林火強(qiáng)度對(duì)興安落葉松林土壤氮循環(huán)功能基因的影響

關(guān)鍵詞：火燒強(qiáng)度;氮循環(huán)功能基因;興安落葉松;土壤養(yǎng)分循環(huán)

林火作為森林生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)重要影響因子，隨著全球氣候變暖，林火發(fā)生的頻率、火燒面積和火燒強(qiáng)度將會(huì)持續(xù)增加[1-2]。氮素是限制北方針葉林植被生長(zhǎng)恢復(fù)的首要營(yíng)養(yǎng)元素，而氮循環(huán)直接影響著土壤對(duì)植物本體的供氮能力[3]。研究表明高強(qiáng)度火燒會(huì)導(dǎo)致北方森林土壤中氮素大量損失，嚴(yán)重破壞該地區(qū)的土壤氮素循環(huán)，進(jìn)而減緩火后植被的恢復(fù)更新[4-5]，所以探究火干擾對(duì)土壤氮素循環(huán)的影響機(jī)制始終是眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。土壤微生物通過(guò)自身代謝過(guò)程產(chǎn)生的酶來(lái)控制土壤氮素循環(huán)轉(zhuǎn)化，通常用nifH ，amoA-AOA/amoA-AOB，nirK/nirS 和nosZ 基因豐度分別表征固氮酶、氨單加酶AOA/氨單加氧酶AOB、含銅離子/細(xì)胞色素cd1亞硝酸鹽還原酶和N2O 還原酶的活性，這些酶分別對(duì)應(yīng)著土壤氮的固持、硝化和反硝化過(guò)程[6]，因此火干擾對(duì)土壤氮素循環(huán)的影響可以通過(guò)探究火燒跡地土壤氮素循環(huán)功能基因與火燒強(qiáng)度之間響應(yīng)關(guān)系來(lái)解釋。

火燒通過(guò)控制土壤溫度對(duì)土壤微生物活性產(chǎn)生直接的影響，火燒時(shí)產(chǎn)生的高溫可達(dá)1500℃，直接導(dǎo)致土壤微生物大量死亡，且很難在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)[7]。已有研究表明，火燒導(dǎo)致土壤中的nirK，nosZ，narG 和nifH 基因豐度顯著增加，進(jìn)而導(dǎo)致土壤氮的總礦化率降低[8]。雖然火災(zāi)發(fā)生后森林土壤中N 含量降低，但參與N 固定的基因（nifH ）的相對(duì)豐度卻不受火災(zāi)的影響[9]。除此之外還有研究發(fā)現(xiàn)火災(zāi)影響的表層土壤中亞硝酸鹽還原基因（nirS）的相對(duì)豐度提高了70%（P=0.043），硝酸鹽還原基因（narG ）的相對(duì)豐度顯著降低（P =0.013）[10]。這主要是由于火燒強(qiáng)度、土壤類型、植被類型和氣候環(huán)境的不同導(dǎo)致土壤微生物對(duì)溫度的耐受性存在差異，因此在探究火干擾對(duì)土壤氮素循環(huán)的影響過(guò)程中還需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件進(jìn)行多次的分析，并且火后土壤理化性質(zhì)的改變也會(huì)對(duì)土壤氮循環(huán)基因產(chǎn)生顯著的間接影響[11]。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者圍繞火燒對(duì)土壤氮素循環(huán)的影響機(jī)制展開(kāi)大量研究，但研究主要偏重于對(duì)火后土壤氮組分含量、土壤氮的礦化、硝化等方面進(jìn)行探討[12-13]，而基于分子生物學(xué)層面，對(duì)土壤氮循環(huán)功能基因與火燒強(qiáng)度的響應(yīng)關(guān)系研究報(bào)道較少，亟需加強(qiáng)火干擾對(duì)北方森林土壤氮素循環(huán)功能基因豐度影響相關(guān)課題開(kāi)展研究。

