興安落葉松林火燒跡地土壤微生物量碳氮特征1)

石炳東 韓懂懂 李兆國 全先奎 于宏洲 邸雪穎 楊光

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

土壤微生物是土壤中最活躍的組分之一[1]。它們在土壤中度過它們?nèi)炕虿糠值纳鼩v程，大多數(shù)的微生物過程取決于微生物的生物量和活性[2]。土壤微生物在森林生態(tài)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用[3]，它通過維持土壤肥力[4]、減輕土壤污染、調(diào)節(jié)土壤有機質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)[5]及其土壤結(jié)構(gòu)的形成等方式，控制著許多對生態(tài)系統(tǒng)功能至關(guān)重要的生態(tài)過程。土壤微生物的生物質(zhì)量稱為微生物生物量[6]，土壤微生物生物量包括微生物生物量碳(MBC，簡稱微生物量碳)、微生物生物量氮(MBN，簡稱微生物量氮)等。土壤微生物量碳氮是土壤養(yǎng)分元素中的活性養(yǎng)分庫，可以直接參與土壤碳氮等元素的形態(tài)轉(zhuǎn)化[7]與生物地球化學(xué)循環(huán)過程，是監(jiān)測土壤質(zhì)量變化的重要指標[4，8-11]，也是聯(lián)系不同圈層物質(zhì)與能量交換的重要紐帶[12]。

林火是森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要干擾因子，林火干擾會改變土壤微生物的結(jié)構(gòu)和功能[6]，它影響著土壤微生物對土壤養(yǎng)分的固定[13]，同時影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[14]。林火在燃燒過程中釋放的熱量，會升高土壤溫度，導(dǎo)致微生物細胞的溶解和死亡[15]；同時，土壤微生物量碳和微生物量氮在火燒跡地中也會發(fā)生改變；根據(jù)時間的推移，林火對土壤微生物的影響，也可以按短、中、長期劃分[6]。地形因子，會通過對火燒跡地水熱條件的改變，影響土壤系統(tǒng)的恢復(fù)力[16]。林火和地形因子對土壤微生物量碳氮的影響是相互關(guān)聯(lián)的，土壤微生物對火的中長期反應(yīng)會因為地形因子的影響而發(fā)生間接變化[17]。

關(guān)于火燒跡地土壤微生物量碳氮的研究，較多集中于短期效應(yīng)[18-23]，對中長期影響的研究較少[24]。為此，本研究在大興安嶺塔河縣1990年到2018年的興安落葉松(Larixgmelinii)林火燒跡地區(qū)域，設(shè)置試驗樣地，將樣地火燒后(過火)恢復(fù)時期分為恢復(fù)初期、恢復(fù)中期、恢復(fù)后期，將樣地坡度分為平坡、緩坡、斜坡，將樣地坡向分為陰坡、半陰坡、半陽坡、陽坡；以隨機采樣法采集表層(0～10 cm)土壤樣品，測定土壤微生物量碳氮，分析林火、坡度、坡向?qū)ν寥牢⑸锪刻嫉挠绊憽Ｖ荚跒樯钊胙芯块L時間尺度下興安落葉松林火燒跡地土壤微生物量碳氮特征，探索火燒跡地土壤微生物恢復(fù)機制、生態(tài)恢復(fù)機制提供參考。

1 研究區(qū)域概況

大興安嶺地處寒溫帶的大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，北起黑龍江畔，南至西拉木倫河上游谷地；土層極薄，氣候干旱，生長季短，屬于東西伯利亞南部落葉針葉林沿山地向南的延續(xù)部分；是我國唯一的寒溫帶針葉林區(qū)，也是我國最大的林區(qū)[25]。試驗樣地位于大興安嶺塔河縣，氣候?qū)俸疁貛Т箨懶詺夂?，低溫時間漫長寒冷、高溫時間短暫濕熱；年平均氣溫-2.4 ℃,年均風(fēng)速2.9 m/s，年平均降水量463.2 mm，平均無霜期98 d，年日照時間2 015～2 865 h，≥10 ℃有效積溫1 100～2 000 ℃。興安落葉松是大興安嶺地區(qū)荒山造林和林地更新的主要樹種，屬于耐火樹種，可以在一定程度上減弱林火對森林生態(tài)系統(tǒng)的干擾，是東北的珍貴樹種。其中，該地區(qū)的優(yōu)勢灌木主要有興安杜鵑(Rhododendrondauricum)、杜香(Ledumpalustre)、越橘(Vacciniumvitis-idaeaL.)、繡線菊(SpiraeasalicifoliaL.)，優(yōu)勢草本主要有苔草(Carexappendiculata)、鈴蘭(ConvallariamajalisLinn.)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

