火干擾強(qiáng)度對(duì)亞熱帶四種森林類(lèi)型土壤理化性質(zhì)的影響

曾素平,劉發(fā)林,趙梅芳,王光軍,陳小偉

1 中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院,長(zhǎng)沙 410004 2 中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410004 3 湖南會(huì)同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,會(huì)同 418300 4 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410004

林火是指在林地上自由蔓延的火,通常是破壞生態(tài)系統(tǒng)又是森林更新的主要影響因子,其通過(guò)燃燒大量的森林植被和凋落物改變土壤的理化性質(zhì)而影響土壤的生態(tài)功能和生物地球化學(xué)循環(huán)[1- 2],而森林土壤理化性質(zhì)的改變反過(guò)來(lái)又會(huì)直接影響地上植物的生長(zhǎng)[3]。林火不僅導(dǎo)致土壤溫度顯著升高和土壤斥水性增強(qiáng)[4- 5],而且影響有機(jī)質(zhì)的礦化和分解過(guò)程,進(jìn)而影響土壤內(nèi)的養(yǎng)分循環(huán)[6]。大多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)不同強(qiáng)度的林火對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響有差異,其中高強(qiáng)度火的影響最大[3,7],而林分類(lèi)型對(duì)其是否有影響的研究比較少見(jiàn)[8]。目前已有的研究對(duì)象主要集中在北方地區(qū)針葉或者闊葉純林內(nèi)[9],而林火對(duì)亞熱帶地區(qū)常見(jiàn)林分類(lèi)型內(nèi)土壤性質(zhì)的影響亟待研究。因此,研究火干擾強(qiáng)度對(duì)不同林分類(lèi)型下土壤環(huán)境的影響,有助于揭示火后不同植被受影響的差異。

火干擾對(duì)林分內(nèi)土壤理化性質(zhì)影響的研究較多,不同火強(qiáng)度和林分類(lèi)型對(duì)土壤性質(zhì)的影響具有差異性。研究發(fā)現(xiàn)土壤容重(bulk density,BD)不受火強(qiáng)度影響[10],如孔健健和楊健[3]發(fā)現(xiàn)興安落葉松林在低強(qiáng)度和高強(qiáng)度火干擾間無(wú)顯著差異。火干擾是影響土壤斥水性(soil water repellency,SWR)的重要因素之一,它可以提高林分內(nèi)SWR,降低滲透率,增加地表徑流和土壤侵蝕；也有研究發(fā)現(xiàn)土層深度和植被類(lèi)型對(duì)SWR也有很大影響[4,11]。研究認(rèn)為火燒后土壤pH的變化取決于火干擾強(qiáng)度,但也受時(shí)間節(jié)點(diǎn)的影響[12- 13]；大部分研究發(fā)現(xiàn)pH在相同林分下受火干擾影響不大,而辛穎等發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度火燒后表現(xiàn)為樟子松林顯著大于山楊林(Pobulusdavidiana)、興安落葉松林(Larixgmelini)和白樺林(Betulaplatyphylla)[14]。高溫會(huì)降低土壤有機(jī)質(zhì)(soil organic matter,SOM)含量[1,15- 16],未火燒時(shí)不同林分間SOM差異不顯著,但火燒后不同林分間SOM差異顯著。火干擾對(duì)土壤全氮(total nitrogen,TN)、全鉀(total potassium,TK)含量的影響存在爭(zhēng)議,有研究認(rèn)為林火強(qiáng)度對(duì)土壤養(yǎng)分有效性有一定的影響,土壤N、P、K的含量隨林火強(qiáng)度增加而增加[3],而也有研究發(fā)現(xiàn)火燒后土壤的TN含量隨火燒強(qiáng)度增強(qiáng)而降低[17- 19]；大部分研究發(fā)現(xiàn)火燒后全磷(total phosphorus,TP)、TK含量增大[20],中度火燒后土壤全磷含量顯著高于重度火燒區(qū)和未火燒區(qū)[21],但不同林分間(白樺林(Betulaplatyphylla)、蒙古扁桃林(Prunusmongolica)、油松林(Pinustabulaeformis)和草地)TP無(wú)顯著差異[22],而TK在不同林分間(華山松Pinusarmandi、柏木Cupressusfunebris)則差異顯著[23]。目前關(guān)于火干擾對(duì)不同林分類(lèi)型土壤性質(zhì)影響的研究不夠充分,研究的土壤理化性質(zhì)不夠全面,且一般需要通過(guò)多次試驗(yàn)才能得出結(jié)論。

本研究地(湘潭、昭山)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),試驗(yàn)地林分具有典型的亞熱帶植被特征,森林面積大,火災(zāi)頻發(fā),刀耕火種導(dǎo)致本區(qū)域內(nèi)原始植被和次生植被遭受人為破壞嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)選取1種闊葉林(楓香次生林)和3種常見(jiàn)針闊混交林(馬尾松-木荷混交林、杉木-木荷混交林及檫木-杉木混交林)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,在不同林分類(lèi)型內(nèi)設(shè)置不同火強(qiáng)度,通過(guò)單次試驗(yàn)同時(shí)研究了不同火干擾強(qiáng)度下不同林分內(nèi)多種土壤理化性質(zhì)(BD、SWR、pH、SOM、TN、TP和TK),比較不同林分內(nèi)土壤理化性質(zhì)對(duì)火干擾的敏感程度,目的在于探索火干擾強(qiáng)度和林分類(lèi)型對(duì)BD、SWR、SOM、pH、TN、TP和TK的影響。旨在揭示亞熱帶不同植被下土壤受不同火強(qiáng)度影響的差異,為不同林分類(lèi)型確定科學(xué)的經(jīng)營(yíng)對(duì)策,利用火燒促進(jìn)林分更新,為合理利用森林土壤資源、火燒跡地植被恢復(fù)及科學(xué)經(jīng)營(yíng)和管理亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)樣地位于豐隴(113°04′—113°43′ E,26°43′—27°06′ N),皇圖嶺(113°49′—113°51′ E,27°06′—27°34′ N)和昭山(112°59′3″—113°4′56″ E,27°54′12"—28°0′55″ N),隸屬于湖南省株洲市(皇圖嶺和豐隴)和湘潭市(昭山)(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置及土壤類(lèi)型概況Fig.1 Geographical location and soil type of the study areaFAO90：聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織Food and Agriculture Organization of the United Nations (1990)