大興安嶺林區(qū)作為我國(guó)北方森林火災(zāi)發(fā)生最為頻繁的地區(qū)之一，每年都會(huì)受到森林火災(zāi)的干擾，而興安落葉松（Larixgmelinii）由于具有抗寒的特性成為了林區(qū)內(nèi)分布最廣泛、種植最多的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種之一[14-15]。本研究選取火燒前以興安落葉松林為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的火燒跡地為研究對(duì)象，在火燒跡地內(nèi)分別設(shè)置重度火燒、輕度火燒、未火燒三種火燒強(qiáng)度樣地，對(duì)不同火燒強(qiáng)度樣地土壤理化因子[容重（Bulkdensity，BD）、含水率（Soilmoisturecontent，SMC）、pH 值、有機(jī)碳（Soilorganiccarbon，SOC）、全氮（TotalN，TN）、銨態(tài)氮（AmmoniumN，NH4+-N）、硝態(tài)氮（NitrateN，NO3--N）、速效磷（AvailableP，AP）、速效鉀（AvailableK，AK）、微生物量碳（MicrobialbiomassC，MBC）和微生物氮（MicrobialbiomassN，MBN）]以及參與土壤氮循環(huán)的微生物功能基因（固氮nifH，硝化amoA-AOA和amoA-AOB、反硝化nirS，nirK 和nosZ）進(jìn)行量化測(cè)定，探討土壤理化性質(zhì)和土壤氮循環(huán)基因?qū)馃拿舾谐潭?，并采用冗余分析（Redundancyanalysis，RDA）和Pearson相關(guān)性分析方法對(duì)土壤理化因子與土壤氮循環(huán)基因進(jìn)行分析，從而找出驅(qū)動(dòng)基因豐度變化的主要因子，旨在為火燒跡地土壤氮素循環(huán)、植被快速更新及火燒跡地的恢復(fù)管理提供重要數(shù)據(jù)支撐和建議。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)根河市（121°41'19″E，50°52'49″N）。該地區(qū)氣候?yàn)榈湫偷暮疁貛Т箨懶詺夂?，年降水量?50～550mm 之間，晝夜溫差變化大，冬季長(zhǎng)夏季短，冰凍期長(zhǎng)達(dá)9個(gè)月，年均氣溫-5.3℃，素有中國(guó)冷極之稱。土壤類型主要以弱酸性棕色針葉林土為主，植被類型喬木為興安落葉松（Larixgmelinii）、白樺（Betulaplatyphylla），灌木主要有紅豆越桔（Vacciniumvitis-idaea）、山刺玫（Rosadavurica）、興安杜鵑（Rhododendrondauricum）等[16]。

1.2 采樣點(diǎn)的鋪設(shè)

根據(jù)內(nèi)蒙古根河森林工業(yè)有限公司防火辦撲火記錄，選取2019年上央格氣林場(chǎng)火燒跡地為試驗(yàn)區(qū)，其過(guò)火面積為120.15hm2，起火原因?yàn)槔讚艋?。在火燒跡地內(nèi)進(jìn)行火燒強(qiáng)度調(diào)查劃分時(shí)，根據(jù)火燒強(qiáng)度劃分特征（表1）在火燒跡地內(nèi)設(shè)置了重度火燒、輕度火燒和未火燒三種火燒強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)樣地[17]。樣地大小為20m×20m，每種火燒強(qiáng)度各設(shè)置3塊重復(fù)樣地，一共9塊樣地，各樣地信息如表2所示。

1.3 樣品采集和測(cè)定

樣品采集時(shí)間為2022年7月，對(duì)每個(gè)樣地按照“S型”分別挖取3個(gè)土壤剖面，并對(duì)土壤分層取樣0～10cm 和10～20cm。取土前用鐵鏟對(duì)土壤枯枝落葉層進(jìn)行清除，避免樣本受到外部污染。先用鐵鏟將環(huán)刀砸入不同土層中，取出密封好并進(jìn)行編號(hào)，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行稱重、烘干。然后進(jìn)行取土，取土采用先下后上的原則，并在采集過(guò)程中要盡量剔除石礫、植物殘根等，每層采集的土壤樣品不少于200g。將3個(gè)土壤剖面相同土層土壤進(jìn)行混勻，裝入無(wú)菌的自封袋內(nèi)，將18個(gè)土壤樣品放入帶有冰袋的保溫箱中帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定分析。將每袋土壤樣品分為三份，一份樣品用于測(cè)定土壤pH 值、土壤有機(jī)碳含量、土壤全氮含量、土壤速效磷和土壤速效鉀含量;一份樣品儲(chǔ)存在-4℃的冰箱中，用于測(cè)定土壤含水量、土壤銨態(tài)氮和土壤硝態(tài)氮含量;最后一份樣品儲(chǔ)存在-80℃的冰箱中，用于測(cè)定土壤微生物量碳氮和土壤微生物氮循環(huán)功能基因豐度。

