不同火強度對河北平泉油松林土壤有機碳及土壤養(yǎng)分影響

李炳怡, 劉冠宏, 李偉克, 劉曉東

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不同火強度對河北平泉油松林土壤有機碳及土壤養(yǎng)分影響

李炳怡, 劉冠宏, 李偉克, 劉曉東*

北京林業(yè)大學森林資源生態(tài)系統(tǒng)過程北京市重點實驗室，北京 100083

選擇河北省平泉縣油松林火燒跡地為研究區(qū), 按照過火林地燃燒狀況, 劃分輕度火燒(L)、中度火燒(M)、重度火燒(H)3個強度的林地作為研究樣地, 選擇相鄰未過火林地(CK)作為對照樣地。以0—10 cm, 10—20 cm, 20—30 cm的順序采集土壤樣品。樣品用于分析不同火燒影響下土壤有機碳(SOC)、土壤養(yǎng)分中銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)、全氮(TN)、全鉀(TK)、全磷(TP)、速效氮(AN)、速效鉀(AK)、速效磷(AP)含量和土壤pH值變化, 以及土壤有機碳和土壤養(yǎng)分其在火燒之后不同土層深度之間的數(shù)值波動。結果表明: (1)不同火燒強度對土壤有機碳含量差異影響顯著(P <0.05), 與未過火林地相比, 中度、輕度火燒的土壤有機碳含量降低, 重度火燒土壤有機碳含量增加; 土壤有機碳含量變化隨土層深度增加而降低; (2)不同火燒強度對土壤養(yǎng)分中所有指標的差異性顯著 (< 0.05), 不同土層深度之間的數(shù)量變化明顯。銨態(tài)氮含量在各土層均表現(xiàn)為重度火燒后增加, 中、輕度火燒則減少; 硝態(tài)氮含量受輕度、中度、重度火燒后在各土層整體增加; 速效氮含量在0—10 cm土層輕度、中度、重度火燒后增加, 在10—20 cm土層中度、重度火燒后減少而輕度火燒后增加, 在20—30 cm土層重度和輕度火燒后增加, 中度火燒后減少。輕度、中度、重度火燒后的全氮和全磷含量在各土層整體降低。速效磷含量在0—10 cm土層受重度和輕度火燒后增加, 10—20 cm、20—30 cm土層重度、中度、輕度火燒后含量皆減少。全鉀含量在0—10 cm土層重度、輕度火燒后含量降低, 中度火燒后含量增加, 10—20 cm土層火燒后含量均會增加, 20—30 cm土層火燒后含量均會降低。速效鉀含量受重度、中度、輕度火燒后在各土層含量均會減少; (3) 不同火燒強度與土壤pH值差異性極顯著(< 0.01), 火燒后pH值上升。上述結果可為研究林火干擾后土壤有機碳和土壤養(yǎng)分的變化規(guī)律, 以及火燒跡地植被恢復的研究提供參考。

不同火強度; 土壤有機碳; 土壤養(yǎng)分; 火干擾

1 前言

火是森林生態(tài)系統(tǒng)中一個重要的生態(tài)因子。森林火災以地表火最為頻繁, 燃燒過程中通過熱量傳遞, 燒毀地面可燃物, 進而對土壤理化性質(zhì)、養(yǎng)分含量、有機碳含量產(chǎn)生不同程度的影響。土壤有機碳(SOC)是指土壤有機質(zhì)中碳元素含量, 其成分復雜, 包含土壤微生物量碳(MBC)、土壤易氧化碳(ROC)、溶解性有機碳(DOC)、輕組有機碳(LFOC)等, 且對環(huán)境感應敏感容易分解, 一旦受到林火的干擾, 各組分會發(fā)生相應的變化[1]。全球氣候變化背景下, 土壤有機碳含量變化與全球碳平衡密切相關。土壤有機碳貯存量大, 微小的數(shù)值變化都會對生態(tài)系統(tǒng)造成一定干擾[2]。林內(nèi)可燃物燃燒導致土壤內(nèi)碳量流失, 同時向大氣排放大量CO2, 從而使森林的“碳匯”功能在一段時間內(nèi)轉(zhuǎn)換為“碳源”, 大氣碳濃度增加, 改變森林內(nèi)部小氣候, 干擾森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán), 繼而增加森林火災發(fā)生的頻率和強度[3-5]。土壤養(yǎng)分是林木生長發(fā)育所需要的物質(zhì)基礎, 直接關系土壤肥力, 同時土壤養(yǎng)分也是易于被控制和調(diào)節(jié)的因子, 對土壤其他部分產(chǎn)生直接和間接的作用。不同強度的火燒影響多種養(yǎng)分的含量, 改變土壤內(nèi)部小環(huán)境。尤其是對火燒后植被的恢復具有重要意義。