本研究于2018年8月中上旬，在大興安嶺塔河縣林業(yè)局作業(yè)區(qū)和漠河市林業(yè)局作業(yè)區(qū)(東經(jīng)123°3′～124°56′、北緯52°19′～52°42′)，選取時間序列為1990、1994、1996、2000、2003、2006、2008、2010、2012、2015、2018年林分信息相似的重度火燒樣地，同時記錄樣地的海拔、坡度、坡向，并使用控制變量法設(shè)立附近未過火樣地作為對照樣地(見表1)。

本研究設(shè)置未過火樣地為對照組；恢復(fù)時期設(shè)置為恢復(fù)時長t≤6 a為恢復(fù)初期、6 a

2.2 土壤樣品取樣和測定

土壤樣品于2018年獲取，以隨機采樣法采集土壤；在每塊樣地內(nèi)隨機設(shè)置至少30個采樣點，用土鉆采集表層0～10 cm的土壤樣品，采樣點間最小間距為2 m；將每個樣地采集到的土壤樣品隨機均勻分成3組，每組混合成1個混合樣品，共240份土壤樣品。

將樣品放置在冷凍冰柜(-40 ℃)內(nèi)運回實驗室后，經(jīng)過冷凍干燥、過篩，采用液氯熏蒸浸提法[26]測定土壤微生物量碳氮。取20 g樣品，其中10 g土樣置于50 mL離心管中，并按60 μL/g的干土比例加入氯仿，擰緊蓋子；黑暗處理24 h，加入浸提液K2SO4(按m(土)∶V(水)=1 g∶2 mL)，經(jīng)過振蕩混勻30 min，低速離心后，過濾至50 mL的離心管；水浴加熱60 min后，將待測液倒入10 mL的離心管中，準備上機。其中另外10 g土樣不加入氯仿，其他操作相同。土壤微生物量碳氮，采用德國耶拿Multi N/C 2100 S分析儀測定；土壤的含水率，采用烘干法測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 26.0和Origin Pro 2019B軟件分析處理文中數(shù)據(jù)。林火、坡度、坡向?qū)ν寥牢⑸锪刻嫉挠绊?，采用單因素方差分析法、多因素方差分析法、最小顯著性差異法(顯著性水平α為0.05)，并用斯皮爾曼(spearman)相關(guān)系數(shù)檢驗法進行分析；海拔的影響采用獨立樣本T檢驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 火干擾對土壤微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)的影響

由表2可見：火后恢復(fù)時長對土壤微生物量碳、微生物量氮質(zhì)量分數(shù)，產(chǎn)生一定影響。在各恢復(fù)時期內(nèi)，土壤微生物量碳、微生物量氮變化規(guī)律相似?；馃E地恢復(fù)過程中，土壤微生物量碳氮的質(zhì)量分數(shù)變化趨勢，均為初中期降低，后期恢復(fù)。土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)，在恢復(fù)初期和后期，顯著高于恢復(fù)中期(P<0.05)，但均低于未過火的對照組；土壤微生物量氮質(zhì)量分數(shù)，恢復(fù)中期顯著低于其他恢復(fù)期(P<0.05)，其他時間段微生物量氮質(zhì)量分數(shù)隨恢復(fù)時長無明顯變化。土壤微生物量碳氮比[微生物量碳質(zhì)量分數(shù)(w(C))與微生物量氮質(zhì)量分數(shù)(w(N))比(w(C)∶w(N))]，隨恢復(fù)時長的延長呈逐漸上升的趨勢，恢復(fù)中期和恢復(fù)后期較恢復(fù)初期有顯著提升(P<0.05)，而恢復(fù)初期與對照組相比無明顯差異。