1.3.1 土壤理化性質(zhì)測(cè)定 土壤容重用環(huán)刀法測(cè)定;土壤含水率用烘干法測(cè)定;土壤pH 值用玻璃電極法測(cè)定（水土比為2.5∶1）;土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定;土壤全氮含量用凱式定氮儀測(cè)定;土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量采用流動(dòng)分析儀測(cè)定;土壤速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定;土壤速效鉀含量采用NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定[18]。土壤微生物量碳氮含量采用氯仿熏蒸法進(jìn)行測(cè)定[19]。

土壤微生物量碳含量（mg·kg-1）的計(jì)算公式：MBC=EC/kEC。

式中：EC=熏蒸土壤提取的有機(jī)碳含量—不熏蒸土壤提取的有機(jī)碳含量。

kEC為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值0.45。

土壤微生物量氮含量（mg·kg-1）的計(jì)算公式：MBN=EN/kEN。

式中：EN =熏蒸土壤提取的全氮含量—不熏蒸土壤提取的全氮含量。

kEN 為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值0.45。

1.3.2 土壤氮循環(huán)基因測(cè)定 稱取0.5g土壤樣品用DNeasy PowerSoil ProKit（QIAGEN，美國(guó)）試劑盒進(jìn)行DNA的提取。使用NanoDrop2000微光分光光度計(jì)（ThermoFisherScientific，美國(guó)）檢測(cè)DNA純度，使用TBS-380微型熒光計(jì)（TurnerBioSystems，USA）檢測(cè)DNA濃度。1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）瓊脂糖凝膠電泳，電壓5V·cm-1，時(shí)間為20min，檢測(cè)DNA完整性。通過(guò)熒光定量PCR儀（ABIGeneAmp9700型，ABI，美國(guó)）對(duì)土壤固氮（nifH ）、硝化（amoA-AOA，amoA-AOB）、反硝化（nirS，nirK，nosZ）氮循環(huán)過(guò)程相關(guān)功能微生物基因進(jìn)行擴(kuò)增，擴(kuò)增所用引物及擴(kuò)增程序見(jiàn)表3，擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)合格后進(jìn)行純化，使用NEXTFLEXRapidDNA-SeqKit進(jìn)行測(cè)序文庫(kù)構(gòu)建，使用IlluminaNovaSeq測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行宏基因組測(cè)序[20]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS26統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)不同火燒強(qiáng)度后土壤氮循環(huán)基因的豐度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析，并運(yùn)用CANOCO5.0軟件對(duì)土壤氮循環(huán)基因進(jìn)行冗余度檢驗(yàn)分析。分析方法包括描述性統(tǒng)計(jì)分析、單因素方差分析（ANOVA）、FisherLSD 檢驗(yàn)、Pearson相關(guān)性分析和RDA（冗余度分析）檢驗(yàn)分析。采用Origin2020制圖軟件制作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同火燒強(qiáng)度對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

如表4所示，不同火燒強(qiáng)度對(duì)土壤理化性質(zhì)影響顯著（Plt;0.05）。重度火燒和輕度火燒樣地土壤BD，pH值，NO3--N，AP和 AK 含量相較于未火燒樣地分別增加了15.87% 和3.10%，5.86% 和4.08%，41.89% 和10.25%，28.88% 和3.10%，49.64%和10.36%，說(shuō)明火燒提高了土壤BD，pH值，NO3--N，AP和 AK含量，并隨著火燒強(qiáng)度的增加而增加。重度火燒和輕度火燒樣地土壤SMC，TN，NH4+-N，MBC和 MBN 含量相較于未火燒樣地分別減少了12.27% 和4.35%，38.94% 和15.66%，20.59% 和11.76%，8.38 和3.27%，13.12%和10.73%，說(shuō)明火燒降低了SMC，TN，NH4+-N，MBC和 MBN含量，并隨著火燒強(qiáng)度的增加而減少。輕度火燒提高了SOC含量，重度火燒降低。顯著性分析表明，土壤各理化性質(zhì)含量在重度火燒與未火燒之間存在顯著差異（Plt;0.05），且在不同土層之間也有顯著差異。重度火燒對(duì)10～20cm土層土壤理化性質(zhì)有顯著的影響，而輕度火燒只影響了0～10cm 土層。