國外在該領域主要是以大尺度的、連續(xù)性、綜合性的角度去研究, 通過一個代表性區(qū)域來探討更大領域的通用規(guī)律, 或者通過連續(xù)觀測探究機理。研究林火和土壤有機碳的關系與機理之中, 同時加入其它因素、指標的影響。國外學者通過研究過火后櫟樹林(), 探究不同火燒強度對土壤有機碳和土壤理化性質(zhì)的影響, 及土壤性質(zhì)對火燒強度的響應。也有研究從土壤陽離子交換的角度探究對火燒后土壤有機質(zhì)的影響, 結果表明燃燒使土壤溫度升高, 導致土壤礦物熱變化、土壤性質(zhì)變化, 從而導致有機碳損失[6-7]。國內(nèi)研究林火和土壤碳的關系, 從大氣、植被、土壤三個領域來探究。主要包括火燒之后對碳損失量的估算, 火燒發(fā)生多年后土壤碳的恢復, 不同林型、林齡、氣候類型下的林火對土壤性質(zhì)的影響等[8-12]。研究林火與土壤有機碳關系加入其他影響因素, 如土壤呼吸、土壤根系、土壤微生物、土壤養(yǎng)分狀況等[13]。

土壤有機碳含量與土壤養(yǎng)分含量的變化狀況能夠反映一個地區(qū)整體的土壤條件[14], 國外學者Leslie研究了火干擾對土壤碳的影響[15], 國內(nèi)學者谷會巖林火對大興安嶺偃松—興安落葉松林土壤養(yǎng)分的影響[16], 孔健健等研究了大興安嶺火后演替初期森林土壤養(yǎng)分磷的動態(tài)變化特征[17]。因此探究林火與土壤有機碳和土壤養(yǎng)分含量之間的關系, 有利于更全面了解生態(tài)系統(tǒng)變化機制。目前對林火與土壤碳和土壤養(yǎng)分的研究集中在東北林區(qū)、西南林區(qū), 對華北地區(qū)的林地研究很少。華北地區(qū)植被地帶性為暖溫帶針闊混交林, 是生態(tài)系統(tǒng)多樣性的重要體現(xiàn)。油松林(), 是華北地區(qū)溫性針葉林代表類型, 也是華北生態(tài)系統(tǒng)中重要組成部分, 對環(huán)境變化響應極其敏感[18]。由于油松林的林下生長耐干旱灌木、草本, 整個林分易燃條件非常充分, 枝葉和秋果都很易燃。另外, 全球變化背景下, 對林火和土壤有機碳的研究越來越得到重視, 然而針對不同火燒強度對土壤的作用和影響的研究不太多; 對土壤養(yǎng)分研究采用的指標主要為全氮、全磷、全鉀, 缺乏更全面的分析。因此, 研究不同火燒強度對不同土層之間土壤有機碳含量和土壤養(yǎng)分含量的影響, 為進一步探究林火干擾后土壤有機碳與土壤養(yǎng)分含量變化規(guī)律, 及火燒跡地植被恢復提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

河北平泉(118°21′—119°15′E, 40°24′—40°40′N), 是河北、遼寧、內(nèi)蒙古三省交界地帶, 燕山山脈位于平泉縣內(nèi), 全境皆山, 平均海拔660 m。該地區(qū)位于我國半濕潤地區(qū), 年平均降水量540 mm, 屬于溫帶季風性氣候, 四季分明, 年平均氣溫7.3℃。春季風大干干旱、回暖較快; 夏季高溫, 7月月平均氣溫達22—32℃, 降水集中, 占全年降水量的68—74%; 秋季降水減少; 冬季寒冷干燥。無霜期110—140 d。土壤類型以棕壤土和褐土為主, 森林類型為天然次生林, 主要樹種有油松()、刺槐()、側(cè)柏()等, 灌木層主要有胡枝子()、錦帶花()、土莊繡線菊()、山杏()等, 常見草本有細葉薹草()、石竹()、玉竹()等。

