低于-10℃時仍有大量的未凍水存在。因此，在0℃以下時，細粒土壤的微生物活性通常要高于粗粒土壤。在對加拿大魁北克黏性土壤和壤質土壤的培養實驗中，Clark等發現，在冰點以下溫度時，黏性土壤的凈氮礦化和硝化速率是壤質土壤的3.2倍~4.8倍，但是冰凍對氮固持作用的影響結果卻與之相反。然而，目前關于同一氣候區域不同質地土壤氮礦化特征對凍融作用響應規律的研究還相對較少，此外，在未來研究中還有待進一步明確土壤凍融過程中未凍水含量改變與土壤氮礦化速率變化之間的關系。
凍融過程對氮礦化、固持作用的影響Yanai等研究指出，凍融作用顯著增強了幾丁質的降解能力，增加幅度可達6%.然而，關于凍融作用對含氮聚合物降解過程影響的研究還比較少，現今的大多數研究僅關注于無機氮的改變量，中間過程如何變化迄今還不甚清楚，因此，開展凍融對含氮聚合物降解過程影響效應的研究有利于進一步深入理解土壤氮素轉化機理。研究表明，當土壤溫度低于10℃時，土壤氨化速率通常要大于硝化速率，理論上認為越冬期土壤更易積累NH+4-N.因而有研究者指出，當凍融促進氮礦化時，增加的主要是NH+4-N,而NO3--N的變化幅度則較小。但是這一變化規律在凍融過程的不同時期可能有所不同，Müller等在德國草地土壤上研究發現，與解凍期相比，凍結期土壤無機氮的變化幅度較小，凍結期和解凍初期（≤0℃）NH+4-N和NO-3-N濃度略微增加，前者增幅較大，但解凍后期（>0℃）NH+4-N濃度有所下降，與之相反，NO-3-N濃度則大幅增加，解凍初期氮的總礦化和凈硝化速率分別為31.2和0.1mgkg-1d-1,而在解凍后期則分別為3.8和11.4mgkg-1d-1.需要特別指出的是，如果越冬期內土壤無機氮被植物根系吸收利用或被微生物所固持抑或原本被晶格固定的NH+4進行釋放時，凍融對凈氮礦化速率的影響結果則會出現較大的不確定性。
土壤凍結強度、凍結持續時間以及凍融循環次數等對土壤氮礦化作用均有著較大影響。周旺明等發現，重度凍結較輕度凍結土壤產生的氮礦化累積量更高。Neilson等和Zhang等也獲得了相似的結果，可能的原因是輕度凍結情況下微生物仍保持著較高的活性，使得一部分氮素以氣態損失或被微生物所固持，以至于出現凍融對氮礦化速率無影響甚至降低的現象，但重度凍結則通常會致使更多養分釋放而促進幸存微生物進行氮礦化作用。
此外，重度凍結情況下微生物的死亡程度以及解凍后微生物的存活數量和活性也是決定氮礦化特征的關鍵因素，當微生物死亡程度較大且活性較低時，氮礦化速率反而會隨著凍結溫度的降低而降低。在雪被去除和越冬期原位采樣實驗中，研究發現，凍結持續較長時（4-5個月）可使得氮礦化速率顯著增加，較短時（3個月）則無明顯影響，但是，在室內模擬實驗中卻并未得出一致的結論（表1），這可能與土壤樣品及實驗方法的差異性有關。輕度凍結條件下進行1~2次凍融循環時，土壤氮礦化速率均有所降低，但當凍融循環次數大于2次則會使得氮礦化速率明顯增大。Hentschel等也發現，氮礦化速率也會隨著凍融循環次數的增多而有所增加。再者，考慮到凍融循環過程中有機氮含量會逐漸降低，故而氮礦化速率在一定凍融循環次數后會呈現出下降趨勢。綜上分析，凍融作用較為復雜地影響著土壤的氮礦化和固持過程。在研究凍融對氮礦化作用的影響時，不僅要從解聚過程、氨化過程和硝化過程等本身生物學過程考慮，還應對植物根系吸收、細根和微生物死亡后細胞裂解以及土壤結構破壞后的養分釋放等相關因素進行綜合分析。
凍融對硝化和反硝化過程的影響硝化作用是指硝化微生物將NH+4轉化為NO-2或NO-3的過程。反硝化作用則是指在厭氧條件下，反硝化微生物將NO-3或NO-2還原轉化為氣態NO、N2O和N2的過程，這兩個過程是土壤NO-2和NO-3產生和消耗的重要步驟，對調節土壤生態系統活性氮庫和維持大氣中氮素平衡具有重要意義。
凍融過程對硝化作用的影響根據所需碳源的不同，硝化微生物可分為自養型和異養型兩種，但因為異養硝化過程還存在著較多的未知性以及測定方法的局限性，現今關于凍融作用對其影響的研究還鮮有報道。研究發現，土壤亞硝酸鹽氧化菌的數量在凍融循環后會降低44%.氨氧化作用是硝化過程的限速步驟，故而氨氧化過程通常較亞硝酸鹽氧化過程更受關注。
氨氧化細菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）是兩種重要的自養氨氧化菌，氨單加氧酶基因（amoA）則常被用作分子標記來反映環境中氨氧化微生物的種類、數量和活性。一般而言，硝化微生物群落對環境變化較為敏感，但土壤凍結并不總是對此類微生物產生致命傷害。當土壤凍結溫度低于-20℃時，土壤微生物的變化將微乎其微，與-20℃相比，土壤硝化菌的數量在溫度降至-80℃后并未顯著減少，尤其是在氮飽和土壤中。土壤硝化菌有著明顯的季節變化特征，在我國四川阿壩地區，Wang等發現越冬期的AOA和AOB仍保持著較高的活性，且AOA的數量始終大于AOB的數量，這一方面說明硝化微生物在冬季對土壤氮循環過程仍具有較大的貢獻，另一方面則說明低溫惡劣環境下AOA較AOB有著更高的適應性。雖然有研究指出，AOA/AOB比值會隨著土壤碳氮有效性的降低而增大，但是在凍融作用未顯著影響土壤碳氮含量的低氮土壤中，Su等卻發現，與未凍結土壤相比，凍融作用能提升土壤AOA/AOB比值。此外，硝化微生物的死亡狀況與土壤pH及其變化幅度也密切相關，在不同pH的土壤中，凍融過程對硝化潛力會產生顯著抑制或無影響的效應。
