不同時間序列林火干擾對興安落葉松林區(qū)土壤性質(zhì)及溫室氣體通量的影響

馬秀枝，范雪松，舒常祿，李長生1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；. 內(nèi)蒙古通遼市氣象局，內(nèi)蒙古 通遼 08000

不同時間序列林火干擾對興安落葉松林區(qū)土壤性質(zhì)及溫室氣體通量的影響

馬秀枝1*，范雪松2，舒常祿2，李長生3
1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；3. 內(nèi)蒙古通遼市氣象局，內(nèi)蒙古 通遼 028000

林火是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要干擾因素之一。在內(nèi)蒙古大興安嶺興安落葉松（Larix gmelinii）林區(qū)，分別選取2014年、2006年、1995年、1986年的火燒區(qū)，以臨近未過火區(qū)作為對照，研究在火燒發(fā)生0、8、19、28年后，4個不同時間序列下林火干擾對土壤溫室氣體通量和土壤性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：火燒發(fā)生0、8、19、28年后，土壤pH分別較對照增加了7.7%、2.0%、3.4%、4.0%；土壤有機(jī)質(zhì)含量分別較對照降低了63.8%、26.6%、35.3%、11.3%，土壤全氮含量分別較對照降低了53.2%、19.7%、21.7%、16.2%；土壤有效氮含量在火燒發(fā)生0年和8年后分別較對照降低了28.1%和9.5%，火燒發(fā)生19年后較對照增加了16%；火燒發(fā)生28年后土壤有效氮含量與對照無顯著差異。CH4平均吸收通量在火燒發(fā)生0、8、19年后，較對照分別下降了51.0%、45.0%、7.1%，火燒發(fā)生28年后與對照相比差異不顯著?；馃l(fā)生當(dāng)年，CO2通量較對照增加了64.5%，其他3個時間序列火燒對土壤溫室氣體通量的影響結(jié)果不一?；馃l(fā)生當(dāng)年，N2O排放通量較對照增加了69.2%，達(dá)到最高排放量139.3 μg·m-2·h-1。火燒發(fā)生8、19、28年后土壤N2O排放通量分別較對照減少了5.6%、14.6%、37.9%。溫室氣體通量和土壤性質(zhì)的灰色關(guān)聯(lián)分析表明，CH4和CO2通量與土壤有機(jī)質(zhì)含量關(guān)聯(lián)度最大，N2O排放通量與土壤全氮含量關(guān)聯(lián)度最大?；馂?zāi)發(fā)生當(dāng)年土壤CH4的吸收下降，土壤CO2和N2O的排放增加，隨著植被的演替和土壤生態(tài)系統(tǒng)的逐步恢復(fù)，火災(zāi)發(fā)生區(qū)與未過火區(qū)之間的土壤性質(zhì)及溫室氣體通量的差異逐漸變小。

林火干擾；興安落葉松；CH4；CO2；N2O；土壤有機(jī)質(zhì)；土壤全氮；土壤速效氮

引用格式：馬秀枝， 范雪松， 舒常祿， 李長生. 不同時間序列林火干擾對興安落葉松林區(qū)土壤性質(zhì)及溫室氣體通量的影響［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報， 2016， 25（6）: 939-946.

MA Xiuzhi， FAN Xuesong， SHU Changlu， LI Changsheng. Effects of Forest Fire Disturbance in Different Time Series on Soil Properties and Greenhouse Gas Flux in Larix gmelinii Forest of Cold-temperate Zone ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016，25（6）: 939-946.

隨著全球經(jīng)濟(jì)不斷增長，人類使用化石燃料以及土地利用方式發(fā)生了劇烈改變，大氣中CO2、CH4、N2O濃度在1750—2011年間分別增加了40%、150% 和20%（IPCC，2013）。這些溫室氣體的濃度已經(jīng)超過過去80萬年的最高濃度，而且其濃度增加的平均速率在過去2萬年也是未曾有過的（IPCC，2013）。

大興安嶺地區(qū)是我國面積最大的一個林區(qū)，森林覆蓋率約為 62%，是林火發(fā)生最嚴(yán)重的地區(qū)之一，林火已經(jīng)對該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生了重要影響（范雪松等，2014；任樂等，2014，2015）。作為全球碳儲量的重要組成部分，大興安嶺地區(qū)蘊(yùn)藏著大量固態(tài)碳，對氣候變化十分敏感（李攀等，2012；孔健健等，2014）。目前大量林區(qū)被砍伐，樹木不斷被破壞，導(dǎo)致碳排放量增加，加上自然排放的CH4，大興安嶺地區(qū)可能是碳的排放源（Alongi et al.，2007；任樂等，2015）以及N2O的弱源或匯（馬秀枝等，2012；任樂等，2015）。

