不同強度火燒對興安落葉松林土壤溶解性有機碳的影響

袁 強，魏云敏

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030;2.黑龍江省森林保護(hù)研究所，黑龍江哈爾濱150040)

隨著氣候的逐漸變暖，土壤有機碳庫被認(rèn)為是導(dǎo)致大氣碳庫和全球氣候變化的主要原因之一，近年來，成為研究領(lǐng)域關(guān)注的焦點，同時也是了解和研究土壤碳循環(huán)的重要場所［1］。作為土壤活性有機碳組分之一的土壤溶解性有機碳，因其對大氣溫室氣體和微生物新陳代謝的等存在潛在的影響而成為關(guān)注的焦點，并已經(jīng)對其進(jìn)行了廣泛的研究。土壤溶解性有機碳是指土壤經(jīng)過鹽溶液或水等不同溶劑獲得的土壤中溶解性的部分有機碳，是具有不同分子量大小、不同結(jié)構(gòu)的有機物，包括碳水化合物和有機酸等［2］，屬于土壤活性有機碳，這類有機碳受植物和微生物的影響強烈，具有一定的溶解性和易分解性，對植物和微生物而言是活性較高的那一部分土壤碳素。土壤溶解性有機碳因其易溶性和移動性，是土壤圈與大氣圈、水圈等相關(guān)圈層進(jìn)行物質(zhì)交換的主要形式。

目前，國內(nèi)外研究者已對土壤溶解性有機碳進(jìn)行了一些研究。徐秋芳等［3］研究了毛竹林、杉木林、馬尾松林和闊葉林4種林型中溶解性有機碳的含量變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)溶解性有機碳含量:毛竹林＞杉木林＞馬尾松林、闊葉林＞馬尾松林，并且它們之間均存在顯著差異(P＜0.05)。森林采伐和造林對土壤中溶解性有機碳的影響研究還存在分歧不同看法。楊頂田等［4］研究發(fā)現(xiàn)森林采伐后土壤中溶解性有機碳含量呈下降趨勢，但其原因可能是森林采伐后地表徑流增加所致;McDowe11等［5］研究表明森林采伐后溶解性有機碳含量沒有顯著性變化。Quideau等［6］研究表明土地上造林后土壤中的溶解性有機碳含量增加;Collier等［7］研究表明造林與溶解性有機碳含量沒有關(guān)系。張金波等［8］和李淑芬等［9］研究表明，土地利用的變化導(dǎo)致土壤溶解性有機碳含量變化明顯，自然土壤轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后土壤溶解性有機碳含量明顯降低，耕作年數(shù)越長，減少的趨勢越明顯。曾有學(xué)者對未受擾動或擾動較小的小葉章草甸土壤、人工林和島狀林進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小葉章草甸土壤溶解性有機碳含量最高，為(415.55±35.94)mg/kg，人工林和島狀林含量稍低，分別為(221.35±19.14)和(214.18±18.52)mg/kg。國內(nèi)外研究主要集中在土地利用方式變化、耕作和森林采伐等對土壤溶解性有機碳的影響，而火強度對土壤溶解性有機碳產(chǎn)生的影響目前研究很少。筆者針對不同強度火燒對興安落葉松土壤溶解性有機碳的影響，以期為今后營林用火和火對環(huán)境產(chǎn)生的影響提供科學(xué)依據(jù)。

研究區(qū)域選在以興安落葉松林為主要樹種的黑龍江省大興安嶺地區(qū)，該地區(qū)近40年來火災(zāi)次數(shù)和面積不斷上升，多次發(fā)生森林火災(zāi)，總過火面積300余萬hm2，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成了巨大的影響［7］。被林火頻繁干擾的大興安嶺地區(qū)為研究不同強度火燒對土壤溶解性有機碳的影響提供了理想研究場所。筆者通過測定溶解性有機碳及相關(guān)指標(biāo)，探討不同強度火燒對土壤溶解性有機碳的影響，以期為揭示興安落葉松林下不同強度火燒對土壤有機碳組分的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況 研究區(qū)位于黑龍江省大興安嶺松嶺區(qū)南甕河自然保護(hù)區(qū)2006年因雷擊引起森林火災(zāi)火燒跡地內(nèi)，地處 125°07＇55″～125°50＇05″E，51°05＇07″～51°39＇24″N，該自然保護(hù)區(qū)在大興安嶺松嶺區(qū)境內(nèi)，總面積約229 523 hm2。研究區(qū)地形屬于低山丘陵地帶，地處寒溫帶，冬季寒冷，持續(xù)時間較長，夏季炎熱，持續(xù)時間較短，屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫-3℃，最高氣溫35.5℃、最低氣溫-43.8℃，極端最低氣溫-48℃，年日照時數(shù)2 500 h，無霜期90～100 d，植物生長期110 d，降雨量415～500 mm，土壤為棕色針葉林土。主要樹種為興安落葉松(Larix gmelinii)，其余有白樺(Betula platyphylla Suk.)、黑樺(Betula davurica)、柞樹(Xylosma japonicum)、山楊(Populus davidiana Dode)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置。在2006年4月杜鵑興安落葉松林火燒跡地上選取不同強度火燒樣地，以臨近未火燒區(qū)作為對照樣地，每個強度火燒樣地及未火燒區(qū)各設(shè)置3塊標(biāo)準(zhǔn)樣地，共計12塊，樣地大小均為20 m×20 m。不同強度和對照樣地林分特征如表1所示。

