森林火災對煙臺蓁山次生林土壤性質的影響

劉瑞斌，李莉陳鵬東咸旭陽趙雪侯玉平*

1. 魯東大學生命科學學院，山東 煙臺 264025；2. 上海辰山植物園//中國科學院上海辰山植物科學研究中心，上海 201602

森林火災對煙臺蓁山次生林土壤性質的影響

劉瑞斌1，2，李莉1，陳鵬東1，咸旭陽1，趙雪1，侯玉平1*

1. 魯東大學生命科學學院，山東 煙臺 264025；2. 上海辰山植物園//中國科學院上海辰山植物科學研究中心，上海 201602

林火是北方森林生態(tài)系統(tǒng)最主要的自然干擾因子之一，可在短時間內使森林土壤的各種性質發(fā)生劇烈變化，并影響后續(xù)恢復進程。煙臺蓁山屬山東半島北部黃海沿岸丘陵，該區(qū)域春季干燥、風大、人為活動多，致使火災頻發(fā)，造成較大生態(tài)和經濟損失。以暖溫帶蓁山次生林為研究對象，選擇不同類型火燒跡地及其對照（陰坡火燒區(qū)、陰坡非火燒區(qū)、陽坡火燒區(qū)和陽坡非火燒區(qū)），采集土壤樣品，研究火災2 a后土壤性質的變化，了解火災對土壤理化性質、土壤微生物數量、酶活性變化及土壤氮素循環(huán)等的影響，以期為該區(qū)域森林火災后生態(tài)系統(tǒng)的恢復和管理等提供理論依據。研究結果表明：（1）林火改變了土壤理化性質，火燒后土壤含水量下降，pH值無明顯改變，土壤全碳含量呈降低趨勢，全氮含量顯著下降；（2）火燒后微生物量C含量顯著增加，微生物量N變化不明顯，細菌數量下降，特別是細菌含量豐富的陰坡，其細菌數量下降明顯，而真菌和放線菌數量下降不顯著；（3）火燒降低了土壤磷酸酶和過氧化氫酶活性，對脲酶活性的影響不明顯；（4）陰坡火燒區(qū)土壤氮素的礦化和硝化速率較對照顯著降低，陽坡火燒區(qū)土壤氮素的礦化和硝化速率較對照有所降低，但不存在顯著差異。火災改變了土壤各種性質，短期內引起地力衰退，影響林地微環(huán)境，對生態(tài)系統(tǒng)恢復產生重要影響。

森林火災；土壤微生物；酶活性；土壤礦化；生態(tài)恢復

LIU Ruibin， LI Li， CHEN Pengdong， XIAN Xuyang， ZHAO Xue， HOU Yuping. Effects of forest fire on soil properties of secondary forests on Zhenshan mountain in Yantai， Shandong province ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（8）: 1300-1305.

森林火災，是指失去人為控制，在林地內自由蔓延和擴展，對森林、森林生態(tài)系統(tǒng)和人類帶來一定危害和損失的林火行為。林火是北方森林最主要的自然干擾因子（韓春蘭等，2015）。林火突發(fā)性強、破壞性大、處置救助較為困難，全球平均每年大約有1%的森林遭受火災的影響（Fraser et al.，2002）。自20世紀90年代以來，林火有上升的趨勢，如1987年中國的大興安嶺特大火災、1989年美國黃石公園森林火災、1997—1998年印度尼西亞火災。由于林火造成的危害嚴重，當今世界許多國家都較重視對林火的研究（肖化順等，2012）。

