油松林間火燒跡地深層土壤物理性質(zhì)及碳儲(chǔ)量的變化研究

董立軍

摘要：林火的干擾在北方森林生態(tài)系統(tǒng)更新演替、物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用，林火對(duì)北方地區(qū)森林表層土壤碳密度、生物量有著明顯的改變作用，然而有關(guān)較深土層（≤40 cm）的碳儲(chǔ)量變化情況研究相對(duì)較少。以遼西地區(qū)油松林火燒跡地作為調(diào)查樣地，通過(guò)對(duì)周邊立地條件一致的未發(fā)生火災(zāi)的林區(qū)作為對(duì)照，以土壤物理性質(zhì)、碳儲(chǔ)量作為指標(biāo)開(kāi)展調(diào)查分析，結(jié)果表明，油松林火燒跡地土壤的物理性質(zhì)、碳元素含量發(fā)生了不同程度的變化，林火顯著增加了土壤的溫度和pH值，極顯著降低了土壤的含水量;林火對(duì)深層土壤容重的影響不明顯;火燒跡地上深層土壤全碳含量、可溶性有機(jī)碳含量均極顯著低于對(duì)照處理。

關(guān)鍵詞：油松;火燒跡地;物理性質(zhì);碳儲(chǔ)量

中圖分類號(hào)：S15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-3020（2022）03-0038-04

Study on Changes of Deep Soil Physical Properties and Carbon Storage in Burned Area of Pinus tabulaeformis

Dong Lijun

（National Jianping County Baishan Forest FarmChaoyang122406）

Abstract：The disturbance of forest fire plays an important role in the renewal and succession of the forest ecosystem in the north and the material cycle. Forest fire have a significant effect on the carbon density and biomass of the forest surface soil in the northern region. However， the deeper soil layer （ There are relatively few studies on the changes in carbon storage less than 40 cm. P. tabulaeformis?forest burned area? eastern Liaoning was used as the survey sample site， and the surrounding site conditions were consistent without fires as a control， and the soil physical properties and carbon storage were used as indicators to conduct investigation and analysis. The results showed that P.tabulaeformis?forest burned site soil physical properties and carbon content of forest fires have changed to varying degrees. Forest fire have significantly increased the temperature and pH of the soil， and have significantly reduced the water content of the soil. The impact of forest fire on the bulk density of deep soil is not obvious; The total carbon content and soluble organic carbon content of the deep soil above the site were significantly lower than the control treatment.

Key words：Pinus tabulaeformis; burned area; physical properties; carbon storage

全球的碳循環(huán)中，森林土壤的有機(jī)碳庫(kù)是一個(gè)重要的組成部分，其積累與代謝與全球的碳平衡有著直接的關(guān)系[1-2]。中國(guó)北方地區(qū)森林中儲(chǔ)存的碳量在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳總量中占比達(dá)到35%，其中土壤碳占比達(dá)到75%左右[2-4]。通過(guò)調(diào)查，北方地區(qū)的土壤碳總量中，>40 cm土層中土壤碳含量占比達(dá)到46%以上，且穩(wěn)定性相對(duì)較高[3]。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，土壤的深層中有機(jī)碳高穩(wěn)定性的原因，是化學(xué)成分難以分解，包括一些有機(jī)大分子，如木質(zhì)素等[4]。

目前北方地區(qū)影響森林碳循環(huán)的自然干擾因素中最重要的一項(xiàng)即為林火，是北方地區(qū)森林碳循環(huán)研究中不確定性的來(lái)源之一，因此有必要加大林火與森林土壤深層碳含量之間的關(guān)系研究。陳慶強(qiáng)等 [5] 、Harden J等 [6] 的研究表明，林火沒(méi)有直接影響到深層土壤中的碳，碳表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性;Rumpelc C I 等[7]、吳慶標(biāo)等[8] 的研究表明，林火可以改變深層土壤中碳的穩(wěn)定性，機(jī)理可能在于使土壤的環(huán)境、土壤有機(jī)碳組分發(fā)生了變化，進(jìn)而使碳的循環(huán)分配等發(fā)生一定的變化。Davidson E A [9]的研究表明，林火后1年土壤中的50 cm內(nèi)土壤溫度平均升高5 ℃左右，7年后1.4 m土層內(nèi)的溫度也有所升高，導(dǎo)致了凍土表層的融化，使深層土壤內(nèi)碳分解速度加快。除此之外，林火時(shí)的高溫環(huán)境雖然不會(huì)對(duì)深層土壤的微生物產(chǎn)生直接的影響，但火燒跡地深層土壤逐漸升溫后，碳源的可利用有所變化，微生物的活動(dòng)也傾向于進(jìn)一步激活，對(duì)有機(jī)碳的分解起到了促進(jìn)效果[10-11]。