表1 不同強度火燒后興安落葉松林的林分特征

1.2.2 樣品采集。于2010年5～11月進(jìn)行土壤樣品的采集。每次每塊樣地內(nèi)采用5點混合隨機取樣法取樣，在每處采樣點先移去土壤上的枯落物及雜物后用土鉆采集土壤0～15 cm的土樣3份，混和后作為1個土壤樣品，不同強度火燒樣地和對照樣地每塊3次重復(fù)，共計12份土壤樣品。土壤樣品被帶回實驗室，去掉枯落物及其他雜質(zhì)，一部分過2 mm篩用于土壤溶解性有機碳測定，同時將一部分土樣取出用于物理化學(xué)性質(zhì)的測定。

1.2.3 樣品的測定。樣品測定參考JIANG R等［10］的方法。新鮮土樣過2 mm篩，稱取相當(dāng)于烘干土重10 g土樣，用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提，按照土水比1∶5的比例混勻，在25℃條件下以250 r/min的轉(zhuǎn)速振蕩1 h，在轉(zhuǎn)速為15 000 r/min離心機上離心10 min，上部懸浮液過0.45 μm薄濾膜，過濾液在multiC/N3000分析儀(Elementar，Germany)上測定(濾液如果不能及時測定，可裝在聚乙烯管中放置在-15℃冰箱中保存)。

土壤總有機碳(TOC)含量的測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法;全氮含量的測定采用Vario EL 3元素分析儀(Elementar，Germany);土壤溫度使用土壤溫度計測定。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析。試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS13.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行統(tǒng)計與分析，相關(guān)性分析采用Person法，方差分析采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同強度火燒對土壤溶解性有機碳的影響 從圖1可以看出，對照樣地與輕度、中度和重度火燒樣地中土壤溶解性有機碳分別為286.08～513.25、252.47～567.38、278.63～520.13和235.14～497.89 mg/kg，土壤溶解性有機碳平均值為:對照樣地370.77 mg/kg，輕度火燒樣地372.55 mg/kg，中度火燒樣地351.75 mg/kg，重度火燒樣地338.72 mg/kg，土壤溶解性有機碳含量大小依次為輕度火燒樣地＞對照樣地＞中度火燒樣地＞重度火燒樣地，溶解性有機碳含量隨著火強度的增強而逐漸降低，對照樣地、輕度火燒分別與重度火燒之間差異顯著(P＜0.05)，其他樣地之間差異不顯著(P＞0.05)。

2.2 不同強度火燒跡地中土壤溶解性有機碳的季節(jié)動態(tài)變化 從圖2可以看出，不同強度火燒跡地中土壤溶解性有機碳具有明顯的季節(jié)動態(tài)變化，隨著時間的變化呈現(xiàn)先減少后增加的V型或雙V型的變化趨勢，季節(jié)變化顯著(P＜0.05)。不同強度火燒樣地和對照樣地中溶解性有機碳含量范圍為235.14～520.13 mg/kg，占總有機碳的比例為0.26%～1.86%，土壤溶解性有機碳含量在不同月份有不同的高低變化和差異，表現(xiàn)為輕度火燒樣地中土壤溶解性有機碳含量高于中度和重度火燒跡地(重度火燒跡地中7月除外)，對照樣地中溶解性有機碳高于中度火燒跡地，而重度火燒跡地中除5和7月外，對照樣地土壤有機碳含量均高于重度。6月，輕度和中度火燒跡地中溶解性有機碳含量差異不顯著外，其他樣地間均差異顯著(P＜0.05);11月，中度和重度火燒跡地中溶解性有機碳含量差異顯著(P＜0.05)，對照樣地和重度火燒樣地之間差異顯著(P＜0.05)，其他月份差異均不顯著(P＞0.05)。

2.3 溶解性有機碳與相關(guān)因子的關(guān)系 相關(guān)性分析表明，溶解性有機碳與土壤含水率呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與pH呈負(fù)線性相關(guān)，與土壤溫度、全氮和總有機碳呈正線性相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

