不同強(qiáng)度火燒對楊樹林碳、氮及其比值變化的影響

王 天，張水鋒，陳鵬鵬，宮涵

（南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京210023）

1 引言

林火是森林生態(tài)系統(tǒng)最顯著的干擾因子之一，也是影響森林植被的一個(gè)活躍生態(tài)因素，對森林生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和功能的影響較大。因此，林火與森林生態(tài)系統(tǒng)平衡有很大的關(guān)系，被認(rèn)為是森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要組成部分［1，2］?；饘ν寥烙袡C(jī)碳的影響既有短期直接性，也有長期間接性。一方面火災(zāi)過程中有機(jī)土層的燃燒造成土壤有機(jī)碳的直接損耗，另一方面，火燒通過改變碳素形態(tài)和分布，以及改變物種組成、植物生長、土壤生物區(qū)系、土壤淋溶和侵蝕等，對生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)產(chǎn)生潛在而深遠(yuǎn)的長期影響。水解氮是銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白質(zhì)氮的總和，是土壤氮素的重要組成部分，它的含量與土壤有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)，能較好的反映出近期內(nèi)土壤氮素的供應(yīng)狀況，在衡量土壤氮素供應(yīng)水平上占有重要的位置。在不同強(qiáng)度林火干擾下，短時(shí)間內(nèi)土壤有機(jī)碳和水解氮變化方面的研究還較少。近年來，國內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在不同類型輕組有機(jī)碳的變化［4，5］，火燒對土壤物理和化學(xué)性質(zhì)的影響［3，6］，不同強(qiáng)度火燒對土壤有機(jī)碳組分差異及其影響因素［7，8］，不同土地利用變化對輕組和重組有機(jī)碳的影響［9～12］等長期觀察的變化方面。研究不同強(qiáng)度火燒在短期內(nèi)對有機(jī)碳和水解氮的影響對評價(jià)森林土壤肥力、土壤碳庫平衡、碳循環(huán)具有重要的意義。該文通過測定有機(jī)碳及水解氮來探討不同強(qiáng)度火燒在短時(shí)間內(nèi)對土壤有機(jī)碳和水解氮含量影響的差異及其相關(guān)影響因子，為揭示人造楊樹林在不同強(qiáng)度火燒對土壤有機(jī)碳和水解氮短時(shí)的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 研究區(qū)概況

野外林火點(diǎn)燒樣地位于南京市仙林大學(xué)城南京森林警察學(xué)院校內(nèi)后山旁楊樹人工林，土壤類型為黃棕壤，枯落物厚度5～8 cm，表層枯落物較干燥，易燃，林冠郁閉度為0.5～0.7，林下灌木蓋度20%～30%，枯落物蓋度80%。為實(shí)現(xiàn)不同火強(qiáng)度的分級目標(biāo)，在楊樹林下增鋪了可燃物，主要為附近闊葉林地收集的已曬干的枯枝落葉。增鋪可燃物的厚度從樣地邊緣的10 cm向中心逐漸均勻增加到40 cm。另外，在楊樹林各個(gè)小樣地中心插上長6m且標(biāo)有紅色刻度線并涂有白漆的鐵質(zhì)標(biāo)桿，并將火燒后標(biāo)桿的熏黑高度作為火焰高度記錄。

2014年5月4日，在近百名森林防火隊(duì)員全副武裝的嚴(yán)密監(jiān)控下，楊樹人工林樣地實(shí)施了點(diǎn)燒試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，同時(shí)對火行為進(jìn)行了多角度監(jiān)控錄像。

3 研究方法

3.1 樣地設(shè)置

本次試驗(yàn)以火燒實(shí)驗(yàn)前的楊樹林作為研究對照，其土壤取樣時(shí)間為林火點(diǎn)燒試驗(yàn)實(shí)施前的2014年5月3日、試驗(yàn)結(jié)束24 h后的2014年5月5日。在2014年5月4日點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)火燒跡地和鄰近火燒跡地未著火區(qū)域分別選取低強(qiáng)度、高強(qiáng)度和對照樣地，基于楊樹林樣地的面積和地形，按照代表性和典型性的原則，將其劃分為12塊4m×6m的小樣地，如圖1所示。