凍融格局改變對土壤硝化速率的影響結果與其對氮礦化速率的影響結果有較大的相似性（表1）。土壤凈硝化速率通常是根據凍融前后NO-3-N的差值來計算的，其計算結果會因NO-3-N被消耗程度的不同而呈現出較大差異。在此需要指出的是，土壤凍融過程中所增加的NO-3-N不僅與土壤硝化作用的增強有關，與植物根系吸收NO-3-N能力的下降也有所關聯。此外，Groffman等還指出，輕度凍結后土壤NO-3-N濃度的增加主要是由于土壤結構破壞所引起的，并非是對土壤氮礦化和硝化的直接促進作用所致。冬季土壤凍結可導致硝化和反硝化菌的種群多樣性降低，解凍后則會快速增加，但需要特別指出的是，反硝化菌對低溫的適應性要高于硝化菌。土壤解凍后反硝化作用通常能在短時間內大幅增大，而硝化作用增強則在解凍較長時間后才能出現，因此，凍融過程對硝化作用的促進效應可能會被反硝化作用的增強效應所掩蓋。有研究指出，即使在凍融循環顯著促進土壤硝化作用的情形下，土壤NO-3-N含量也不一定會增加，這可能與植物根系吸收以及反硝化對NO-3-N的消耗有關，從而呈現出凍融作用對凈硝化速率無影響或降低的現象。由此可知，僅僅根據土壤NO-3-N改變量計算得出的凈硝化速率并不一定能真實反映土壤硝化作用的變化。
15N同位素示蹤技術可在一定程度上定量測定凍結或凍融作用下土壤硝化速率的變化，然而，由于該方法的昂貴性及實驗操作要求的精確性，廣泛應用起來還存在一定的難度。再者，如何明確凍融過程中NO-3-N變化與硝化過程、根系吸收、土壤物理釋放等諸多作用的關系還需要作進一步的研究。
凍融過程對反硝化作用的影響季節變化能顯著影響土壤反硝化微生物的活性，Jacinthe等研究指出，凍融過程中反硝化酶活性的降低是由于反硝化微生物數量減少所致，而并非是底物限制的原因，且頻繁的耕作會導致越冬期表層土壤反硝化酶活性更大幅度的降低。在挪威云杉土壤中，Mergel等研究則發現，秋、冬及早春季節的反硝化細菌數量最高，但在夏季卻處于較低的水平，作者認為這與凍融循環過程的促進作用有關。上述現象表明凍融作用下反硝化菌數量變化和反硝化酶活性改變之間可能存在著不一致性，兩者的關系還有待進一步明確。凍融循環能顯著增強反硝化細菌（Alcaligenessp.）亞硝酸還原酶活性。然而，在溫度波動較大的情況下（-70~60℃），凍融循環增加了硝酸還原酶活性，但卻降低了亞硝酸還原酶活性，硝酸還原酶對極端低溫環境的適應性顯著高于亞硝酸還原酶。土壤凍結（-20℃）后，解凍初期的土壤亞硝酸鹽還原酶基因（nirK和nirS）拷貝數顯著降低，但在解凍后期與未凍結土壤間無明顯差異?？傮w而言，凍融作用可以增強土壤反硝化能力（表1），在對加拿大黏性土壤的研究中，vanBochove等發現，凍融土壤的反硝化速率高出未凍結土壤32%,作者指出這可能與凍融過程中小型土壤動物和微生物死亡或土壤團聚體結構破壞而引起的有機碳大量釋放有關。此外，通過對濕篩法分級后的土壤團聚體反硝化活性進行測定，vanBochove等還發現，凍融循環顯著增強了大團聚體（0.25~5mm）的反硝化活性，其中粒徑較小部分（0.25~2mm）的活性更高，且凍融后的增幅更大，這可能與較小團聚體的含水量較高有關。Seech和Beauchamp也指出，干篩法分級后的小團聚體較大團聚體具有更高的反硝化活性。
由此可知，盡管兩種團聚體分級方法有些差異，但是反硝化規律上卻保持著較好的一致性，從而證實了不同粒級團聚體反硝化活性的差異主要與各粒級團聚體的內在特性有關，而與分級方法不同造成的差異性關聯不大。研究指出，凍融作用通常會降低團聚體穩定性而導致其破碎，且冰凍對大團聚體穩定性的破壞程度大于微團聚體，此外，有研究者發現，土壤微團聚體穩定性會隨著凍融次數的增加呈現出先增強后減弱的現象，在凍融作用發生之前保持適宜的土壤含水量則可在一定程度上增加土壤微團聚體的穩定性。土壤團聚體的破碎程度將在很大程度上影響著土壤養分的釋放以及氮素轉化過程，今后還應深入研究凍融作用下不同粒級團聚體穩定性的變化及其對反硝化作用的貢獻程度。
凍融對N2O排放的影響土壤是N2O的重要排放源，硝化和反硝化作用通常被認為是土壤N2O產生的主要過程。前人研究指出，土壤在凍結情況下仍可產生N2O,但與解凍期相比，凍結期和凍結-解凍過渡期的土壤N2O釋放量顯著較低。一般而言，凍融作用可促進土壤大量排放，越冬期土壤N2O排放占全年N2O排放總量的比例也較高，然而，由于種植植物、管理措施和土壤理化性質等因素的差異以及越冬期的長短不一，貢獻率在較大范圍內（0~89%）變動（表2）。
N2O大量排放是由多種因素共同作用所致，現今可以解釋這一現象的可能機理主要有禁錮-釋放、環境-底物誘導、N2O還原酶抑制和化學反硝化增強等四種。
（1）禁錮-釋放機理：凍融循環雖能顯著降低近地表層土壤的反硝化酶活性，但對深層土壤無明顯影響。故而在凍結情況下，反硝化過程仍可在深層土壤中進行，致使大量N2O產生。研究表明，土壤N2O濃度會隨著10cm土層處O2濃度的降低而增大，因此，在土壤凍結過程中無法測定土壤水分含量時，土壤O2含量也可以被作為一個指示性指標來預測凍融過程中N2O的產生情況。當地表被雪被覆蓋或當土壤溫度接近抑或低于0℃時，地氣交換將會停止，這說明凍結層下產生的氣體無法及時釋放出來。因此，深層土壤中產生的N2O會在凍土層下大量累積，且這一現象主要發生于凍結期和凍結-解凍過渡期，而解凍期內由土壤硝化和反硝化作用產生的N2O對整個釋放總量的貢獻程度較小，當土壤地表凍結層消散后，累積的N2O將會在擴散性增加的情況下大量釋放。
（2）環境-底物誘導機理：土壤凍結通過破壞團聚體穩定性導致其破碎以及致使部分細根或微生物死亡而出現細胞裂解，釋放出大量碳、氮等營養物質，從而增加土壤微生物活性和增強土壤碳、氮礦化能力，土壤氧氣消耗量和無機氮產生量也會有所增大，再者，解凍還會增加土壤含水量，這些因素的疊加將會促使更多厭氧微域的形成，增強土壤反硝化能力，進而提升N2O的產生潛力，在霜凍敏感植物存在的情況下，由于因凍融而釋放的有機碳的增多，這一現象則更為明顯。Müller等也指出，凍融期間N2O排放量增加與NO-3有效性大幅增大后反硝化能力的增強密切相關。此外，在低的氧氣濃度下，某些硝化細菌進行的反硝化作用也可產生一定的量的N2O.