株洲屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,夏季溫暖濕潤(rùn),冬季寒冷干燥,氣溫為-11.9—40℃,年平均氣溫為17.8℃,年平均降水量為1411 mm。湘潭也屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年平均溫度約為17.5℃,極端最低溫度為-8.5℃,極端最高溫度為39.3℃,全年有效積溫為5180—5320℃,年平均降水量為1450 mm[24]。4種林分的土壤特性相似(表1),表層土都為紅壤或黃壤,土壤類(lèi)型根據(jù)FAO/UNESCO Taxonomy進(jìn)行分類(lèi),土壤性質(zhì)如表1所示[25- 26]。

1.2 研究方法

1.2.1樣地設(shè)置和火處理

2014年12月本實(shí)驗(yàn)在豐隴、皇圖嶺和昭山3個(gè)采樣點(diǎn)共選擇4種林分類(lèi)型：(1)豐隴的楓香L.formosana(簡(jiǎn)稱(chēng)：Lf)；(2)皇圖嶺的馬尾松-木荷P.massoniana-S.superba(簡(jiǎn)稱(chēng)：PS)(3)皇圖嶺的杉木-木荷C.lanceolata-S.superba(簡(jiǎn)稱(chēng)：CS)；(4)昭山的檫木-杉木S.tzumu-C.lanceolata(簡(jiǎn)稱(chēng)：SC),樣地內(nèi)各林分的具體特征如表2[24,27]所示。

表1 試驗(yàn)地土壤性質(zhì)*

*數(shù)據(jù)集由蘭州寒旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供(http://westdc.westgis.ac.cn);FAO/UNESCO：聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織/世界聯(lián)合國(guó)教科文組織；ALh：普通高活性強(qiáng)酸土； ACh：普通低活性強(qiáng)酸土

表2 研究地林分特征

火燒實(shí)驗(yàn)成本大且破壞森林、污染環(huán)境,目前也有類(lèi)似研究未重復(fù)火燒實(shí)驗(yàn)[23, 28]。因此本研究在每種林分中選取4塊標(biāo)準(zhǔn)樣地,取樣前在各林分(Lf、PS、CS、SC)中分別設(shè)置了4種火強(qiáng)度：對(duì)照(無(wú)火干擾)、低、中、高強(qiáng)度火(表3),共設(shè)置了16塊樣地,各樣地面積均為20 m×20 m。火燒時(shí)的具體操作如司紹兵[29]所示,樣地內(nèi)火燒強(qiáng)度均一,設(shè)有金屬花桿在燃燒樣地,根據(jù)火焰高度判斷火強(qiáng)度,<1.5 m為低強(qiáng)度火、1.5—3 m為中強(qiáng)度,>3 m為高強(qiáng)度火,各種強(qiáng)度火燒實(shí)驗(yàn)特征如表3所示。對(duì)于年齡較小林分,在火燒前進(jìn)行人工修枝、割灌,將中間可燃物降到地表,以防發(fā)生樹(shù)冠火。所有的火處理在2014年12月23日完成。

1.2.2土壤取樣

土壤樣本全部取自4種林分的對(duì)照樣地(未火燒)和3個(gè)火燒樣地內(nèi)(低、中等和高強(qiáng)度火)。在每個(gè)樣地內(nèi)對(duì)0—20 cm層(0—5、6—10、11—15、16—20 cm)的土壤用72 mm×52 mm的不銹鋼環(huán)刀進(jìn)行采樣,同時(shí)對(duì)樣本進(jìn)行標(biāo)記,并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行均質(zhì)化。

每個(gè)未火燒樣地內(nèi)采集4個(gè)土壤樣本,取樣時(shí)間為2014年12月23日。

表3 火干擾實(shí)驗(yàn)特征

在火燒樣地進(jìn)行取樣時(shí),每個(gè)樣地沿對(duì)角線設(shè)置3個(gè)土壤剖面,在4種林分的每個(gè)樣地內(nèi)采集了60個(gè)樣本(4層土壤,5個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn),3個(gè)土壤剖面)。5個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別為火燒后3天(2014.12.26)、1個(gè)月(2015.01.24)、6個(gè)月(2015.06.27),12個(gè)月(2015.12.24)、24個(gè)月(2016.12.24)?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)火燒后土壤理化性質(zhì)受時(shí)間節(jié)點(diǎn)[13]和土層深度的影響[11,30],本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)為了排除時(shí)間節(jié)點(diǎn)、土層深度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,將這兩個(gè)因素考慮在內(nèi)進(jìn)行取樣。研究地在取樣期間無(wú)持續(xù)性的強(qiáng)降雨現(xiàn)象,土壤理化性質(zhì)受影響較小,因此本研究中沒(méi)有考慮降雨等因素對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生的影響。

1.2.3實(shí)驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)室中,土壤被分成3部分進(jìn)行不同的分析：

環(huán)刀法測(cè)定BD(g/cm3)。SWR(Log10WDPT, s)通過(guò)滴水穿透時(shí)間法進(jìn)行測(cè)定[31],各采樣點(diǎn)的土壤樣品在風(fēng)干室內(nèi)干燥24 h(溫度20℃,相對(duì)濕度50%),以排除大氣濕度變化對(duì)SWR的潛在影響[32]。