2015年4月清明節(jié)期間, 河北平泉縣柳溪鎮(zhèn)大窩鋪村發(fā)生森林火災, 火燒面積800余畝(約53.33 hm2)。于2015年建立樣地, 2016年采集樣品, 用于對火燒后土壤有機碳、土壤養(yǎng)分含量的短期響應研究。

2.2 樣地設置

發(fā)生火災的林分類型是油松天然次生林, 地勢起伏較小且受相同氣候影響, 林內(nèi)環(huán)境相對一致。于相似的海拔高度、坡度、坡向設置樣地, 以最大程度降低地形因素帶來的影響。根據(jù)發(fā)生火災林地的不同火燒強度, 分為輕度火燒(L)、中度火燒(M)、重度火燒(H), 并在同緯度、海拔、坡度的相鄰地區(qū)選取一塊對照樣地(CK), 樣地規(guī)格為20 m×20 m, 每個強度樣地設置3個重復。重復樣地之間的海拔高度、坡向、坡位完全相同, 僅在平行位移上有差別。劃分火強度依據(jù)燒死木比例、樹木被熏黑高度、地表植被燒毀程度以及樹冠層死亡率判定, 樹干熏黑高度在3 m以下, 林木死亡燒傷在10%以下, 且樹冠未過火, 根部未受到損傷的為低強度火燒; 樹干熏黑高度大于6 m, 林木死傷在70%以上, 地表植被盡被燒毀, 土壤顏色和土壤結構發(fā)生改變的為高強度火燒[19-21]。

2.3 樣品采集

在每塊標準樣地內(nèi)采用五點取樣法采集土樣, 由于火燒對土壤影響范圍有限, 只有高強度火燒才能對深層土壤造成影響, 因此土壤采集深度為0—30 cm。待清理土壤表層后, 使用直徑為37 mm的土鉆, 按照0—10 cm, 10—20 cm, 20—30 cm順序挖取后, 將同強度同土層的五個點的土樣均勻混合為一份, 放入自封袋內(nèi), 標記具體信息, 樣品數(shù)量為36份。土樣采集完成后立即帶回實驗室, 土樣均放在通風處進行風干, 用于土壤有機碳含量、土壤養(yǎng)分及土壤pH值指標的測定。

2.4 樣品分析

2.4.1 土壤有機碳

土壤樣品中的有機碳含量的測定選用重鉻酸鉀-外加熱法。每個樣品進行3次平行重復測定, 以確保結果的準確性和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計意義。計算公式如下:

式中:為有機碳含量(g·kg-1); 0.8000為重鉻酸鉀標準溶液的濃度(mol·L-1); 5.0為重鉻酸鉀標準溶液的體積(mL);V為空白標定所用硫酸亞鐵溶液的體積(mL); 0.003為碳原子的摩爾質(zhì)量(g·mmol-1); 1.1為氧化校正系數(shù);m為風干土樣質(zhì)量(g);K為將風干土換算到烘干的水分換算系數(shù)。

2.4.2 土壤養(yǎng)分

土壤全氮含量測定采用凱氏定氮法, 銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量通過氯化鉀溶液浸提后, 采用流動分析儀進行測定。速效氮測定方法為堿解擴散法。土壤全磷與速效磷的測定方法為硫酸-高氯酸消煮法與碳酸氫鈉法; 全鉀使用NaOH熔融, 速效鉀則采用醋酸銨-火焰光度計法, 每個樣品進行3次平行重復測定。

2.4.3 土壤pH值

土壤pH值測定使用風干土, 采用電位測定法, 水與土壤比例為2.5:1, 同一份樣品測定3次, 取平均值。充分混勻后靜置30 min, 以玻璃電極為指示電極, 甘汞電極為參比電極, 將兩種電極插入土壤濾液中, 產(chǎn)生位差。根據(jù)產(chǎn)生的兩點位差得出pH值。

2.5 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2016對數(shù)據(jù)進行初步整理與作圖, 使用SPSS 18.0進行數(shù)據(jù)分析, 利用方差分析比較不同火燒強度、不同土層土壤SOC含量和土壤養(yǎng)分含量(NH-、NO-、、、、、、)及土壤pH值的差異性, 顯著性水平設定為a=0.05; 采用皮爾遜方法(Pearson)對土壤SOC含量、土壤養(yǎng)分含量、土壤pH值進行相關性分析。