（3）N2O還原酶抑制機理：雖然凍融作用下的硝化過程仍可進行，但是由硝化作用產生的N2O量卻較少，M\ue788rkved等發現，凍融期釋放的N2O僅有-0.7%~4.35%來自于這一過程，這說明絕大多數的N2O來源于反硝化過程。低溫環境下，N2O產生酶較N2O還原酶有更強的適應性。N2O還原酶在冰點附近及以下溫度時具有較低的活性，使得較少的N2O被進一步還原為N2,從而導致解凍后土壤排放的N2O/（N2+N2O）比值較高。
（4）化學反硝化增強機理：凍融過程中NO-2-N含量會有所增加，并會因此促進化學反硝化的進行，從而使得較多的N2O產生。然而，通過比較凍融期間γ射線滅菌土壤和未滅菌土壤的N2O排放量，Rver等發現，微生物過程產生的N2O是其主要來源，而化學反硝化的貢獻量則很小。迄今運用這一機理解釋凍融期土壤N2O大量排放現象的研究仍在少數，故而這一機理未列于表2中。
從表2可以看出，凍融期N2O大量排放可能由一個或多個機理共同作用導致的，非生物過程并非是N2O產生的主要過程，環境-底物誘導機理是大多數研究者所認同的。此外，還有研究者認為，解凍期大量釋放的N2O主要是由表層土壤新近產生的，而非來自于那些被禁錮于凍結層下早先在未凍土壤中產生的N2O.凍融作用對某一區域的全年N2O排放是否有重要影響還需要從土壤凍結程度及其持續時間方面綜合考慮，因為這兩者是影響凍融期N2O排放強度的主要因素。通過對德國森林土壤N2O排放長達15年的動態監測，Luo等僅在其中的5年發現凍融循環能顯著影響全年的N2O排放，這可能與這幾年年均土壤溫度較低以及凍結期持續時間（3~4周）較長有關。此外，不同質地土壤在凍融循環作用下可能具有不同的N2O排放特征，這與土壤養分釋放、未凍水含量以及微生物特征等方面的差異性有關。在種植飼草的不同質地土壤上，Goossens等發現，凍融期間N2O排放的貢獻率大小順序為粉砂質壤土>砂質壤土>
壤質砂土，土壤黏粒含量從高到低排列，但從表2中卻并未發現一致的結果，這可能與種植植物、土壤理化性質以及氣候條件等多種因素相關，只有在同一區域才能更好地呈現出較強的規律性（表2）。此外，農田或草場的管理措施也會明顯影響凍融期間N2O排放的貢獻率，在我國內蒙古典型草原上，Wolf等發現，隨著放牧強度的降低，貢獻率則會從0增加至81%.
不同產生過程對凍融期N2O排放的貢獻NO/N2O排放量的比值可以用來判斷潛在的主導微生物過程，一般而言，比值大于1表示N2O和NO主要由硝化作用產生，相反則主要由反硝化作用產生。凍結期的NO/N2O比值總是小于1,說明在土壤凍結情況下反硝化是N2O產生的一個重要來源。此外，Ludwig等還發現，在解凍初期土壤所釋放的N2O有83%是由反硝化作用產生的，但隨著解凍時間的延續，反硝化的貢獻程度將會有所降低。通過低濃度乙炔抑制法對凍融作用下德國和瑞典的草地和農田土壤反硝化作用研究發現，反硝化過程產生的N2O對整個凍融期N2O排放量的貢獻值在德國草地土壤上僅為38%,而在其他三種土則發現絕大多數的N2O來源于反硝化過程（90%~121%）。貢獻值超過100%可能是因為乙炔抑制法研究的局限性所致，Wrage等通過對Nitro-somonaseuropaea和Nitrosospirabriensis兩種氨氧化菌的研究發現，低濃度乙炔添加雖能有效抑制NO-2的產生，但卻僅能抑制N.europaea產生N2O,而對N.briensis產生N2O的過程無明顯影響。此外，低濃度乙炔還無法有效抑制異養硝化過程，使得異養硝化過程產生的N2O也被歸并為反硝化過程，從而可能導致反硝化過程產生的N2O被高估。由于土壤N2O產生機理的復雜性，迄今還不可能完全將不同產生過程一一量化，在土壤凍結情況下研究不同產生過程對N2O排放的貢獻只能是相對定量的結果，目前，硝化抑制劑法、乙炔抑制法、氣體抑制法以及N15同位素示蹤法是常用的四種技術手段，但5期蔡延江等：凍融對土壤氮素轉化和N2O排放的影響研究進展1039由于不同方法的局限性，其測定結果間存在著較大的差異，因此，如何更為有效地評估N2O不同產生過程對凍融期間N2O排放的貢獻還具有很大挑戰性。
結語與展望作為作用于土壤的非生物應力，凍融作用可通過改變土壤水熱情況而影響土壤的理化性質和生物學性狀，進而影響到氮礦化、固持、硝化和反硝化等關鍵氮素轉化過程。然而，迄今關于凍融作用如何影響氮素轉化過程的定量化研究仍較少。
15N同位素示蹤法、乙炔抑制法和硝化抑制劑法等可作為定量研究的重要手段，但是由于方法的局限性通常并不能同時測定四個關鍵氮素轉化過程的速率。
僅通過測定土壤無機氮（或NO-3-N）的改變量來估算凈氮礦化速率（或凈硝化速率）并不一定能夠真實反映凍融作用下土壤氮礦化（或硝化）作用的動態變化特征，弄清不同形態氮素的主要來源，對于闡述凍融作用下土壤氮素轉化機理將十分必要。