土壤樣品在室內(nèi)干燥24 h,然后粉碎分成兩份,分別過(guò)0.15 mm(用于SOM)和2 mm(用于pH)篩備用。SOM(%)采用有機(jī)碳重鉻酸鹽快速氧化法測(cè)定[33]。土壤pH值通過(guò)玻璃電極法測(cè)定(水土比為2.5∶1)(Systronics, India; Model 335)。

土壤樣品在60℃下干燥24 h,分成兩份,分別過(guò)0.25 mm(用于TN)和0.15 mm(用于TP、TK)篩以備用。對(duì)樣品TN、TP和TK進(jìn)行分析時(shí),土壤TN(%)用凱氏定氮法[34]測(cè)定。土壤TP(g/kg)通過(guò)濃硫酸—高氯酸法測(cè)定。TK(g/kg)采用中性乙酸銨法[35]提取,之后用火焰光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

1.2.4統(tǒng)計(jì)分析

本論文中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)5次取樣的數(shù)據(jù)作為單個(gè)樣本做重復(fù)方差分析。采用SPSS 11.5統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)Lf、PS、CS和SC在不同火干擾后7種土壤理化性質(zhì)(BD、SWR、pH、SOM、TN、TP和TK)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、制作箱型圖并進(jìn)行差異性顯著檢驗(yàn)。分析方法包括描述性統(tǒng)計(jì)分析、單因素方差分析和Fisher LSD檢驗(yàn)(P<0.05)。相同字母代表差異不顯著(P<0.05),箱型圖中的大寫(xiě)字母(A、B、C)表示在每個(gè)特定的火燒處理后不同林分間無(wú)顯著性差異,表格中大寫(xiě)字母(A、B、C)表示同一林分類(lèi)型下不同火干擾間無(wú)顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 BD和SWR

BD(g/cm3),SWR(Log10WDPT,s)在不同火干擾強(qiáng)度(未火燒、低、中、高)下4種林分(Lf、PS、CS、SC)均表現(xiàn)出不同程度的差異(表4和圖2)。BD和SWR在同一林分內(nèi)隨著火強(qiáng)度的增大呈增加的趨勢(shì),且高強(qiáng)度火燒對(duì)其作用最顯著。SWR在不同火干擾下增大趨勢(shì)較BD更為明顯。BD在不同火燒后CS與其他林分(Lf、PS、SC)均存在顯著性差異,而SWR在火干擾后林分間差異不顯著(P<0.05)。

表4 不同火干擾下4種森林類(lèi)型土壤特性*

*單因素方差分析,Fisher LSD 檢驗(yàn)；表中大寫(xiě)字母表示土壤性質(zhì)在同一個(gè)森林類(lèi)型不同火強(qiáng)度之間沒(méi)有顯著的差異(P<0.05);**BD：土壤容重Bulk density；SWR：土壤斥水性Soil water repellency；pH：pH值；SOM：土壤有機(jī)質(zhì)Soil organic matter；TN：全氮Total nitrogen；TP：全磷Total phosphorus；TK：全鉀Total potassium

圖2 不同火干擾下4種林分土壤容重(BD)和土壤斥水性(SWR)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.2 Bulk density (BD) and soil water repellency (SWR) of four forests under different fire disturbances (Mean±SD)土壤容重、土壤斥水性;森林類(lèi)型以不同的綠色表示：Lf(黃綠色)=楓香林Liquidambar formosana、PS(中海藍(lán))=馬尾松-木荷Pinus massoniana-Schima superba、CS(綠色)=杉木-木荷Cunninghamia Lauceolata-Schima superba和SC(深綠色)=檫木-杉木Sassafras tzumu-Cunninghamia Lanceolata;不同的紅色線條表示不同的均值：對(duì)照(紅色)、低強(qiáng)度火燒(淺品紅)、中強(qiáng)度火燒(品紅)、高強(qiáng)度火燒(紫紅色);上面相同的大寫(xiě)字母表示在每個(gè)特定的火燒處理后不同林分間沒(méi)有顯著差異(單因素方差分析,Fisher LSD檢驗(yàn),P<0.05)

BD在同一林分內(nèi),低、中強(qiáng)度火干擾后與未火燒都不存在顯著性差異,這一結(jié)果在4種林分中都存在(表4和圖2)；BD在高強(qiáng)度火干擾后Lf、PS、SC與未火燒間均存在顯著性差異(P<0.05)；與未火燒相比,BD僅在CS中火燒前后不存在顯著性差異((1.17±0.10) g/cm3,(1.21±0.07) g/cm3,(1.25±0.06) g/cm3,P<0.05)。BD在同一林分內(nèi)火燒(低、中、高)后不同火燒強(qiáng)度之間都存在顯著性差異。BD在不同林分中對(duì)火干擾的響應(yīng)趨勢(shì)是一致的(隨火強(qiáng)度升高而變大),且CS受火強(qiáng)度的影響最顯著(BD由低強(qiáng)度火后的(1.17±0.1) g/cm3變化為高強(qiáng)度火后的(1.25±0.06) g/cm3)。BD在沒(méi)有火干擾時(shí),僅林分Lf((1.27±0.02) g/cm3)顯著大于林分CS((1.17±0.11) g/cm3)(P<0.05)。然而,BD在同一火燒后4種林分類(lèi)型間的相互差異沒(méi)有變化,即BD在CS內(nèi)顯著小于其他三種林分(P<0.05),Lf顯著大于PS(P<0.05)。

