中度火干擾對喀納斯泰加林土壤理化性質(zhì)的影響

王衛(wèi)霞,劉曉菊,劉 景,楊玉萍,崔 倩

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院/新疆教育廳干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830052)

【研究意義】火干擾在很大程度上影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[1-2]，全世界范圍內(nèi)每年約有1 %的森林遭受火干擾的影響[3]，自然火干擾作為北方泰加林演替的主要動力，會造成森林土壤孔隙度、土壤有機質(zhì)、土壤養(yǎng)分、土壤pH值等土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化。林火干擾形成的大量高溫灰分進(jìn)入土壤孔隙中，使得土壤孔隙中的氮元素被氣化，土壤中養(yǎng)分平衡被打破，土壤表層植被和土壤內(nèi)生物數(shù)量進(jìn)而受到影響[4]。也正因如此，林火干擾的發(fā)生使得小范圍內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)的格局與過程發(fā)生改變[5]，將對森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生短期與長期的影響[6-9]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來，我國的森林火災(zāi)頻繁發(fā)生，尤其是我國森林資源豐富的東北林區(qū)和西南林區(qū)，火干擾頻繁發(fā)生對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)造成了極大的影響。隨著全球氣候變暖，森林火災(zāi)現(xiàn)象還將不斷發(fā)生[10-12]。政府部門逐漸重視火干擾對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響，并且對火干擾造成的土壤理化性質(zhì)及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性變化做了大量研究[13-15]，取得了不小的成果。但其研究多集中在我國東北林區(qū)，對新疆喀納斯泰加林受火干擾后土壤理化性質(zhì)的影響研究較少?！颈狙芯壳腥朦c】喀納斯國家自然保護(hù)區(qū)位于阿勒泰山區(qū)，是我國西西伯利亞山地南泰加林生態(tài)系統(tǒng)的代表，具有獨特的地理條件，地形地勢起伏不定落差較大，地質(zhì)歷史漫長。在其高度異質(zhì)的生境下孕育著眾多的原始森林群落，其龐大的生態(tài)系統(tǒng)，有著豐富的種質(zhì)資源，保存有完整的植被垂直帶譜。因此，研究火干擾對新疆喀納斯泰加林生態(tài)系統(tǒng)的影響具有重大意義?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本論文主要研究探討中度火干擾后不同恢復(fù)時間對喀納斯泰加林土壤理化性質(zhì)的影響，旨在為喀納斯泰加林受火干擾后生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究野外調(diào)查研究區(qū)位于我國新疆維吾爾自治區(qū)阿勒泰地區(qū)喀納斯自然保護(hù)區(qū)實驗區(qū)最南端(86°53′～87°54′E，48°28′～49°11′N)[16]。氣候?qū)儆诤疁貛Т箨懶詺夂?，且具明顯的山地氣候特點，冬季寒冷而不劇，夏季溫?zé)岫虝?。本次研究的火干擾林分均位于喀納斯自然保護(hù)區(qū)海拔1900 m以下。研究區(qū)內(nèi)森林群落的主要建群種為西伯利亞云杉(PiceaobovataLdb.)、西伯利亞落葉松(LarixsibiricaLdb.)和西伯利亞紅松(Pinussibirica(Loud.) Mayr.)，伴生有西伯利亞冷杉 (AbiessibiricaLdb.)、疣枝樺(BetulapendulaRoth.)等。林下草本層主要植物種類由兔兒草(LagotisglaucaGaertn.)、林奈草(LinnaeaborealisL.)、西伯利亞披堿草(ElymussibiricusL.)、林地早熟禾(PoapratensisL.)、草地早熟禾(PoapratensisL.)等植物組成。

2 研究方法

2.1 樣地的布設(shè)與土壤樣品的采集

2016年6-8月，采用典型樣方法在喀納斯自然保護(hù)區(qū)未受人為干擾的原始林中設(shè)置火干擾樣方進(jìn)行調(diào)查。依據(jù)林木火疤年齡分析和林木火疤的外在屬性(火疤寬度、火疤高度及火疤深度)及耐火樹種的殘留比例，選擇新疆喀納斯中度火干擾烈度下不同火燒時間的泰加林火燒跡地，對照樣地采用臨近未發(fā)生過火干擾的樣地，但考慮到喀納斯地區(qū)并未有真正未火燒的樣地，因此本研究中以距離調(diào)查時火燒時間最長的樣地作為未火燒的對照樣地。通過調(diào)查，選擇海拔、坡度、坡向等立地條件基本一致的1938、1972、1985和1991年4個年份的火燒跡地作為研究區(qū)域，其中以1938a的火燒跡地作為未火燒的對照樣地。在每個火燒跡地及對照區(qū)域設(shè)置1個20 m×20 m的臨時樣地，樣地均是以西伯利亞落葉松為主的天然林。在每個樣地內(nèi)設(shè)置3個隨機采樣點，挖土壤剖面，按照0～10、10～25 cm分層進(jìn)行土壤樣品采集，樣地基本情況見表1。

