森林火燒黑炭對(duì)閩楠幼苗生長(zhǎng)及林地土壤養(yǎng)分的影響

張秋霞，吳曉生，嚴(yán) 強(qiáng)，林勇輝，劉 先，王玉哲

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)西芹教學(xué)林場(chǎng)，福建 南平 353001)

煉山是熱帶和亞熱帶地區(qū)一種清理采伐剩余物的傳統(tǒng)森林管理措施[1]。煉山具有兩面性，其一，煉山會(huì)帶來水土流失，地力衰退等一系列生態(tài)環(huán)境問題。其二，煉山雖然破壞了土壤結(jié)構(gòu)，降低了生物多樣性，但煉山減少了病蟲害，掃除了非目標(biāo)雜草，減少了與林木的養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)，并能促進(jìn)土壤腐殖質(zhì)的形成，有利于養(yǎng)分的快速歸還，對(duì)林木早期生長(zhǎng)具有一定的短期效應(yīng)[2]。目前，煉山仍然是我國(guó)南方馬尾松林松材線蟲病防治的重要措施，通過對(duì)馬尾松枝條進(jìn)行火燒處理能有效防治松材線蟲病的擴(kuò)散?；馃龑⒅参矬w內(nèi)有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為無機(jī)態(tài)，可提高土壤速效養(yǎng)分含量，但煉山又使養(yǎng)分揮發(fā)和向灰分傳遞，降低了全效養(yǎng)分含量[3]。煉山短時(shí)間內(nèi)可提高土壤速效養(yǎng)分，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，煉山常常會(huì)使林地養(yǎng)分虧損[4]。煉山對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響是復(fù)雜的，煉山的強(qiáng)度、頻率以及煉山時(shí)間都會(huì)影響土壤理化性質(zhì)[3,5-6]。

黑炭是煉山過程中采伐剩余物不完全燃燒的產(chǎn)物，具有化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、孔隙度和比表面積大等特點(diǎn)[7]。有研究表明，黑炭能增加土壤有機(jī)碳含量，改善土壤持水性，提高酸性土壤pH值，為土壤微生物提供適宜棲息環(huán)境，并可通過吸附作用減少土壤可溶性養(yǎng)分的流失進(jìn)而提升土壤肥力[8-10]。HERATHetal[8]將玉米秸稈生物炭加入土壤中，295 d后取樣發(fā)現(xiàn)生物炭改善了土壤持水性和穩(wěn)定性。OLESZCZUKetal[11]向土壤施用生物炭以后發(fā)現(xiàn)，土壤中脫氫酶、脲酶、蛋白酶、堿性磷酸酶和酸性磷酸酶活性增強(qiáng)。張宏等[12]研究表明，施用生物炭提升了土壤肥力，提高了小麥產(chǎn)量。與農(nóng)業(yè)系統(tǒng)相比，受可操作性等現(xiàn)實(shí)條件的限制，生物質(zhì)炭添加在林業(yè)中的應(yīng)用和研究相對(duì)較少。森林土壤中的黑炭主要來自野外原位火燒(野火或人為控制火燒如煉山)過程，然而，火燒黑炭對(duì)林木生長(zhǎng)的影響還需進(jìn)一步研究。