SWR在4種林分中均表現(xiàn)為未火燒時(shí)與低強(qiáng)度火干擾后不存在顯著性差異(P<0.05,表4)。SWR在中強(qiáng)度火干擾后Lf(0.87±0.61)、CS(1.04±0.52)顯著大于未火燒時(shí)(Lf：0.23±0.29；CS：0.44±0.1),中強(qiáng)度火燒后Lf相對(duì)于火燒前增大2.8倍,中強(qiáng)度火燒后CS是未火燒時(shí)的2.4倍；SWR在PS、SC內(nèi)中強(qiáng)度火燒后與未火燒之間不存在顯著性差異。SWR在高強(qiáng)度火燒后PS、CS和SC都顯著大于未火燒前,僅Lf高強(qiáng)度火干擾后與未火燒間不存在顯著性差異(SWR在未火燒和高強(qiáng)度火燒的值分別是0.23±0.29和1±0.61)。SWR在中強(qiáng)度火干擾后4種林分(Lf、PS、CS、SC)與低強(qiáng)度、高強(qiáng)度火燒后都不存在顯著性差異。SWR在高強(qiáng)度火燒后4種林分均顯著大于低強(qiáng)度火干擾(P<0.05)。在同一火干擾下,SWR在4種林分內(nèi)都不存在顯著性差異(除了PS在未火燒和低強(qiáng)度火后的SWR顯著高于Lf,P<0.05,圖2)。

2.2 SOM和pH

SOM(%)、pH在不同火干擾后,4種林分均表現(xiàn)出不同程度的差異(表4,圖3)。SOM隨著火強(qiáng)度的增加,4種林分均表現(xiàn)出減少的趨勢(shì)；反之,土壤pH均表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)(表 4)。

圖3 不同火干擾下4種林分土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)和pH(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.3 Soil organic matter (SOM) and pH of four forests under different fire disturbances (Mean±SD) 土壤有機(jī)質(zhì)、pH值;森林類(lèi)型以不同的綠色表示：Lf(黃綠色)=楓香林Liquidambar formosana、PS(中海藍(lán))=馬尾松-木荷Pinus massoniana-Schima superba、CS(綠色)=杉木-木荷Cunninghamia Lauceolata-Schima superba和SC(深綠色)=檫木-杉木Sassafras tzumu-Cunninghamia Lanceolata;不同的紅色線條表示不同的均值：對(duì)照(紅色)、低強(qiáng)度火燒(淺品紅)、中強(qiáng)度火燒(品紅)、高強(qiáng)度火燒(紫紅色);上面相同的大寫(xiě)字母表示在每個(gè)特定的火燒處理后不同林分間沒(méi)有顯著差異(單因素方差分析,Fisher LSD檢驗(yàn),P<0.05)

SOM的值在同一林分內(nèi)隨火強(qiáng)度的增大而減少(表4),這一趨勢(shì)在4種林分中都存在。SOM在同一林分內(nèi),未火燒與低強(qiáng)度火干擾間不存在顯著性差異；SOM在中強(qiáng)度火干擾后(2.87%±0.34%)僅Lf與未火燒時(shí)(3.39%±0.90%)存在顯著性差異；SOM在高強(qiáng)度火干擾后僅SC與未火燒時(shí)不存在顯著性差異(P<0.05)。在火干擾后,SOM在低強(qiáng)度火燒后僅Lf與中強(qiáng)度火燒后存在顯著性差異(中強(qiáng)度是低強(qiáng)度火燒的93.1%)；SOM在同一林分內(nèi),高強(qiáng)火燒后顯著小于低強(qiáng)度、中強(qiáng)度火燒(除SC在中強(qiáng)度和高強(qiáng)度火燒間無(wú)顯著差異)。SOM在火燒前Lf顯著大于PS、SC,SOM在不同強(qiáng)度火干擾后均表現(xiàn)為L(zhǎng)f、CS顯著大于PS、SC,且Lf顯著大于CS(圖3,P<0.05)。

pH的值在同一林分內(nèi)隨火強(qiáng)度的增大而增大(表4),這一趨勢(shì)在4種林分中都存在。pH在4種林分內(nèi)都表現(xiàn)為低強(qiáng)度火干擾后與火燒前不存在顯著性差異；pH在中強(qiáng)度火干擾后僅SC與火燒前存在顯著性差異(P<0.05)；pH在高強(qiáng)度火燒后4種林分(Lf,PS,CS,SC)與火燒前均存在顯著性差異(P<0.05)。pH在火干擾后,同一林分在低、中、高火強(qiáng)度干擾后相互間存在顯著性差異(除Lf在低強(qiáng)度(4.61±0.15)和中強(qiáng)度(4.7±0.22)火干擾間不存在顯著差異,P<0.05)。土壤pH在不同火干擾條件下均表現(xiàn)為L(zhǎng)f最大,SC最??；pH除在高強(qiáng)度火干擾下,Lf都顯著大于其他林分。土壤pH在高強(qiáng)度火的干擾下,Lf顯著大于PS、SC(4.98±0.488,4.8±0.470,4.645±0.36,P<0.05),林分CS顯著大于SC(CS：4.94±0.54；SC：4.65±0.36,圖3,P<0.05)。

2.3 TN、TP和TK

土壤TN(%)、TP(g/kg)、TK(g/kg)在不同火干擾強(qiáng)度(未火燒、低、中、高)下,4種林分均表現(xiàn)出不同程度的差異(表4,圖4)。土壤TN在同一林分下不同火干擾(未火燒、低、中、高)間變化不大；TP隨火干擾強(qiáng)度增大而表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)(除SC)；反之,TK隨火燒強(qiáng)度增加而表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)(表4)。

