云霧山典型草原火燒不同恢復(fù)年限土壤化學(xué)性質(zhì)變化

李 媛，程積民，，* ，魏 琳，陳芙蓉

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，楊凌 712100;2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，楊凌 712100)

半干旱地區(qū)草原頻繁發(fā)生火災(zāi)是一種普遍現(xiàn)象。火燒對(duì)養(yǎng)分的循環(huán)和利用具有顯著影響。火燒消耗了地上生物量、枯落物、以及土壤有機(jī)物，并將這些有機(jī)養(yǎng)分轉(zhuǎn)換為無機(jī)形式［1］，或者以氣體的形式揮發(fā)，或者以灰分的形式回歸到生態(tài)系統(tǒng)中。然而，由于火燒的優(yōu)點(diǎn)不明顯，通常會(huì)夸大火燒的缺點(diǎn)，如增加土壤侵蝕、優(yōu)良牧草的損失、毒草和適口性差的禾草的密度增加［2］。

火燒的利弊，主要依賴于草地的植被類型和當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，植被類型的不同，氣候條件的變化，火燒后土壤的性質(zhì)出現(xiàn)了變化。土壤是生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的重要組成成分，它為植物生長提供各種養(yǎng)分和支持?；馃院?，土壤的各種性質(zhì)會(huì)發(fā)生較大變化，原因是火向土壤中施加了熱量、灰燼，并且改變了土壤環(huán)境和微氣候，土壤性質(zhì)也可因植被和生物活性的改變而發(fā)生相應(yīng)的變化［3］。土壤化學(xué)性質(zhì)的變化與耕作、土地利用方式以及經(jīng)營措施等人為因素也密切相關(guān)［4］。土壤的水分、酸度、溫度和枯落物的輸入是土壤物理性質(zhì)和化學(xué)循環(huán)的重要推動(dòng)者［5］。而火燒干擾對(duì)這些因素的改變，最終影響了土壤的化學(xué)性質(zhì)和養(yǎng)分循環(huán)。以往，在草地生態(tài)系統(tǒng)中，放牧、開墾、火燒、刈割、旅游開發(fā)等是最常見的干擾方式［6］，而關(guān)于黃土高原地區(qū)的典型草原，經(jīng)歷火燒干擾后土壤理化性質(zhì)方面的研究相對(duì)較少，尤其是火燒后不同恢復(fù)年限土壤化學(xué)性質(zhì)的變化就更少。

火燒能影響土壤的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、礦物學(xué)與生物學(xué)特性，這種影響可以是短期的、長期的或者永久性的，影響的程度主要取決于火的性質(zhì)、火燒強(qiáng)度和火燒頻率［7］。本文以黃土高原云霧山典型草原為研究對(duì)象，比較了火燒后不同恢復(fù)年限土壤化學(xué)性質(zhì)的變化，主要從火燒強(qiáng)度、土壤類型、立地條件和氣候條件等方面揭示其影響機(jī)制，對(duì)黃土高原地區(qū)今后的火生態(tài)研究提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)區(qū)位于寧夏固原東北部的云霧山草原自然保護(hù)區(qū)，東經(jīng)106°24'—106°28'，北緯36°13'—36°19'，面積為4000 hm2，海拔1800—2100 m，年平均氣溫5℃。年降雨量400—450 mm，一般豐水年占28.0%，平水年占35.5%，枯水年占36.5%，7—9月份降雨量占全年降雨量的65%—75%。蒸發(fā)量1330—1640 mm，≥10℃積溫2100—3200℃，干燥度1.5—2.0。地勢為南低北高，陽坡平緩，陰坡較陡，屬溫涼半干旱黃土覆蓋的低山丘陵區(qū)，無霜期112—140 d，土壤分為山地灰褐土和黑壚土兩類。保護(hù)區(qū)主要植物類型以本氏針茅(Stipa bungeana)、大針茅(Stipa grandis)、白穎苔草(Carex rigesaens)、鐵桿蒿(Artemisia sacrorum)、百里香(Thymus mongolicus)為主，伴生類型以星毛委陵菜(Potentilla acaulis)、賴草(Leymus secalinus)、花苜蓿(Melissitus ruthenicus)、扁穗冰草為主(Agropyron cristatum)［8］。