土壤是維持整個森林生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的重要部分。土壤為植物生長提供大量必不可少的養(yǎng)分，如C、N、P、K等（劉祖祺，1994；閆平等，2006），對植物生長起著重要作用（羅菊春，2002；張敏等，2002a；張敏等，2002b；張敏等，2002c；張敏等，2003）。林火干擾對森林植被和土壤具有很重要的影響（Sawamoto et al.，2000；谷會巖等，2010）?；鸷?年和14年凋落物及土壤養(yǎng)分含量低于對照，隨火燒年限的增加，凋落物分解加快，凋落物質(zhì)量及土壤養(yǎng)分質(zhì)量不斷提高，在火后 40年恢復(fù)到未火燒水平，趨于穩(wěn)定狀態(tài)（楊新芳等，2016）。林火通過改變土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)以及土壤養(yǎng)分的組成和儲存狀態(tài)，從而影響土壤溫室氣體的通量（任樂等，2014）。林火發(fā)生時土壤溫度升高，土壤微生物活性增強(qiáng)，從而促進(jìn)有機(jī)物分解，土壤呼吸增加，土壤CO2排放量也增加（任樂等，2014；任樂等，2015）。土壤濕度決定了需氧和厭氧微生物在土壤中的位置、甲烷氧化菌的豐度及活性，從而影響土壤甲烷的釋放。當(dāng)土壤濕度達(dá)到一定程度時，林區(qū)土壤CH4氣體排放通量較高；濕度較低時，則轉(zhuǎn)為CH4的匯（Liikanen et al.，2006）。土壤濕度也是N2O排放通量的主要因素（Song et al.，2006），濕度較低時，有利于土壤中硝化細(xì)菌的反應(yīng)（Yu et al.，2011）。

目前有關(guān)林火的研究大多關(guān)注林火發(fā)生后的短期效應(yīng)，而對于林火的長期影響報道較少。在研究不同強(qiáng)度火燒對土壤性質(zhì)的影響時，發(fā)現(xiàn)火后20年土壤理化性質(zhì)仍與對照間存在顯著差異（孔健健等，2014；谷會巖等，2010）?；馃l(fā)生不同時間后，隨著土壤和植被的恢復(fù)，在多長時間尺度上這些差異將最終消失，目前還沒有確切的研究結(jié)論?；诖耍緦嶒炘谑覂?nèi)條件下，模擬室外環(huán)境，測定不同時間跨度林火發(fā)生后，土壤性質(zhì)以及CO2、CH4、N2O通量特征的變化，以期為火后恢復(fù)及正確經(jīng)營管理提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究地概況與方法

1.1研究地概況

試驗地位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾市額爾古納市。額爾古納市分布在大興安嶺林區(qū)西側(cè)（50°01′～53°26′N，119°07′～121°49′E），總面積為 2.84×104km2。該地區(qū)屬于大陸性寒溫帶氣候，冬季寒冷漫長降水少，夏季較短氣溫適中，雨熱同期，降水豐沛，年平均氣溫在-4.86 ℃，絕對最低氣溫達(dá)-44 ℃，年平均最高氣溫31.5 ℃，年平均降水為300～450 mm，降水主要集中在7、8月。代表喬木樹種主要有興安落葉松（Larix gmelinii），還包括白樺（Betula platyphylla Suk）、柴樺（Betula fruticosa）、樟子松（Pinus sylvestris var）等。灌木主要包括越橘（Semen Trigonellae）、杜鵑（Rhododendron simsii Planch）、刺玫（Rosa davurica）、杜香（Ledum palnstre）等。

大興安嶺地區(qū)土壤存在永凍層，土壤以棕色針葉土為主，永凍層是棕色針葉土壤形成的重要條件。地表有厚的枯枝落葉，厚度一般在5～6 cm，枯枝落葉層下層是腐殖質(zhì)層，厚度在10 cm左右，再下層是黑土，土層很薄一般10 cm。該地區(qū)土壤普遍顯酸性，pH值在4.5～6.5之間。