3 結果與分析

3.1 不同火燒強度對土壤有機碳含量影響

將重鉻酸鉀-外加熱法測定出的土壤有機碳含量數(shù)據(jù)分組處理, 分析不同火燒強度下對不同土層深度土壤有機碳含量的差異性, 得出不同火燒強度下差異性極顯著(P<0.01), 在不同土層下差異性極顯著(P<0.01)。不同火燒強度影響下的土壤有機碳含量和未過火林地的數(shù)值有明顯變化, 在不同土層深度之間也有分布規(guī)律, 如圖1所示:

與未過火的土壤有機碳含量相比, 輕度火燒0—10 cm、10—20 cm土層的土壤有機碳含量分別損失21%, 17%, 20—30 cm土層則增加27%; 中度火燒0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土層的有機碳含量分別損失18%, 18%, 13%; 重度火燒0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土層的土壤有機碳含量分別增加13%, 25%, 34%。0—30 cm土壤剖面上, 土壤有機碳含量隨著土層深度增加而降低。受不同火燒強度影響, 土壤有機碳含量在0—10 cm土層表現(xiàn)為H> CK>M>L; 在10—20 cm土層表現(xiàn)為H>CK>L>M; 在20—30 cm土層表現(xiàn)為H>L>CK>M。

3.2 不同火燒強度對土壤養(yǎng)分影響

土壤養(yǎng)分主要包含氮(N)、磷(P)、鉀(K)、鈣(Ca)、鎂(Mg)等, 其中氮、磷、鉀是土壤養(yǎng)分中大量元素, 同時是植物主要的需求養(yǎng)分; 速效氮、速效磷、速效鉀關系到植物是否能直接迅速利用該養(yǎng)分; 銨態(tài)氮與硝態(tài)氮是土壤中無機態(tài)氮, 是土壤氮元素的重要組成部分。以上指標經(jīng)常作為判斷土壤養(yǎng)分供給和肥力狀態(tài)的常見研究內(nèi)容。

將土壤養(yǎng)分的每個指標分別作為因變量, 與火燒強度和土層深度做雙因素方差分析, 結果表明火燒強度和土層深度之間并沒有顯著的交互作用, 因此在研究不同火燒強度與土層深度對全氮、全鉀、全磷、速效氮、速效鉀、速效磷、銨態(tài)氮影響時, 不用考慮交互效果, 而對硝態(tài)氮是具有交互作用的, 應當考慮交互效果。分析數(shù)據(jù)參見表1。

根據(jù)表格得出, 除硝態(tài)氮之外, 火燒強度與土層深度分別對土壤中的養(yǎng)分都有顯著影響, 但是二者之間不存在交互作用, 即無交互項模式分析: 兩個因素對結果的影響是相互獨立的; 而在硝態(tài)氮中, 火燒強度和土層深度存在交互影響, 即有交互項模式分析: 可以認為除火燒強度和土層深度分別對硝態(tài)氮含量影響外, 二者的交互作用也會影響硝態(tài)氮含量。

圖1 不同火燒強度對土壤有機碳含量的影響

表1 土壤養(yǎng)分雙因素方差分析

將無交互項的土壤養(yǎng)分含量的數(shù)據(jù)分為不同火燒強度和不同土層深度, 按組分別進行單因素方差分析, 具體數(shù)值如表2所示:

根據(jù)表2得出, 在不同火燒強度下, 速效鉀差異性顯著(P<0.05); 銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效氮、全氮、全鉀、全磷、速效磷含量差異性極顯著(P<0.01)。為方便比較, 將土壤養(yǎng)分的8個成分按照氮元素、磷元素、鉀元素分為三組, 分析如下:

3.2.1 不同火燒強度對土壤氮元素的影響

銨態(tài)氮含量: 0—10 cm土層, 重度火燒后銨態(tài)氮含量明顯增加, 中度火燒后銨態(tài)氮含量增加但不明顯, 輕度火燒使銨態(tài)氮含量損失, 低于對照水平; 10—20 cm土層和20—30 cm土層變化規(guī)律與0—10 cm土層一致。

硝態(tài)氮含量: 0—10 cm土層, 重度、中度、輕度火燒均會增加硝態(tài)氮含量, 高于對照水平; 10—20 cm土層, 重度與中度火燒明顯增加硝態(tài)氮含量, 高于對照水平。輕度火燒使硝態(tài)氮含量損失, 低于對照水平; 20—30 cm土層, 硝態(tài)氮含量變化規(guī)律與0—10 cm土層一致。

