不同程度火干擾對(duì)大興安嶺凍土區(qū)土壤碳組分的影響

閆志剛，王 鼎，周 梅，趙鵬武，田金龍，舒定璽

(1.內(nèi)蒙古大興安嶺航空護(hù)林局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；4.內(nèi)蒙古畢拉河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 165479)

森林土壤有機(jī)碳是土壤碳匯的重要組成部分，森林土壤碳庫(kù)占全球土壤碳庫(kù)的73%，內(nèi)部組成極為復(fù)雜，且受外界影響較大，在調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支和碳平衡過程中起著關(guān)鍵作用[1]。因此，研究土壤有機(jī)碳對(duì)森林土壤碳匯的影響有重要意義[2-3]。森林土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化可能會(huì)引起大氣中CO2濃度發(fā)生改變，從而影響局地的氣候變化。因此，各國(guó)學(xué)者也越來越重視森林土壤碳庫(kù)的研究[4-5]。

火是森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要干擾因子，不同程度的火燒對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的作用不同，對(duì)森林土壤的有機(jī)碳庫(kù)造成影響也不同[6-7]。大興安嶺林區(qū)森林火災(zāi)頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能及土壤碳庫(kù)[8]。土壤活性有機(jī)碳占土壤有機(jī)碳總量的比例較小，但活性有機(jī)碳能夠直接參與土壤生物化學(xué)過程，反映出土壤質(zhì)量的微小變化[9]。

大興安嶺林區(qū)林下資源豐富，是森林火災(zāi)頻發(fā)區(qū)[10]。內(nèi)蒙古大興安嶺凍土分布較廣，北部地下多為連續(xù)永久凍土帶，東南部多為島狀凍土和季節(jié)性凍土分布區(qū)域?；鸶蓴_將導(dǎo)致部分凍土區(qū)凍土融化、土壤性質(zhì)發(fā)生改變[11-12]。本研究以內(nèi)蒙古大興安嶺凍土區(qū)不同火燒程度火燒跡地為對(duì)象，研究森林火災(zāi)后土壤恢復(fù)期碳組分的變化特征，旨在為森林火災(zāi)后土壤碳庫(kù)恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于畢拉河林業(yè)局2017年火燒跡地(49°00′-49°54′N，122°42′-123°55′E)，與汗馬國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)2018年火燒跡地(51°20′-51°49′N，122°23′-122°52′E)，2個(gè)研究區(qū)均隸屬于中國(guó)內(nèi)蒙古大興安嶺森林工業(yè)集團(tuán)有限公司。畢拉河林區(qū)位于大興安嶺山脈的東南坡，地下為島狀凍土區(qū)，汗馬保護(hù)區(qū)位于內(nèi)蒙古大興安嶺山脈西坡北部，地下為永久凍土區(qū)。氣候均屬寒溫帶大陸性氣候，特點(diǎn)是夏季溫暖短促、多雨，冬季寒冷漫長(zhǎng)。畢拉河林區(qū)年平均氣溫為-1.1 ℃，年平均降水量為480 mm，降雨期多集中在7-8月，約占全年降水量的50%～60%，無霜期130 d左右。汗馬保護(hù)區(qū)年平均氣溫-5.3 ℃，年降水量450 mm左右，集中在7-9月，約占全年總降水的70%。保護(hù)區(qū)全年有長(zhǎng)達(dá)10個(gè)月的積雪覆蓋，局部地區(qū)積雪常年不化，無霜期只有80～100 d。

1.2 樣地布設(shè)

分別于2017年5月和2018年7月在內(nèi)蒙古大興安嶺畢拉河林區(qū)2017年火燒跡地和汗馬保護(hù)區(qū)2018年火燒跡地內(nèi)設(shè)置輕度、中度、重度3種類型火燒樣地，同時(shí)在距離輕度火燒樣地1 km范圍內(nèi)設(shè)置未火燒對(duì)照樣地。每個(gè)類型樣地設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共24塊樣地，樣地規(guī)格均為30 m×30 m。

1.3 土壤樣品采集與實(shí)驗(yàn)方法

在樣地內(nèi)進(jìn)行S形取樣，每個(gè)樣地取5份土壤樣品，樣品按照0～10、10～20、20～30 cm土壤層分層取樣。取樣后用自封袋保存、冷藏，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、研磨后進(jìn)行土壤有機(jī)碳(SOC)和易氧化有機(jī)碳(ROC)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的測(cè)定。Elementarvario EL III(德國(guó))自動(dòng)碳氮分析儀測(cè)定土壤SOC含量。土壤ROC含量的測(cè)定采用高錳酸鉀氧化法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，使用SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(Duncan)，顯著性水平設(shè)定為P=0.05，使用Sigmaplot 12.5軟件進(jìn)行制圖。