1.2樣地設(shè)置

1980─2014年間額爾古納市境內(nèi)發(fā)生了多次火災(zāi)，本研究中所選取的火燒地點由額爾古納市林業(yè)局和防火辦根據(jù)歷史資料提供。在大興安嶺額爾古納地區(qū)選取蘇沁、育良、莫爾道嘎、室韋4塊樣地，分別代表2014年、2006年、1995年、1986年的火燒跡地，在每塊火燒樣地的附近，選取植被、坡向、坡度、土壤性質(zhì)與火燒樣地盡量接近的未火燒樣點作為其對照樣地（見表1）。4個火燒樣地在野外實驗樣地均按照樹干的熏黑高度、火燒后樹木存活情況、2014年7月份火燒后植被更新情況、土壤顏色等指標(biāo)，選取重度火燒強(qiáng)度的樣地（見表2），即本實驗中4個樣地代表4種火燒系列，4個對照，共計8個樣方，每個樣方大小為100 m×100 m。

表1　4個火燒試驗樣地信息Table 1　Information of sample points in four field burned sites and each control

1.3研究方法

依據(jù)額爾古納市氣象局提供的近 10年來當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)以及0～20 cm土壤濕度數(shù)據(jù)，確定了室內(nèi)培養(yǎng)土樣的條件為18 ℃。于生長季7月份，在所選取的8個樣地內(nèi)按照S形分別進(jìn)行0～20 cm土壤樣品的采集，5次重復(fù)，每個重復(fù)大約取樣300 g?；氐绞覂?nèi)過2 mm篩，裝于保鮮袋中，于冰箱-4 ℃冷藏備用。依據(jù)鋁盒法測定每份土樣的濕度，取100 g土樣（干土重）放在300 mL燒杯內(nèi)，用蒸餾水調(diào)節(jié)土壤濕度至最大田間持水量的50%，置于18 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，通過稱重法定時補(bǔ)充水分，以維持恒定土壤濕度。預(yù)培養(yǎng)48 h后，將燒杯置于約2 L（底面半徑為5 cm，高為25.5 cm）的密封玻璃瓶，玻璃瓶口上方設(shè)有三通閥可用于注射器抽氣（見圖1），按照0、5、10、15 min間隔混勻后抽取約10 mL氣體，氣體抽取完畢將燒杯重新放入培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)。抽取當(dāng)天用Agilent 7890A氣相色譜儀同時測定分析氣體中CH4、N2O、CO2的濃度。5 d為1個培養(yǎng)周期，共培養(yǎng)3個周期。

表2　森林生態(tài)系統(tǒng)火燒等級劃分（李攀等，2012）Table 2　Division of forest fire degree

圖1　實驗氣體測定用培養(yǎng)瓶（約2 L，底面直徑10 cm，高25.5 cm）Fig. 1　The glass bottle for gas sample with 10 cm base diameter and 25.5 cm high （2 L）

通量是指單位時間通過某單位面積界面輸送的物質(zhì)質(zhì)量。箱體內(nèi)所測樣品的濃度（Cs）采用下式計算：

式中，C0為標(biāo)氣濃度；As為所測樣品峰面積；A0為標(biāo)氣峰面積。

氣體交換通量（F）計算公式：

式中，F(xiàn)為測定氣體的交換通量（CO2通量計量單位為mg·m-2·h-1，CH4和N2O通量計量單位為μg·m-2·h-1），ρ為箱內(nèi)氣體密度（kg·m-3），Δm和Δc分別為一定時間間隔（Δt）內(nèi)箱內(nèi)氣體質(zhì)量和混合比濃度的變化，A、V、H分別為采樣箱底面積（m2）、體積（m3）和氣室高度（m），Δc/Δt為箱內(nèi)氣體濃度變化。F為負(fù)值時表示吸收，為正值時表示排放。具體計算氣體通量時要對氣壓和溫度進(jìn)行校正。

1.4土壤性質(zhì)測定

土壤化學(xué)性質(zhì)測定：先將野外取得的土樣在室內(nèi)經(jīng)過自然風(fēng)干、過篩、研磨、再過篩等預(yù)處理，土壤pH的測定采用電位法，土壤全氮測定采用擴(kuò)散皿法，土壤有效氮測定采用堿解擴(kuò)散法，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀滴定法，計算公式如下：

有機(jī)質(zhì)=［（V0-V）×N×0.003×1.724×1.1］/ms×1000

式中，V0表示滴定空白液時所用去的硫酸亞鐵溶液的體積，V表示滴定樣品液時所用去的硫酸亞鐵溶液的體積，N表示標(biāo)準(zhǔn)硫酸亞鐵的物質(zhì)的量濃度（mol·L-1），ms表示樣品質(zhì)量。上述土壤指標(biāo)的測定均按照《土壤農(nóng)化分析》和《中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定測定方法和用量進(jìn)行（鮑士旦，2000）。