林火對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響不僅表現在森林物種組成、群落結構、功能的動態(tài)變化，也會導致土壤性質發(fā)生改變（韓春蘭等，2015）。土壤是生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的重要組成部分，它為植物生長提供各種養(yǎng)分和支持。火燒以后，土壤的各種性質會發(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，土壤性質也可因植被和生物活性的改變而發(fā)生相應的變化（姜勇等，2004）。中國有關林火對生態(tài)系統(tǒng)的影響的研究以東北地區(qū)為多（Chang et al.，2007；孫明學，2011；孫龍等，2011），近年來對南方馬尾松林的關注有所增加（薛立等，2011；趙志霞等，2016），多集中于土壤理化性質方面。相比之下，中國暖溫帶林區(qū)因季節(jié)性干旱和人為干擾等因素，火災頻發(fā)，而目前火災對暖溫帶土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響研究還較少。本文以山東煙臺蓁山次生林為研究對象，選擇不同類型火燒跡地及其對照（陰坡火燒區(qū)、陰坡非火燒區(qū)、陽坡火燒區(qū)和陽坡非火燒區(qū)），采集土壤樣品，研究火災2 a后土壤性質的變化，了解火災對土壤理化性質、土壤微生物數量、酶活性變化及土壤氮素循環(huán)等的影響，以期為暖溫帶林區(qū)火災后生態(tài)系統(tǒng)的恢復和管理等提供理論依據。

1　材料與方法

1.1研究地區(qū)概況

煙臺蓁山屬山東半島北部黃海沿岸丘陵，氣候類型為暖溫帶季風型大陸性氣候，年均降水量為740.3 mm，年均氣溫12 ℃。土壤為棕壤，成土母質為花崗巖。本區(qū)域屬于暖溫帶落葉闊葉林區(qū)域，由于人類活動頻繁，原始植被早已無存，現以人工恢復的次生林為主，主要建群樹種有刺槐（Robinia pseudoacacia）、黑松（Pinus thunbergii）等。

由于該區(qū)域春季干燥、風大、人為活動多，火災頻發(fā)。2014年4月24日蓁山魯東大學西山段發(fā)生過森林火災。山火過后所有凋落物和地表植被燒為灰燼，樹木損毀。至2016年春季，火災地區(qū)的植被恢復狀況為：地表草本植物恢復較好，木本植物恢復極少，土層表面仍覆蓋有較厚的火燒灰燼。

1.2樣地選取與樣品采集

2016年3月30日，在蓁山魯東大學西山段（37°30'8219"N～37°31'9354"N，121°20'3242"E～121°21'1969"E）選取不同類型火燒跡地及其對照（陰坡火燒區(qū)、陰坡非火燒區(qū)、陽坡火燒區(qū)和陽坡非火燒區(qū)）等4種樣地作為研究對象，樣地間隔100 m以上，每個樣地面積為150 m2。同坡向樣地的坡度、海拔、土壤條件等生境特征較為一致（表1）。在各類型樣地0～20 cm土層取環(huán)刀后帶回實驗室，進行土壤田間持水量測定；鋁盒取土，進行土壤含水量的測定，每個類型樣地6個重復。同時每種樣地隨機取30個采樣點，取0～20 cm表層土壤，每5個采樣點土壤混合成1個土樣。去除根系、石子等雜物，將土壤分為兩部分，第一部分約100 g，立即置于4 ℃冰箱中保存，用于土壤微生物分析和土壤礦化與硝化實驗；第二部分過2 mm篩，約500 g，自然風干，室溫下保存，用于土壤化學性質和土壤酶活性測定。

1.3測定指標及方法

1.3.1土壤理化性質的測定

土壤含水量采用常規(guī)的烘干稱重法，田間持水量采用環(huán)刀法測定；土壤pH值用電極法測定，土壤懸濁液為水土比1∶2.5（質量比）；土壤全碳和全氮采用元素分析儀（Vario MACRO cube，Elmentar）測定。

1.3.2土壤微生物分析

土樣微生物量C、量N采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法。土壤微生物群落組成采用平板涂抹法（沈萍等，2002）測定，細菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基，放線菌采用改良的高氏1號培養(yǎng)基。

1.3.3土壤酶測定方法

采用比色法測定土壤脲酶、酸性磷酸酶活性（關松蔭，1986）；采用紫外分光光度法測定過氧化氫酶活性（楊蘭芳等，2011）。

1.3.4土壤礦化與硝化

土壤礦化與硝化采用室內培養(yǎng)法測定。稱取10 g新鮮土樣，放入25 mL試管中，加水至田間持水量的65%，用透氣膜封口，在28 ℃條件下培養(yǎng)，培養(yǎng)過程中用稱重法保持土壤水分含量一致，培養(yǎng)28 d后，測定土壤NH4+和NO3-含量，同時測定培養(yǎng)后土壤水分含量。土壤銨態(tài)氮采用靛酚藍比色法測定，硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法測定。