1.2 試驗(yàn)樣地情況

本研究在寧夏固原市云霧山草原自然保護(hù)區(qū)的核心區(qū)進(jìn)行。由于人為原因曾多處著火，于2011年9月，選擇3塊火燒強(qiáng)度(燒死草比例約30%)、坡度、坡向、海拔基本一致、原始自然植被均為本氏針茅群落的火燒跡為研究對(duì)象，3個(gè)火燒跡地相距1.5—2 km，分別于2011年(新燒)、2009年(火燒后3a)、2000年(火燒后11a)各火燒1次。一塊鄰近的沒有受到火燒影響的本氏針茅草地作為對(duì)照樣地。試驗(yàn)樣地的基本情況見表1。

表1 試驗(yàn)樣地的基本情況Table 1 The status of experimental field

1.3 樣本采集與處理

在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選擇3個(gè)30 m×30 m的小區(qū)。分別在每個(gè)小區(qū)內(nèi)呈“X”形，取5個(gè)50 cm×50 cm的小樣方，每個(gè)小樣方的地上植被齊地面剪掉，然后分0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm、40—50 cm土層進(jìn)行多點(diǎn)(3個(gè))混合取樣，土壤采集后將其中的根系等植物殘?bào)w去除，混合均勻后自然風(fēng)干，備用。

1.4 測定方法與原理

土壤有機(jī)C的測定采用重鉻酸鉀氧化法-外加熱法;土壤全N的測定采用半微量凱氏法;土壤全P的測定采用酸溶-鉬銻抗比色法;土壤速效K的測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法;土壤pH值的測定:電位法。

采用單因素方差分析(SPSS16.0軟件)研究火燒干擾對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，多重比較采用 Post-hoc LSD檢驗(yàn)，顯著水平設(shè)定為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)C的變化

4個(gè)樣地SOC含量主要集中在土壤表層(0—10 cm)，且0—50 cm范圍內(nèi)，各土層SOC含量從上到下遞減梯度很明顯(表2)。土壤0—10 cm，新燒地SOC含量顯著高于火燒后3 a、11 a和對(duì)照樣地(P＜0.05)，說明火燒顯著增加0—10 cm范圍內(nèi)SOC含量，但這種增加只是暫時(shí)的，火燒后3 a、11 a表層土壤有機(jī)C含量和對(duì)照差異并不顯著(P＞0.05)。土壤10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm、40—50 cm，SOC含量的變化趨勢相同，表現(xiàn)為新燒和火燒后11 a樣地SOC含量顯著高于對(duì)照(P＜0.05)，而火燒后3 a與對(duì)照差異不顯著(P＞0.05)。

0—50 cm范圍內(nèi)，新燒地各土層SOC含量都顯著高于對(duì)照(P＜0.05)，火燒后3 a和對(duì)照差異不顯著(P＞0.05)，火燒后11 a，除0—10 cm外，其它土層SOC含量也顯著高于對(duì)照(P＜0.05)。

表2 火燒不同恢復(fù)年限不同深度土壤有機(jī)C含量的變化/(g/kg)Table 2 Soil organic carbon concentrations at different depths after different burning years

2.2 土壤全N的變化

和SOC一樣，4個(gè)樣地土壤全N也主要集中在表層(0—10 cm)。土壤0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm，新燒地土壤全N含量顯著高于火燒后3 a、11 a和對(duì)照樣地(P＜0.05)(表3)，火燒后3 a和對(duì)照差異不顯著(P＞0.05)，但火燒后11 a顯著高于火燒后3 a和對(duì)照樣地(P＜0.05)。土壤40—50 cm，全N含量表現(xiàn)為新燒地和火燒后11 a樣地顯著高于對(duì)照(P＜0.05)，火燒后3 a與對(duì)照差異不顯著(P＞0.05)，新燒地和火燒后11 a差異不顯著(P＞0.05)。