硝化和反硝化作用是土壤N2O產生的主要過程，非生物過程產生的N2O量較少，越冬期土壤會釋放大量的N2O,這一現象可主要通過禁錮-釋放、環境-底物誘導和N2O還原酶抑制等三個機理來解釋，是一種或多種機理共同作用所致，然而，不同機理之間既有相互聯系之處，也有相互矛盾的地方，內在機制還存在較大的不確定性。此外，還有幾個問題需要進一步明確，凍結層下禁錮的N2O是何時產生，累積的N2O被進一步還原為N2的量有多大？凍結或解凍過程中N2O的產生量有多大？硝化和反硝化作用對凍結或解凍期N2O排放的貢獻程度如何？
一般情況下，越冬期土壤不人工施加任何肥料，但在冬季牧場中，放牧牲畜的糞尿排泄物則是一個重要的外加氮源，由于尿斑和糞斑內的氮素含量通常較高，使其成為氮素轉化的重要場所，蛋白酶、酰胺酶和脲酶等相關酶的活性在底物誘導效應和土壤凍融過程的綜合作用下的變化特征還不得而知，在此情境下，研究凍融作用如何影響牲畜糞便和尿液的降解特征將十分必要。此外，全球大多數多年凍土在全球變暖日漸加劇的環境下面臨著變暖或融化的危險，這一變化將會通過影響土壤的溫度動態而使得凍融格局發生改變，再者，地表雪被融化還會對土壤水分、pH以及土壤氧化還原電位等土壤環境因子產生較大影響，土壤氮素轉化特征及N2O的產生和排放機制也可能有所不同，還有待進一步研究加以證實。通過對蒙古高原中部草地土壤凍融過程的研究，劉帥等發現，凍結過程可以在一定程度上保持土壤水分，從而有利于春季草地植物的生長。周旺明等還指出，凍融作用可促進土壤中有效氮的累積，為春季植物生長提供足夠的氮素。雖然土壤氮庫和植物氮庫之間的遷移轉化有著較為復雜的聯系，但現今關于凍融作用如何影響植物生理生態過程和植物氮庫的研究還較少。以往的研究往往較多關于凍融過程對土壤活性氮動態變化的影響，且室內模擬實驗多于野外原位觀測研究，研究地點多位于中、高緯度地區，對高海拔地區的研究還相對不足。青藏高原是世界上海拔最高的高原，但由于該區域的氣溫日較差較大，土壤日凍融循環現象較為常見，Yang等研究發現，藏北高原地區存在日凍融循環過程的天數長達6個月左右，這一現象如何影響高寒草地土壤的氮素轉化過程和植物氮庫還需在未來研究中重點加以關注。綜上分析，今后應重點針對凍融擾動區進行野外原位觀測研究，探明其與室內恒定條件下得出的土壤氮素轉化和N2O排放特征有何異同；揭示凍融作用下植物地上和地下部分的生長動態，明確其對土壤氮庫的影響效應；進一步研究高海拔、高寒地區土壤氮素轉化和N2O排放過程對凍融作用的響應特征，為深入理解土壤氮素轉化機理以及解決日益嚴峻的全球生態和環境問題提供理論基礎。
土壤凍融循環是指由于季節或晝夜氣溫變化使得土壤溫度在0℃上下波動而出現的反復凍結-解凍過程，這一現象普遍存在于中、高緯度及高海拔地區。凍融作用可通過改變土壤水熱情況而影響土壤理化和生物學性狀，進而影響到土壤氮素轉化過程和N2O排放，但是，目前有關凍融作用對其影響的研究結果還存在著較大的不一致性（表1和表2）。研究發現，北半球有大約1/3的土地每年都要經歷至少三個月的冰雪覆蓋期，然而，季節性雪被覆蓋厚度在1973年至1998年間已降低了7%,這一變化與北半球溫度的改變息息相關，兩者的相關系數達到了-0.67,表明氣溫升高會導致雪被覆蓋厚度減小。雪被有著較高的絕熱能力，且當雪被厚度在30~40cm或者更大時能有效避免土壤被凍結。全球變暖日漸加劇將導致季節性雪被的分布面積逐步減小，從而勢必會影響到中、高緯度或高海拔區域的土壤溫度動態，由此而引發的凍融格局（凍結強度、凍結持續時間、凍融循環次數等）改變如何影響土壤氮素轉化過程也已逐漸成為研究的焦點問題。理解和闡明凍融作用對土壤氮素轉化和N2O排放的影響及其可能的作用機制，有助于深入探討凍融前后土壤氮素的變化特征及其對植物生長的影響，對于如何調控施肥、提高氮肥利用率，減少土壤N2O排放以及促進土壤生態系統可持續發展具有重要意義。
凍融對氮礦化和固持過程的影響氮礦化過程是緩效態氮轉化為有效態氮的起始過程，這對于土壤氮素遷移轉化乃至整個生態系統的氮循環均十分重要。過去傳統觀念認為土壤NH+4-N的產生過程是氮素生物地球化學循環的限制性環節，然而，Schimel和Bennett新近研究指出，單體物質的產生過程才是土壤氮礦化和生態系統氮循環的限制性步驟，因為含氮聚合物（蛋白質、幾丁質和肽聚糖等）通過解聚作用生成的生物可利用單體物質（氨基酸、氨基糖和核酸等）是后續氮素轉化過程的基礎。傳統意義上的氮礦化僅是指氨化過程，但一般情況下將有機態氮轉變成NH+4-N和NO-3-N的過程（囊括了氨化和硝化兩個過程）均統稱為氮礦化過程，即凈氮礦化過程。與氮礦化過程截然相反，氮固持過程是指微生物對土壤無機氮的同化過程（圖1中灰色線所涉及的過程）。通常通過測定一定時間內土壤無機氮的變化量來估算凈氮礦化量（速率），這一指標能較好地反映出土壤有效氮的狀態，因此，在以往關于凍融作用對土壤養分特征影響的研究方面往往較多關注于凈氮礦化過程（表1）。
土壤性質變化與氮礦化、固持作用的關系大多數微生物（包括細菌、真菌和放線菌等）均可驅動有機氮進行礦化，土壤凍結通常會直接導致微生物活性下降或死亡，從而影響該過程的進行。
