大興安嶺火燒跡地植被恢復(fù)過程中土壤氮素特征

吳晞 趙雨森 辛穎

摘 要：以大興安嶺重度火燒跡地不同恢復(fù)年限的林分土壤為研究對象，對各形態(tài)氮素含量進(jìn)行測定。為了研究重度火燒跡地在植被恢復(fù)過程中土壤氮素特征，研究結(jié)果表明：①大興安嶺“5·6”大火造成的重度火燒跡地，在植被恢復(fù)過程中，恢復(fù)了29 a的人工林土壤全氮儲量最高，為3.16 g/kg。分別是恢復(fù)18 a、8 a和23 a土壤全氮含量的1.79、2.82和3.43倍。② 0～10 cm土層，恢復(fù)29 a林分土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量顯著高于其他恢復(fù)年限。③土壤有機(jī)碳與全氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與銨態(tài)氮和硝態(tài)氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系。C/N與pH呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤全氮與銨態(tài)氮和硝態(tài)氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果可作為大興安嶺重度火燒跡地植被恢復(fù)的科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：土壤氮素;火燒跡地;植被恢復(fù);大興安嶺

中圖分類號：S774??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2022）02-0008-06

Distribution Characteristics of Soil Nitrogen During Vegetation

Restorations of Burned Area in Greater Xingan Mountains

WU Xi， ZHAO Yusen， XIN Ying*

（School of Forestry， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract：Taking the forest soil of different recovery years in the severely burned area of Great Xingan Mountains as the research object， the content of various forms of nitrogen was determined. In order to reveal the characteristics of soil nitrogen in vegetation restoration process of severely burned areas， the results showed that： ① in the process of vegetation restoration of burned area caused by the “5.6” fire in Greater Xingan Mountains， the total nitrogen storage was the highest in the soil of 29 years plantation， which was 3.16g/kg. It was 1.79， 2.82 and 3.43 times of total soil nitrogen content in 18， 8， and 23 years of restoration， respectively. ② In 0-10 cm soil layer， the contents of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in 29 years of restoration were significantly higher than those in other restoration years. ③ Soil organic carbon showed a very significant positive relationship with whole nitrogen， and that with ammonium and nitric nitrogen. The C/N was negatively correlated with the pH values. A significant positive correlation between soil whole nitrogen and ammonium and nitrate nitrogen. The results can provide scientific basis for vegetation restoration of severely burned area in Greater Xingan Mountains.

Keywords：Soil nitrogen; burned area; vegetation restoration; Greater Xingan Mountains

0 引言

氮素是森林生態(tài)系統(tǒng)中最重要的元素之一，是植被生長發(fā)育所必需的重要營養(yǎng)元素。自然生態(tài)系統(tǒng)中含有有機(jī)氮和無機(jī)氮兩大類，其中無機(jī)氮只占到全氮總含量的1%～8%。植物可以直接吸收的主要是無機(jī)氮，部分植物可以吸收小部分有機(jī)氮，自然狀態(tài)下，礦化作用可將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成植物可以吸收的無機(jī)氮。因此，土壤中無機(jī)氮的存在對植物的生長起到重要作用。

大興安嶺林區(qū)是我國寒溫帶針葉林的唯一分布區(qū)，承擔(dān)著維護(hù)地域生態(tài)平衡，保障生態(tài)安全的重任。該區(qū)也是我國的林火高發(fā)區(qū)，特別是1987年5月6日發(fā)生的特大森林火災(zāi)，燒毀森林資源100多萬hm2，形成大面積的重度火燒跡地。眾多學(xué)者對大興安嶺火燒跡地的研究更多地集中在土壤有機(jī)碳的分布特征，而該區(qū)域土壤氮素特征也逐漸引起關(guān)注。已有研究顯示火燒可以使土壤中的氮素?fù)p失，DeBano等研究發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度火燒過程中導(dǎo)致土壤中67%的氮損失?；馃m然釋放土壤中大量的氮，但也會引起可利用氮在短期內(nèi)增加，從而促進(jìn)火后植被更新。這種趨勢一般維持在火后大約1～2 a。在火燒后初期大興安嶺重度火燒跡地土壤全氮 、有效氮的含量有明顯的增加。在火后不同年限，土壤無機(jī)氮含量隨著時間推移而變化。Covington等發(fā)現(xiàn)在火干擾后土壤中的無機(jī)氮含量迅速增加。北方針葉林中火后隨時間推移可利用無機(jī)氮呈下降趨勢。斑克松林在野火干擾后凈氮礦化速率以及銨根離子含量最初下降隨后呈增加趨勢。