2.2 不同火燒強(qiáng)度對(duì)土壤氮循環(huán)功能基因豐度的影響

火燒強(qiáng)度對(duì)土壤氮循環(huán)功能基因豐度的影響如圖1所示。固氮nifH 功能基因豐度在不同火燒強(qiáng)度樣地之間由大到小依次為未火燒、輕度火燒、重度火燒，隨著火燒強(qiáng)度的增加而降低。硝化amoAAOA和amoA-AOB 功能基因豐度在不同火燒強(qiáng)度之間的變化趨勢(shì)與固氮nifH 功能基因相反。輕度火燒提高了反硝化nirK，nirS 和nosZ 功能基因豐度，重度火燒降低了其基因豐度。顯著性差異分析表明，土壤氮循環(huán)功能基因豐度主要在重度火燒與未火燒之間存在顯著差異（Plt;0.05）。重度火燒對(duì)10～20cm 土層土壤氮循環(huán)功能基因豐度有顯著的影響，而輕度火燒只影響了0～10cm 土層。

2.3 土壤氮循環(huán)功能基因的影響因子分析

Pearson相關(guān)性和RDA 分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤氮循環(huán)功能基因與土壤理化性質(zhì)之間存在著密切的聯(lián)系。具體如下（圖2）：固氮nifH 功能基因豐度與SMC，pH 值分別呈顯著正相關(guān)和負(fù)相關(guān)關(guān)系（Plt;0.05）;硝化amoA-AOA 功能基因豐度與BD，pH值呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P lt;0.05），與TN 含量、NH4+-N含量、MBN含量、SMC，SOC含量、MBC含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（Plt;0.05）;硝化amoA-AOB功能基因豐度與BD，pH 值呈顯著正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.05），與TN含量、SMC，NH4+-N含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P lt;0.05）;反硝化nirS 功能基因豐度與TN含量、SMC呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.01）;反硝化nirK 功能基因豐度與SOC含量、SMC，TN 含量、NH4+-N 含量、MBC含量、MBN 含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.05）;反硝化nosZ 功能基因豐度與TN含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.05）。RDA 分析結(jié)果表明，第一、二軸的特征值分別為0.5702，0.1473，共解釋了總方差的71.75%。表明土壤理化性質(zhì)能夠較好的解釋與土壤氮循環(huán)功能基因的關(guān)系。從圖3可以看出，SOC，AP，TN，pH 值對(duì)不同火燒強(qiáng)度土壤氮循環(huán)功能基因具有最大解釋度（SOC：29.0%，P=0.008。AP：33.0%，P=0.002。TN：8.3%，P=0.03。pH：9.5%，P=0.01）。

3 討論

3.1 火燒強(qiáng)度對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響分析

本研究通過(guò)對(duì)不同火燒強(qiáng)度后土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)測(cè)定分析發(fā)現(xiàn)，火燒會(huì)對(duì)土壤環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，尤其是重度火燒會(huì)對(duì)土壤環(huán)境恢復(fù)造成一個(gè)嚴(yán)重的甚至失去恢復(fù)能力的影響。研究發(fā)現(xiàn)火燒對(duì)BD有顯著性的影響（Plt;0.05），BD 隨著火燒強(qiáng)度的增加而增加，重度火燒影響最大，并且這種影響隨著土壤深度的增加而減少，這與陳小偉等的研究結(jié)果相似[27]。同樣Phillips等[28]對(duì)橡樹(shù)林地進(jìn)行規(guī)定火燒發(fā)現(xiàn)火后BD 也呈增加的趨勢(shì)，這可能與土壤有機(jī)質(zhì)大量損失有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)SMC與BD 之間有著密不可分的聯(lián)系，隨著B(niǎo)D的增加，土壤變得越來(lái)越緊實(shí)，導(dǎo)致SMC降低[29-30]，而本研究對(duì)火燒后SMC的測(cè)定也得到了相同的結(jié)果。