0—50 cm范圍內(nèi)，新燒地和火燒后11 a各土層全N含量都顯著高于對(duì)照(P＜0.05)，而火燒后3 a和對(duì)照無顯著差異(P＞0.05)。

表3 火燒不同恢復(fù)年限不同深度土壤全N含量的變化/(g/kg)Table 3 Soil total N concentrations at different depths after different burning years

2.3 土壤全P的變化

4個(gè)樣地0—50 cm范圍內(nèi)，各土層全P含量呈遞減趨勢，但變化幅度不大(表4)。土壤0—10 cm，新燒地土壤全P含量顯著高于火燒后3 a和對(duì)照樣地(P＜0.05)，火燒后3 a和11 a與對(duì)照都無顯著差異(P＞0.05)。土壤10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm、40—50 cm，新燒地和火燒后11 a樣地土壤全P含量顯著高于對(duì)照(P＜0.05)，火燒后3 a和對(duì)照無顯著差異(P＞0.05)，新燒地和火燒后11 a無顯著差異(P＞0.05)。

0—50 cm范圍內(nèi)，新燒地土壤各層全P含量都顯著高于對(duì)照(P＜0.05)?；馃?1 a，除了0—10 cm，其它土層全P含量都顯著高于對(duì)照(P＜0.05)，火燒后3 a土壤各層全P含量和對(duì)照差異不顯著(P＞0.05)。

2.4 土壤速效K的變化

4個(gè)樣地中土壤速效K含量在表層最高，且0—50 cm范圍內(nèi)，各土層速效K含量呈遞減趨勢，變化幅度明顯(表5)。土壤0—10 cm，新燒地土壤速效K含量顯著高于對(duì)照(P＜0.05)，火燒后3 a和11 a樣地與對(duì)照差異不顯著(P＞0.05)。土壤10—20 cm，新燒地和火燒后11 a樣地速效K含量顯著高于對(duì)照(P＜0.05)，而火燒后3 a和對(duì)照差異不顯著(P＞0.05)，新燒地和火燒后11 a差異不顯著(P＞0.05)。20—30 cm、30—40 cm、40—50 cm，新燒地和火燒后11 a樣地速效K含量顯著高于對(duì)照(P＜0.05)，而火燒后11 a顯著高于新燒地(P＜0.05)，火燒后3 a和對(duì)照無顯著差異(P＞0.05)。

表5 火燒不同恢復(fù)年限不同深度土壤速效K含量的變化/(mg/kg)Table 5 Available K concentrations at different depths after different burning years

2.5 土壤pH值的變化

4個(gè)樣地火燒后，土壤表層0—10 cm的平均pH值為:火燒后3 a(8.5)＞未燒地(8.2)＞火燒后11 a(8.0)＞新燒地(7.9)，但各火燒樣地和未燒地土壤pH值差異均不顯著(P＞0.05)，而且4個(gè)樣地土壤都偏堿性。