1.5數(shù)據(jù)處理

經(jīng)過預(yù)試驗可知，依據(jù)瓶內(nèi)抽取的氣體計算的通量對取樣時間符合線性回歸，采用SAS 9.0軟件分析各處理的差異顯著性，Grey Modeling Software chs V6.0分析溫室氣體通量與土壤理化性質(zhì)直接的相關(guān)性，采用Excel軟件做圖。

2　結(jié)果分析

2.1不同時間序列林火干擾對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

圖2為4個林火干擾序列下，土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮以及速效氮的變化情況。由圖2可知，火燒后土壤pH較對照均有所提高，火燒發(fā)生0、8、19和28年后，土壤pH分別較對照提高了7.7%、2.0%、3.4%和4.0%。

火燒發(fā)生0、8、19和28年后土壤中全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別較對照下降了 53.2%、19.7%、21.7%和16.2%，其中火燒發(fā)生當(dāng)年土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降為2.4 g·kg-1，而同期對照樣地中土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.2 g·kg-1，其余3個序列時間對照樣地土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為3.3 g·kg-1。

火燒后土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生明顯下降，火燒發(fā)生0、8、19和28年后分別較對照減少了63.8%、26.6%、35.3%和 11.3%，除災(zāi)后 28年樣地與對照無明顯差異，0、8、19年火災(zāi)發(fā)生跡地土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著低于其相應(yīng)對照（P＜0.05）。

火燒發(fā)生當(dāng)年和火燒8年后土壤有效氮平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照相比分別下降了28.1%和9.5%，火燒發(fā)生 19年后土壤速效氮平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)較對照增加了16%，火燒發(fā)生28年后土壤速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照相比無差異。

2.2不同時間序列林火干擾下土壤CH4的吸收通量

由圖 3可知，不同時間序列林火干擾下土壤CH4吸收通量均表現(xiàn)為吸收，不同時間序列下4個對照樣地的土壤 CH4吸收通量無顯著差異（P＞0.05）?；馂?zāi)降低了森林土壤吸收CH4的能力，隨火后演替時間的延長，火災(zāi)跡地與對照之間的差異逐漸縮?。▂=0.43x-22.06、R2=0.97）。1986年火燒跡地及其對照土壤 CH4吸收通量最大，分別為21.3 μg·m-2·h-1和21.2 μg·m-2·h-1?；馂?zāi)發(fā)生0、8、19、28年后，土壤CH4平均吸收通量分別較對照下降了51.0%、45.0%、7.1%和4.6%，其中0年和8年后火燒樣地與其對照樣地之間達(dá)顯著性差異（P＜0.05），而19年和28年后火燒樣地與對照樣地之間差異不顯著（P＞0.05），這說明在大興安嶺林區(qū)火災(zāi)發(fā)生后的10～20年間很可能是土壤CH4吸收能力恢復(fù)的關(guān)鍵時段。

圖2　不同時間序列林火干擾下土壤化學(xué)性質(zhì)的變化Fig. 2　Changes of soil chemical properties in different time serials after forest fire

圖3　不同時間序列林火干擾下土壤CH4吸收通量Fig. 3　CH4absorbed flux in different time serials after forest fire disturbance

圖4　不同時間序列林火干擾下土壤CO2排放通量Fig.4　CO2emission flux in different time serials after forest fire disturbance

2.3不同時間序列林火干擾下土壤CO2排放通量

圖4為不同時間序列林火干擾下土壤CO2排放通量。1986年對照樣地森林土壤CO2排放通量顯著低于其他3個時期（P=0.0002），而1995、2006、2014年的對照樣地之間土壤 CO2排放通量無顯著差異（P＞0.05）。火燒對森林土壤 CO2排放通量影響結(jié)果不一。1986年和2006年火災(zāi)跡地與其對照之間土壤CO2排放通量差異不顯著（P＞0.05），1995年火災(zāi)跡地土壤 CO2排放通量顯著低于其對照樣地，而2014年火災(zāi)跡地土壤CO2排放通量卻顯著高于其對照樣地（P＜0.05），達(dá)到CO2排放通量的最大值（5.7×10-2mg·m-2·h-1）。火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年，火災(zāi)跡地土壤CO2排放通量較對照增加了64.5%。