目前大量研究報(bào)告表明火燒會(huì)導(dǎo)致pH 值增大[31]，但也有少部分研究表明火燒對(duì)pH 值沒(méi)有影響[32]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤pH 值隨著火燒強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。范雪松等[33]也發(fā)現(xiàn)該地區(qū)重度火燒跡地土壤pH 值比未火燒地增加了7.7%，分析其原因可能是大興安嶺興安落葉松林土壤呈弱酸性，林火燃燒地上植被所產(chǎn)生的灰燼中富含的鈣鎂等堿性離子隨雨水浸入土壤中從而導(dǎo)致pH 值上升。本研究結(jié)果顯示，輕度火燒導(dǎo)致SOC 含量增加，重度火燒導(dǎo)致SOC 含量減少。陸剛[34]和周文昌等[35]的研究均也得到了相同結(jié)果，分析其原因可能是重度火燒造成地表植被完全燒毀，并且植被燃燒時(shí)產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致土壤表層的有機(jī)碳被大量分解導(dǎo)致的;而輕度火燒后大量的植被沒(méi)有被完全燒毀，產(chǎn)生的可燃物進(jìn)入土壤，加之燃燒時(shí)產(chǎn)生的高溫促進(jìn)了微生物對(duì)可燃物的分解，進(jìn)而對(duì)SOC進(jìn)行了有效補(bǔ)充[36]。土壤TN 隨著火燒強(qiáng)度的增加而減少，這可能與火燒時(shí)產(chǎn)生的溫度有關(guān)，研究表明氮在溫度達(dá)到200℃時(shí)就會(huì)開(kāi)始揮發(fā)，而森林發(fā)生火災(zāi)時(shí)的溫度可達(dá)1500℃[37]，并且火后SOC的減少同樣也會(huì)對(duì)TN 產(chǎn)生影響，谷會(huì)巖等[36]研究發(fā)現(xiàn)SOC與TN 呈正相關(guān)關(guān)系，這在本研究中也得到了證實(shí)。

本研究發(fā)現(xiàn)火后 NO3--N 含量顯著增加，并隨著火燒強(qiáng)度增加而增加，這與Albert-Belda等[38]研究結(jié)果相似，同樣張琳等[39]研究也發(fā)現(xiàn)火后 NO3--N含量顯著增加，并且火后 NH4+-N 含量也明顯高于對(duì)照樣地，這與本研究的結(jié)果存在差異，本研究發(fā)現(xiàn)重度火燒后 NH4+-N 含量降低，而輕度火燒后NH4+-N含量增加，這可能與溫度有關(guān)，張琳的研究區(qū)為草地，火燒時(shí)產(chǎn)生的溫度低于森林火災(zāi)。當(dāng)土壤溫度升高時(shí)，有機(jī)態(tài)氮和銨態(tài)氮會(huì)分解釋放出氨氣，氨氣在空氣中會(huì)迅速轉(zhuǎn)化為氮?dú)獠⑨尫诺??；馃龝?huì)破壞土壤中的有機(jī)質(zhì)，使其更易于降解和轉(zhuǎn)化。有機(jī)物中所含的銨態(tài)氮容易被微生物分解和轉(zhuǎn)化為其他形式的氮，從而降低土壤中的銨態(tài)氮含量[40]。參與土壤不同氮循環(huán)過(guò)程的土壤微生物功能基因豐度在不同火燒強(qiáng)度之間的變化同樣也是影響 NH4+-N和NO3--N含量的主要因素之一。