然而，有研究發現，四次凍融循環后仍有60%~94%的微生物可存活下來，同時還指出土壤理化性狀是決定土壤微生物存活程度的關鍵控制因素。
此外，土壤微生物群落改變也會影響氮礦化過程，Larsen等發現，多次凍融循環可促使微生物群落結構從C/N比較高的真菌群落轉變為C/N比較低1034土壤學報50卷的細菌群落，降低土壤微生物量C/N比，這一變化增強了微生物對無機氮的固持能力，從而可以在一定程度上減弱氮淋溶損失的風險。然而，其他研究者則指出，凍融作用并不能顯著降低微生物量C/N比，甚至在有些時候還出現增加的現象，但土壤長期凍結則會導致微生物量C/N比明顯增大，微生物群落結構也會往以真菌為主的方向轉變而不利于微生物對無機氮的固持。凍結土壤中未凍水的存在是養分傳遞和微生物活動的前提，在持續幾天保持土壤溫度為-5℃的情況下，Stahli和Stadler發現土壤中有大約8%~20%的水未被凍結。此外，冷凍作用下土壤中的未凍水含量會隨著土壤黏粒含量的增加而有所增加，當黏質土壤溫度低于-10℃時仍有大量的未凍水存在。因此，在0℃以下時，細粒土壤的微生物活性通常要高于粗粒土壤。在對加拿大魁北克黏性土壤和壤質土壤的培養實驗中，Clark等發現，在冰點以下溫度時，黏性土壤的凈氮礦化和硝化速率是壤質土壤的3.2倍~4.8倍，但是冰凍對氮固持作用的影響結果卻與之相反。然而，目前關于同一氣候區域不同質地土壤氮礦化特征對凍融作用響應規律的研究還相對較少，此外，在未來研究中還有待進一步明確土壤凍融過程中未凍水含量改變與土壤氮礦化速率變化之間的關系。
凍融過程對氮礦化、固持作用的影響Yanai等研究指出，凍融作用顯著增強了幾丁質的降解能力，增加幅度可達6%.然而，關于凍融作用對含氮聚合物降解過程影響的研究還比較少，現今的大多數研究僅關注于無機氮的改變量，中間過程如何變化迄今還不甚清楚，因此，開展凍融對含氮聚合物降解過程影響效應的研究有利于進一步深入理解土壤氮素轉化機理。研究表明，當土壤溫度低于10℃時，土壤氨化速率通常要大于硝化速率，理論上認為越冬期土壤更易積累NH+4-N.因而有研究者指出，當凍融促進氮礦化時，增加的主要是NH+4-N,而NO3--N的變化幅度則較小。但是這一變化規律在凍融過程的不同時期可能有所不同，Müller等在德國草地土壤上研究發現，與解凍期相比，凍結期土壤無機氮的變化幅度較小，凍結期和解凍初期（≤0℃）NH+4-N和NO-3-N濃度略微增加，前者增幅較大，但解凍后期（>0℃）NH+4-N濃度有所下降，與之相反，NO-3-N濃度則大幅增加，解凍初期氮的總礦化和凈硝化速率分別為31.2和0.1mgkg-1d-1,而在解凍后期則分別為3.8和11.4mgkg-1d-1.需要特別指出的是，如果越冬期內土壤無機氮被植物根系吸收利用或被微生物所固持抑或原本被晶格固定的NH+4進行釋放時，凍融對凈氮礦化速率的影響結果則會出現較大的不確定性。
土壤凍結強度、凍結持續時間以及凍融循環次數等對土壤氮礦化作用均有著較大影響。周旺明等發現，重度凍結較輕度凍結土壤產生的氮礦化累積量更高。Neilson等和Zhang等也獲得了相似的結果，可能的原因是輕度凍結情況下微生物仍保持著較高的活性，使得一部分氮素以氣態損失或被微生物所固持，以至于出現凍融對氮礦化速率無影響甚至降低的現象，但重度凍結則通常會致使更多養分釋放而促進幸存微生物進行氮礦化作用。
此外，重度凍結情況下微生物的死亡程度以及解凍后微生物的存活數量和活性也是決定氮礦化特征的關鍵因素，當微生物死亡程度較大且活性較低時，氮礦化速率反而會隨著凍結溫度的降低而降低。在雪被去除和越冬期原位采樣實驗中，研究發現，凍結持續較長時（4-5個月）可使得氮礦化速率顯著增加，較短時（3個月）則無明顯影響，但是，在室內模擬實驗中卻并未得出一致的結論（表1），這可能與土壤樣品及實驗方法的差異性有關。輕度凍結條件下進行1~2次凍融循環時，土壤氮礦化速率均有所降低，但當凍融循環次數大于2次則會使得氮礦化速率明顯增大。Hentschel等也發現，氮礦化速率也會隨著凍融循環次數的增多而有所增加。再者，考慮到凍融循環過程中有機氮含量會逐漸降低，故而氮礦化速率在一定凍融循環次數后會呈現出下降趨勢。綜上分析，凍融作用較為復雜地影響著土壤的氮礦化和固持過程。在研究凍融對氮礦化作用的影響時，不僅要從解聚過程、氨化過程和硝化過程等本身生物學過程考慮，還應對植物根系吸收、細根和微生物死亡后細胞裂解以及土壤結構破壞后的養分釋放等相關因素進行綜合分析。
凍融對硝化和反硝化過程的影響硝化作用是指硝化微生物將NH+4轉化為NO-2或NO-3的過程。反硝化作用則是指在厭氧條件下，反硝化微生物將NO-3或NO-2還原轉化為氣態NO、N2O和N2的過程，這兩個過程是土壤NO-2和NO-3產生和消耗的重要步驟，對調節土壤生態系統活性氮庫和維持大氣中氮素平衡具有重要意義。