速效氮含量: 0—10 cm土層, 重度、中度、輕度火燒均會增加速效氮含量, 明顯高于對照水平; 10—20 cm土層, 重度與中度火燒使速效氮含量損失, 低于對照水平。輕度火燒后的速效氮含量明顯高于對照水平; 20—30 cm土層, 火燒強度對速效氮含量影響波動大, 重度與輕度火燒后的速效氮含量明顯高于對照水平, 中度火燒使速效氮含量損失, 低于對照水平。

全氮含量: 0—10 cm土層, 重度火燒導致全氮含量增加, 高于對照水平。中度與輕度火燒使全氮含量損失, 低于對照水平; 10—20 cm土層, 重度、中度、輕度火燒均會使全氮含量損失, 低于對照水平, 且數(shù)值波動大; 20—30 cm土層, 全氮含量變化與10—20 cm土層變化規(guī)律一致。

3.2.2 不同火燒強度對土壤磷元素的影響

全磷含量: 火燒后的全磷含量在各土層均有損失, 低于對照水平, 且數(shù)值波動大。

速效磷含量: 0—10 cm土層, 重度火燒與輕度火燒增加速效磷含量, 高于對照水平。中度火燒后速效磷含量降低, 低于對照水平; 10—20 cm土層, 重度、中度、輕度火燒均會導致速效磷含量損失, 低于對照水平; 20—30 cm土層, 不同火燒強度對速效磷含量的影響與10—20 cm土層一致。

表2 不同火燒強度對不同土層土壤養(yǎng)分影響

注: 數(shù)據(jù)為平均值±標準差。不同小寫字母表示同一樣地不同土層之間差異顯著(p<0.05), 不同大寫字母表示不同樣地同一土層之間差異顯著(p<0.05), 下同。

3.2.3 不同火燒強度對土壤鉀元素的影響

全鉀含量: 0—10 cm土層, 重度火燒與輕度火燒導致全鉀含量損失, 低于對照水平, 而中度火燒使全鉀含量增加, 高于對照水平; 10—20 cm土層, 重度、中度、輕度火燒均會導致全鉀含量增加, 高于對照水平; 20—30 cm土層, 重度、中度、輕度火燒均會導致全鉀含量損失, 低于對照水平。

速效鉀含量: 火燒后的速效鉀含量在各土層均有損失, 低于對照水平, 且中度火燒的含量波動最大。

3.3 林火對土壤pH值影響

將土壤pH值的數(shù)據(jù)分為不同火燒強度和不同土層深度, 按組分別進行方差分析, 具體數(shù)值如表3所示:

不同火燒強度與土壤pH值相關性極顯著(P< 0.01), 差異性極顯著(P<0.01), 說明火強度對土壤pH值有重要影響?；馃笸寥纏H值明顯提高, 火燒前的土壤pH值平均為5.99, 火燒后土壤pH值平均為6.26。其中, 重度火燒林分的pH值增幅最大, 平均值為6.48; 中度火燒林分pH平均值為6.14; 輕度火燒林地的pH值為6.17。不同土層間土壤pH值差異性不顯著(P>0.05)。

3.4 相關性分析

土壤有機碳與土壤養(yǎng)分和土壤pH值存在一定關聯(lián), 相關性可以反映土壤中各成分間的關系?；馃寥烙袡C碳、土壤養(yǎng)分、土壤pH值的數(shù)值發(fā)生變化, 可能導致各成分之間原本的聯(lián)系發(fā)生改變, 同時不同土層深度之間也存在差異。不同火燒強度下, 不同土層的土壤有機碳含量與土壤養(yǎng)分和土壤pH值的相關性如表4所示:

0—10 cm土層受重度火燒的土壤有機碳含量與速效鉀含量相關性顯著, 且呈負相關; 受中度火燒的土壤有機碳含量與全氮相關性顯著, 且呈負相關; 受輕度火燒影響的土壤有機碳含量與全氮、全磷含量相關性顯著。

10—20 cm土層受輕度火燒的土壤有機碳含量與全氮含量相關性顯著; 為受火燒的土壤有機碳含量與硝態(tài)氮和全氮含量相關性顯著。

表3 土壤pH值方差分析

表4 土壤有機碳與酸堿性及土壤養(yǎng)分相關性

注:*表示相關性達顯著水平(P<0.05);**表示相關性達極顯著水平(P<0.01)。

20—30 cm土層受重度火燒的土壤有機碳含量與全磷含量相關性顯著; 受中度火燒的土壤有機碳含量與速效鉀含量相關性顯著。

全氮含量是衡量土壤氮素供應狀況的重要指標, 同時也會影響對土壤中其他養(yǎng)分的含量, 進而影響根系呼吸與植被恢復[22]。在不同火燒強度下, 不同土層的全氮與其他土壤養(yǎng)分的相關性如下, (表5):