2.4不同時間序列林火干擾下土壤N2O排放通量

不同時間序列林火干擾下土壤 N2O均表現(xiàn)為排放（圖5）。2014年對照樣地的N2O排放通量高于1986年和1995年對照樣地，而與2006年對照樣地?zé)o顯著差異（P＞0.05）。1995年和2006年發(fā)生火災(zāi)樣地與對照未火燒樣地的土壤 N2O排放通量無顯著差異（P＞0.05），2014年發(fā)生火災(zāi)樣地土壤N2O排放通量顯著高于對照土壤（P＜0.05），較對照相比增加了69.2%，土壤N2O平均排放量也達(dá)到最高，為139.3 μg·m-2·h-1。而1986年火燒樣地土壤N2O排放通量顯著低于對照（P＜0.05），較對照下降了37.9%。

圖5　不同時間序列林火干擾下土壤N2O排放通量Fig. 5　N2O emission flux in different time serials after forest fire disturbance

表3　不同時間序列林火干擾后土壤溫室氣體通量與土壤化學(xué)性質(zhì)的鄧氏關(guān)聯(lián)度分析Table 3　The correlation analysis of soil Greenhouse gas flux and soil chemical properties in different time serials after forest fire disturbance

2.5土壤溫室氣體通量與土壤化學(xué)性質(zhì)的灰色關(guān)聯(lián)度分析

本研究所采用的灰色關(guān)聯(lián)度分析是將土壤溫室氣體 CH4、N2O、CO2和土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、全氮視為一個整體，構(gòu)成一個灰色系統(tǒng)。將土壤溫室氣體通量設(shè)為參考序列X0，記作：X0=｛X0（1）， X0（2），X0（3），…， X0（n）｝，土壤化學(xué)性質(zhì)設(shè)定為比較序列X1～Xi，記作：Xi=｛Xi（1）， Xi（2）， …Xi（n）｝，（i=1， 2…， n）。

表3為不同時間序列林火干擾后土壤溫室氣體通量與土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、全氮的鄧氏相關(guān)度。從表中可以看出土壤CH4氣體通量與速效氮、有機(jī)質(zhì)、全氮的鄧氏關(guān)聯(lián)度分別為 0.68、0.78、0.61，其中，土壤CH4氣體通量與有機(jī)質(zhì)關(guān)聯(lián)度最高，與速效氮和全氮關(guān)聯(lián)度大致相同。土壤CO2氣體通量與有機(jī)質(zhì)關(guān)聯(lián)度最高，達(dá)到0.86。土壤N2O氣體通量與土壤全氮關(guān)聯(lián)度為0.76，比速效氮和有機(jī)質(zhì)關(guān)聯(lián)度都要高，所以土壤N2O氣體通量與全氮關(guān)聯(lián)度最大。

通過對林火干擾后土壤各溫室氣體通量的相關(guān)關(guān)系分析表明，林火干擾后土壤溫室氣體通量之間達(dá)到極顯著相關(guān)關(guān)系，其中土壤CH4、CO2、N2O排放通量兩兩之間均達(dá)到 0.58以上的極顯著相關(guān)關(guān)系，尤其是土壤CH4和CO2通量之間達(dá)到0.86的極顯著相關(guān)關(guān)系。

3　討論

3.1林火對土壤性質(zhì)的影響

林火干擾引起土壤溫度升高，改變土壤物理和化學(xué)性質(zhì)。火災(zāi)發(fā)生時地表溫度超過200 ℃，溫度過高影響土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而影響有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性?；馃茐耐寥澜Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)致大量營養(yǎng)成分隨雨水徑流而流失，故土壤有機(jī)質(zhì)含量下降；另外火燒使地表大量枯枝落葉減少，腐殖質(zhì)層變薄，地表裸露在外，增加地表徑流風(fēng)險（Certini，2005）。土壤pH值影響土壤微生物活性，當(dāng)酸堿度適宜時有利于微生物活動和有機(jī)物分解。火燒后大量枯落物被燒毀，有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無機(jī)物，在雨水的作用下滲透到土壤，這些無機(jī)物與土壤酸性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使土壤pH值升高。