凍融過程對硝化作用的影響根據所需碳源的不同，硝化微生物可分為自養型和異養型兩種，但因為異養硝化過程還存在著較多的未知性以及測定方法的局限性，現今關于凍融作用對其影響的研究還鮮有報道。研究發現，土壤亞硝酸鹽氧化菌的數量在凍融循環后會降低44%.氨氧化作用是硝化過程的限速步驟，故而氨氧化過程通常較亞硝酸鹽氧化過程更受關注。
氨氧化細菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）是兩種重要的自養氨氧化菌，氨單加氧酶基因（amoA）則常被用作分子標記來反映環境中氨氧化微生物的種類、數量和活性。一般而言，硝化微生物群落對環境變化較為敏感，但土壤凍結并不總是對此類微生物產生致命傷害。當土壤凍結溫度低于-20℃時，土壤微生物的變化將微乎其微，與-20℃相比，土壤硝化菌的數量在溫度降至-80℃后并未顯著減少，尤其是在氮飽和土壤中。土壤硝化菌有著明顯的季節變化特征，在我國四川阿壩地區，Wang等發現越冬期的AOA和AOB仍保持著較高的活性，且AOA的數量始終大于AOB的數量，這一方面說明硝化微生物在冬季對土壤氮循環過程仍具有較大的貢獻，另一方面則說明低溫惡劣環境下AOA較AOB有著更高的適應性。雖然有研究指出，AOA/AOB比值會隨著土壤碳氮有效性的降低而增大，但是在凍融作用未顯著影響土壤碳氮含量的低氮土壤中，Su等卻發現，與未凍結土壤相比，凍融作用能提升土壤AOA/AOB比值。此外，硝化微生物的死亡狀況與土壤pH及其變化幅度也密切相關，在不同pH的土壤中，凍融過程對硝化潛力會產生顯著抑制或無影響的效應。
凍融格局改變對土壤硝化速率的影響結果與其對氮礦化速率的影響結果有較大的相似性（表1）。土壤凈硝化速率通常是根據凍融前后NO-3-N的差值來計算的，其計算結果會因NO-3-N被消耗程度的不同而呈現出較大差異。在此需要指出的是，土壤凍融過程中所增加的NO-3-N不僅與土壤硝化作用的增強有關，與植物根系吸收NO-3-N能力的下降也有所關聯。此外，Groffman等還指出，輕度凍結后土壤NO-3-N濃度的增加主要是由于土壤結構破壞所引起的，并非是對土壤氮礦化和硝化的直接促進作用所致。冬季土壤凍結可導致硝化和反硝化菌的種群多樣性降低，解凍后則會快速增加，但需要特別指出的是，反硝化菌對低溫的適應性要高于硝化菌。土壤解凍后反硝化作用通常能在短時間內大幅增大，而硝化作用增強則在解凍較長時間后才能出現，因此，凍融過程對硝化作用的促進效應可能會被反硝化作用的增強效應所掩蓋。有研究指出，即使在凍融循環顯著促進土壤硝化作用的情形下，土壤NO-3-N含量也不一定會增加，這可能與植物根系吸收以及反硝化對NO-3-N的消耗有關，從而呈現出凍融作用對凈硝化速率無影響或降低的現象。由此可知，僅僅根據土壤NO-3-N改變量計算得出的凈硝化速率并不一定能真實反映土壤硝化作用的變化。
15N同位素示蹤技術可在一定程度上定量測定凍結或凍融作用下土壤硝化速率的變化，然而，由于該方法的昂貴性及實驗操作要求的精確性，廣泛應用起來還存在一定的難度。再者，如何明確凍融過程中NO-3-N變化與硝化過程、根系吸收、土壤物理釋放等諸多作用的關系還需要作進一步的研究。
凍融過程對反硝化作用的影響季節變化能顯著影響土壤反硝化微生物的活性，Jacinthe等研究指出，凍融過程中反硝化酶活性的降低是由于反硝化微生物數量減少所致，而并非是底物限制的原因，且頻繁的耕作會導致越冬期表層土壤反硝化酶活性更大幅度的降低。在挪威云杉土壤中，Mergel等研究則發現，秋、冬及早春季節的反硝化細菌數量最高，但在夏季卻處于較低的水平，作者認為這與凍融循環過程的促進作用有關。上述現象表明凍融作用下反硝化菌數量變化和反硝化酶活性改變之間可能存在著不一致性，兩者的關系還有待進一步明確。凍融循環能顯著增強反硝化細菌（Alcaligenessp.）亞硝酸還原酶活性。然而，在溫度波動較大的情況下（-70~60℃），凍融循環增加了硝酸還原酶活性，但卻降低了亞硝酸還原酶活性，硝酸還原酶對極端低溫環境的適應性顯著高于亞硝酸還原酶。土壤凍結（-20℃）后，解凍初期的土壤亞硝酸鹽還原酶基因（nirK和nirS）拷貝數顯著降低，但在解凍后期與未凍結土壤間無明顯差異?？傮w而言，凍融作用可以增強土壤反硝化能力（表1），在對加拿大黏性土壤的研究中，vanBochove等發現，凍融土壤的反硝化速率高出未凍結土壤32%,作者指出這可能與凍融過程中小型土壤動物和微生物死亡或土壤團聚體結構破壞而引起的有機碳大量釋放有關。此外，通過對濕篩法分級后的土壤團聚體反硝化活性進行測定，vanBochove等還發現，凍融循環顯著增強了大團聚體（0.25~5mm）的反硝化活性，其中粒徑較小部分（0.25~2mm）的活性更高，且凍融后的增幅更大，這可能與較小團聚體的含水量較高有關。Seech和Beauchamp也指出，干篩法分級后的小團聚體較大團聚體具有更高的反硝化活性。