3 討論

測定火燒后SOC的含量是研究土壤、判斷土壤肥力狀況以及恢復(fù)情況的一項(xiàng)重要工作。火后SOC含量的變化沒有統(tǒng)一的結(jié)論，既有升高的報(bào)道，也有降低的報(bào)道，還有維持不變的報(bào)道［9］，這主要和火燒強(qiáng)度和火燒地土壤類型有關(guān)。Giacomo Certini指出火燒對(duì)有機(jī)質(zhì)的影響包括輕度揮發(fā)、碳化作用和完全氧化，這主要依賴于火燒強(qiáng)度［7］。而本研究新燒地土壤各層有機(jī)碳含量顯著高于未燒地，主要由于輕度火燒并未使有機(jī)質(zhì)以氣體形式大量揮發(fā)，相反，火燒后土壤溫度升高，增加土壤生物活性和枯落物的分解，有利于改善土壤養(yǎng)分。Schmidt認(rèn)為火燒在黑鈣土黑土層的形成中可能起到了十分重要的作用［10］，而這些黑土層的厚度在一定程度上代表了SOC的變化。本研究火燒跡地土壤都屬于灰褐土，可以看到新燒地土壤各層SOC、土壤全N、全P和速效K含量都顯著高于未燒地，這可能與灰褐土本身的物理特性有很大關(guān)系。本研究表明，火燒后3 a土壤各層SOC含量和未燒地差異不顯著，可能由于火燒后氣候干燥，風(fēng)速等原因使土壤缺乏水分、灰分沉積減少及微生物量減小等，最終影響了土壤化學(xué)性質(zhì)。但是隨著時(shí)間的推移，生物體燃燒后的殘?bào)w形成土壤黑碳，有助于形成穩(wěn)定的土壤有機(jī)碳庫［11］?；馃?1 a土壤經(jīng)歷了長期的演替，土壤黑炭很有可能影響到40—50 cm土層。同時(shí)地上植被逐漸恢復(fù)，而凋落物也會(huì)逐漸增加，從而加速了SOC的恢復(fù)速度，因此火燒后11 a SOC含量除了表層差異不顯著，其它土層均顯著增加。表層SOC的這種特殊變化，可能與樣地的坡度有一定關(guān)系。由表1可知火燒后11 a樣地坡度比未燒地稍陡，由于黃土高原地區(qū)雨水多以暴雨出現(xiàn)，所以坡度越陡，表層養(yǎng)分的流失現(xiàn)象可能越嚴(yán)重，而且本試驗(yàn)在9月份中旬采樣，基本經(jīng)歷了大部分雨季。

由于植物種類不同，火燒后土壤氮礦化度不同，土壤N含量變化不同。關(guān)于火燒后土壤全N含量的變化也沒有統(tǒng)一的研究結(jié)果。宋啟亮等［12］指出大興安嶺土壤全N的含量在火燒后初期增加，隨著時(shí)間的推移有所降低，后期又再次上升，并且含量超過火燒前的水平。本研究與其結(jié)果比較一致，發(fā)現(xiàn)新燒地土壤全N含量顯著增加，但火燒后3 a全N含量和對(duì)照差異不顯著，火燒后11 a全N含量顯著高于對(duì)照，說明隨著時(shí)間推移火燒對(duì)土壤全N含量產(chǎn)生影響。然而，由于火燒后N最容易揮發(fā)，也有報(bào)道指出火燒后土壤N含量減小。王麗［13］對(duì)山地林火燒跡地土壤養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)變化研究指出火燒后土壤各層全N含量下降。商麗娜［14］對(duì)濕地生態(tài)研究表明無論火燒當(dāng)年還是次年，土壤草根層與腐殖質(zhì)層全N含量都較未燒濕地低。導(dǎo)致這種截然不同結(jié)論的原因可能與火燒強(qiáng)度、火燒類型、立地條件、可燃物數(shù)量和質(zhì)量以及火燒時(shí)的氣候條件等因素有關(guān)。

火燒后P通過揮發(fā)和淋溶損失的部分很少，很多研究指出火燒對(duì)土壤全P含量沒有顯著影響。宋啟亮等［12］指出大興安林火燒對(duì)土壤全P含量沒有明顯的影響。火燒對(duì)森林地表覆蓋物和表層礦質(zhì)土壤中全 P濃度一般沒有明顯影響，只有火燒強(qiáng)度很大時(shí)會(huì)有一定的影響［15］。但本研究表明，新燒地和火燒后11 a土壤全P含量顯著高于未燒地，這可能與火燒跡地植被類型有關(guān)，有待進(jìn)一步研究。