閩楠[Phoebebournei(Hemsl.)Yang]，又稱楠木，樟科(Lauraceae)楠木屬，亞熱帶常綠闊葉樹種，是中國(guó)特有的名貴建筑用材和觀賞樹種，屬國(guó)家二級(jí)保護(hù)植物[13-14]。作為我國(guó)特有的名貴木材，閩楠在我國(guó)有著悠久的培育歷史，但其對(duì)立地質(zhì)量要求較高，耐陰不喜強(qiáng)光，生長(zhǎng)較為緩慢，加之人類對(duì)閩楠資源的不合理利用與開發(fā)，使其漸為瀕危物種[15]。本研究以中亞熱帶煉山整地造林的3年生閩楠人工林為研究對(duì)象，通過測(cè)定樹高、地徑和冠幅等生長(zhǎng)特性指標(biāo)，并結(jié)合土壤氮有效性、有效態(tài)常量和微量養(yǎng)分元素含量特征，探究煉山及其產(chǎn)物黑炭管理方式對(duì)亞熱帶人工林林木生長(zhǎng)和土壤肥力的影響，以期為完善亞熱帶人工林采伐剩余物管理措施和閩楠人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究地位于福建北部南平市福建農(nóng)林大學(xué)西芹教學(xué)林場(chǎng)，地理坐標(biāo)為北緯26°33′，東經(jīng)118°06′ ，是武夷山脈東伸支脈的中低山山地，海拔200～500 m，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，全年氣候溫和，年均氣溫19.4 ℃，雨量充沛，年均降水量1 817 mm，年均日照時(shí)間1 807.8 h，無霜期302 d。土壤類型為花崗片麻巖上發(fā)育而成的黃紅壤。林場(chǎng)主要造林樹種為馬尾松(PinusmassonianaLamb.)、杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.]和閩楠等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用煉山整地造林方式營(yíng)造閩楠幼林。2015年底，對(duì)一片感染松材線蟲病的馬尾松人工林(2.8 hm2，坡度25°)進(jìn)行皆伐，為防止病蟲害擴(kuò)散， 2016年3月21日，在該林地對(duì)采伐剩余物火燒處理。林地內(nèi)采伐剩余物不完全燃燒生成黑炭，且黑炭在林地表面的分布具有很高的異質(zhì)性。為探究黑炭對(duì)土壤養(yǎng)分有效性和新造林木生長(zhǎng)的影響，煉山1周后，對(duì)林地內(nèi)火燒產(chǎn)生的黑炭進(jìn)行人為移除和添加處理，從而實(shí)現(xiàn)不同黑炭輸入量的實(shí)驗(yàn)處理[16]。本研究中黑炭指的是采伐剩余物不完全燃燒生成的塊狀黑炭，不包括完全燃燒產(chǎn)生的灰分和煙灰等已經(jīng)混入土壤中的粉狀黑碳。具體做法是在火燒林地內(nèi)隨機(jī)選取4個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域設(shè)置3個(gè)10 m×10 m樣方，3個(gè)不同黑炭輸入量處理：保留樣方內(nèi)火燒黑炭(B1)、移除火燒黑炭(B0)、將B0處理移出的黑炭均勻鋪灑至該樣方林地表面，相當(dāng)于雙倍黑炭(B2)輸入處理。選取附近未煉山(UB)區(qū)域作為對(duì)照。詳細(xì)試驗(yàn)處理信息見參考文獻(xiàn)[17]。2016年4月中旬，選擇1年生閩楠幼苗(購(gòu)自南平市森科種苗有限公司)，同批苗樹高、地徑和冠幅無顯著差異(平均苗高40 cm，地徑0.3 cm，冠幅20 cm)，按2 505株 · hm-2的密度在林地內(nèi)挖穴造林?；馃臀椿馃齾^(qū)域采取同樣的鋤草等撫育措施，試驗(yàn)期間未對(duì)苗木進(jìn)行施肥。

1.3 樣品采集與分析

2018年4月初，在每個(gè)處理小區(qū)進(jìn)行每木檢尺，測(cè)量閩楠樹高、地徑、南北冠幅和東西冠幅。采用皮尺測(cè)量樹高和冠幅，采用游標(biāo)卡尺測(cè)量地徑。同時(shí)在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選擇8點(diǎn)，首先移除林地表面的腐殖質(zhì)層和黑炭，然后采集0～10 cm和10～20 cm的礦質(zhì)土壤樣品，每個(gè)樣方各土層樣品為8個(gè)點(diǎn)的土壤混合組成，將土樣裝入塑料密封袋后冷藏運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室挑出石子、根系等后過2 mm篩。過篩土分成兩份，一份自然風(fēng)干，用于土壤pH值和養(yǎng)分元素含量測(cè)定；另一份于4 ℃冰箱冷藏保存，用于測(cè)定土壤含水率、可溶性總氮(total dissolved nitrogen, TDN)、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