圖4 不同火干擾下4種林分土壤全氮(TN)、全磷(TP)和全鉀(TK)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.4 Soil total N (TN), total P (TP) and total K (TK) of four forests under different fire disturbances (Mean±SD)全氮、全磷、全鉀;森林類(lèi)型以不同的綠色表示：Lf(黃綠色)=楓香林Liquidambar formosana、PS(中海藍(lán))=馬尾松-木荷Pinus massoniana-Schima superba、CS(綠色)=杉木-木荷Cunninghamia Lauceolata-Schima superba和SC(深綠色)=檫木-杉木Sassafras tzumu-Cunninghamia Lanceolata;不同的紅色線條表示不同的均值：對(duì)照(紅色)、低強(qiáng)度火燒(淺品紅)、中強(qiáng)度火燒(品紅)、高強(qiáng)度火燒(紫紅色);上面相同的大寫(xiě)字母表示在每個(gè)特定的火燒處理后不同林分間沒(méi)有顯著差異(單因素方差分析,Fisher LSD檢驗(yàn),P<0.05)

TN在同一林分中火燒前后不存在顯著性差異,這一結(jié)果在4種林分中一致。TN在火干擾后,同一林分在中強(qiáng)度和高強(qiáng)度火燒后均顯著小于低強(qiáng)度火燒(除SC外,P<0.05)；TN在同一林分內(nèi),中強(qiáng)度和高強(qiáng)度火燒后不存在顯著性差異(除CS外)。TN在相同火干擾條件下,4種林分都表現(xiàn)為CS>Lf>PS>SC(圖4)。土壤全N在未火燒條件下,CS(0.25%±0.04%)和Lf(0.2%±0.06%)均顯著大于PS(0.12%±0.03%)和SC(0.09%±0.03%)(CS、Lf分別是PS、SC的2.1倍,2.8倍,1.8倍和2.3倍)。土壤TN在火干擾后(低、中、高),同一火強(qiáng)度下不同林分相互之間都存在顯著性差異(除高強(qiáng)度火燒后PS(0.1%±0.02%)和SC(0.09%±0.08%)之間無(wú)顯著性差異,P<0.05)。

TP在同一林分內(nèi),火燒前后不存在顯著性差異,這一結(jié)果在4種林分中一致(除Lf在高強(qiáng)度((0.23±0.03) g/kg)火燒后顯著小于未火燒((0.26±0.03) g/kg),表4)；TP在同一林分內(nèi),火干擾后不同火強(qiáng)度之間都存在顯著性差異(除SC在不同火強(qiáng)度下無(wú)顯著差異,P<0.05)。TP與TN一樣在相同火燒條件下都表現(xiàn)為CS>Lf>PS>SC(表4)。TP含量在未火燒時(shí),僅林分Lf((0.26±0.03) g/kg)和PS((0.22±0.04) g/kg)之間不存在顯著性差異；TP在火燒后,4種林分相互之間都存在顯著性差異(P<0.05,圖4)。

TK在同一林分內(nèi),相對(duì)于未火燒,低強(qiáng)度火燒后TK含量輕微降低,中、高強(qiáng)度火燒使其含量升高,但不同火干擾下相互之間都不存在顯著性差異(P<0.05),這一趨勢(shì)在4種林分中一致。TK在同一火干擾條件下,不同林分都表現(xiàn)為L(zhǎng)f>SC>PS>CS(圖4)。TK在未火燒時(shí),林分之間都不存在顯著性差異；TK在火干擾后,Lf和SC都顯著大于PS、CS。

3 討論

3.1 BD和SWR的變化

研究發(fā)現(xiàn)BD、SWR都隨火強(qiáng)度的增大呈增大趨勢(shì),尤其在高強(qiáng)度火燒后顯著增大。SWR相對(duì)于BD受火干擾影響更大。已有研究發(fā)現(xiàn)不同強(qiáng)度火燒可以增加[11,36- 37],減少[38]或者并不影響[39]林分的SWR。例如：Doerr等[39]于1998年發(fā)現(xiàn)低強(qiáng)度火對(duì)葡萄牙的桉樹(shù)(Eucalyptusrobusta)和松樹(shù)(Pine)林中的SWR沒(méi)有影響。而B(niǎo)D在火燒后變小,但是火燒前后沒(méi)有顯著性差異[40],這與本研究結(jié)論存在差異。Letey[11]于2001年發(fā)現(xiàn)土壤斥水性隨火強(qiáng)度的增大而增大,因?yàn)榛馃龝?huì)破壞草地的土壤斥水性,這一影響在高強(qiáng)度火干擾下更加明顯,土壤容重也會(huì)因火燒后土壤有機(jī)礦物團(tuán)聚體增加而增加[17],這些與本研究趨勢(shì)一致。

研究發(fā)現(xiàn)BD受高強(qiáng)度火燒影響顯著?；鸶蓴_后BD在同一林分不同火強(qiáng)度間均存在顯著性差異；火燒前后,CS中BD都顯著小于其他3種林分(Lf、PS、CS),說(shuō)明BD受林分類(lèi)型影響。有研究則表明,BD在火燒前后以及不同火強(qiáng)度之間無(wú)顯著差異或顯著降低[10]。例如,Diaz-Ferros等[41]于1990年和Xue等[40]研究發(fā)現(xiàn),在火燒后土壤中BD降低,但是BD在火燒與未火燒樣地內(nèi)沒(méi)有顯著性差異。辛穎等[14]發(fā)現(xiàn)火燒前后BD無(wú)顯著差異,且火燒后BD在針葉林中高于闊葉林。研究還發(fā)現(xiàn),BD在耕地中比其他農(nóng)用地(作物殘余物焚燒后的農(nóng)田和火燒跡地)高,但是火燒后顯著降低[10]。然而B(niǎo)D在地帶性闊葉林中顯著低于人工針葉林(C.lanceolata)[9]。此外,有研究則發(fā)現(xiàn)沒(méi)有火干擾時(shí)BD在林分間的差異與土層深度及樹(shù)種有關(guān),不同樣地間,白樺次生林第1層土壤容重最低,第2和3土層的土壤容重與其他樣地?zé)o顯著性差異[22],這與本研究結(jié)論不同。孫明學(xué)[42]則發(fā)現(xiàn)低強(qiáng)度火燒對(duì)大興安嶺地區(qū)各種林型土壤容重的影響差異性不大,這與本研究結(jié)論不同,主要是因?yàn)檠芯康牧址忠月淙~松混交林為主。