表1 樣地基本特征

2 結(jié)果與分析

2.1 不同火燒程度土壤SOC變化特征分析

由圖1可以看出，在畢拉河與汗馬研究區(qū)，4種類型樣地土壤SOC含量在0～30 cm土壤層中隨著土壤層的加深而降低。在畢拉河研究區(qū)，火干擾會(huì)使得0～20 cm土壤層SOC含量增加，3種程度火燒樣地0～10 cm土壤層SOC含量均顯著高于對(duì)照樣地(P<0.05)，其中，重度火燒程度干擾下土壤SOC含量升高最多。輕度和中度火燒樣地10～20 cm土壤層SOC含量均顯著高于對(duì)照樣地(P<0.05)。輕度和重度火干擾會(huì)使20～30 cm土壤層SOC含量增加，中度火干擾會(huì)使20～30 cm土壤層SOC含量降低，但與對(duì)照樣地相比，3種程度火燒樣地20～30 cm土壤層SOC含量無顯著性差異(P>0.05)。在汗馬研究區(qū)中，較對(duì)照樣地相比，輕度和中度火干擾會(huì)使0～30 cm土壤層SOC含量增加，中度火燒樣地0～30 cm土壤層中SOC含量顯著高于對(duì)照樣地(P<0.05)，輕度火燒樣地10～30 cm土壤層中SOC含量顯著高于對(duì)照樣地(P<0.05)重度火干擾會(huì)使0～30 cm土壤層SOC含量降低，但重度火燒樣地0～30 cm土壤層SOC含量與對(duì)照樣差異不顯著(P>0.05)。可見，在畢拉河島狀凍土區(qū)火干擾會(huì)顯著增加0～10 cm土壤層有機(jī)碳含量；在汗馬永久凍土區(qū)輕度和中度火干擾會(huì)顯著增加0～20 cm土壤層有機(jī)碳含量(P<0.05)。

注：不同小寫字母表示相同土壤層不同火燒程度間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 不同火燒程度土壤ROC變化特征分析

由圖2可見，除畢拉河輕度火燒樣地外，2個(gè)研究區(qū)各類型樣地土壤ROC含量在0～30 cm土壤層中隨著土壤層的加深而降低。在畢拉河研究區(qū)，中度和重度火干擾會(huì)增加0～20 cm土壤層中ROC含量。其中，重度火燒樣地0～10 cm土壤層中ROC含量顯著高于對(duì)照樣地(P<0.05)。而輕度火干擾會(huì)降低0～10 cm土壤層中ROC的含量，增加10～30 cm土壤層中ROC含量，但輕度火燒樣地與對(duì)照樣地相比，0～30 cm土壤層中ROC含量差異不顯著(P>0.05)。在汗馬研究區(qū)，輕度和中度火干擾會(huì)增加土壤ROC的含量，而重度火干擾會(huì)降低土壤ROC的含量。其中，輕度和中度火燒跡地20～30 cm土壤層ROC的含量顯著高于對(duì)照樣地(P>0.05)。

圖2 不同火燒程度樣地土壤ROC含量

2.3 不同火燒程度土壤SOC與ROC關(guān)系

ROC含量在SOC含量中的比例是衡量土壤碳庫(kù)活性和穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，該比值越大土壤有機(jī)碳活性越高，更易被分解礦化。本研究發(fā)現(xiàn)，林火干擾會(huì)對(duì)ROC含量在SOC含量的占比產(chǎn)生影響，不同火燒程度干擾對(duì)ROC/SOC的值影響也不同。在畢拉河研究區(qū)，輕度和重度火燒樣地ROC/SOC的值隨著土壤層的加深而升高，對(duì)照樣地ROC/SOC的值隨著土壤層的加深而降低?；鸶蓴_顯著降低了0～20 cm土壤層中ROC/SOC的值(P>0.05)，其中輕度火燒樣地0～20 cm土壤層中ROC/SOC的值最低。在汗馬研究區(qū)，未火燒樣地ROC/SOC的值隨著土壤層加深而降低，3種火燒樣地ROC/SOC的值隨土壤深度變化無明顯規(guī)律。輕度火燒樣地ROC/SOC的值與對(duì)照樣地相比略有升高，中度樣地和重度樣地與對(duì)照樣地相比ROC/SOC的值略有降低，3種火燒樣地0～20 cm土壤層中ROC/SOC的值呈現(xiàn)輕度火燒樣地>中度火燒樣地>重度火燒樣地。輕度火干擾會(huì)增加0～30 cm土壤層中ROC/SOC的值，其中10～20 cm土壤層ROC/SOC的值顯著大于對(duì)照樣地(P>0.05)。中度和重度火干擾會(huì)降低0～20 cm土壤層ROC/SOC的值，但會(huì)增加20～30 cm土壤層ROC/SOC的值，其中20～30 cm土壤層ROC/SOC的值顯著小于對(duì)照樣地。