2.2 土壤物理性質(zhì)測定

采用烘干法測定土壤的含水量，環(huán)刀法測定土壤容重、土壤總孔隙度P依據(jù)土壤容重D與土壤比重d計算得出，其計算公式為：

P= ( 1-D/d)×100 %

2.3 土壤化學(xué)性質(zhì)測定

土壤有機碳的測定采用重鉻酸鉀-水合加熱法，土壤全氮的測定采用凱氏定氮法，土壤全磷的測定采用鉬銻抗比色法，土壤全鉀的測定采用酸溶-火焰光度法[17]，pH值采用電極法測定。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用空間代替時間的方法，以距離調(diào)查時火燒時間最長的樣地作為未火燒的對照樣地，分析各火燒跡地的土壤理化性質(zhì)隨火后時間的變化。所有數(shù)據(jù)采用SPSS 16. 0統(tǒng)計軟件進(jìn)行處理分析，并運用Sigmaplot 10.0制圖軟件進(jìn)行制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 火干擾對土壤物理性質(zhì)的影響

由圖1～2可知，中度火干擾對土壤孔隙度的影響表現(xiàn)為火燒后土壤孔隙度隨著時間均不同程度地降低，火燒后44年(火燒發(fā)生后距調(diào)查當(dāng)年的時間為44年) 的土壤孔隙度顯著低于火燒前水平。

表1 樣地信息

中度火干擾對土壤容重的影響表現(xiàn)為使土壤容重逐漸增加，火燒后44年的土壤容重顯著高于火燒前水平。火燒后的25、31和44年的0～10 cm土層的土壤容重分別比火燒前增加了30.23 %、27.91 %和38.37 %，10～25 cm土層的土壤容重分別比火燒前增加了4.71 %、29.41 %和32.94 %。土壤有機碳被火燒后對土壤孔隙度造成不利影響，使得土壤孔隙度降低，土壤板結(jié)加重，進(jìn)而導(dǎo)致土壤容重增加。

3.2 火干擾對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

3.2.1 火干擾對土壤有機碳及pH值的影響 由表2可知，中度火干擾下火燒后不同恢復(fù)時間對0～10 cm的土壤有機碳的影響，隨著火后時間的推移土壤有機碳的含量總體上呈不斷增加的趨勢，其中火燒后25、31年土壤有機碳含量均小于對照土壤，而火燒后達(dá)到44年時，土壤有機碳含量顯著高于對照土壤。中度火干擾對10～25 cm土層土壤有機碳的影響表現(xiàn)為火燒后31年土壤有機碳含量高于對照土壤，但差異并不顯著。

喀納斯泰加林林區(qū)土壤為偏酸性土壤，火燒后土壤pH變化差異較顯著，由表2可知，火燒后31、44年的0～10 cm土層的土壤pH值均基本恢復(fù)到火燒前水平。

3.2.2 火干擾對土壤全氮、全磷和全鉀的影響 中度火干擾對土壤全氮的影響表現(xiàn)為隨著火后時間的恢復(fù)土壤全氮含量呈逐漸增加的變化趨勢，火燒后31a逐漸恢復(fù)到火燒前水平，火燒后達(dá)到44年時土壤全氮含量顯著高于對照土壤。

在酸性土壤中磷元素含量很大程度上限制著木本植物的生長。由表2可知，火燒后25、31年的0～10 cm土層中土壤全磷含量均低于對照土壤，火燒后達(dá)到44年時土壤全磷含量才高于對照土壤，但仍未達(dá)到顯著水平。0～10 cm土層土壤全磷含量的變化趨勢總體表現(xiàn)為隨火燒后時間的增加成上升趨勢。10～25 cm土層全磷含量也表現(xiàn)為隨火燒后時間的增加總體上呈上升趨勢，但均未恢復(fù)到火燒前水平。

數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，圖中同一土層字母相同表示不同恢復(fù)年限之間差異不顯著，字母不同表示不同恢復(fù)年限之間差異顯著(P<0.05)，下同Data are means and standard error. Different letters indicate significant differences (P<0.05) among different recovery years in the same soil depth, the same as below 圖1 火后土壤孔隙度的變化Fig.1 Change of soil porosity after being burned

中度火干擾下火燒后不同恢復(fù)時間對土壤全鉀的影響表現(xiàn)為隨著火后時間的推移土壤全鉀的含量總體上呈不斷增加的趨勢，其中火燒后31、44年土壤全鉀含量均大于對照土壤，但只有火燒后達(dá)到44年時，土壤全鉀含量顯著高于對照土壤。

4 討 論

火干擾對森林生態(tài)系統(tǒng)的作用范圍廣，影響復(fù)雜，不僅可以減少地上部分的生物量，還在很大程度上影響土壤理化性質(zhì)、微生物的降解及植物根系的生長[18]。中度火干擾使土壤孔隙度降低，土壤容重增加。呈現(xiàn)這一規(guī)律的原因，其一是林火帶來的大量灰分填充到了土壤孔隙之間，使其更加緊實；其二是林火發(fā)生后短時間內(nèi)地表沒有了植被的遮擋造成裸露現(xiàn)象，后經(jīng)降水沖刷，土壤板結(jié)現(xiàn)象發(fā)生嚴(yán)重，增大了土壤緊實度[19]，但隨著時間的推移，地表植被逐漸恢復(fù)更新，土壤動物、微生物的活動增加，土壤結(jié)構(gòu)也因此逐漸恢復(fù)。