許多研究表明,SWR在火燒后增大、減小或者沒(méi)有變化,這些都是因?yàn)槠涫芑饛?qiáng)度、火持續(xù)時(shí)間、立地類(lèi)型,特別是土壤深度的影響。MacDonald等[43]于2004年發(fā)現(xiàn)的結(jié)論與本研究一致,其發(fā)現(xiàn)SWR隨火強(qiáng)度的增大而顯著增大,但隨著土層深度的增大火的影響逐漸變小。本研究中發(fā)現(xiàn)火強(qiáng)度越大SWR受影響越顯著(除PS)；火燒后,SWR在低強(qiáng)度和高強(qiáng)度火燒后有顯著差異。有研究發(fā)現(xiàn)斥水性土層的厚度取決于火燒強(qiáng)度[44],在林分中,火燒會(huì)導(dǎo)致斥水性物質(zhì)的強(qiáng)化和易位[45]。研究發(fā)現(xiàn)火燒區(qū)域出現(xiàn)極端斥水性[37],這一結(jié)論與本研究不完全一致主要是因?yàn)檠芯康臅r(shí)間節(jié)點(diǎn)不一致。在低強(qiáng)度火燒區(qū),SWR高于未火燒區(qū),但無(wú)顯著差異；但是中度和高強(qiáng)度的火燒顯著增加斥水性[46],因?yàn)檠芯康牧址质轻橀熁旖涣?這與本研究的結(jié)果一致。然而Glenn和Finley[36]于2010年發(fā)現(xiàn),土壤的入滲速率在中強(qiáng)度火燒后顯著大于高強(qiáng)度火燒,進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)土壤斥水性在中強(qiáng)度火燒后比其他強(qiáng)度火燒后都大,這是因?yàn)檠芯繕拥刂饕枪嗄緟^(qū)和草地。Scotter[47]發(fā)現(xiàn)人工林中林火引起表層土壤斥水性物質(zhì)被燒毀,而下層土壤斥水性則增強(qiáng)。Jordan等[38]于2011年發(fā)現(xiàn)中強(qiáng)度的火燒導(dǎo)致SWR增大,高強(qiáng)度火燒破壞土壤疏水性。本研究則發(fā)現(xiàn)同一火干擾下,SWR在4種林分間都不存在顯著性差異,表明SWR受森林類(lèi)型影響小。而其他研究則發(fā)現(xiàn)土壤斥水性在純林分內(nèi)顯著低于混交林分樣地[48]。SWR在沙洲橡樹(shù)林(Holmoaks)內(nèi)顯著低于松樹(shù)(Pines)和桉樹(shù)林(Eucalyptusrobusta)[49]。

3.2 SOM含量和pH值

有許多關(guān)于SOM的研究都認(rèn)為火干擾對(duì)其有影響,有部分認(rèn)為火燒減少了SOM含量[1,15,50- 51],也有部分認(rèn)為SOM隨火強(qiáng)度增大而增大[4,52- 53]。本研究發(fā)現(xiàn)SOM在各林分內(nèi)都隨火強(qiáng)度的增大而減少。這與Certini[1]于2005發(fā)現(xiàn)的研究結(jié)果一致,其發(fā)現(xiàn)由于高溫導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的分解,在重度火災(zāi)發(fā)生后,SOM會(huì)減少。相反,有研究則發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳在火燒跡地中最大[10],如Trabaud[52]發(fā)現(xiàn)SOM在火燒后增加。本研究發(fā)現(xiàn),隨火強(qiáng)度增大各林分SOM與火燒前的差異逐漸變大,Lf、PS、CS中SOM受高強(qiáng)度火的影響較顯著。低強(qiáng)度的計(jì)劃火燒通常不會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳發(fā)生較大的變化,但重度火燒可導(dǎo)致土壤碳的大量損失[50],這與本研究結(jié)論一致。Stromgaard[53]則發(fā)現(xiàn)由于未燃燒或部分燃燒的碎片被混入土壤中,SOM在輕度至中度火燒期間逐漸增加。在興安落葉松林內(nèi)重度火燒區(qū)土壤有機(jī)碳含量顯著高于其他火燒區(qū)(P<0.05),同時(shí)表現(xiàn)為重度>中度>輕度[6]。本研究發(fā)現(xiàn)SOM在火燒前后均表現(xiàn)為L(zhǎng)f顯著大于PS、SC,說(shuō)明SOM含量受林分類(lèi)型的影響,闊葉林內(nèi)SOM最大。有研究與本研究一致,低強(qiáng)度火干擾后不同林型的土壤有機(jī)質(zhì)之間都存在顯著性差異[42]。有研究發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度火干擾后,土壤有機(jī)質(zhì)含量白樺林(Betulaplatyphylla)最大,主要是因?yàn)榱窒驴萋湮锏脑黾雍头纸?及時(shí)補(bǔ)充了土壤表層有機(jī)質(zhì),而樟子松林(Pinussylvestris)枯落物少,所以有機(jī)質(zhì)含量最低[14],這與本研究發(fā)現(xiàn)的次生闊葉林中SOM最大的結(jié)論大致相同。有研究則發(fā)現(xiàn)在不同樣地間有機(jī)質(zhì)含量沒(méi)有顯著差異[54]。