0—10 cm土層受輕度火燒的全氮含量與全磷含量相關性顯著; 未受到火燒的全氮含量與速效磷含量相關性顯著。

10—20 cm土層受中度火燒的全氮含量與速效磷含量相關性顯著; 未收到火燒的全氮含量與硝態(tài)氮相關性極顯著。

20—30 cm土層未受到火燒的全氮含量與全磷含量相關性顯著。

土壤養(yǎng)分內(nèi)部各個指標之間具有聯(lián)系, 相關系數(shù)可以有效說明養(yǎng)分內(nèi)各成分的關系。表4用來體現(xiàn)不同火燒強度下, 土壤有機碳和土壤養(yǎng)分與土壤pH值在不同土層深度之間的相關性變化。表6是去除火燒強度和土層深度因素, 對土壤養(yǎng)分之間的關系進行分析。

表5 全氮與土壤養(yǎng)分相關性

注:*表示相關性達顯著水平(P<0.05);**表示相關性達極顯著水平(P<0.01)。

表6 土壤養(yǎng)分指標相關性分析

注:*表示相關性達顯著水平(P<0.05);**表示相關性達極顯著水平(P<0.01)。

銨態(tài)氮(NH-N)、硝態(tài)氮(NO-N)、速效氮()、全氮()、全鉀()、全磷()、速效鉀()、速效磷(AP)含量的相關性分析結果表明:NH-N與NO-N相關性極顯著(P<0.01), 與相關性顯著(P<0.05);NO-N與相關性極顯著(P<0.01);與與相關性顯著(P<0.05), 與呈負相關且極顯著(P<0.01);與、、相關性極顯著(P<0.01), 與呈負相關且極顯著(P<0.01);與、呈負相關且極顯著(P<0.01), 與呈負相關且顯著(P<0.05);與和相關性極顯著(P<0.01);與相關性極顯著(P<0.01)。

4 結論與討論

通過對不同火強度對河北油松林土壤有機碳及土壤養(yǎng)分的分析, 主要探究以下方面的影響:

(1)不同火燒強度對土壤有機碳含量影響

不同火燒強度與土壤有機碳含量差異顯著(P<0.05), 在不同火燒強度影響下, 土壤有機碳含量的數(shù)值有明顯變化。輕度、中度火燒后, 土壤有機碳含量明顯下降, 低于對照水平。重度火燒后, 土壤有機碳含量增加且高于對照水平, 與林火剛發(fā)生時表現(xiàn)的規(guī)律相反。隨著火燒時間增加, 中低度火燒的土壤有機碳含量呈現(xiàn)先增加后降低規(guī)律, 這是因為地表土壤沖刷淋洗等作用會逐漸降低土壤有機質(zhì)含量[23]。通常, 高強度火燒直接導致土壤有機碳含量的耗損, 隨著火燒強度增加土壤有機質(zhì)含量降低[24]。本研究結果與此不一致, 但是也有研究表明, 高強度火燒會增加土壤有機碳含量。在周文昌研究中, 重度火燒有機碳含量比對照地增加119.06%[25]。這是因為重度火燒地區(qū)的林木燒毀嚴重, 樹冠損失, 導致部分林地接收熱輻射增多, 土壤溫度升高, 從而刺激土壤根系與土壤微生物活性, 導致土壤呼吸增強, 改變了大氣—植被—土壤的水熱平衡[26]。而且受到重度火燒影響的土壤顏色變黑, 增加地表對熱輻射的吸收, 同樣促使地表土壤溫度增加升高, 增加土壤有機碳含量。另外, 火燒后的森林植被會隨著時間而逐漸得到恢復, 使土壤有機碳也得到恢復[27-28]。還有研究表明, 重度火燒使土壤表層有機碳和黑炭增加, 可能原因是重度火燒土壤粒徑團聚體增大, 導致有機碳含量增加[29-30]。

土壤有機碳含量在不同土層的差異性顯著(P<0.05)。輕度、中度、重度火燒的土壤有機碳含量隨著土壤深度增加而降低。這與尹云峰、孫龍等人的研究結果一致, 即火燒后土壤有機碳含量先下降, 隨著恢復年限增加, 下降的幅度逐漸縮小, 直至恢復甚至高于火燒前水平。