就火燒對土壤全氮含量的影響，目前的研究結(jié)論不一致。有研究認(rèn)為火燒提高了土壤全氮含量（趙彬等，2011），也有研究認(rèn)為火燒降低了土壤全氮量（Bell et al.，1989），還有的研究認(rèn)為火災(zāi)對土壤全氮含量無明顯的影響（Moghaddas et al.，2007）。本研究選用的是重度火燒跡地，在火燒發(fā)生0、8、19、28年后，土壤全氮含量分別較相應(yīng)對照降低了53.2%、19.7%、21.7%和16.2%。不同強(qiáng)度的森林火災(zāi)對全氮含量的影響可能不同，輕度火燒后，由于含有較高的氮素的灰分的殘留，使得0～2 cm表層土壤全氮量比對照高出22%，而5～10 cm的土層中全氮含量則有所降低；中度火燒后土壤任何一個層次都表現(xiàn)出全氮含量顯著降低（耿玉清等，2007）。

土壤有效氮是可以直接被植物根系吸收利用的氮，包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白質(zhì)氮。本試驗中，火燒當(dāng)年和火燒發(fā)生8年后土壤有效氮含量有一定增加，但火燒發(fā)生 19年后較對照增加了16%，火燒發(fā)生28年后土壤速效氮含量與對照相比無差異。土壤有效氮反應(yīng)的是土壤近期可提供給植物吸收利用的氮素，受植物的生長狀況、土壤環(huán)境等諸多因素的影響。

3.2林火干擾對土壤溫室氣體通量的影響

3.2.1林火干擾對土壤CH4通量的影響

土壤CH4的產(chǎn)生是甲烷菌在厭氧的條件下以有機(jī)質(zhì)為基底，把有機(jī)質(zhì)通過一系列化學(xué)作用轉(zhuǎn)化成CH4（王躍思等，2003；馮虎元等，2004）的過程。林火干擾對土壤CH4通量的影響研究，目前結(jié)論不一。中國東北小興安嶺白樺沼澤在火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年，輕度火災(zāi)使得土壤 CH4排放量提高 169.5%，重度火災(zāi)CH4由排放轉(zhuǎn)變?yōu)槿跷諈R（牟長城等，2011）。西班牙中部馬德里地區(qū)的冬青櫟林、比利牛斯橡樹以及歐洲赤松林中，在火災(zāi)發(fā)生18個月后，受降雨和土壤濕度的影響，不同林分中 CH4通量的變化不一致（Inclan et al.，2012）。意大利中部灌木林中，計劃火燒1年后，土壤溫度、土壤銨態(tài)氮含量以及土壤水分含量在火燒跡地和對照樣地之間有顯著差異，但土壤CH4通量沒有明顯差異（Castaldi et al.，2005）。

本實驗中林火干擾使土壤CH4吸收通量減小，尤其是火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年土壤CH4吸收通量較對照下降了51.0%。這可能是因為火燒后土壤濕度減小，在土壤濕度很小的情況下，有氧土層變厚，厭氧土層變薄，從而使土壤CH4吸收通量減少。這一結(jié)論與現(xiàn)有的研究基本一致。土壤水位下降，土壤CH4變?yōu)槿跷?，?dāng)水位低于一定的臨近值時，森林土壤由源轉(zhuǎn)為大氣甲烷的匯（Jauhiainen et al.，2005）。在野外測得的土壤濕度數(shù)據(jù)表明， 2006年和2014年火災(zāi)跡地土壤濕度顯著低于各自的對照土壤（P＜0.05），這與火燒發(fā)生當(dāng)年和8年后土壤CH4吸收通量顯著低于其對照的結(jié)論是一致的。隨林火干擾后時間序列的延長，火燒跡地與其對照土壤的濕度差異逐漸降低，土壤CH4吸收通量隨之升高。另外通過溫室氣體通量和土壤性質(zhì)的灰色關(guān)聯(lián)分析表明，CH4通量與土壤有機(jī)質(zhì)含量關(guān)聯(lián)度最大，而有機(jī)質(zhì)在發(fā)生火災(zāi)后，尤其是火災(zāi)當(dāng)年土壤有機(jī)質(zhì)較對照降低了63.8%，土壤中甲烷氧化菌可能由于代謝底物的相對缺乏而呈現(xiàn)較低的數(shù)量或者活性。