表2 不同火燒程度樣地土壤ROC/SOC值

ROC含量與SOC含量之間的線性回歸分析表明，畢拉河與汗馬研究區(qū)的ROC含量與SOC含量之間的存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)R分別為0.819、0.795，表明ROC含量在很大程度上取決于SOC含量。其中汗馬研究區(qū)R比畢拉河研究區(qū)高，表明ROC含量與SOC含量之間的相關(guān)性更高。

表3 不同凍土區(qū)土壤ROC與SOC相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1)在畢拉河島狀凍土區(qū)，火干擾會(huì)顯著增加0～10 cm土壤層有機(jī)碳含量；在汗馬永久凍土區(qū)，輕度和中度火干擾會(huì)顯著增加0～20 cm土壤層有機(jī)碳含量(P<0.05)。

2)大興安嶺凍土區(qū)土壤ROC含量與SOC含量之間的存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

3)在畢拉河島狀凍土區(qū)，火干擾會(huì)降低0～20 cm土壤層ROC/SOC的值，火燒程度越小ROC/SOC的值越小。在汗馬永久凍土區(qū)，輕度火干擾會(huì)增加0～30 cm土壤層ROC/SOC的值，中度和重度火干擾會(huì)降低0～20 cm土壤層ROC/SOC的值。

3.2 討論

不同火燒程度下，土壤SOC含量在垂直分布隨著土壤層的加深呈遞減趨勢(shì)，這與韓春蘭[13]等的研究結(jié)果相同，即在火燒樣地，森林土壤有機(jī)碳含量隨著土壤層的加深而降低。張宇婧等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，輕度火燒后大興安嶺森林土壤有機(jī)層碳含量與未過火對(duì)照樣地相比有小幅度升高，認(rèn)為是火燒使地表植被大量燃燒分解，同時(shí)產(chǎn)生了大量灰燼；火燒跡地土壤溫度高，微生物分解速度加快，大量未被燃燒殆盡的可燃物進(jìn)入土壤，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行了有益補(bǔ)充。在本研究中除汗馬重度火燒樣地外，不同凍土區(qū)不同火燒程度樣地0～20 cm土壤層中SOC含量也高于未火燒對(duì)照樣地。韓春蘭等[13]在火燒對(duì)興安落葉松林土壤有機(jī)碳含量影響的研究中發(fā)現(xiàn)，重度火燒后土壤表層的有機(jī)碳大量分解，這與汗馬研究區(qū)重度火燒樣地結(jié)果相同，分析可知重度火干擾后初期，森林恢復(fù)植被較少，表層有機(jī)碳補(bǔ)充也相對(duì)較少，導(dǎo)致有機(jī)碳含量較未火燒樣地相比明顯下降。

魏云敏[15]研究發(fā)現(xiàn)，輕度火燒樣地土壤總有機(jī)碳含量與碳組分含量高于未火燒樣地，而中度和重度火燒樣地，土壤總有機(jī)碳含量與碳組分含量均隨火強(qiáng)度增強(qiáng)呈下降趨勢(shì)。多數(shù)研究也表明火干擾后土壤活性有機(jī)碳含量會(huì)下降[16-17]，在本研究中只有在畢拉河輕度火燒樣地和汗馬重度火燒樣地內(nèi)發(fā)現(xiàn)該規(guī)律。在畢拉河研究區(qū)中度和重度火燒樣地與汗馬研究區(qū)輕度、中度火燒樣地內(nèi)均呈現(xiàn)火干擾后土壤活性有機(jī)碳含量增加的現(xiàn)象，這可能是因?yàn)樵诋吚友芯繀^(qū)中、高強(qiáng)度的林火干擾與汗馬研究區(qū)低、中強(qiáng)度的林火干擾會(huì)增加土壤內(nèi)活性有機(jī)物的數(shù)量，增強(qiáng)了土壤活性有機(jī)碳的效應(yīng)，致使土壤內(nèi)活性有機(jī)碳含量增加[18]。目前大量的研究結(jié)果表明，不同火燒程度下土壤碳組分含量的變化沒有一致的結(jié)論[19]。土壤有機(jī)碳組分變化與多種因素相關(guān)，如火燒程度、降雨、地形、林型、土壤質(zhì)地、人為干擾等都與有機(jī)碳組分的變化密切相關(guān)[12-22]。因此，不同程度火燒對(duì)森林土壤有機(jī)碳含量和碳組分含量的影響，還需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)期的定位觀測(cè)才能有更為準(zhǔn)確的結(jié)論。