土壤凈礦化速率=培養(yǎng)后（NH4++NO3-）總量-培養(yǎng)前（NH4++NO3-）總量

土壤凈硝化速率=培養(yǎng)后（NO3-）總量-培養(yǎng)前（NO3-）總量

1.4數據處理

采用統(tǒng)計軟件SPSS 19.0進行單因素方差分析（one-way ANOVA），采用SNK法進行多重比較，檢驗各土壤類型對土壤理化性質、微生物性質、土壤酶活性、土壤礦化與硝化速率的影響。采用SigmaPlot 10.0制圖。

表1　試驗樣地基本概況Table 1　Basic condition of experimental sample plot

2　結果

2.1火燒對土壤理化性質的影響

火燒對土壤理化性質的影響見圖1?；馃箨幤潞匡@著下降，陽坡變化不明顯。無論陰坡還是陽坡，火燒后的土壤pH值均有升高趨勢，但與對照相比不存在顯著差異?；馃笕己烤薪档挖厔?，其中陽坡全碳顯著降低，幅度達58.6%?；馃笕匡@著下降，陰坡下降幅度達47.5%，陽坡下降幅度達49%。

2.2火燒對土壤微生物性質的影響

火燒影響了土壤微生物量C、微生物量N含量以及微生物群落結構（表2）?；馃@著提高了陰坡與陽坡的微生物量C含量，分別較對照組提高了83.6%和32.1%。陰坡非火燒區(qū)微生物量N含量最高，顯著高于陽坡非火燒區(qū)，但火燒并未對陰坡和陽坡的微生物量N含量造成顯著影響?；馃蠹毦烤式档挖厔?，其中陰坡顯著降低，幅度達27.6%?；馃蠓啪€菌和真菌含量均有降低趨勢，但與對照相比均未達到顯著差異水平。

圖1　火燒對土壤理化性質的影響Fig. 1　Effects of fire on soil physical and chemical properties

表2　火燒對土壤微生物的影響Table 2　Effects of fire on soil microbes

表3　火燒對土壤酶活性的影響Table 3　Effects of fire on soil enzyme activities　mg·g-1

2.3火燒對土壤酶活性的影響

火燒對土壤酶活性產生了不同程度的影響：火燒對脲酶活性的影響不明顯，對磷酸酶和過氧化氫酶均有影響，其中磷酸酶受影響的程度最大（表3）?；馃@著降低了陽坡與陰坡的磷酸酶活性，較對照組分別降低了75.5%和62.9%；陽坡火燒區(qū)的過氧化氫酶活性較對照組降低了78.1%，陰坡則無顯著差異。

2.4火燒對土壤礦化、硝化速率的影響

與陰坡非火燒區(qū)相比，火燒顯著降低了土壤凈礦化速率和凈硝化速率，降幅分別達到70.4%和80.2%；而火燒對陽坡土壤凈礦化速率和凈硝化速率的影響不明顯（圖2，圖3）。

圖2　火燒對土壤凈礦化速率的影響Fig. 2　Effects of fire on soil net mineralization rate

圖3　火燒對土壤凈硝化速率的影響Fig. 3　Effects of fire on soil net nitrification rate

3　討論

3.1火燒對土壤理化性質的影響

本研究中，火燒后陰坡含水量顯著下降，陽坡變化不明顯。這可能是由于陰坡火燒情況更為嚴重，火燒引起的有機質損失破壞了土壤團聚體結構，土壤空隙被礦物粘粒所堵塞（Carter et al.，2004），致使土壤持水能力下降；另一方面，地表枯落物減少，植被恢復慢，特別是喬木層需要較長的時間恢復，地表缺乏覆蓋，土壤對雨水的有效截留減弱。

大量研究表明火燒后土壤pH值有所增加，這種增加現象是由于土壤加熱后導致有機酸變性造成的（Certini，2005）。本試驗研究表明火燒后的土壤pH值有升高趨勢，但與對照不存在顯著差異。