本研究以大興安嶺重度火燒跡地不同恢復(fù)年限的林分土壤為研究對象，通過對各形態(tài)氮素含量研究，揭示重度火燒跡地植被恢復(fù)過程中土壤氮素含量的特征，為大興安嶺地區(qū)火燒跡地植被恢復(fù)與重建工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于黑龍江省大興安嶺地區(qū)阿木爾林業(yè)局，該區(qū)是1987年“5·6”大火重災(zāi)區(qū)，地理坐標(biāo)為： 52 15′03″～ 53°33′15″N，122°38′30″～ 124°05′05″E。海拔為500 ～ 800 m。屬于寒溫帶大陸性氣候，夏季短暫而炎熱，冬季漫長且寒冷，晝夜溫差大。年均氣溫-5 ℃，年均降水量429～527 mm，年無霜期為80～110 d。地帶性土壤為棕色針葉林土，隱域分布沼澤土和泥炭土。區(qū)域內(nèi)主要樹種有興安落葉松（Larix gmelinii）、樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）、 白樺（Betula platyphylla）和山楊（ Populus davidiana）等。

1.2 樣品采集

2018年7月，對阿木爾林業(yè)局重度火燒跡地經(jīng)過植被恢復(fù)的林分進(jìn)行實(shí)地踏查，選取不同恢復(fù)年限（29、23、18、8 a）的落葉松人工林為研究對象，以天然恢復(fù)的林分為對照，所選樣地火燒前都是興安落葉松林，海拔、坡度和坡向等立地條件基本一致，土壤類型為棕色針葉林土。重度火燒后在不同年份種植落葉松，種植落葉松前并未做其他利用，落葉松人工林造林密度均為3 300株/hm2，造林后連續(xù)3 a進(jìn)行人工撫育。天然恢復(fù)的次生林在重度火燒后未受過人為干擾，主要樹種是白樺和山楊，見表1。在各林分中分別設(shè)置 3 個 20 m × 30 m 的標(biāo)準(zhǔn)樣地，每個標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)設(shè)置5個取樣點(diǎn)，每個取樣點(diǎn)按照0～10 cm和10～20 cm機(jī)械分層取樣，土壤樣品風(fēng)干后帶回實(shí)驗(yàn)室測定。

1.3 樣品測定

采用電位法測定土壤pH，元素分析儀測定土壤有機(jī)碳，先濃硫酸消煮，再半微量凱氏定氮法測定全氮，連續(xù)流動分析儀（AA3）測定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS Statistics 20，應(yīng)用單因素方差分析法分析重度火燒跡地在植被恢復(fù)過程中不同形態(tài)氮素的差異性，應(yīng)用Pearson法分析土壤各形態(tài)氮素與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤全氮特征

大興安嶺重度火燒跡地在植被恢復(fù)過程中，恢復(fù)29 a的林分土壤全氮含量顯著高于其他林分（P<0.05），土壤全氮含量為1.97 ～ 3.16 g/kg。其次是恢復(fù)18 a的林分，土壤全氮含量為1.32～1.77 g/kg?；謴?fù)23 a和8 a的林分土壤全氮含量低于天然次生林，如圖1所示。

重度火燒跡地在植被恢復(fù)后上層土壤全氮含量大于下層。0～10 cm土層，不同恢復(fù)年限下土壤全氮含量為0.92～3.16 g/kg?；謴?fù)29 a土壤全氮含量為3.16 g/kg，分別是天然次生林、恢復(fù)18 a、恢復(fù)8 a和恢復(fù)23 a土壤全氮含量的1.60、1.79、2.82和3.43倍。

10～20 cm土層，不同恢復(fù)年限林分土壤全氮含量為0.47～1.97 g/kg?；謴?fù)29 a和恢復(fù)18 a土壤全氮含量高于天然次生林，分別為1.97和1.32 g/kg?；謴?fù)8 a和恢復(fù)23 a土壤全氮含量低于天然次生林，分別為0.77? g/kg和0.47 g/kg?；謴?fù)29 a后土壤全氮含量分別是恢復(fù)18 a、天然次生林、恢復(fù)8 a和恢復(fù)23 a的1.49、1.93、2.56和4.19倍。

2.2 土壤銨態(tài)氮特征

由圖2可知，大興安嶺重度火燒跡地在不同恢復(fù)年限下土壤銨態(tài)氮含量為3.62～5.97 mg/kg，恢復(fù)29 a的林分土壤銨態(tài)氮含量最高?；謴?fù)29 a、恢復(fù)8 a、天然次生林、恢復(fù)23 a和恢復(fù)18 a土壤銨態(tài)氮含量分別為4.13 ～ 5.97、4.10～4.46、3.62～4.05、3.71～3.87和3.70～3.86 mg/kg。