油松Pinus tabuliformis是中國(guó)北方地區(qū)造林的主要樹(shù)種之一，有關(guān)油松林火燒跡地深層土壤性質(zhì)的變化情況目前還尚未有報(bào)道。為了進(jìn)一步研究北方地區(qū)油松林內(nèi)林火發(fā)生后，火燒跡地深層土壤物理性質(zhì)及碳儲(chǔ)量的變化情況，特選擇了北方地區(qū)某油松火燒跡地的土壤作為調(diào)查對(duì)象開(kāi)展研究。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省建平縣白山林的油松林內(nèi)，地理位置為東經(jīng)118°50′～121°51′，北緯40°21′～42°20′之間，中溫帶亞濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨熱同季，晝夜溫差大，積溫高，光照充足。冬、春季多風(fēng)，全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)和東南風(fēng)。全年平均氣溫7.6 ℃，1月平均氣溫-10.2 ℃，最低氣溫-28.2 ℃;7月平均氣溫24.7 ℃，最高氣溫42.3 ℃，平均≥10 ℃以上有效積溫3 400 ℃。年均無(wú)霜期150 d左右。年平均日照2 837 h。全年平均降水量474.7 mm，蒸發(fā)量2 240.0 mm，降雨多集中在7～8月。平均相對(duì)濕度53%。

植被類型以油松等針葉樹(shù)種為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種。該林區(qū)內(nèi)2000～2020年期間，大小林火發(fā)生次數(shù)22次，火燒面積平均在210.2 hm2左右。本研究選擇林區(qū)內(nèi)的一片52 hm2左右的火燒跡地作為調(diào)查對(duì)象，該火燒跡地火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間為2015年，由于當(dāng)年夏季天氣持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的高溫干旱，一次雷擊導(dǎo)致了森林火災(zāi)的發(fā)生，由于林區(qū)內(nèi)地形較為陡峭，救援工作難度大，導(dǎo)致大面積林區(qū)過(guò)火，一些被撲滅的火還以暗火的方式蔓延。

2研究方法

2.1樣地設(shè)置方法

2020年8月，采取分層取樣的方法在火燒跡地研究區(qū)域內(nèi)進(jìn)行樣地的設(shè)置，并選擇了立地條件相近的相鄰未經(jīng)歷林火的林地作為對(duì)照處理[12-13]。在處理樣地和對(duì)照樣地內(nèi)分別結(jié)合陽(yáng)坡、陰坡（坡向）及坡頂、坡下、坡上（坡位）等因子設(shè)置采樣組合，每個(gè)采樣組合共安排3個(gè)樣地（面積400 m，20 m×20 m），火燒跡地的處理組與對(duì)照處理共設(shè)置的樣地?cái)?shù)為30個(gè)[14]。

2.2調(diào)查取樣的方法

每個(gè)樣地內(nèi)，按照對(duì)角線法分別取5個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)在0～60 cm土層內(nèi)每隔20 cm取1次土樣，60～120 cm土層取土樣1次，每次取土樣250 g，分別裝入冰盒帶回，置于4 ℃冰箱內(nèi)冷藏處理。取土樣期間，選擇溫度傳感器對(duì)各土層的溫度進(jìn)行實(shí)地測(cè)量、記錄[15]。

2.3土樣的測(cè)定方法

采取環(huán)刀取樣法，取樣后及時(shí)稱取重量，并將土壤保存起來(lái)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行含水量、容重的測(cè)定。pH值的測(cè)定：將土樣與5倍體積的水混合后進(jìn)行45 min的震蕩混合（130 r·min），之后靜置一階段后用pH計(jì)進(jìn)行測(cè)量[15]。全碳含量的測(cè)量：將土樣置于80 ℃的烘箱內(nèi)烘干至恒重，經(jīng)過(guò)充分研磨、過(guò)篩（100目）后用元素分析儀進(jìn)行含量的測(cè)定[16]?？扇苄杂袡C(jī)碳含量測(cè)定：取土樣與5倍體積的水混合后震蕩培養(yǎng)1 h（250 r·min，溫度25 ℃），之后離心10 min（15 000 r·min），取上清液，過(guò)濾浸提（薄濾膜孔徑在0.45 μm），之后用元素分析儀進(jìn)行液體碳含量的測(cè)定[17]。

2.4數(shù)據(jù)處理方法

各處理多個(gè)樣地重復(fù)樣品數(shù)據(jù)最后取平均值進(jìn)行分析[18];數(shù)據(jù)分析中采用Excel與SPSS 13.0軟件。