表2 火燒跡地不同恢復(fù)期土壤微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)

任何生態(tài)過程的討論都離不開對時間尺度的考量，在火燒跡地內(nèi)生物和環(huán)境因素會隨著時間的推移而變化，并最終在多年后達到穩(wěn)定狀態(tài)[27]。姜睿[6]對大興安嶺火燒跡地土壤微生物量碳氮的研究表明，在不同的火后恢復(fù)年限中土壤微生物量碳氮存在顯著差異。本研究表明，火燒跡地火后恢復(fù)中期微生物量碳氮與火后恢復(fù)初期、后期、對照組差異顯著。在火燒跡地恢復(fù)過程中土壤微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)的變化趨勢，均為恢復(fù)初期、恢復(fù)中期降低，恢復(fù)后期接近未過火水平。原因是火燒跡地內(nèi)燃燒程度不同[28]；同時林火也增大了地表徑流率，降低了土壤的含水量，并消耗了大量的森林有機質(zhì)[29]，從而對土壤微生物量在火后恢復(fù)和繁殖的過程中產(chǎn)生了影響；這說明林火對土壤微生物的影響是長期且持續(xù)的，具有不可預(yù)見性[30]。因此，今后試驗研究還可加長時間跨度，進一步確定火后土壤微生物量碳氮完全恢復(fù)所需的時間。

3.2 火燒跡地地形因子對土壤微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)的影響

由表3可見：土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)，在平坡時，恢復(fù)初期和恢復(fù)中期，與恢復(fù)后期差異顯著(P<0.05)；在緩坡時，恢復(fù)中期與恢復(fù)后期差異顯著(P<0.05)；在斜坡時，無明顯變化規(guī)律。土壤微生物量氮質(zhì)量分數(shù)，在平坡時，對照組，顯著高于恢復(fù)初期、恢復(fù)中期、恢復(fù)后期(P<0.05)；在緩坡時，恢復(fù)中期，顯著低于恢復(fù)后期、對照組，在斜坡時，無明顯變化。微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))，在平坡時，恢復(fù)后期，與恢復(fù)初期、恢復(fù)中期差異顯著(P<0.05)；在其他坡度沒有明顯變化。

表3 火燒跡地各坡度不同恢復(fù)期的土壤微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)

選取陰坡、陽坡、半陰坡、半陽坡4個坡向，分析坡向?qū)ν寥牢⑸锪刻嫉挠绊?見表4。由表4可見：土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)，在陰坡和半陰坡時，恢復(fù)初期均顯著高于恢復(fù)中期、恢復(fù)后期(P<0.05)；在半陽坡時，恢復(fù)后期，與恢復(fù)中期、對照組差異顯著(P<0.05)；在陽坡時，恢復(fù)初期和恢復(fù)中期之間無顯著差異，但在恢復(fù)后期土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)與恢復(fù)初期和恢復(fù)中期均差異顯著(P<0.05)?；謴?fù)初期，微生物量碳質(zhì)量分數(shù)，陰坡和半陰坡之間差異不顯著，而半陽坡和陽坡顯著低于陰坡和半陰坡(P<0.05)；恢復(fù)中期，4個坡向不存在顯著差異；恢復(fù)后期，陽坡的土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)，顯著高于陰坡、半陰坡、半陽坡的土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)。土壤微生物量氮質(zhì)量分數(shù)，在陽坡的恢復(fù)初期、恢復(fù)中期、恢復(fù)后期變化顯著；陰坡、半陰坡，均為初期升高、后期降低、再恢復(fù)的趨勢。土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))，在半陽坡無明顯變化；在陽坡時，火后恢復(fù)初期、中期、后期差異顯著(P<0.05)。