林火通過打破大氣、植被、地表凋落物和土壤之間原有的水熱平衡來改變土壤的化學(xué)特性。植物殘體，如莖、葉、花等都是土壤有機質(zhì)的主要來源，這些植物殘體在土壤動物、微生物的作用下逐漸轉(zhuǎn)化為營養(yǎng)元素，與土壤礦物質(zhì)一同促進(jìn)林木生長發(fā)育[20]。在本研究中的0～10 cm土層，火燒后25、31年土壤有機碳含量均小于對照土壤?？赡苁且驗榇罅吭兄脖坏臒龤?，這些植被中存儲的大量有機碳被釋放出來，裸露在地表上，后經(jīng)降雨及地表徑流帶走[5]。而火燒后達(dá)到44年時土壤有機碳含量顯著大于對照土壤，可能是森林生態(tài)系統(tǒng)的逐漸恢復(fù)，植物的枯枝落葉又逐漸增多，再經(jīng)過土壤動物、微生物的作用逐漸補充土壤中有機碳的含量甚至超過了原有水平。中度火干擾使得10～25 cm的土壤有機碳隨火后年限的增長不斷增加，并逐漸恢復(fù)至火燒前水平。這是因為地上植被的逐漸恢復(fù)，土壤下層的抗水層逐漸消失，植物的地下根系不斷蔓延，進(jìn)而使得土壤下層的有機質(zhì)逐漸增加[21]。

圖2 火后土壤容重的變化Fig.2 Change of soil bulk density after being burned

指標(biāo)Index土壤深度(cm)Soil depth年限(年)Years25年31年44年對照有機碳(g/kg)Soil organic carbon0～1013.11±0.14a19.85±2.64b34.46±0.94c25.75±0.23d10～259.07±0.66a16.38±2.17b16.04±0.45b14.16±0.57b全氮(g/kg)Total nitrogen 0～101.01±0.034a1.25±0.027b2.62±0.024c1.17±0.009b10～250.83±0.018a0.82±0.019a1.02±0.024b0.56±0.003c全磷(mg/kg)Total phosphorus0～100.56±0.029a0.70±0.078a1.40±0.127b1.02±0.368ab10～250.70±0.056a0.69±0.138a0.85±0.103a1.42±0.232b全鉀(mg/kg)Total potassium 0～1014.44±0.342a28.10±1.145b49.83±1.072c27.78±0.497b10～2512.34±0.691a19.21±1.284b45.39±2.90c17.02±1.511abpH0～106.83±0.022a6.28±0.010bc6.30±0.015b6.22±0.025c10～256.67±0.012a5.85±0.012b6.44±0.008c6.22±0.035d

注：數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，同行字母相同表示不同恢復(fù)年限之間差異不顯著，同行字母不同表示不同恢復(fù)年限之間差異顯著 (P<0.05)。

Note：Data are means and standard error. Different letters indicate significant differences (P<0.05) among different recovery years in the same line.

土壤有機質(zhì)是土壤氮元素的重要來源，因此，絕大部分氮素的損失與土壤有機物質(zhì)的消耗有著直接關(guān)系。本研究結(jié)果表明，不同土層土壤全氮均有一定提升，原因可能是火干擾造成了大量的未完全燃燒的可燃物質(zhì)進(jìn)入土壤，在土壤動物、微生物的長期作用下，火燒殘余物逐漸轉(zhuǎn)化成土壤全氮。而相同火燒強度不同恢復(fù)時間0～10 cm的土壤全氮均高于10～25 cm土壤全氮，這是由于表層土壤的植物殘體較深層土壤多的緣故。

土壤中鉀元素主要以硅酸鹽礦物質(zhì)的形態(tài)存在于土壤中，如果不進(jìn)一步分解轉(zhuǎn)化，植物體很難吸收與利用。火燒后產(chǎn)生的大量灰分進(jìn)入土壤中可補充土壤部分鉀素，同時因火燒帶來的增溫，破壞了含鉀礦物質(zhì)，使部分非活性態(tài)的鉀元素轉(zhuǎn)化成活性態(tài)的鉀元素，提高了鉀的有效性，使得有效態(tài)鉀的含量增加[22]。此次的研究結(jié)果也表明，中度火干擾下明顯增加了土壤全鉀的含量。

5 結(jié) 論

(1) 本研究中，中度火干擾下火燒后25、31和44年土壤孔隙度均低于對照土壤，土壤容重均高于對照土壤。

(2) 土壤有機碳、全鉀、全氮含量則表現(xiàn)為在中度火干擾下隨著火后時間的恢復(fù)呈逐漸增加趨勢?？傮w而言，表層0～10 cm土壤容易受到外界環(huán)境的影響，因此火干擾對其造成的影響是顯著的。