在0～10 cm土層，土壤銨態(tài)氮含量范圍為3.70～5.97 mg/kg?；謴?fù)29 a土壤銨態(tài)氮含量顯著高于其他恢復(fù)年限（P<0.05）。恢復(fù)29 a和恢復(fù)8 a土壤銨態(tài)氮含量高于天然次生林，分別為5.97 mg/kg和4.10 mg/kg?；謴?fù)23 a和恢復(fù)18 a土壤銨態(tài)氮含量低于天然次生林，且含量很接近，分別為3.71 mg/kg和3.70 mg/kg。

10～20 cm土層，不同恢復(fù)年限落葉松人工林土壤銨態(tài)氮含量均高于天然次生林?；謴?fù)8 a土壤銨態(tài)氮含量最高，為4.46 mg/kg?；謴?fù)29 a和天然次生林上層土壤銨態(tài)氮含量大于下層土壤，其他恢復(fù)年限均是下層土壤大于上層土壤的銨態(tài)氮含量。

2.3 土壤硝態(tài)氮特征

由圖3可知，不同恢復(fù)年限下土壤硝態(tài)氮含量明顯不同，且均低于天然次生林?；謴?fù)29、18、8、23 a土壤硝態(tài)氮含量分別為1.04～1.78、0.62～0.79、0.50～0.54、0.44～0.53 mg/kg。

在0～10 cm土層，不同恢復(fù)年限落葉松人工林土壤硝態(tài)氮含量范圍在0.50～1.78 mg/kg?；謴?fù)29 a土壤硝態(tài)氮含量明顯高于其他恢復(fù)年限，分別是恢復(fù)23、18、8 a的3.34、2.62、3.56倍。

10～20cm土層，不同恢復(fù)年限下土壤硝態(tài)氮含量為0.44～1.04 mg/kg?；謴?fù)29 a、恢復(fù)18 a、恢復(fù)8 a、恢復(fù)23 a含量依次為1.04、0.62、0.54、0.44 mg/kg。除了恢復(fù)8 a外，其他恢復(fù)年限土壤硝態(tài)氮含量均是上層大于下層?；謴?fù)29 a上層土壤硝態(tài)氮含量是下層土壤的1.71倍。

2.4 土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值（ANR）特征

土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值（ ANR）能更好地反映土壤氮素形態(tài)。研究結(jié)果表明，不同恢復(fù)年限落葉松人工林土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值存在顯著性差異（P<0.05），落葉松人工林土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值均大于天然次生林。在0～10 cm土層，ANR范圍在2.15～8.21，由大到小依次為：恢復(fù)8 a、恢復(fù)23 a、恢復(fù)18 a、恢復(fù)29 a、天然次生林。10～20 cm土層，ANR范圍在2.67～8.80，由大到小依次為：恢復(fù)23 a、恢復(fù)8 a、恢復(fù)18 a、恢復(fù)29 a、天然次生林（圖4）。

2.5 土壤氮素與主要土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性

重度火燒跡地在植被恢復(fù)后土壤呈偏酸性，0～20 cm土壤pH范圍為4.73～5.42。其中，天然次生林土壤pH最高，人工恢復(fù)18 a在10～20 cm土壤pH最低。除了恢復(fù)18a的落葉松人工林土壤外，其他林分下層土壤pH均高于上層見表2。

土壤有機(jī)碳含量范圍為6.40～61.66 g/kg。在0～20 cm土層范圍內(nèi)，恢復(fù)了23 a和8 a落葉松人工林土壤有機(jī)碳含量低于天然次生林?；謴?fù)29 a的落葉松人工林土壤有機(jī)碳含量最大。土壤C/N的變化范圍為 13.62～20.29，不同恢復(fù)年限的落葉松人工林土壤C/N均高于天然次生林。0～10 cm土壤C/N最大的是恢復(fù)23 a，為20.29;最小是天然次生林，為13.99。10～20 cm，土壤C/N最大的是恢復(fù)29 a，為16.56;最小是恢復(fù)23 a，為13.62。

由表3可知，大興安嶺地區(qū)重度火燒跡地在不同恢復(fù)年限下，土壤中的有機(jī)碳含量與全氮含量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，與銨態(tài)氮和硝態(tài)氮存在顯著正相關(guān)性。土壤全氮與銨態(tài)氮和硝態(tài)氮存在顯著正相關(guān)性。C/N與pH呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 討論