土壤含水率采用烘干法，在105 ℃溫度下烘干至恒重；土壤pH值按水土比2.5∶1(25 mL去離子水加入10 g 風(fēng)干土)用去離子水浸提后再用pH計(jì)測(cè)定；土壤用2 mol· L-1KCl溶液(水土比5∶1， 50 mL溶液加入10 g鮮土)浸提1 h，濾液中的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量用Smart Chem 200全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀(AMS，意大利)測(cè)定，濾液中的可溶性總氮含量用TOC-LCPH總有機(jī)碳分析儀(島津，日本)測(cè)定?？扇苄钥偟c無機(jī)氮(銨態(tài)氮+硝態(tài)氮)含量的差值為土壤可溶性有機(jī)氮(dissolved organic nitrogen,DON)含量。二乙烯三胺五乙酸(DTPA)浸提土壤有效態(tài)元素后[18]，用Optima 8000電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀ICP-OES(珀金埃爾默，美國(guó))測(cè)定土壤浸提液中可提取態(tài)P、K、Ca、Na、Mg、Fe、Al、Mn、Cu、Zn元素含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 25.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用單因素方差分析煉山黑炭對(duì)閩楠生長(zhǎng)特性指標(biāo)、土壤含水率和pH值、土壤氮含量及土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響，并采用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行不同處理間差異顯著性檢驗(yàn)分析(P<0.05)。將閩楠生長(zhǎng)指標(biāo)(樹高、地徑、南北和東西冠幅)與0～20 cm土壤養(yǎng)分含量(0～10 cm和10～20 cm土壤養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)取其平均值)進(jìn)行Pearson相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 閩楠幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)

煉山2 a后，閩楠幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)如圖1所示。對(duì)比UB和B1處理發(fā)現(xiàn)，煉山對(duì)閩楠幼苗樹高、地徑和冠幅沒有顯著影響(P>0.05)。對(duì)于不同黑炭輸入量處理，B2處理閩楠幼苗地徑顯著低于B0處理(P<0.05)，而樹高和冠幅無顯著性差異(P>0.05)。由此可見，煉山對(duì)閩楠幼苗生長(zhǎng)沒有顯著影響，而黑炭則會(huì)抑制閩楠幼苗地徑生長(zhǎng)。

注：不同字母表示處理之間存在顯著性差異(P<0.05)。Note: different letters indicate significant differences among the treatments at P<0.05.

2.2 土壤含水率和pH值

由圖2可以看出，不同處理之間土壤含水率沒有顯著差異(P>0.05)。不同黑炭處理土壤pH值存在顯著差異(P<0.05)，在0～10 cm和10～20 cm土層，B2處理火燒土壤pH值均顯著高于UB和B0處理(P<0.05)，說明煉山和黑炭輸入對(duì)土壤含水率沒有影響，但黑炭能提高土壤pH值。

注：不同字母表示處理之間存在顯著性差異(P<0.05)。Note: different letters indicate significant differences among the treatments at P<0.05.

2.3 土壤氮含量特征

由圖3可知，煉山和煉山產(chǎn)生的黑炭對(duì)土壤可溶性總氮和可溶性有機(jī)氮含量均沒有顯著影響(P>0.05)。煉山對(duì)土壤礦質(zhì)氮的影響因土層而異，在0～10 cm土層，煉山對(duì)土壤礦質(zhì)氮含量沒有顯著影響(P>0.05)；在10～20 cm土層，B1處理土壤銨態(tài)氮含量顯著低于UB處理，而硝態(tài)氮含量顯著高于UB處理(P<0.05)?；鸷蠛谔枯斎肓繉?duì)土壤礦質(zhì)氮含量的影響同樣因土層而異，在0～10 cm土層，B2處理土壤銨態(tài)氮含量顯著低于B0和B1處理(P<0.05)，土壤硝態(tài)氮含量從高到低依次為B2>B0>B1，3個(gè)處理之間均存在顯著差異(P<0.05)；在10～20 cm土層，B1和B2處理土壤銨態(tài)氮含量均顯著低于B0處理，并且B1和B2處理有顯著差異，而B1和B2處理土壤硝態(tài)氮含量沒有顯著差異，但均顯著高于B0處理(P<0.05)。綜上所述，煉山和煉山產(chǎn)生的黑炭均會(huì)影響土壤礦質(zhì)氮含量，但對(duì)可溶性有機(jī)氮含量沒有影響。

注：不同字母表示處理之間存在顯著性差異(P<0.05)。Note: different letters indicate significant differences among the treatments at P<0.05.