(2)不同火燒強度對土壤氮元素影響

銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效氮、全氮在不同火燒強度下差異性顯著(P<0.05)。中度和重度火燒的銨態(tài)氮含量在各土層皆表現(xiàn)出增加的趨勢, 在輕度火燒后含量略微降低。這是因為灰分中的營養(yǎng)物質(zhì)通過淋溶作用進入土壤中, 增加銨態(tài)氮含量。硝態(tài)氮含量在火燒后整體增加, 因為燃燒增加土壤溫度, 刺激土壤細菌活性, 促進發(fā)生硝化作用。受不同火燒強度影響的速效氮含量在0—10 cm土層皆表現(xiàn)為增加, 在10—20 cm土層重度與中度火燒和20—30 cm土層中度火燒有所降低, 其余都呈現(xiàn)增加趨勢, 這是因為燃燒使土壤中氮流失, 增加無機氮成分, 同時增加了土壤氮的有效性, 速效氮的含量集中表現(xiàn)土壤速效氮水平。全氮含量除了0—10 cm土層重度火燒部分有所增加, 其余土層和火燒強度影響下基本處于降低趨勢。土壤全氮含量的消長和土壤有機質(zhì)含量變化一致, 火燒導致土壤有機質(zhì)含量減低, 減少了有機質(zhì)積累, 影響微生物活動, 導致土壤全氮含量降低。另外, 火燒后pH值增加會促進植物的固氮作用, 經(jīng)過1年半的地上植被的恢復和固氮能力提升, 也會導致土壤全碳含量整體降低[31]。

(3) 不同火燒強度對土壤磷元素影響

全磷、速效磷在不同火燒強度下差異性顯著(P<0.05)。不同火燒強度影響下的全磷含量在各土層皆有損失, 低于對照水平; 速效磷含量只有在0—10 cm土層受重度和輕度火燒后有所增加, 10—20 cm和20—30 cm土層均呈降低趨勢。這是因為, 火燒導致土壤磷元素流失, 尤其是高強度火燒對林地環(huán)境破壞嚴重, 地表枯落物被燃燒而沒有積累, 因此地表可能受到風力侵蝕, 從而導致磷元素損失[32]。

(4) 不同火燒強度對土壤鉀元素影響

全鉀、速效鉀在不同火燒強度下差異性顯著(P<0.05)。不同火燒強度影響下的全鉀含量在0—10 cm土層和20—30 cm土層整體呈現(xiàn)下降趨勢, 而10—20 cm土層全部增加。增加的原因是可燃物燃燒后的灰分中含有大量鈣、鉀等離子。而在10—20 cm增加的原因是隨著年限增加, 0—10 cm土層的鉀元素受淋溶作用逐漸進入10—20 cm土層, 因此0—10 cm土層降低10—20 cm土層增加。不同火燒強度影響下的速效鉀含量在各土層都表現(xiàn)為降低趨勢, 這是因為植被恢復和生長的吸收及淋溶流失導致[32]。

(5) 不同火燒強度對土壤pH值影響

不同火燒強度影響下的pH值差異性與相關性都極顯著(P<0.01)。火燒后pH值呈現(xiàn)上升趨勢, 尤其是重度火燒影響下的pH值增幅最大。這是因為火燒陽離子增加和土壤有機物與枯落物氧化對有機酸消耗造成[33]。此外, 楊黎芳等人認為土壤中CO2分壓降低, 土壤變干, 也會造成pH升高[34]。

5 結論與展望

(1) 火燒一年后, 重度火燒增加土壤有機碳的含量, 中、低強度火燒則使土壤有機碳含量降低。土壤有機碳含量隨著土層深度增加而降低。

(2) 中、高強度火燒促使銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量增加, 導致速效氮和全氮含量降低。土壤中氮的含量變化影響土壤有機碳含量變化。