3.2.2林火干擾對土壤CO2通量的影響

地-氣 CO2通量的大小取決于很多因素。植物根系呼吸、土壤微生物代謝、土壤動物的呼吸以及地表枯枝落葉分解過程中都會釋放CO2。土壤CO2氣體通量與土壤中有機(jī)質(zhì)含量、轉(zhuǎn)化速率、微生物活性等有很大關(guān)系。影響土壤CO2排放通量的因子包括土壤溫度和土壤濕度、土壤微生物的數(shù)量、活性以及植物根系?；馃龑@些因子都有一定的影響。李志龍（2012）對大興安嶺凍土區(qū)的研究結(jié)果表明，2003年與2008年火干擾下土壤CO2排放通量分別較對照增加了36.7%和29.7%。同上述結(jié)論，本試驗中火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年土壤CO2排放通量顯著高于其對照樣地?；馃蟮乇碇脖淮蟛糠炙劳?，火燒跡地所接收的太陽輻射增加，土壤溫度升高；同時火燒加速生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分的循環(huán)速率，增加了土壤養(yǎng)分，這些都可能是火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年土壤CO2通量增加的原因。

本試驗中在土壤CO2通量與土壤有機(jī)質(zhì)的灰色關(guān)聯(lián)度最高達(dá)到0.86，進(jìn)一步證明上述結(jié)論。同時，火燒跡地死亡根系的分解增加以及土壤微生物種群數(shù)量及活性的變化也可能是導(dǎo)致火后土壤CO2通量增加的原因?；馃E地微生物數(shù)量也有明顯的增加，其中土壤細(xì)菌、真菌、放線菌的數(shù)量分別平均增加了96.2，117.2，105.6萬株·g-1（范雪松等，2014）。Anderson et al.（2004）研究發(fā)現(xiàn)，火燒90 d后，火燒跡地土壤微生物量碳比未火燒區(qū)域要高，而其他一些在熱帶草原和高草大草原的研究報道同樣指出在火后土壤微生物量呈增長趨勢（Gareia et al.，1994），這可能是由于林火干擾通過改變土壤的理化性質(zhì)，間接改變了微生物的種類和數(shù)量，如火燒后土壤的 pH值增加使某些細(xì)菌種群數(shù)量增加（Fierer et al.，2006）。

3.2.3林火干擾對土壤N2O通量的影響

土壤N2O的生成是一個復(fù)雜的過程，包括土壤硝化和反硝化作用，當(dāng) O2充足時，土壤微生物的硝化作用就會產(chǎn)生 N2O，而當(dāng)O2不足或厭氧條件時，土壤微生物則進(jìn)行反硝化作用從而產(chǎn)生 N2O （Praton et al.，1996）。土壤中氮元素的總量影響著土壤N2O排放通量。一些研究認(rèn)為，土壤中有效碳含量與反硝化作用有密切關(guān)系，但與土壤中總碳量無關(guān)（李世朋等，2003）。

目前就林火發(fā)生對土壤N2O通量的影響研究，結(jié)論不一。Kim et al.（2011）研究發(fā)現(xiàn)，森林火災(zāi)之后，土壤的NH4+-N濃度升高，NO3--N沒有差異，土壤N2O排放降低，認(rèn)為可能是森林大火產(chǎn)生的生物質(zhì)炭促進(jìn)了土壤中NH4+-N和NO3--N的固定，或是干擾了土壤硝化作用的進(jìn)行，從而降低了N2O的排放。同樣美國阿拉斯加北方森林在計劃火燒發(fā)生1年后，土壤N2O通量與對照相比降低了50%（Kim et al.，2003）?；馂?zāi)提高了土壤中的 NH4+-N 和NO3--N的濃度，降低了土壤N2O的釋放（Mataix-Solera et al.，2004）。

本研究中2014年發(fā)生火災(zāi)樣地土壤N2O排放通量較對照增加了69.2%，與李志龍（2012）的火燒跡地表現(xiàn)為N2O排放加強(qiáng)的結(jié)論類似。在土壤溫度和濕度適宜的情況下，硝化和反硝化作用同時進(jìn)行，這樣會使土壤N2O排放顯著。火燒后使大量的枯落物和地表植物轉(zhuǎn)化為無機(jī)物，為土壤輸入充足的氮元素，氮元素的輸入使硝化作用和反硝化作用的底物增加，同時火燒使土壤溫度升高，微生物活性增強(qiáng)，可能會促進(jìn)土壤N2O的釋放。

4　結(jié)論

（1）林火干擾后土壤pH值升高，火燒發(fā)生0、8、19和28年后，土壤pH分別較對照增加了7.7%、2.0%、3.4%和 4.0%?；馃龑ν寥烙袡C(jī)質(zhì)含量有一定的影響，火燒發(fā)生 0、8、19年后分別較對照減少了63.8%、26.6%、35.3%，但隨著時間序列的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量與其對照差異逐漸縮小。火燒對土壤全氮和土壤速效氮均有短期的影響，火燒發(fā)生0、8年后土壤全氮含量分別較對照減少53.2%、19.7%，速效氮含量分別減少28.1%和9.5%，隨時間序列的延長，差異逐漸變小。