由此可知，盡管兩種團聚體分級方法有些差異，但是反硝化規律上卻保持著較好的一致性，從而證實了不同粒級團聚體反硝化活性的差異主要與各粒級團聚體的內在特性有關，而與分級方法不同造成的差異性關聯不大。研究指出，凍融作用通常會降低團聚體穩定性而導致其破碎，且冰凍對大團聚體穩定性的破壞程度大于微團聚體，此外，有研究者發現，土壤微團聚體穩定性會隨著凍融次數的增加呈現出先增強后減弱的現象，在凍融作用發生之前保持適宜的土壤含水量則可在一定程度上增加土壤微團聚體的穩定性。土壤團聚體的破碎程度將在很大程度上影響著土壤養分的釋放以及氮素轉化過程，今后還應深入研究凍融作用下不同粒級團聚體穩定性的變化及其對反硝化作用的貢獻程度。
凍融對N2O排放的影響土壤是N2O的重要排放源，硝化和反硝化作用通常被認為是土壤N2O產生的主要過程。前人研究指出，土壤在凍結情況下仍可產生N2O,但與解凍期相比，凍結期和凍結-解凍過渡期的土壤N2O釋放量顯著較低。一般而言，凍融作用可促進土壤大量排放，越冬期土壤N2O排放占全年N2O排放總量的比例也較高，然而，由于種植植物、管理措施和土壤理化性質等因素的差異以及越冬期的長短不一，貢獻率在較大范圍內（0~89%）變動（表2）。
N2O大量排放是由多種因素共同作用所致，現今可以解釋這一現象的可能機理主要有禁錮-釋放、環境-底物誘導、N2O還原酶抑制和化學反硝化增強等四種。
（1）禁錮-釋放機理：凍融循環雖能顯著降低近地表層土壤的反硝化酶活性，但對深層土壤無明顯影響。故而在凍結情況下，反硝化過程仍可在深層土壤中進行，致使大量N2O產生。研究表明，土壤N2O濃度會隨著10cm土層處O2濃度的降低而增大，因此，在土壤凍結過程中無法測定土壤水分含量時，土壤O2含量也可以被作為一個指示性指標來預測凍融過程中N2O的產生情況。當地表被雪被覆蓋或當土壤溫度接近抑或低于0℃時，地氣交換將會停止，這說明凍結層下產生的氣體無法及時釋放出來。因此，深層土壤中產生的N2O會在凍土層下大量累積，且這一現象主要發生于凍結期和凍結-解凍過渡期，而解凍期內由土壤硝化和反硝化作用產生的N2O對整個釋放總量的貢獻程度較小，當土壤地表凍結層消散后，累積的N2O將會在擴散性增加的情況下大量釋放。
（2）環境-底物誘導機理：土壤凍結通過破壞團聚體穩定性導致其破碎以及致使部分細根或微生物死亡而出現細胞裂解，釋放出大量碳、氮等營養物質，從而增加土壤微生物活性和增強土壤碳、氮礦化能力，土壤氧氣消耗量和無機氮產生量也會有所增大，再者，解凍還會增加土壤含水量，這些因素的疊加將會促使更多厭氧微域的形成，增強土壤反硝化能力，進而提升N2O的產生潛力，在霜凍敏感植物存在的情況下，由于因凍融而釋放的有機碳的增多，這一現象則更為明顯。Müller等也指出，凍融期間N2O排放量增加與NO-3有效性大幅增大后反硝化能力的增強密切相關。此外，在低的氧氣濃度下，某些硝化細菌進行的反硝化作用也可產生一定的量的N2O.
（3）N2O還原酶抑制機理：雖然凍融作用下的硝化過程仍可進行，但是由硝化作用產生的N2O量卻較少，M\ue788rkved等發現，凍融期釋放的N2O僅有-0.7%~4.35%來自于這一過程，這說明絕大多數的N2O來源于反硝化過程。低溫環境下，N2O產生酶較N2O還原酶有更強的適應性。N2O還原酶在冰點附近及以下溫度時具有較低的活性，使得較少的N2O被進一步還原為N2,從而導致解凍后土壤排放的N2O/（N2+N2O）比值較高。
（4）化學反硝化增強機理：凍融過程中NO-2-N含量會有所增加，并會因此促進化學反硝化的進行，從而使得較多的N2O產生。然而，通過比較凍融期間γ射線滅菌土壤和未滅菌土壤的N2O排放量，Rver等發現，微生物過程產生的N2O是其主要來源，而化學反硝化的貢獻量則很小。迄今運用這一機理解釋凍融期土壤N2O大量排放現象的研究仍在少數，故而這一機理未列于表2中。
從表2可以看出，凍融期N2O大量排放可能由一個或多個機理共同作用導致的，非生物過程并非是N2O產生的主要過程，環境-底物誘導機理是大多數研究者所認同的。此外，還有研究者認為，解凍期大量釋放的N2O主要是由表層土壤新近產生的，而非來自于那些被禁錮于凍結層下早先在未凍土壤中產生的N2O.凍融作用對某一區域的全年N2O排放是否有重要影響還需要從土壤凍結程度及其持續時間方面綜合考慮，因為這兩者是影響凍融期N2O排放強度的主要因素。通過對德國森林土壤N2O排放長達15年的動態監測，Luo等僅在其中的5年發現凍融循環能顯著影響全年的N2O排放，這可能與這幾年年均土壤溫度較低以及凍結期持續時間（3~4周）較長有關。此外，不同質地土壤在凍融循環作用下可能具有不同的N2O排放特征，這與土壤養分釋放、未凍水含量以及微生物特征等方面的差異性有關。在種植飼草的不同質地土壤上，Goossens等發現，凍融期間N2O排放的貢獻率大小順序為粉砂質壤土>砂質壤土>
壤質砂土，土壤黏粒含量從高到低排列，但從表2中卻并未發現一致的結果，這可能與種植植物、土壤理化性質以及氣候條件等多種因素相關，只有在同一區域才能更好地呈現出較強的規律性（表2）。此外，農田或草場的管理措施也會明顯影響凍融期間N2O排放的貢獻率，在我國內蒙古典型草原上，Wolf等發現，隨著放牧強度的降低，貢獻率則會從0增加至81%.