K在土壤中流動(dòng)性比較強(qiáng)，土壤速效鉀含量水平是決定鉀肥肥效的重要指標(biāo)之一。國內(nèi)的一些研究也證實(shí)了火燒后土壤中速效 K含量會(huì)顯著上升［16-19］。孫明學(xué)［20］指出中度火燒的土壤速效K含量高于未燒、輕度、重度火燒地。因此土壤速效K的含量也與火燒強(qiáng)度有關(guān)。本研究屬于輕度火燒，結(jié)果表明當(dāng)年火燒和火燒后11 a的土壤速效K含量比未燒地顯著增加，可能由于火燒時(shí)有機(jī)物釋放的基礎(chǔ)陽離子較多，或者火燒后灰分的沉積和有機(jī)物的礦化作用，土壤表層溫度升高都有利于速效K含量的逐漸增加［21］。但也有報(bào)道指出，火燒后速效K含量減小。周道瑋［18］指出火燒地土壤速效K在剖面的各層上都低于未燒地。谷會(huì)巖等［22］指出火燒20 a后，0—10 cm，10—20 cm土壤K的含量逐漸降低。孫毓鑫等［23］指出火燒3 a后，桉林速效鉀含量明顯降低，可能由于火燒強(qiáng)度和氣候條件的不同造成的。宋啟亮等［12］指出大興安林火燒對(duì)土壤速效K含量沒有明顯的影響，且在不同火燒年限跡地之間無顯著差異。本研究發(fā)現(xiàn)，只有火燒后3 a土壤剖面各層速效K含量和未燒地差異不顯著，其它火燒年限土壤速效K含量和未燒地相比均有顯著變化。

大量研究表明火燒后土壤pH值有所增加［24-25］，這種增加現(xiàn)象是由于土壤加熱后導(dǎo)致有機(jī)酸變性造成的［7］。本試驗(yàn)對(duì)0—10 cm表層土壤pH值研究表明，新燒地、火燒后3 a和火燒后11 a與未燒地差異不顯著，和前人研究結(jié)果不一致。可能由于雨季后調(diào)查，使得這種增加不持久［26］。

總之，火燒對(duì)土壤養(yǎng)分的影響取決于火燒強(qiáng)度、土壤類型、立地條件和氣候條件等多種綜合因素，同時(shí)當(dāng)?shù)貧夂?、植被、地形等又決定火燒跡地土壤養(yǎng)分的恢復(fù)速度。本研究發(fā)現(xiàn)火燒當(dāng)年和火燒后11 a土壤性質(zhì)有所改善，只有火燒后3 a和對(duì)照無顯著差異。主要原因，本試驗(yàn)屬于輕度火燒，當(dāng)年火燒后有機(jī)質(zhì)不會(huì)以氣體的形式大量揮發(fā)損失，相反火燒向土壤中施加了熱量、殘留了灰燼，并且改變了土壤基質(zhì)的狀況，有利于枯落物分解，向土壤輸入養(yǎng)分。需要指出的是火燒當(dāng)年土壤40—50 cm養(yǎng)分的增加，可能是由于土壤空間異質(zhì)性造成的，也可能是由于火燒后，土壤物理性質(zhì)，如孔隙度、容重的改變、雨水作用等綜合因素影響到土壤深層養(yǎng)分的變化，最終結(jié)論需要經(jīng)過動(dòng)態(tài)監(jiān)測，有待進(jìn)一步研究?；馃? a，由于火燒時(shí)氣候干燥、風(fēng)速等原因使土壤水分、灰分及微生物量減小等，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分有所損失，所以土壤養(yǎng)分含量和對(duì)照差異不顯著?；馃?1 a，土壤養(yǎng)分和對(duì)照相比有所改善，主要由于火燒能影響生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分的濃度、有效性以及遷移性，并最終影響植物生長，植物逐漸恢復(fù)，枯落物隨之增加，最終改善了土壤養(yǎng)分狀況。

4 結(jié)論

典型草原火燒后不同恢復(fù)年限土壤各層養(yǎng)分含量差異較大。表現(xiàn)為:新燒地和火燒后11 a土壤剖面各層SOC、全N、全P和速效K含量都有增加趨勢，而火燒后3 a土壤剖面各層SOC、全N、全P和速效K含量變化不顯著。不同火燒年限，土壤表層pH值無顯著變化?？傊?dāng)年火燒和火燒后11 a，在一定程度上都會(huì)改善土壤養(yǎng)分，而火燒后3 a土壤養(yǎng)分無顯著變化，所以從草原的長遠(yuǎn)發(fā)展來看，火燒對(duì)土壤的發(fā)展是有利的。致謝:感謝云霧山國家自然保護(hù)區(qū)管理處在樣品采集過程中給予的支持和幫助。

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