土壤中的AP和AK是能夠直接被植被吸收利用的營(yíng)養(yǎng)元素，本研究發(fā)現(xiàn)林火干擾后土壤AP和AK 含量均顯著增加，這是由于植被和有機(jī)質(zhì)燃燒產(chǎn)生的灰燼中富含大量的養(yǎng)分滲入土壤中，進(jìn)而使土壤速效養(yǎng)分含量增加。Fernández-García等[41]發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度野火后與未燒毀的地塊相比，燒毀地塊的表層土壤中的有效磷含量更高;同樣，Moya等[42]也觀察到，與對(duì)照地塊相比，被燒毀森林的0～10cm土壤中的有效P含量顯著增加，冉益倩等[43]研究發(fā)現(xiàn)火干擾后土壤速效磷和速效鉀含量都顯著高于對(duì)照樣地，這些結(jié)果與本研究一致。土壤微生物對(duì)溫度有較高的敏感度，研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物最高可忍受的溫度在50℃～300℃之間，高強(qiáng)度火燒可直接導(dǎo)致土壤微生物大量死亡，且短時(shí)間內(nèi)很難恢復(fù)到火燒前的水平[6]，因此土壤MBC和MBN 含量在火燒后降低，本研究中也都得到了相同的結(jié)果，同樣么中元等[44]和孔健健等[45]的研究也發(fā)現(xiàn)火燒后土壤MBC和MBN 含量顯著降低。

3.2 火燒強(qiáng)度對(duì)土壤氮循環(huán)功能基因的影響分析

土壤微生物對(duì)溫度具有強(qiáng)烈敏感性，本研究發(fā)現(xiàn)參與土壤氮循環(huán)功能基因（固氮nifH 功能基因、反硝化nirS，nirK 和nosZ 功能基因和硝化amoA-AOA和amoA-AOB 功能基因）在不同火燒強(qiáng)度下有著不同的變化趨勢(shì)。其中火燒導(dǎo)致固氮nifH 功能基因豐度顯著下降，且隨著火燒強(qiáng)度的增加而減少，研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物量氮（MBN）對(duì)土壤微生物氮素固持作用均有較好的指示性[46]。李偉克[47]與張亨宇[48]的研究均發(fā)現(xiàn)火燒后土壤MBN 含量顯著低于對(duì)照樣地，火燒產(chǎn)生的高溫使得固氮植物急劇減少和固氮微生物大量死亡，進(jìn)而導(dǎo)致固氮能力降低。

本研究也得到了相似的結(jié)果，硝化amoA-AOA和amoA-AOB 功能基因豐度隨著火燒強(qiáng)度的增加而增加，分析其原因可能是：（1）林火提高了土壤溫度，為硝化細(xì)菌提供了適宜的生存環(huán)境[49];（2）火后的植被灰分中富含大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如碳源和氮源，有利于微生物的生長(zhǎng)繁殖;（3）黑碳是火后的產(chǎn)物，黑碳進(jìn)入土壤中提高了土壤的透氣性，為硝化細(xì)菌提供了充足的氧氣，且黑碳對(duì)土壤中天然硝化抑制化合物（酚類化合物）有著很好的吸附性[50]?；鸷髉H 值的增加也會(huì)提高土壤的硝化速率，相關(guān)性結(jié)果表明土壤硝化amoA-AOA 和amoA-AOB 功能基因與pH值呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[51]?；鸷?NH4+-N含量的增加，提高了土壤硝化作用的底物濃度，進(jìn)而有利于土壤硝化amoA-AOA 和amoA-AOB 功能基因豐度的增加，許多研究結(jié)果也均表明底物濃度是影響氨氧化細(xì)菌（amoA-AOB）和古菌（amoA-AOA ）在土壤中生長(zhǎng)并發(fā)揮氨氧化功能的主要因素[52-53]，這在本研究也得到了證實(shí)。

本研究發(fā)現(xiàn)重度火燒導(dǎo)致反硝化nirS，nirK 和nosZ 功能基因豐度顯著降低，而輕度火燒使其增加，這可能與有機(jī)質(zhì)含量存在較大的相關(guān)性。輕度火燒加速了地表枯枝落葉中的難分解組分降解，提高了土壤中有效養(yǎng)分濃度，增加土壤硝酸鹽含量，進(jìn)而使土壤反硝化細(xì)菌數(shù)目增加[54]。同樣曹林樺[55]的研究也發(fā)現(xiàn)土壤反硝化細(xì)菌功能基因豐度與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。婁煥杰等[56]研究發(fā)現(xiàn)，土壤的全氮含量也是影響土壤反硝化作用的主要因素。土壤反硝化作用大多是在缺氧的條件下進(jìn)行的，火后土壤容重增加，土壤氧氣含量也隨之降低，有利于土壤的反硝化作用的進(jìn)行。