3.2 樣品采樣

為減少其它環(huán)境因素的干擾，本次楊樹林火燒試驗(yàn)設(shè)計(jì)在雨后至少4～5d的晴朗天氣進(jìn)行采樣。以火燒前的楊樹林作為研究對照，其土壤取樣時(shí)間為林火點(diǎn)燒試驗(yàn)實(shí)施前的2014年5月3日，試驗(yàn)結(jié)束24 h后的2014年5月5日。采樣時(shí)，將楊樹林的各個(gè)小樣地均勻劃分成4個(gè)方格，在每個(gè)取樣點(diǎn)先移去土壤上面的凋落物和腐殖質(zhì)后，在4個(gè)方格內(nèi)分別按0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm分層取樣，取樣后各層均勻混合至500 g，低強(qiáng)度、高強(qiáng)度和對照樣地每塊3次重復(fù)，共計(jì)36份土壤樣品。將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后除去雜質(zhì)，自然風(fēng)干，風(fēng)干后研磨，一部分過2 mm篩用于土壤有機(jī)碳的測定，一部分過0.25 mm篩用于土壤總有機(jī)碳的測定，一部分過0.149 mm篩用于水解氮的測定。

3.3 樣品測定

采用堿解－擴(kuò)散法來測定土壤水解氮。土壤有機(jī)碳總量，重鉻酸鉀外加熱法。用控制變量分析法分析火燒強(qiáng)度與不同土壤層次對土壤有機(jī)碳和水解氮含量的影響，并進(jìn)行多重比較，對不同土壤層次不同火燒強(qiáng)度下土壤有機(jī)碳和水解氮含量情況作多重比較分析。

另外，根據(jù)森林火中的地表火和樹冠火的火焰高度和火線強(qiáng)度的資料，采用根據(jù)森林火撲救的需要將森林火強(qiáng)度劃分為4級的分級標(biāo)準(zhǔn)（表1）［13］。

表1 地表火和樹冠火強(qiáng)度的分級標(biāo)準(zhǔn)

3.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用Excel2013和SPSS17.0軟件完成。

4 結(jié)果與分析

4.1 不同強(qiáng)度火燒后土壤有機(jī)碳的含量變化

由表2可見，低、中和高強(qiáng)度火燒樣地中在0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm的土層土壤有機(jī)碳的含量均呈現(xiàn)下降的趨勢。其中，高強(qiáng)度火燒后土壤有機(jī)碳含量的減少幅度約是低強(qiáng)度下的8倍。且過火后土壤有機(jī)碳含量對不同層次土壤層的影響大小基本一致，0～5 cm土層＜5～10 cm土層＜10～20 cm土層。0～5 cm土層有機(jī)碳含量降幅在低、中和高強(qiáng)度火燒分別為5%、12%和46% 與5～10 cm和10～20 cm間差異顯著，但10～20 cm土層低、高強(qiáng)度火燒間差異不顯著，僅為1%。可見在不同強(qiáng)度火燒后土壤有機(jī)碳含量均下降，且隨著林火強(qiáng)度增大土壤有機(jī)碳含量減少幅度越明顯，隨著土層厚度增加火燒后土壤有機(jī)碳含量變化趨于不變。

表2 不同強(qiáng)度火燒后土壤中有機(jī)碳含量

4.2 不同強(qiáng)度火燒后土壤水解氮的含量變化

由表3可見，不同強(qiáng)度火燒后土壤水解氮的含量在0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm的土層水解氮含量的影響各不相同。其中，低強(qiáng)度下各土層水解氮含量變化依次增加3%、4%和0.3%，5～10 cm土層的水解氮含量增幅相對最大；中強(qiáng)度下各土層水解氮含量變化依次降低5%、增加4%、增加0.1%，0～5 cm與5～10 cm土層間的變化差異較大，10～20 cm土層受到的影響較??；高強(qiáng)度下各土層水解氮含量變化下降低22%、降低11%和增加0.3%，高強(qiáng)度火燒對水解氮含量的影響最大，主要表現(xiàn)為降低的趨勢，且降幅較大。0～5 cm層低強(qiáng)度火燒后氮含量為增加，而且中強(qiáng)度和高強(qiáng)度火燒后土壤氮含量為降低趨勢，而且高強(qiáng)度火燒后降幅約是中強(qiáng)度降幅的4.4倍。顯然，不同強(qiáng)度火燒對土壤水解氮的含量變化的影響各不相同，低強(qiáng)度和中強(qiáng)度火燒使土壤水解氮含量小幅度增加，而高強(qiáng)度火燒后水解氮含量呈明顯減少趨勢。另一方面，隨著土壤深度的水解氮的含量趨于不變。

表3 不同強(qiáng)度火燒后不同土壤層數(shù)中水解氮含量

4.3 不同強(qiáng)度火燒后楊樹林土壤碳氮比值的變化

由表4可見，不同強(qiáng)度火燒后，土壤碳氮含量比呈下降趨勢，其中0～5 cm低強(qiáng)度、中強(qiáng)度和高強(qiáng)度火燒后土壤碳氮比降幅分別為9.3%、7.7%和30%，其中高強(qiáng)度火燒后降幅最大，約是低強(qiáng)度的3倍，中強(qiáng)度的3.9倍；5～10 cm低、中火燒后土壤碳氮比降幅分別為4.6%、6.5%，變化幅度差異不顯著，而高強(qiáng)度下則增加2%；10～20 cm低強(qiáng)度火燒后碳氮比降幅為3.7%，而中、高強(qiáng)度火燒后碳氮比則基本保持不變。