恢復(fù)時長土壤微生物量氮質(zhì)量分數(shù)(w(N))/mg·kg-1陰坡半陰坡半陽坡陽坡恢復(fù)初期(28.4±1.6)aA(30.2±6.1)aA(19.9±4.1)abB(17.7±2.8)cB恢復(fù)中期(20.2±5.3)bA(17.8±4.8)bA(17.8±5.2)bA(10.6±0.2)dB恢復(fù)后期(20.6±7.3)bA(20.2±1.5)bA(21.9±7.6)aA(28.8±1.1)aA對照組(25.2±3.1)aA(26.5±1.6)abA(16.3±0.5)bB(23.6±1.4)bA

恢復(fù)時長w(C)∶w(N)陰坡半陰坡半陽坡陽坡恢復(fù)初期(10.7±0.9)bAB(11.2±1.1)aA(11.0±1.8)aA(9.3±1.4)cB恢復(fù)中期(11.1±2.5)bB(11.9±1.7)aB(11.8±2.3)aB(15.6±0.4)aA恢復(fù)后期(12.9±4.0)aA(10.4±1.1)abA(11.7±2.1)aA(11.5±0.6)bA對照組(10.6±1.2)bB(9.2±0.8)bC(11.7±0.9)aAB(12.9±0.1)bA

孔健健等[24]研究認為，在火燒跡地恢復(fù)6 a后，土壤微生物量碳顯著高于對照樣地。本研究結(jié)果表明，在火燒跡地恢復(fù)初期，土壤微生物量碳與對照樣地差異不顯著；這是因為孔健健等[24]研究的試驗地為平地，而本文研究的試驗地為坡地有關(guān)；相關(guān)分析[31]表明，隨著時間的推移，火的影響逐漸減弱，地形因子的影響逐漸加強[32]。坡度會通過水熱條件[31，33-34]影響土壤微生物的活動，較高坡度的土壤濕度高于較低坡度[35]，坡地的養(yǎng)分和水分更容易流失，也更容易受到土壤侵蝕[31，36]的作用；而火燒跡地的燃燒剩余物[37]和釋放的黏土礦物，也會堵塞土壤孔隙[16，38]，使坡地土壤結(jié)構(gòu)變得緊湊，從而減少土壤的水分。微生物會在火燒跡地的恢復(fù)中期受到更多來自坡地的影響。平坡的火燒跡地土壤微生物量碳隨著恢復(fù)時長的改變呈逐漸上升的趨勢，而緩坡和斜坡的火燒跡地在恢復(fù)中期的微生物量碳顯著降低；這也說明，坡度是影響該區(qū)域微生物量碳的重要地形因子。

不同的坡向會通過影響環(huán)境從而影響土壤微生物。白愛芹等[31]研究認為，在重度火燒跡地中，西坡土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))高于南坡，但差異不顯著。本研究表明，火燒跡地土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))，在恢復(fù)初期、中期、后期中，除陽坡外，半陰坡、半陽坡、陰坡3個坡向無顯著差異。這說明本研究的火燒跡地內(nèi)，半陰坡、半陽坡、陰坡3個坡向的土壤質(zhì)量水平相似。吳然等[39]研究認為，在灌木林和華北落葉松人工林下，土壤微生物量碳氮在陽坡顯著高于陰坡。Kong et al.[40]研究表明，受地形因子的影響，未燃燒場地和火后11 a的場地土壤特性差異很大，在火后11 a的場地中，靠北的斜坡比靠南的斜坡具有更多的土壤微生物量碳和生物量氮。本研究表明，在火燒跡地恢復(fù)中期與對照組相比，除半陽坡外，其他坡向恢復(fù)中期的微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)與對照組的微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)差異顯著，并且在火后恢復(fù)中期，陰坡的土壤微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)，比陽坡的土壤微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)高，這與Kong et al.[40]研究結(jié)果不同。這一結(jié)果表明，在火燒跡地中，不同坡向?qū)謴?fù)期間的土壤特性產(chǎn)生了不同的影響；陽坡光照條件充足，而陰坡光照水平低于陽坡，土壤水分蒸發(fā)量小，含水量相對較高。水分是原生質(zhì)的主要組成部分，控制著微生物的代謝活動，也是微生物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)素[41]，在潮濕的環(huán)境下，土壤微生物可以加速有機物的分解[42]；但另一方面，表層土壤的微生物，更容易受到林火的影響[32]，林火會使水分大量蒸發(fā)，使土壤含水量降低，影響微生物的活動。陰坡中，微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)，在火后恢復(fù)中期、后期和對照組中呈現(xiàn)緩慢恢復(fù)上升的規(guī)律；而在陽坡中，火后恢復(fù)后期已經(jīng)達到并超過了對照組的含量，這說明，火燒跡地中陽坡較高的土壤溫度更適宜土壤微生物的快速繁衍發(fā)育，使該區(qū)域能更快地恢復(fù)至火燒前水平。