1987年大興安嶺林區(qū)發(fā)生“5·6”特大森林火災(zāi)，此次火災(zāi)中植被嚴(yán)重破壞，過火面積達(dá)133萬hm2，其后逐漸開展植被恢復(fù)工作。本研究中，重度火燒跡地在不同恢復(fù)年限后土壤全氮含量不同，除恢復(fù)23 a外，總體上呈現(xiàn)出隨著恢復(fù)年限的增加土壤全氮含量逐漸呈上升的趨勢?；馃蚱屏送寥乐g的水熱平衡，火后土壤水分大量蒸發(fā)流失。隨著恢復(fù)年限延長，土壤水分狀態(tài)恢復(fù)，微生物活動加劇，氮礦化速度加快，土壤有效氮含量增多。溫度對土壤氮影響也相當(dāng)顯著，林火通過燃燒有機(jī)質(zhì)對氮循環(huán)產(chǎn)生影響，當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃左右氮開始揮發(fā)，達(dá)到500 ℃時有機(jī)質(zhì)中將有近一半的氮會揮發(fā)。同時火燒通過升高土壤溫度使土壤微生物活動加劇，影響土壤氮礦化速率。溫度高于508 ℃時導(dǎo)致熱敏性微生物死亡，超過708 ℃直接燒毀植被，被燒死的植物和微生物迅速氧化為無機(jī)氮。此外，植被恢復(fù)過程中所產(chǎn)生的凋落物重新回到土壤內(nèi)，土壤的結(jié)構(gòu)和成分通過微生物的活動得到了顯著的改善。這些過程和作用均會促進(jìn)土壤氮含量的增加。隨著恢復(fù)年限的增加，植被豐富度恢復(fù)增加，凋落物不斷礦化積累，因此土壤全氮含量呈現(xiàn)出隨著恢復(fù)年限的增加逐漸呈上升的趨勢。但是恢復(fù)23 a的林分，林下基本無灌木，產(chǎn)生的凋落物較少，且因其針葉樹種凋落物分解緩慢，不利于氮礦化積累，故此該年限林下土壤氮含量最低。

林地土壤中無機(jī)氮的主要成分為NH+4-N和NO-3-N?；馃倪^程改變了土壤的pH，同時也使土壤中的無機(jī)氮含量增加。已有研究發(fā)現(xiàn)0～10 cm土層的NH+4-N和NO-3-N的含量大于10～20cm土層。植被燃燒過程中會產(chǎn)生大量灰分，這些的灰分沉積物將會增加土壤中的無機(jī)氮含量。研究發(fā)現(xiàn)，大興安嶺重度火燒跡地在植被恢復(fù)過程中土壤NH+4-N呈現(xiàn)出先下降后增加的趨勢。NH+4-N能夠被植物快速吸收，在植被恢復(fù)早期，興安落葉松生長較快，不斷吸收土壤中的NH+4-N，而其凋落物分解速率較慢，因此土壤中NH+4-N含量降低。隨著恢復(fù)年限增加，凋落物持續(xù)分解，土壤有機(jī)氮不斷礦化，無機(jī)氮積累，NH+4-N含量增加。

在火燒跡地植被恢復(fù)過程中，土壤中NO-3-N的含量不斷發(fā)生變化，本研究表明，恢復(fù)29 a的落葉松人工林土壤NO-3-N的含量最高。除恢復(fù)23 a的林分外，土壤中的NO-3-N隨著年限延長呈現(xiàn)增加的趨勢。這是由于隨著恢復(fù)年限的增加，植被的物種豐富度增加，植被生長所產(chǎn)生的凋落物以及根系部分所產(chǎn)生的腐解物在土壤中不斷礦化、積累，一方面將大部分的無機(jī)營養(yǎng)元素返還給土壤，另一方面，植被恢復(fù)改善了土壤質(zhì)地、通氣狀況和理化性質(zhì)，進(jìn)一步促使微生物的活動能力增強(qiáng)，對氮素的固定轉(zhuǎn)化能力增強(qiáng)，土壤NO-3-N含量增加。同時在植被恢復(fù)早期，興安落葉松生長較快，不斷吸收土壤中的NO-3-N，而其凋落物分解速率較慢，因此土壤中NO-3-N含量增長緩慢。隨著恢復(fù)年限增加，興安落葉松生長平緩，吸收土壤中的NO-3-N趨于穩(wěn)定，凋落物持續(xù)分解，土壤有機(jī)氮不斷礦化，無機(jī)氮積累，NO-3-N含量增加。

4 結(jié)論

大興安嶺重度火燒跡地植被恢復(fù)過程中，通過對不同恢復(fù)年限下土壤氮素分布特征研究發(fā)現(xiàn)如下結(jié)論。

（1）大興安嶺重度火燒跡地在經(jīng)過29 a人工植被恢復(fù)后，土壤全氮和銨態(tài)氮儲量最高。0～10 cm土層，恢復(fù)29 a林分土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量顯著高于其他恢復(fù)年限。

（2）土壤中的NH+4-N隨著年限的延長呈現(xiàn)先減少再增加的變化趨勢。除恢復(fù)23 a的林分外，土壤中的NO-3-N和全氮隨著年限延長呈現(xiàn)增加的趨勢。

（3）大興安嶺重度火燒跡地植被恢復(fù)過程中，土壤有機(jī)碳與全氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與銨態(tài)氮和硝態(tài)氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系。C/N與pH呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤全氮與銨態(tài)氮和硝態(tài)氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

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