不同強度火燒樣地和對照樣地中溶解性有機碳含量范圍為235.14～520.13 mg/kg，占總有機碳的比例為0.26% ～1.86%，對照樣地與輕度、中度和重度火燒樣地中土壤溶解性有機碳含量分別為286.08～513.25、252.47～567.38、278.63～520.13和235.14～497.89 mg/kg，平均值分別為:對照樣地370.77 mg/kg，輕度火燒樣地372.55 mg/kg，中度火燒樣地351.75 mg/kg，重度火燒樣地338.72 mg/kg。葛萍［11］對合肥市蜀山森林公園重度受損馬尾松林、輕度受損馬尾松林、麻櫟成林和麻櫟幼林土壤溶解性有機碳含量進(jìn)行研究，結(jié)果表明其溶解性有機碳含量分別為52.38～126.96、45.02～111.29、48.58～180.50和 53.22～173.71 mg/kg。D S.Ross和R J.Bartlett等用針筒抽取法測得美國山毛櫸沼澤灰土的溶解性有機碳含量為25～250 mg/kg［12］。該研究中不同強度火燒跡地溶解性有機碳平均值高于王連峰等［13］在廬山研究土壤溶解性有機碳的含量(289.85±111.04)mg/kg，造成這種差異可能與火強度干擾土壤有機質(zhì)層有關(guān)，但也可能與植被類型、氣候和立地條件等有關(guān)［14］。南方地區(qū)高溫高濕，林下枯落物層分解較快，土壤中有機碳含量較低;北方低溫，林下枯落物層累積較厚，土壤中有機碳含量較高，因為溶解性有機碳含量很大程度上取決于總有機碳量，與該研究中溶解性有機碳與總有機碳呈正相關(guān)的研究結(jié)果相同。

該研究結(jié)果表明不同強度火燒跡地中土壤溶解性有機碳具有明顯的季節(jié)動態(tài)變化，季節(jié)變化顯著(P＜0.05)。這與葛萍［11］對馬尾松林溶解性有機碳季節(jié)變化和Mcdowell等［15］研究結(jié)果相一致，但最低和最高值略有不同。葛萍［11］研究發(fā)現(xiàn)馬尾松林下溶解性有機碳平均含量的季節(jié)變化規(guī)律為秋季＞春季＞冬季＞夏季。Mcdowell研究中夏秋季最高，而該研究中對照、輕度和中度火燒跡地中溶解性有機碳最高值出現(xiàn)在11月(秋季)，重度火燒樣地最高值出現(xiàn)在5月(春季)，而最低值出現(xiàn)在6月和9月，與該研究中沒有冬季數(shù)據(jù)有關(guān)，也可能與枯落物層分布不均有關(guān)。

該研究中溶解性有機碳含量與總有機碳含量呈正相關(guān)，但相關(guān)性沒有達(dá)到顯著水平，因為溶解性有機碳占總有機碳的比例為0.26% ～1.86%，所占比例很小，所以其與總有機碳未達(dá)到顯著相關(guān)，而它來自于總有機碳，總有機碳含量決定著溶解性有機碳量，會隨著總有機碳的增加而增加。溶解性有機碳與土壤含水率呈顯著正相關(guān)，與Lundquist等［16］的研究結(jié)果相一致。與濕樣相比，干樣中溶解性有機碳含量要低得多［17］。溶解性有機碳與pH呈負(fù)線性相關(guān)，與李淑芬和俞元春等［9］研究結(jié)果相一致，土壤pH下降導(dǎo)致土壤微生物的生命活動減弱，因此溶解性有機碳的含量也有所降低［18］。溶解性有機碳與土壤溫度的相關(guān)性目前還存在異議，該研究中溶解性有機碳與土壤溫度呈正線性相關(guān)，與Godde等［19］和Macdonald等［20］的研究結(jié)果相一致，表明在一定溫度范圍內(nèi)溫度升高有利于促進(jìn)土壤中溶解性有機碳的淋溶。溶解性有機碳含量與全氮含量呈正相關(guān)，這是因為土壤中有機質(zhì)的氮含量的高低會影響到微生物對其分解速度的快慢［21-22］。有機質(zhì)中含氮量高的那部分容易被微生物分解，利用、轉(zhuǎn)化速度較快，從而對土壤活性碳含量產(chǎn)生有一定程度的影響［23］。

目前，火干擾對溶解性有機碳的影響研究很少。該研究中不同強度火燒樣地和對照樣地中溶解性有機碳含量范圍為235.14～520.13 mg/kg，占總有機碳比例為0.26% ～1.86%，所占比例很小，存在相關(guān)但不顯著。土壤溶解性有機碳均值在不同強度火燒跡地中表現(xiàn)為輕度火燒樣地＞對照樣地＞中度火燒樣地＞重度火燒樣地，溶解性有機碳含量隨著火強度的增強而逐漸降低，溶解性有機碳具有明顯的季節(jié)動態(tài)變化，活性有機碳具有易溶性和易分解性，隨著植被和微生物等波動，呈現(xiàn)季節(jié)性變化。但其易受外界因素的影響和干擾，但影響程度還存在很多分歧，尚需要進(jìn)一步研究。

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