目前大部分研究發(fā)現(xiàn)火燒導(dǎo)致土壤pH增大[21,55- 57],但也有研究發(fā)現(xiàn)火燒對(duì)林分pH的影響不大[58]；且大部分結(jié)論發(fā)現(xiàn)闊葉林大于針葉林[9,14]。本研究發(fā)現(xiàn)各林分pH都隨火強(qiáng)度增大而增大；與未燃燒區(qū)相比,pH值在高強(qiáng)度火燒后顯著增大,說(shuō)明高強(qiáng)度火燒對(duì)土壤pH值影響顯著。火燒后,同一林分pH在不同火干擾間差異顯著,表明不同強(qiáng)度火燒對(duì)林分影響差異較大。有研究也發(fā)現(xiàn)與未被火燒的樣地相比,火燒后樣地的pH值增加[47]。Hesammi等[55]發(fā)現(xiàn)燃燒作物殘茬后土壤pH值升高,這是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)酸被分解,金屬離子含量增加[13]。趙彬等[6]發(fā)現(xiàn)輕度火燒對(duì)土壤pH無(wú)影響,中度和重度火燒區(qū)pH值顯著高于未火燒區(qū),這可能是因?yàn)檩^高強(qiáng)度的火燒使土壤和凋落物中大量未離解的有機(jī)酸分解,逐漸從系統(tǒng)中消失,這些與本研究結(jié)論大概一致。然而辛穎等[14]則發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度火干擾后,與對(duì)照樣地相比,樟子松林土壤pH值升高,其他林分土壤pH值均降低。在高強(qiáng)度火燒后,pH值會(huì)升高,因?yàn)槿紵龝r(shí)在灰燼中釋放出堿性離子,有機(jī)酸也會(huì)隨著加熱而變性[59],這些結(jié)果都與本研究結(jié)果部分一致。有部分研究與本研究存在差異,火燒1年后土壤pH顯著升高,之后pH值逐漸下降[40],是因?yàn)檠芯康哪晗藜盎馃龔?qiáng)度與本研究不一致。同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)不同火干擾條件下pH均表現(xiàn)Lf為顯著大于其他林分(除高強(qiáng)度火燒),其他3種針闊混交林相互之間不存在顯著性差異,這表明pH受林分類(lèi)型影響顯著。大多數(shù)結(jié)論認(rèn)為闊葉林的pH值大于針葉林[14,58]。土壤pH值秸稈焚燒后的農(nóng)田內(nèi)顯著高于耕地[10]。而低強(qiáng)度火干擾下,針葉林的土壤pH之間不存在顯著性差異[23,42]。有研究則發(fā)現(xiàn),大興安嶺的兩種林分高強(qiáng)度火干擾后,土壤pH在落葉松中大于白樺林[21]。未火燒時(shí)木荷純林(Schimasuperba)的土壤pH小于馬尾松(Pinusmassoniana),這是因?yàn)槟竞杉兞謱?dǎo)致酸化加劇[60]。

3.3 TN、TP和TK

本研究發(fā)現(xiàn)土壤TN、TP、TK受林分類(lèi)型和火干擾強(qiáng)度的影響存在差異。已有研究也認(rèn)為火災(zāi)對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響有顯著性的差異[40],土壤有效養(yǎng)分同時(shí)受時(shí)間節(jié)點(diǎn)和林分類(lèi)型的影響。

本研究發(fā)現(xiàn)土壤TN火燒前后不存在顯著差異；僅低強(qiáng)度火燒顯著大于中、高強(qiáng)度火燒(除SC外)；在同一火燒強(qiáng)度下,TN在不同林分之間普遍存在顯著差異。表明與未火燒相比,火燒對(duì)TN影響較小,但林分類(lèi)型對(duì)TN有顯著影響。目前有研究也認(rèn)為火干擾對(duì)土壤全氮含量無(wú)顯著影響[61],這與本研究結(jié)論相似。然而,大多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)TN在火燒后增加或減少。例如,Covington和Sackett[62]發(fā)現(xiàn)土壤全氮含量在火燒后增大。Miesel等[63]也發(fā)現(xiàn)火燒后森林土壤氮含量增加。土壤TN隨著火燒強(qiáng)度從低到中逐漸增大[18]。重度火燒區(qū)土壤全N含量顯著高于其他火燒區(qū),即重度>中度>輕度,這可能是由于土壤微生物量的增長(zhǎng)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量增加和礦化作用加強(qiáng),從而刺激了土壤氮含量的增加[6]。與之相反,Bell和Binkley[64]指出火干擾導(dǎo)致松樹(shù)林中TN的減少,上方2 cm厚灰燼土內(nèi)TN含量較相鄰未火燒森林減少了25%[15]。與未開(kāi)墾的草地相比,長(zhǎng)時(shí)間的耕作加上焚燒殘余物嚴(yán)重耗盡耕地的TN,與鄰近的原始森林相比,每年進(jìn)行焚燒作業(yè)的草地土壤TN下降幅度較大[65]。沒(méi)有火干擾時(shí),土壤全N含量總體表現(xiàn)為:闊葉林>針葉林>灌草叢,這與不同林分類(lèi)型的凋落物量不同有關(guān)[66]。同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn),高強(qiáng)度火燒后不同林分類(lèi)型土壤TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為山楊林最高,樟子松林最低,由于樟子松林的土壤有機(jī)質(zhì)含量最低及有機(jī)質(zhì)分解作用強(qiáng)度最弱,所以其N(xiāo)含量最低[14]。有研究則發(fā)現(xiàn)低強(qiáng)度火燒后華山松(Pinusarmandii)和柏木(Cupressusfunebris)人工林的土壤TN含量不存在顯著性差異[23]。在重度火燒地區(qū),黑云杉的N含量略高于其他林分(白云杉、白楊和白樺林),不同林分之間沒(méi)有顯著差異[67]。