各強度火燒導致全磷含量在各土層深度皆有流失, 但是速效磷在0—10 cm土層呈現(xiàn)增長趨勢。

各強度火燒使全鉀在0—10 cm和20—30 cm土層降低, 在10—20 cm土層增加; 而速效鉀含量在火燒后于各土層皆為降低趨勢。

(3) 火強度與土壤pH值極顯著相關, pH值隨著火燒強度增加而增加。

(4) 火燒前后草本植物變化明顯, 一部分植物無法承受火燒而死亡, 一部分植物得以存活, 如鬼針草()、野青茅()、銀背風毛菊()等。同時, 也有新的植物侵入到火燒跡地, 這類植物主要是喜光植物和固氮植物, 有狗尾巴草()、沙參()等。一方面說明火燒改變了林內(nèi)環(huán)境, 從而導致植物生長格局發(fā)生變化, 另一方面說明恢復和新出現(xiàn)的植物也會反過來改變土壤環(huán)境, 使土壤養(yǎng)分重新分配。

本研究為火災發(fā)生1a后土壤性質(zhì)的變化, 只能在一定程度說明土壤內(nèi)各成分短期響應和對植被恢復的影響。長期持續(xù)觀測將更有利于解釋和說明火燒后土壤養(yǎng)分變化機制與植被恢復動態(tài)。在未來研究中, 將會以1a為周期連續(xù)觀測和取樣, 進一步分析變化規(guī)律。為進一步分析火燒影響, 可以采取在同一年中進行生長季和非生長季的調(diào)查對比。同時, 在研究過程中應該更多考慮地形因子、氣候因子作用及林齡、火后干擾狀況等因素可能帶來的影響。從而更有效的理解火燒跡地土壤元素變化規(guī)律和植被恢復更新動態(tài)。同時為華北地區(qū)可燃物調(diào)控提供一定基礎。

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Effects of different wildfire intensities on soil organic carbon and soil nutrients inforests in Pingquan County, Hebei Province

LI Bingyi, LIU Guanhong, LI Weike, LIU Xiaodong*

Beijing Forestry University, Academy of Forestry, Beijing, 100083

The study site was selected in Pingquan County, Hebei Province, and stand type wasforests. Fire intensity was classified as low (L), medium (M), high (H) severity and unburned (UB)based on burning condition. Soil samples were collected in the order of 0-10cm, 10-20cm, and 20-30cm to analyze the effects of different fire intensity on soil organic carbon (SOC), soil nutrients (Ammonium nitrogen, Nitrate nitrogen,Available nitrogen, Total nitrogen, Total potassium, Total phosphorus,Available potassium, Available phosphorus) and soil pH value in different depths of soil. The resultsare as follows. (1) The difference of diverse fire intensity on SOC was not significant (>0.05). SOC content decreased in M and L, and increased in H. The change of SOC decreased with the increase of soil depth. (2) The difference of diverse fire intensity on soil nutrients was significant (<0.05), as well as the change of soil depth. Ammonium nitrogen contents in each soil layer were shown to increase after high intensity fire, decreased after low and medium intensity. Nitrate nitrogen content in each soil layer was shown to increase after each fire intensity. Available nitrogen content in the 0-10cm soil layer increased after fire; in the 10-20cm soil layer it decreased after M and H, but increased after L; in the 20-30cm soil layer it increased after H and L, but decreased after M. Total nitrogencontent and total phosphorus content decreased in each soil layer after fire (H, M, and L). Available phosphorus was increased by H and M in 0-10cm soil layer, but decreased by H, M and L in 10-20cm and 20-30cm soil layer. The content of total potassium in 0-10cm soil layer was decreased by H and L, but increased by M; in 10-20cm soil layer it was increased after fire; in 20-30cm soil layer it was decreased by each fire intensity. Available potassium content was decreased by each fire intensity in each soil layer. (3) The difference of diverse fire intensity on soil pH value was significant (<0.01), which increased after fire. The above results can be used to study the changes of SOC and soil nutrient after forest fire disturbance, and study of vegetation restoration in burned land.

fire intensity; soil organic carbon; soil nutrients; fire disturbance

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.004

S762

A

1008-8873(2018)04-035-10

2017-09-12;

2017-11-28

國家自然科學基金資助項目(31770696)

李炳怡(1991—), 女, 河北石家莊人, 碩士, E-mail: lby1220@bjfu.edu.cn

劉曉東(1969—), 男, 博士, 副教授, 主要從事森林防火, E-mail: xd_liu@bjfu.edu.cn

李炳怡, 劉冠宏, 李偉克, 等. 不同火強度對河北平泉油松林土壤有機碳及土壤養(yǎng)分影響[J]. 生態(tài)科學, 2018, 37(4): 35-44.

LI Bingyi, LIU Guanhong, LI Weike, et al. Effects of different wildfire intensities on soil organic carbon and soil nutrients inforests in Pingquan County, Hebei Province[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 35-44.