3.3 火干擾及地形因子對土壤微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)的交互影響

由表5可見：土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)，與恢復(fù)時長、坡度呈顯著相關(guān)，說明恢復(fù)時長、坡度均影響著土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)，而火燒跡地坡度是影響該地區(qū)生物量碳質(zhì)量分數(shù)的主要因子。土壤微生物量氮質(zhì)量分數(shù)，與坡向呈顯著相關(guān)，與坡度呈極顯著相關(guān)，說明火燒跡地微生物量氮質(zhì)量分數(shù)受坡度的影響較大。土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))，與恢復(fù)時長呈極顯著正相關(guān)，與坡度、坡向呈極顯著負相關(guān)，說明該研究區(qū)域土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))受恢復(fù)時長、坡度、坡向的影響較大。

表5 土壤微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)與火干擾、地形因子間的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)

為進一步探索火干擾及地形因子對土壤微生物量碳氮的交互影響，將火后恢復(fù)時長、坡度、坡向3個影響較為明顯的因素，與微生物量碳質(zhì)量分數(shù)、微生物量氮質(zhì)量分數(shù)、微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))進行多因素方差分析(見表6)。由表6可見：恢復(fù)時長、坡度、坡向的交互作用，對土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)、微生物量氮質(zhì)量分數(shù)、微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))無顯著影響；恢復(fù)時長與坡度，對土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)產(chǎn)生極顯著影響(P<0.01)；恢復(fù)時長與坡度的交互作用，對土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)影響顯著(P<0.05)；恢復(fù)時長與坡向的交互作用，對土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)、微生物量氮質(zhì)量分數(shù)影響極顯著(P<0.01)；恢復(fù)時長，對微生物量氮質(zhì)量分數(shù)影響極顯著(P<0.01)。該研究區(qū)域內(nèi)，興安落葉松林火燒跡地，恢復(fù)時長對土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)、微生物量氮質(zhì)量分數(shù)的影響最強；恢復(fù)時長對土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))的影響較弱；地形因子，對火燒跡地土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)的影響較強，對火燒跡地土壤微生物量氮質(zhì)量分數(shù)的影響適中，對火燒跡地土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))的影響較弱。

多因素方差分析結(jié)果表明，火后恢復(fù)時長會顯著影響土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)、微生物量氮質(zhì)量分數(shù)；而坡度對土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)的影響顯著，且表現(xiàn)在恢復(fù)中期。坡向在火燒跡地對微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)都影響顯著，土壤微生物量碳受坡度和坡向交互作用的影響；這一結(jié)果表明，地形是一個緩慢的影響過程[40]，也是大興安嶺興安落葉松林火燒跡地恢復(fù)的一個重要的影響因素。

4 結(jié)論

林火對土壤微生物的影響是一個長期且持續(xù)的過程，火后恢復(fù)時長會顯著影響土壤微生物量碳氮，火燒跡地恢復(fù)28 a后，興安落葉松林土壤微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)接近但仍低于未過火的對照樣地。

火干擾也會影響不同坡度、不同坡向間土壤微生物量碳氮的質(zhì)量分數(shù)，其中恢復(fù)時長、恢復(fù)時長與坡向的交互作用，對土壤微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)均有極顯著影響。隨著火燒跡地的恢復(fù)，坡度對微生物量碳質(zhì)量分數(shù)、微生物量氮質(zhì)量分數(shù)的影響開始加深，而對微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))的影響不明顯。

在火燒跡地，坡向影響著土壤微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)，陽坡的土壤微生物比陰坡的更活躍，陽坡相比陰坡能更快地恢復(fù)至火燒前水平。