測定火燒后土壤有機碳含量是研究土壤、判斷土壤肥力狀況以及恢復情況的一項重要工作（李媛等，2013）。林火對土壤有機碳含量的影響具有很大的變異性，取決于火的類型（林冠火、地表火、地下火）和強度、土壤類型以及地形坡度等（崔曉陽等，2012）。薛立等（2011）對火災4年后馬尾松林的研究表明：在火燒之后一段時間內，土壤表層的碳含量減少；而Johnson et al.（2001）對48個森林火燒之后的土壤有機碳進行統(tǒng)計分析，發(fā)現火災10年后森林土壤碳含量增加。本研究基于火燒2年后的調查，結果顯示火燒后土壤全碳含量呈降低趨勢。推測可能是由于火燒引起枯落物層的損失和地表徑流帶來的表層土壤流失，致使土壤有機質減少。

本研究中，火燒后土壤全氮含量顯著下降，其中陰坡下降幅度達47.5%，陽坡下降幅度達49%。有機質是土壤最主要的N源，而地表枯落物又是土壤有機質的重要來源。火燒引起的林地枯落物層損失，易致使林地總氮量減少（許鵬波等，2013）。在對北京西山地區(qū)的研究表明，在土壤有機質層，輕度火燒對土壤全氮量的影響不明顯，而中度火燒后的表層土壤全氮量顯著降低（耿玉清等，2007）。表層土壤全氮含量的顯著降低與本次火情較為嚴重的情況相一致。

3.2火燒對土壤微生物的影響

一方面，火災引起的高溫可以直接殺死土壤微生物（Wüthrich et al.，2002）；另一方面，微生物對外界的環(huán)境變化是極其敏感的?；馂母淖兞送寥栏鞣N理化性質及林地微環(huán)境（洪偉等，2010），干擾微生物群落的動態(tài)穩(wěn)定性，從而影響土壤微生物的活性及其生態(tài)功能（鄭瓊等，2012）。

土壤微生物量是土壤中易于利用的養(yǎng)分庫及有機物分解和礦化的動力，與土壤中的C、N、P、S等養(yǎng)分循環(huán)密切相關，其含量大小可反映土壤肥力的變化（De la Jimenez et al.，2002；牛紅榜等，2007）。本研究中，火燒后微生物量C顯著增加，推測可能原因是：火燒后大量的植物灰燼覆蓋于土壤表層，為微生物提供了大量碳源。研究發(fā)現火災后細菌數量顯著下降，特別是細菌含量原本豐富的陰坡；真菌和放線菌數量下降不顯著。這與薛立等（2011）對火災4年后馬尾松林的研究結果一致，說明細菌對火災較敏感。

3.3火燒對土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤中能催化土壤生化反應的一類蛋白質，在森林生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動過程中扮演著重要角色（Burns et al.，2001）。本研究中，火燒降低了磷酸酶和過氧化氫酶活性，對脲酶活性的影響不明顯。土壤微生物是土壤酶的主要來源，而土壤有機質和養(yǎng)分又是土壤微生物的C源和N源，且前者還是土壤中酶促底物的主要供源（許鵬波等，2013）。本研究中，火燒之后土壤微生物（特別是細菌）、土壤全碳和全氮含量均降低，這直接減少了土壤酶的來源，造成了土壤酶活性的降低。

土壤磷酸酶是一類催化土壤中有機磷化合物礦化的酶，其活性高低直接影響著土壤中有機磷的分解轉化及其生物有效性；過氧化氫酶可減弱過氧化氫對生物體的毒害。火燒導致兩種酶活性的降低將對火燒干擾后的土壤質量恢復產生重要影響。

3.4火燒對土壤礦化、硝化的影響

土壤中氮素的礦化和硝化過程在提供植物生長所必須營養(yǎng)元素方面扮演著重要的角色。土壤中的氮主要以有機氮的形式存在，有機氮通過礦化和硝化的作用可以轉化為無機氮供植物吸收、利用，因此礦化和硝化作用速率可以反映土壤中氮的有效率。本研究中，陰坡火燒區(qū)的礦化、硝化速率都顯著低于對照組。Maithani et al.（1998）研究發(fā)現，氮礦化作用與土壤濕度和細菌數量呈顯著正相關。本研究中，陰坡火燒后土壤含水量和細菌數量顯著下降，與氮礦化作用減弱相符。氮礦化過程中，重要的參與者氨化細菌和硝化細菌等經過高溫的灼燒，數量明顯下降，這可能是導致陰坡氮礦化作用減弱的主要原因。