表4 不同強(qiáng)度火燒后不同土壤層數(shù)中碳氮比

5 結(jié)語

楊樹人工林在不同火強(qiáng)度影響下的土壤有機(jī)碳含量均呈現(xiàn)下降的趨勢，且隨著火強(qiáng)度的增大土壤有機(jī)碳含量減幅越明顯，隨著土層厚度的增加火燒后土壤有機(jī)碳含量變化趨于不變。造成這種差異可能與火強(qiáng)度干擾土壤有機(jī)質(zhì)層有關(guān)，但也可能與周圍植被類型、氣候、立地條件等有關(guān)。關(guān)于火燒對土壤有機(jī)碳的影響結(jié)論不一，有些學(xué)者認(rèn)為火燒降低了土壤有機(jī)碳含量［14］，有些學(xué)者認(rèn)為火燒增加了土壤有機(jī)碳含量［15］，還有一些學(xué)者認(rèn)為火燒只改變了土壤有機(jī)碳在不同層的量，但總量上沒有改變［16～18］。該研究中，低強(qiáng)度火燒對林木干擾不強(qiáng)，地上有機(jī)質(zhì)在通過低強(qiáng)度火干擾的情況下，部分損失，導(dǎo)致低強(qiáng)度火燒樣地中有機(jī)碳含量減少不明顯，而高強(qiáng)度火燒移去了地表大部分有機(jī)質(zhì)層以及高溫?fù)]發(fā)，使土壤有機(jī)碳的來源大量減少，從而使土壤有機(jī)碳含量降低明顯，這與前人研究結(jié)果一致［19，20］。在不同土壤層次里，不同強(qiáng)度火燒樣地中，有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律基本一致。土壤層次越深土壤有機(jī)碳含量變化越不明顯。有機(jī)碳含量的高低變化與均值變化不同，造成這種差異可能與火強(qiáng)度干擾土壤有機(jī)質(zhì)層分布不均勻和動(dòng)態(tài)變化有關(guān)［14］，這需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

隨著火燒強(qiáng)度的升高，土壤水解氮的含量先增加后減少。揮發(fā)是燃燒中氮損失的主要途徑。Raison等［25］認(rèn)為燃燒中揮發(fā)損失的氮量是直接與被燃燒的有機(jī)質(zhì)量呈比例的。預(yù)測揮發(fā)的氮中有99%是以N2的形式損失的，還有一小部分的氮并沒有在揮發(fā)中損失，而是存在于未燃燒的燃料中或是伴隨灰分以NH4＋形式返回地表，導(dǎo)致了火后土壤中氮有效量增加的現(xiàn)象。在北方針葉林，氮被認(rèn)為是影響植被生長的限制性營養(yǎng)元素，對于森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的維持具有重要意義［21～23］。大量研究表明，林火減少了土壤氮庫，但卻增加了土壤中的水解氮含量，且無機(jī)氮的釋放量與燃料負(fù)荷、消耗量及濕度等有關(guān)［24］。

土壤有機(jī)碳與土壤水解氮呈線性正相關(guān)，與Camberdella等［26～27］研究結(jié)果一致，這是因?yàn)橥寥乐杏袡C(jī)質(zhì)的氮含量的高低會影響到微生物對其分解速度的快慢。有機(jī)質(zhì)中含氮量高的那部分易被微生物分解，吸收、轉(zhuǎn)化速度較快［27］，從而對土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生有一定程度的影響。土壤有機(jī)碳與水解氮存在著相關(guān)性，但相關(guān)性顯著度不明顯，這可能與該研究中采集數(shù)據(jù)量較少有關(guān)。

不同強(qiáng)度火燒對楊樹林碳、氮及其比值變化的影響是復(fù)雜的，不同強(qiáng)度火燒對地表植被進(jìn)行干擾、影響和改變有機(jī)碳輸入源的同時(shí)，它還借助改變其他因子，如土壤結(jié)構(gòu)、溫度、濕度、土壤微生物等，改變和影響著碳、氮含量及其比值，這種影響可能是暫時(shí)的，也可能是長期的，這與氣候、林型、土壤性質(zhì)及火燒強(qiáng)度及持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。在以后的研究中，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)不同強(qiáng)度火燒對楊樹林碳、氮及其比值變化的影響方面的研究。

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