（2）火災(zāi)降低了森林土壤吸收CH4的能力，隨火后演替時間的延長，火災(zāi)跡地與對照之間土壤吸收CH4的差異逐漸縮小，火災(zāi)在發(fā)生0、8、19、28年后，土壤 CH4平均吸收通量分別較對照下降了51.0%、45.0%、7.1%和4.6%，其中0年和8年后火燒樣地與其對照樣地之間達(dá)顯著性差異。

（3）不同時間序列發(fā)生的火災(zāi)對土壤CO2排放通量的影響結(jié)果不一?；馂?zāi)發(fā)生當(dāng)年土壤CO2的排放顯著增加，排放通量達(dá)到5.7 mg·m-2·h-1，較對照相比增加了64.5%?；馂?zāi)發(fā)生8年和28年后，土壤CO2排放通量與對照無顯著差異，火災(zāi)發(fā)生19年土壤CO2排放通量卻顯著低于對照。

（4）火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年土壤N2O的排放顯著增加，達(dá)到最高，為 139.3 μg·m-2·h-1，較對照增加了69.2%。?；馂?zāi)發(fā)生8年和19年后，土壤CO2排放通量與對照無顯著差異，火災(zāi)發(fā)生28年土壤CO2排放通量較對照下降了37.9%。

（5）灰色關(guān)聯(lián)分析得出，土壤N2O氣體通量與土壤全氮關(guān)聯(lián)度最高，為0.76。

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Effects of Forest Fire Disturbance in Different Time Series on Soil Properties and Greenhouse Gas Flux in Larix gmelinii Forest of Cold-temperate Zone

MA Xiuzhi1*， FAN Xuesong2， SHU Changlu1， LI Changsheng3
1. College of Ecology and Environmental Science， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot 010019， China；2. College of Forestry， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot 010019， China；3. Meteorological Administration of Tongliao city， Inner Mongolia 028000， China

Fire is one of the most important disturbance factors in forest ecosystem. Four different areas with different disturbances series in Larix gmelinii forest were selected to determine the effects of forest fire on soil properties and greenhouse gas flux. The results showed that: Soil pH had increased 7.7%， 2.0%， 3.4% and 4.0%， soil organic matter had decreased 63.8%， 26.6%， 35.3% and 11.3%， soil total nitrogen content had decreased 53.2%， 19.7%， 21.7% and 16.2% after 0， 8， 19 and 28 years respectively when compared with their corresponding control. Soil available nitrogen content had decreased 28.1% and 9.5% after 0 and 8 years respectively， but increased 16% after 19 years when compared with their corresponding control， and there was no significant difference among the burned area and control when forest fire occurred 28 years later. CH4absorbing flux had decreased significantly after fire， especially in the fire occurred year， this effect had disappeared 28 years later after fire occurred. CH4absorbing flux decreased 51.0%， 45.0%， 7.1% after 0， 8 and 19 years respectively. CO2flux had increased 64.5% after fire occurred when compared with the control， but no obvious uniformly results was found in other three different time series fire disturbance. Soil N2O emission flux had increased 64.5% after fire occurred year when compared with the control. Soil N2O emission had decreased 5.6%， 14.6% and 37.9% after fire occurred after 8， 19 and 28 years respectively. After analyzed grey correlation among soil properties and greenhouse gas flux， soil organic matter content had the highest correlation degree with CH4flux and CO2flux， N2O flux had the highest correlation degree soil total nitrogen. In conclusion， forest fire in Larix gmelinii areas decreased soil methane absorbing and increased soil CO2and N2O emission obviously in the very year fire occurred， but this effect had been decreased and even disappeared with the succession of vegetation and soil after fire.

fire disturbance； Larix gmelinii； CH4； CO2； N2O； soil organic matter； soil total N； soil available N

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.06.005

Q948； X171.1

A

1674-5906（2016）06-0939-08

由國家自然科學(xué)基金項目（31160117；31260119）；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項目（2014MS0319）

馬秀枝（1974年生），女，教授，主要從事全球變化生態(tài)學(xué)。Email: luckmxy@imau.edu.cn

2016-03-30