3結(jié)果與分析

3.1火燒跡地與對(duì)照林間土壤的物理性質(zhì)變化情況

火燒跡地與對(duì)照處理林間土層的容重等主要物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。不同的處理不同土層深度土壤的理化性質(zhì)表現(xiàn)出不同的差異?；馃E地處理各土層深度的含水量均極顯著低于對(duì)照處理相同深度土層中含水量，其中火燒跡地處理組土壤中60～120 cm土層中含水量較對(duì)照組含水量低20.24%。

火燒跡地的處理各土層的土壤溫度均極顯著高于對(duì)照處理，0～20、20～40、40～60、60～120 cm土層溫度處理組分別高于對(duì)照組10.84、4.40、3.61、2.93 ℃;此外，在各樣地的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，火燒跡地各樣地土壤內(nèi)沒(méi)有永久凍土，而對(duì)照組內(nèi)有40%左右的樣地上存在永久凍土。

火燒跡地處理各土層深度的容重均大于對(duì)照處理相同土層深度的容重，其中0～40 cm土層內(nèi)差異達(dá)到了顯著性差異，40 cm以下的土層差異不顯著;火燒跡地的處理各土層pH值均大于對(duì)照組，其中0～20 cm土層差異性極顯著，其余土層的差異性顯著。由此可知林火干擾可對(duì)土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生明顯的影響，尤其是對(duì)土溫的影響達(dá)到了極顯著的水平，使土壤溫度增加、容重增加、土壤含水量降低、酸堿度增加。

3.2火燒跡地與對(duì)照林間土壤的碳含量變化情況

火燒跡地與對(duì)照處理林間土層的全碳含量及可溶性有機(jī)碳含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。不同的處理不同土層深度土壤的全碳及可溶性有機(jī)碳含量表現(xiàn)出不同的差異，均低于同土層對(duì)照組。全碳含量在0～20 cm土層處，處理組顯著低于對(duì)照處理，40～60、60～120 cm土層處極顯著低于對(duì)照處理，40～60 cm土層內(nèi)火燒跡地較對(duì)照處理低44.60%，60～120 cm土層內(nèi)火燒跡地較對(duì)照處理低30.91%;可溶性有機(jī)碳含量在火燒跡地各土層中0～20 cm差異顯著，20～40 cm差異不顯著，40 cm以上土層內(nèi)差異極顯著，40～60、60～120 cm土層內(nèi)火燒跡地分別是較照處理低40.80%、27.05%。由此可知，林火干擾可對(duì)土壤的碳含量產(chǎn)生較大的影響，使全碳、可溶性有機(jī)碳的含量均有所降低，其中以更深土層的影響更為明顯，達(dá)到了差異極顯著。

4結(jié)論與討論

4.1結(jié)論

結(jié)果表明，油松林內(nèi)火災(zāi)后早期恢復(fù)期間，不同深度土壤的物理性質(zhì)、碳元素含量發(fā)生了不同程度的變化，林火使土壤的溫度和pH值發(fā)生了顯著或者極顯著的增加，含水量極顯著降低，此結(jié)果與谷會(huì)巖等[12]的研究結(jié)果保持一致;除此之外，研究結(jié)果還表明了深層土壤的容重在林火的影響下未發(fā)生顯著的變化，分析其原因可能在于林火雖然對(duì)深層土壤含水量有較大幅度的降低，但由于土層深，土壤顆粒的緊實(shí)度等指標(biāo)未發(fā)生變化;林火可以通過(guò)對(duì)深層土壤含水量、溫度、pH值的影響來(lái)改變深層土壤碳元素儲(chǔ)存環(huán)境，加速深層土壤碳含量的釋放，達(dá)到全碳含量、可溶性有機(jī)碳含量均極顯著低于對(duì)照處理的效果，降低深層土壤中有機(jī)碳儲(chǔ)量，增加大氣中的碳含量，影響碳循環(huán)。

4.2討論

土壤溫度和土壤酸堿度的升高有利于土壤微生物繁殖，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分解，還促進(jìn)植物種子的存活和萌發(fā)，為植物生長(zhǎng)提供穩(wěn)定環(huán)境，森林恢復(fù)向著更有利于植物生長(zhǎng)及演替的方向發(fā)展。

土壤中碳的存儲(chǔ)、周轉(zhuǎn)直接或者間接地受到土壤中有機(jī)碳儲(chǔ)存環(huán)境的影響[11]，林間火災(zāi)的發(fā)生可對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生直接或者間接的變化，影響到土壤中碳庫(kù)的變化[12]。除此之外，林火還可對(duì)地表植被的演替軌跡產(chǎn)生影響，碳的富集在一定程度上影響了土壤水熱條件，通過(guò)淋溶、傳導(dǎo)等作用對(duì)深層土壤產(chǎn)生影響[12]。

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（責(zé)任編輯：唐嵐）