2.4 土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量特征

從表1可以看出，煉山對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響因土層而異，在0～10 cm和10～20 cm土層，B1處理土壤Cu含量顯著低于UB處理(P<0.05)；在10～20 cm土層，B1處理土壤Na、Al和Zn含量顯著低于UB處理(P<0.05)，說明煉山抑制了土壤中Na、Al和Zn含量。煉山產(chǎn)生的黑炭對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素的影響也因土層而異，在0～10 cm土層，B2處理土壤Ca含量顯著高于B0、B1處理(P<0.05)，Mg和Mn含量顯著高于B0處理(P<0.05)，土壤Ca/Al顯著高于B0處理(P<0.05)；在10～20 cm土層，B2處理土壤P含量顯著高于UB和B1處理(P<0.05)，Na含量顯著高于B1處理(P<0.05)，說明黑炭能提高土壤P和Na含量。在0～10 cm和10～20 cm土層，各黑炭輸入量處理的土壤Cu含量均無顯著差異(P>0.05)，說明黑炭輸入量對(duì)土壤Cu含量沒有顯著影響。

表1 土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量Table 1 Soil nutrient element content at depths of 0-10 and 10-20 cm

2.5 閩楠幼苗生長(zhǎng)特性指標(biāo)與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析

如表2所示，閩楠幼苗樹高與0～20 cm土壤可溶性總氮和可溶性有機(jī)氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)；地徑與土壤可溶性總氮、可溶性有機(jī)氮和Zn含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與K含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明地徑受土壤K含量影響最大；南北冠幅與土壤可溶性總氮、可溶性有機(jī)氮和Mn含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他土壤養(yǎng)分含量沒有表現(xiàn)出相關(guān)性；東西冠幅與土壤Mg含量呈顯著正相關(guān)，而與Mn含量呈顯著負(fù)相關(guān)。

表2 閩楠幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)與0～20 cm土壤養(yǎng)分含量的相關(guān)性Table 2 Correlation between growth indexes of P. bournei seedling and soil nutrients at the depth of 0-20 cm

3 討論與結(jié)論

3.1 煉山對(duì)閩楠幼苗生長(zhǎng)的影響

本研究中，煉山處理閩楠幼苗樹高、地徑、冠幅等生長(zhǎng)特性指標(biāo)皆優(yōu)于未煉山處理，但差異未達(dá)到顯著水平。已有研究表明[1,19-21]，煉山能夠提高土壤速效養(yǎng)分含量，減少林下植被種類和數(shù)量，從而減小林下植被對(duì)土壤養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)煉山改良了林地衛(wèi)生條件，有效控制林地病蟲害。以此來看，煉山對(duì)苗木生長(zhǎng)是有益的。然而，本研究中煉山與未煉山處理閩楠幼苗樹高、地徑、冠幅之間的差異未達(dá)到統(tǒng)計(jì)分析上的顯著水平，說明煉山對(duì)閩楠幼苗生長(zhǎng)沒有明顯促進(jìn)作用，可能是由于本試驗(yàn)地土壤肥沃，即使未煉山，土壤養(yǎng)分也能滿足閩楠幼苗生長(zhǎng)所需[22]。此外，煉山對(duì)土壤速效養(yǎng)分的提升是短期的，本研究是在煉山2 a后。從長(zhǎng)期來看，煉山后林地土壤和灰分中的速效養(yǎng)分可能通過地表徑流或淋溶損失，從而加劇林地養(yǎng)分的流失[23]，而本研究是在雨量充沛，并常伴有暴雨的亞熱帶地區(qū)，以未郁閉的閩楠幼苗為研究對(duì)象，養(yǎng)分流失更為嚴(yán)重。因此，煉山為閩楠幼苗生長(zhǎng)帶來了一定程度上的弊端，抵消了對(duì)閩楠帶來的部分益處，未來應(yīng)在此類火燒樣地布置適宜的水土保持措施來減少土壤養(yǎng)分的流失。本研究發(fā)現(xiàn)，煉山土壤含水率低于未煉山，這與馬祥慶等[24]研究結(jié)果相似，煉山導(dǎo)致土壤表層失去植被覆蓋，裸露的地表受到太陽(yáng)直射后，土壤水分蒸發(fā)量增加，林地孔隙狀況日益惡化，地表逐漸板結(jié)，雨水難以滲透，降水大部分轉(zhuǎn)為地表徑流，并帶走大量養(yǎng)分。煉山導(dǎo)致0～10 cm土壤礦質(zhì)氮含量變化，但與未煉山相比沒達(dá)到顯著水平。林思祖等[25]研究發(fā)現(xiàn)，煉山后土壤礦質(zhì)氮因地表徑流的流失量大于未煉山，流失量隨著土層增加而減少。但WANetal[26]分析發(fā)現(xiàn)，煉山后短期內(nèi)土壤礦質(zhì)氮含量會(huì)快速提高，因?yàn)榛馃梢允褂袡C(jī)氮轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮，而無機(jī)氮是植物主要可利用的氮形態(tài)，但之后由于植物的吸收利用和微生物的活動(dòng)，礦質(zhì)氮會(huì)逐漸恢復(fù)到火燒前水平。銨態(tài)氮是閩楠吸收土壤礦質(zhì)氮的主要形態(tài)[27]，本研究煉山顯著降低了10～20 cm土層銨態(tài)氮的含量。煉山后0～10 cm土壤大部分元素的含量與未煉山土壤沒有顯著差異。雖然可溶性總氮、可溶性有機(jī)氮與閩楠樹高、地徑和南北冠幅呈顯著負(fù)相關(guān)，但煉山對(duì)土壤可溶性總氮和可溶性有機(jī)氮含量無顯著影響。