本研究發(fā)現(xiàn)TP與TN一樣,各林分與火燒前相比,僅Lf在高強(qiáng)度火燒后顯著小于未火燒,而火干擾后不同火強(qiáng)度之間都存在顯著性差異(除SC),說(shuō)明火強(qiáng)度對(duì)TP的影響較大。這與Kutiel和Naveh[15]的說(shuō)法一致,他們認(rèn)為火災(zāi)導(dǎo)致TP降低,原因是火燒使TP從植物體和凋落物中釋放出來(lái)。然而,馬尾松林TP在火災(zāi)發(fā)生4年后顯著降低,并維持不變[40]；也有研究發(fā)現(xiàn)煉山后,桉樹(shù)林表層土壤TP含量在1周后增大,但4個(gè)月后則低于對(duì)照區(qū)[30],這些與本研究結(jié)論存在一定差異是因?yàn)檠芯康臅r(shí)間節(jié)點(diǎn)和林分不同。許多研究發(fā)現(xiàn),由于土壤受熱和灰分存在[19],土壤TP在火燒后增加[20]。例如,在火燒后,土壤有效磷含量都比相鄰的未火燒林分高[10]。林火干擾后,中度火燒林土壤全磷含量有顯著提高,土壤TP含量顯著高于重度火燒區(qū)和未火燒區(qū),且不同火燒強(qiáng)度間有顯著差異[21],這與本研究部分一致。也有研究發(fā)現(xiàn),與火燒前土壤磷含量相比,火燒后各層磷含量都較高[68]。本研究發(fā)現(xiàn)TP含量在未火燒時(shí),僅林分Lf和PS之間不存在顯著性差異；然而TP在火燒后,4種林分相互之間都存在顯著性差異,說(shuō)明TP含量受林分類(lèi)型的影響較顯著。未火燒時(shí),杉木的土壤P含量普遍低于3種混交林[69]。全磷通過(guò)低強(qiáng)度火燒后損失較少,淋溶損失也少,華山松的全磷含量顯著大于柏木林[23],這一結(jié)論與本文部分一致。然而,許多研究發(fā)現(xiàn)TP在不同的樣地沒(méi)有顯著的差異。例如,Baer等[69]研究表明,土壤TP在草地和林分之間沒(méi)有顯著差異,這可能與土壤基質(zhì)的不同而導(dǎo)致植物對(duì)養(yǎng)分的選擇性利用有關(guān)。高強(qiáng)度火干擾后,不同林分類(lèi)型土壤全P含量為興安落葉松林、山楊林大于白樺林、樟子松林,但林分相互之間均不存在顯著性差異[14]。

本研究發(fā)現(xiàn)TK在各林分內(nèi)都隨火強(qiáng)度增大而增大,但同一林分TK含量在不同火強(qiáng)度間無(wú)顯著差異,表明火強(qiáng)度對(duì)TK無(wú)顯著影響。大部分研究發(fā)現(xiàn)火燒后TK升高[20]。Adams和Boyle[70]研究發(fā)現(xiàn),在火災(zāi)發(fā)生一個(gè)月后,有效鉀含量明顯高于未燃燒的水平,并且在3個(gè)月后持續(xù)增加。Giovannini等[17]發(fā)現(xiàn),土壤溫度和灰分增加了可萃取鉀的含量。Xue等[40]研究表明,火燒后土壤TK含量略有增加,而火燒后1—7年土壤TK含量逐漸減少,這與本研究結(jié)果部分一致。本研究發(fā)現(xiàn)TK在同一火燒條件下,不同林分都表現(xiàn)為天然闊葉林(Lf)大于針闊混交林。TK在未火燒時(shí),林分之間都不存在顯著性差異；TK在火干擾后,Lf和SC都顯著大于PS、CS,說(shuō)明TK受林分類(lèi)型影響顯著。這與肖靈香等[71]的結(jié)論不同,其發(fā)現(xiàn)沒(méi)有火干擾時(shí),不同林分類(lèi)型的K含量均有明顯差異,且大致表現(xiàn)為杉木林低于針闊混交林。低強(qiáng)度火燒后,華山松的全鉀含量顯著大于柏木林,鉀的流動(dòng)性很強(qiáng),關(guān)于火燒對(duì)鉀含量影響的原因較少,有待進(jìn)一步研究[23]。大興安嶺2個(gè)典型自然保護(hù)區(qū)受高強(qiáng)度火干擾后林下針葉林和闊葉林全K含量一致[21],這與本研究結(jié)論存在較大差異。

4 結(jié)論

火干擾在森林土壤物理和化學(xué)性質(zhì)的變化中發(fā)揮重要作用。主要結(jié)論如下：

(1)BD、SWR、pH值和TK隨火燒強(qiáng)度增加而增加,而SOM和TP則減少,TN沒(méi)有規(guī)律性變化。

(2)高強(qiáng)度火燒對(duì)BD、SWR、SOM的影響都很顯著,而低強(qiáng)度火燒顯著影響TN含量；TP和TK受火燒影響較小,火燒前后基本無(wú)顯著差異,但TP在火燒后不同火強(qiáng)度之間存在顯著性差異。

(3)BD、SOM和pH在火燒前后都表現(xiàn)為L(zhǎng)f大于其他3種林分；TN、TP和TK則表現(xiàn)為CS、Lf大于PS、SC；SWR表現(xiàn)為在Lf內(nèi)最小,結(jié)果表明純闊葉林與針闊混交林之間的土壤性質(zhì)差異明顯,除SWR,其他土壤性質(zhì)受林分類(lèi)型的影響顯著,尤其TN、TK在不同林分間都存在顯著性差異。