不同產生過程對凍融期N2O排放的貢獻NO/N2O排放量的比值可以用來判斷潛在的主導微生物過程，一般而言，比值大于1表示N2O和NO主要由硝化作用產生，相反則主要由反硝化作用產生。凍結期的NO/N2O比值總是小于1,說明在土壤凍結情況下反硝化是N2O產生的一個重要來源。此外，Ludwig等還發現，在解凍初期土壤所釋放的N2O有83%是由反硝化作用產生的，但隨著解凍時間的延續，反硝化的貢獻程度將會有所降低。通過低濃度乙炔抑制法對凍融作用下德國和瑞典的草地和農田土壤反硝化作用研究發現，反硝化過程產生的N2O對整個凍融期N2O排放量的貢獻值在德國草地土壤上僅為38%,而在其他三種土則發現絕大多數的N2O來源于反硝化過程（90%~121%）。貢獻值超過100%可能是因為乙炔抑制法研究的局限性所致，Wrage等通過對Nitro-somonaseuropaea和Nitrosospirabriensis兩種氨氧化菌的研究發現，低濃度乙炔添加雖能有效抑制NO-2的產生，但卻僅能抑制N.europaea產生N2O,而對N.briensis產生N2O的過程無明顯影響。此外，低濃度乙炔還無法有效抑制異養硝化過程，使得異養硝化過程產生的N2O也被歸并為反硝化過程，從而可能導致反硝化過程產生的N2O被高估。由于土壤N2O產生機理的復雜性，迄今還不可能完全將不同產生過程一一量化，在土壤凍結情況下研究不同產生過程對N2O排放的貢獻只能是相對定量的結果，目前，硝化抑制劑法、乙炔抑制法、氣體抑制法以及N15同位素示蹤法是常用的四種技術手段，但5期蔡延江等：凍融對土壤氮素轉化和N2O排放的影響研究進展1039由于不同方法的局限性，其測定結果間存在著較大的差異，因此，如何更為有效地評估N2O不同產生過程對凍融期間N2O排放的貢獻還具有很大挑戰性。
結語與展望作為作用于土壤的非生物應力，凍融作用可通過改變土壤水熱情況而影響土壤的理化性質和生物學性狀，進而影響到氮礦化、固持、硝化和反硝化等關鍵氮素轉化過程。然而，迄今關于凍融作用如何影響氮素轉化過程的定量化研究仍較少。
15N同位素示蹤法、乙炔抑制法和硝化抑制劑法等可作為定量研究的重要手段，但是由于方法的局限性通常并不能同時測定四個關鍵氮素轉化過程的速率。
僅通過測定土壤無機氮（或NO-3-N）的改變量來估算凈氮礦化速率（或凈硝化速率）并不一定能夠真實反映凍融作用下土壤氮礦化（或硝化）作用的動態變化特征，弄清不同形態氮素的主要來源，對于闡述凍融作用下土壤氮素轉化機理將十分必要。
硝化和反硝化作用是土壤N2O產生的主要過程，非生物過程產生的N2O量較少，越冬期土壤會釋放大量的N2O,這一現象可主要通過禁錮-釋放、環境-底物誘導和N2O還原酶抑制等三個機理來解釋，是一種或多種機理共同作用所致，然而，不同機理之間既有相互聯系之處，也有相互矛盾的地方，內在機制還存在較大的不確定性。此外，還有幾個問題需要進一步明確，凍結層下禁錮的N2O是何時產生，累積的N2O被進一步還原為N2的量有多大？凍結或解凍過程中N2O的產生量有多大？硝化和反硝化作用對凍結或解凍期N2O排放的貢獻程度如何？
一般情況下，越冬期土壤不人工施加任何肥料，但在冬季牧場中，放牧牲畜的糞尿排泄物則是一個重要的外加氮源，由于尿斑和糞斑內的氮素含量通常較高，使其成為氮素轉化的重要場所，蛋白酶、酰胺酶和脲酶等相關酶的活性在底物誘導效應和土壤凍融過程的綜合作用下的變化特征還不得而知，在此情境下，研究凍融作用如何影響牲畜糞便和尿液的降解特征將十分必要。此外，全球大多數多年凍土在全球變暖日漸加劇的環境下面臨著變暖或融化的危險，這一變化將會通過影響土壤的溫度動態而使得凍融格局發生改變，再者，地表雪被融化還會對土壤水分、pH以及土壤氧化還原電位等土壤環境因子產生較大影響，土壤氮素轉化特征及N2O的產生和排放機制也可能有所不同，還有待進一步研究加以證實。通過對蒙古高原中部草地土壤凍融過程的研究，劉帥等發現，凍結過程可以在一定程度上保持土壤水分，從而有利于春季草地植物的生長。周旺明等還指出，凍融作用可促進土壤中有效氮的累積，為春季植物生長提供足夠的氮素。雖然土壤氮庫和植物氮庫之間的遷移轉化有著較為復雜的聯系，但現今關于凍融作用如何影響植物生理生態過程和植物氮庫的研究還較少。以往的研究往往較多關于凍融過程對土壤活性氮動態變化的影響，且室內模擬實驗多于野外原位觀測研究，研究地點多位于中、高緯度地區，對高海拔地區的研究還相對不足。青藏高原是世界上海拔最高的高原，但由于該區域的氣溫日較差較大，土壤日凍融循環現象較為常見，Yang等研究發現，藏北高原地區存在日凍融循環過程的天數長達6個月左右，這一現象如何影響高寒草地土壤的氮素轉化過程和植物氮庫還需在未來研究中重點加以關注。綜上分析，今后應重點針對凍融擾動區進行野外原位觀測研究，探明其與室內恒定條件下得出的土壤氮素轉化和N2O排放特征有何異同；揭示凍融作用下植物地上和地下部分的生長動態，明確其對土壤氮庫的影響效應；進一步研究高海拔、高寒地區土壤氮素轉化和N2O排放過程對凍融作用的響應特征，為深入理解土壤氮素轉化機理以及解決日益嚴峻的全球生態和環境問題提供理論基礎。