3.2 黑炭對(duì)閩楠幼苗生長(zhǎng)的影響

黑炭是煉山過程中不完全燃燒的產(chǎn)物，不僅能改變土壤理化性質(zhì)，還能影響土壤養(yǎng)分循環(huán)過程[28-29]，進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)。在已有的研究中發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭(包括生物炭和黑炭)對(duì)植物生長(zhǎng)的影響結(jié)果不一致。本研究中，與去除黑炭相比，閩楠樹高、冠幅在雙倍黑炭處理下，長(zhǎng)勢(shì)較差，這與張晗芝等[30]、孟穎等[31]的研究結(jié)論相似，可能因?yàn)楹谔扛叩奶嫉群筒糠趾谔糠纸鈱?dǎo)致氮固定，抑制了植物對(duì)氮的吸收。張晗芝等[30]研究發(fā)現(xiàn)添加由小麥秸稈轉(zhuǎn)化的生物炭抑制了玉米幼苗的生長(zhǎng)，且對(duì)苗高的抑制作用隨著生物炭量的增加而增強(qiáng)；同樣，孟穎等[31]發(fā)現(xiàn)玉米黑炭和水稻黑炭的加入抑制了玉米苗的生長(zhǎng)。黑炭的輸入提高了土壤pH值，因?yàn)楹谔縫H值較高，一般為堿性，表面攜帶的負(fù)電荷可交換酸性土壤中的H+和Al3+，降低它們?cè)谕寥乐械臐舛龋酝寥纏H值隨著黑炭量增加而升高。閩楠在pH值為4～6時(shí)，株高隨著pH值升高而降低[32]。黑炭對(duì)土壤可溶性總氮和可溶性有機(jī)氮含量沒有顯著影響，但對(duì)礦質(zhì)氮有顯著影響。此外，黑炭對(duì)閩楠幼苗的抑制作用可能與土壤銨態(tài)氮含量有關(guān)，有研究發(fā)現(xiàn)相較于硝態(tài)氮，閩楠更偏好吸收銨態(tài)氮[27]。本研究中黑炭輸入量的增加顯著降低了土壤銨態(tài)氮的含量，減少了閩楠可吸收利用的銨態(tài)氮，從而抑制了地徑的生長(zhǎng)。本研究發(fā)現(xiàn)土壤銨態(tài)氮含量與火后黑炭輸入量有關(guān)。黑炭輸入量的增加顯著降低了土壤銨態(tài)氮含量，可能是由于黑炭輸入促進(jìn)了土壤硝化作用[28]，此機(jī)理也從土壤硝態(tài)氮含量特征得到驗(yàn)證，雙倍黑炭輸入處理土壤硝態(tài)氮含量顯著高于移除黑炭處理。雖然本試驗(yàn)沒有研究煉山黑炭對(duì)土壤微生物的影響，但黑炭的孔隙結(jié)構(gòu)可有效改變土壤理化性質(zhì)，必然會(huì)影響土壤微生物。以往有研究[33]發(fā)現(xiàn)黑炭的多孔性可以為影響土壤硝化作用的細(xì)菌提供了很好的棲息環(huán)境，有利于增強(qiáng)土壤的硝化作用，促進(jìn)土壤銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，提高硝態(tài)氮含量，因此不利于閩楠生長(zhǎng)。黑炭灰分有大量元素，添加黑炭能提高土壤元素含量，但多數(shù)元素提高不顯著，所以增加黑炭量并不能顯著促進(jìn)閩楠幼苗生長(zhǎng)。