3.3 影響土壤氮循環(huán)功能基因的土壤理化因子

微生物作為土壤氮素循環(huán)過(guò)程中主要的驅(qū)動(dòng)力，是通過(guò)自身代謝產(chǎn)生的酶參與土壤的氮循環(huán)過(guò)程。火干擾通過(guò)改變土壤理化環(huán)境進(jìn)而對(duì)土壤微生物的數(shù)量、多樣性和群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生間接且長(zhǎng)期的影響[57]。冗余分析結(jié)果土壤氮循環(huán)功能基因解釋比例最多的土壤理化因子，分別是SOC（55.4%，P=0.008）、AP（28.5%，P =0.022）、TN（8.3%，P =0.03）和pH（9.5%，P=0.01），說(shuō)明SOC，AP，TN和pH 值是影響火后土壤氮循環(huán)功能基因豐度差異的主要土壤理化因子。有機(jī)碳中有著豐富的養(yǎng)分，是土壤微生物進(jìn)行生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)的主要影響來(lái)源，而火干擾會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳大量損失，對(duì)土壤微生物的活性和多樣性造成嚴(yán)重影響[58]，因此SOC含量與多數(shù)氮循環(huán)功能基因呈正相關(guān)關(guān)系。燃燒后的植被灰分在短期內(nèi)會(huì)顯著提高土壤的速效養(yǎng)分，加速土壤養(yǎng)分循環(huán)。速效養(yǎng)分含量的變化不但顯著影響森林植被的生物量，同時(shí)也是影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化的關(guān)鍵因子之一[59]。AP是微生物合成生物體DNA，RNA 和ATP等關(guān)鍵生物分子的重要成分，它作為微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可以刺激微生物的生長(zhǎng)和繁殖[60]。雖然火燒后土壤中的AP 含量顯著增加，但AP在土壤中容易與鐵、鋁等離子形成難溶性磷酸鹽，并且興安落葉松林土壤為棕色針葉林土，其pH 呈弱酸性，AP在土壤中的溶解度相對(duì)較低，使其難以被微生物直接利用[61]，因此AP與大多數(shù)氮循環(huán)功能基因豐度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。同樣，朱光艷等[12]研究中也發(fā)現(xiàn)AP是土壤氮凈礦化率（NMR）的主要影響因子之一。TN 是土壤氮素循環(huán)的綜合產(chǎn)物，與氮循環(huán)功能基因之間存在著密切的聯(lián)系，因此也是影響土壤氮循環(huán)功能基因的主要理化因子之一。土壤pH 值會(huì)直接影響著土壤微生物群落的活性，火后土壤pH 值的增加使硝化速率也得到了提高，研究發(fā)現(xiàn)硝化amoA-AOA 和amoA-AOB 功能基因豐度與土壤pH 值呈顯著正相關(guān)關(guān)系[53，62]，這在本研究中也得到了證實(shí)。同時(shí)pH 值也會(huì)改變有機(jī)質(zhì)的溶性，為土壤微生物提供大量生活所需的C，N 等營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，提高了土壤微生物的活性。

4 結(jié)論

火燒對(duì)興安落葉松林土壤氮循環(huán)功能基因有著顯著的影響，其中固氮功能基因豐度隨著火燒強(qiáng)度的增加而降低，硝化功能基因豐度隨著火燒強(qiáng)度的增加而增加，反硝化功能基因豐度在輕度火燒后增加，重度火燒后降低?；鸷笸寥览砘再|(zhì)的改變也會(huì)對(duì)土壤氮循環(huán)功能基因產(chǎn)生間接的影響，SOC，AP，TN 含量和pH 值是影響火后土壤氮循環(huán)功能基因豐度差異變化的主要理化因子，因此可以對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行定期適當(dāng)?shù)挠?jì)劃火燒，有利于清除地表死可燃物，減少重特大森林火災(zāi)發(fā)生概率，促進(jìn)土壤養(yǎng)分的釋放，促進(jìn)植被生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)，同時(shí)加強(qiáng)火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警技術(shù)，及時(shí)進(jìn)行林火撲救，避免造成嚴(yán)重的火災(zāi)，對(duì)土壤環(huán)境產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的影響。