4　結論

本研究對煙臺蓁山火災后2 a的土壤性質進行測定，結果表明：（1）火燒后土壤含水量下降，pH值無明顯改變，土壤全碳含量呈降低趨勢，全氮含量顯著下降；（2）火燒后微生物量C含量顯著增加，微生物量N變化不明顯，細菌數量下降，特別是細菌含量豐富的陰坡細菌數量下降明顯，而真菌和放線菌數量下降不顯著；（3）火燒降低了土壤磷酸酶和過氧化氫酶活性，對脲酶活性的影響不明顯；（4）陰坡火燒區(qū)土壤氮素的礦化和硝化速率較對照顯著降低，陽坡火燒區(qū)土壤氮素的礦化和硝化速率較對照組有所降低，但不存在顯著差異。火災改變了土壤各種性質，短期內引起地力衰退，影響林地微環(huán)境，將對火燒干擾后的生態(tài)系統(tǒng)恢復產生重要影響。

致謝：感謝魯東大學生命科學學院周敏和牛盛雯在實驗過程中給予的幫助！感謝魯東大學農學院王凱博士對英文摘要的潤色！

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Effects of Forest Fire on Soil Properties of Secondary Forests on Zhenshan Mountain in Yantai， Shandong Province

LIU Ruibin1，2， LI Li1， CHEN Pengdong1， XIAN Xuyang1， ZHAO Xue1， HOU Yuping1*
1. College of Life Sciences， Ludong University， Yantai 264025， China；2. Shanghai Chen Shan Botanical Garden//Science Research Center of Shanghai Chen Shan Botanical Garden， Chinese Academy of Science，Shanghai 201602， China

Increasing researches focusing on forest fires have been carried out according the ever-increasing global temperature and forest fires throughout the world. As a main natural disturbance factor of northern forest system， forest fires could have acute effects on soil properties within a short time， which in turn affects the ecological recovery process. Zhenshan Mountain lies in the coast of the Yellow Sea in northern Shandong Peninsula where forest fires frequently break out because of the frequent human activities and dry and windy weather in spring. The present study takes the secondary forest of Zhenshan mountain as research object. Soil samples were collected from unburned and burned area on both shady and sunny slopes. The effects of forest fires on physical and chemical properties， microbial community， enzymatic activity and nitrogen cycle of soil were assessed. And the results showed that （1） fire greatly changed the soil physical and chemical properties: it decreased the water content， total carbon and total nitrogen， while the pH of the soil varied slightly； （2） the soil microbial biomass carbon increased significantly， while the soil microbial biomass nitrogen were not； bacteria amount especially those in shady slope decreased significantly， while fungi and actinomyces amounts were not； （3）enzymatic activities of phosphatase and catalase but urease decreased； （4） compared with the control， mineralization and nitrification rate of the shady slope decreased significantly， while the counterpart of sunny slope varied slightly. Collectively， forest fires could change the soil properties， cause productivity decline in a short time and affect the microenvironment of the woodland， which will greatly affect the recovery process of the ecosystem.

forest fires； soil microbes； enzyme activity； soil mineralization； ecological restoration

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.08.007

S718.52； X171.1

A

1674-5906（2016）08-1300-06

國家自然科學基金青年項目（31300465）；山東省自然科學基金項目（ZR2012CQ020）；山東省高等學?？萍加媱濏椖浚↗13LE08）

劉瑞斌（1991年生），男，碩士研究生，專業(yè)方向為植物進化與分類。E-mail: 1126114164@qq.com

侯玉平（1981年生），女，副教授，博士，主要從事恢復生態(tài)學與入侵生態(tài)學方面的研究。E-mail: hou_yuping@163.com

2016-07-28

引用格式：劉瑞斌， 李莉， 陳鵬東， 咸旭陽， 趙雪， 侯玉平. 森林火災對煙臺蓁山次生林土壤性質的影響［J］. 生態(tài)環(huán)境學報，2016， 25（8）: 1300-1305.