中度火干扰对喀纳斯泰加林土壤理化性质的影响

王卫霞,刘晓菊,刘 景,杨玉萍,崔 倩

(新疆农业大学林学与园艺学院/新疆教育厅干旱区林业生态与产业技术重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830052)

【研究意义】火干扰在很大程度上影响着森林生态系统的稳定[1-2]，全世界范围内每年约有1 %的森林遭受火干扰的影响[3]，自然火干扰作为北方泰加林演替的主要动力，会造成森林土壤孔隙度、土壤有机质、土壤养分、土壤pH值等土壤理化性质发生变化。林火干扰形成的大量高温灰分进入土壤孔隙中，使得土壤孔隙中的氮元素被气化，土壤中养分平衡被打破，土壤表层植被和土壤内生物数量进而受到影响[4]。也正因如此，林火干扰的发生使得小范围内森林生态系统的格局与过程发生改变[5]，将对森林生态系统产生短期与长期的影响[6-9]。【前人研究进展】近年来，我国的森林火灾频繁发生，尤其是我国森林资源丰富的东北林区和西南林区，火干扰频繁发生对当地的生态系统造成了极大的影响。随着全球气候变暖，森林火灾现象还将不断发生[10-12]。政府部门逐渐重视火干扰对森林生态系统的影响，并且对火干扰造成的土壤理化性质及生态系统的稳定性变化做了大量研究[13-15]，取得了不小的成果。但其研究多集中在我国东北林区，对新疆喀纳斯泰加林受火干扰后土壤理化性质的影响研究较少。【本研究切入点】喀纳斯国家自然保护区位于阿勒泰山区，是我国西西伯利亚山地南泰加林生态系统的代表，具有独特的地理条件，地形地势起伏不定落差较大，地质历史漫长。在其高度异质的生境下孕育着众多的原始森林群落，其庞大的生态系统，有着丰富的种质资源，保存有完整的植被垂直带谱。因此，研究火干扰对新疆喀纳斯泰加林生态系统的影响具有重大意义。【拟解决的关键问题】本论文主要研究探讨中度火干扰后不同恢复时间对喀纳斯泰加林土壤理化性质的影响，旨在为喀纳斯泰加林受火干扰后生态系统的恢复提供理论依据。

1 研究区概况

本研究野外调查研究区位于我国新疆维吾尔自治区阿勒泰地区喀纳斯自然保护区实验区最南端(86°53′～87°54′E，48°28′～49°11′N)[16]。气候属于寒温带大陆性气候，且具明显的山地气候特点，冬季寒冷而不剧，夏季温热短暂。本次研究的火干扰林分均位于喀纳斯自然保护区海拔1900 m以下。研究区内森林群落的主要建群种为西伯利亚云杉(PiceaobovataLdb.)、西伯利亚落叶松(LarixsibiricaLdb.)和西伯利亚红松(Pinussibirica(Loud.) Mayr.)，伴生有西伯利亚冷杉 (AbiessibiricaLdb.)、疣枝桦(BetulapendulaRoth.)等。林下草本层主要植物种类由兔儿草(LagotisglaucaGaertn.)、林奈草(LinnaeaborealisL.)、西伯利亚披碱草(ElymussibiricusL.)、林地早熟禾(PoapratensisL.)、草地早熟禾(PoapratensisL.)等植物组成。

2 研究方法

2.1 样地的布设与土壤样品的采集

2016年6-8月，采用典型样方法在喀纳斯自然保护区未受人为干扰的原始林中设置火干扰样方进行调查。依据林木火疤年龄分析和林木火疤的外在属性(火疤宽度、火疤高度及火疤深度)及耐火树种的残留比例，选择新疆喀纳斯中度火干扰烈度下不同火烧时间的泰加林火烧迹地，对照样地采用临近未发生过火干扰的样地，但考虑到喀纳斯地区并未有真正未火烧的样地，因此本研究中以距离调查时火烧时间最长的样地作为未火烧的对照样地。通过调查，选择海拔、坡度、坡向等立地条件基本一致的1938、1972、1985和1991年4个年份的火烧迹地作为研究区域，其中以1938a的火烧迹地作为未火烧的对照样地。在每个火烧迹地及对照区域设置1个20 m×20 m的临时样地，样地均是以西伯利亚落叶松为主的天然林。在每个样地内设置3个随机采样点，挖土壤剖面，按照0～10、10～25 cm分层进行土壤样品采集，样地基本情况见表1。

2.2 土壤物理性质测定

采用烘干法测定土壤的含水量，环刀法测定土壤容重、土壤总孔隙度P依据土壤容重D与土壤比重d计算得出，其计算公式为：

P= ( 1-D/d)×100 %

2.3 土壤化学性质测定

土壤有机碳的测定采用重铬酸钾-水合加热法，土壤全氮的测定采用凯氏定氮法，土壤全磷的测定采用钼锑抗比色法，土壤全钾的测定采用酸溶-火焰光度法[17]，pH值采用电极法测定。

2.4 数据处理

采用空间代替时间的方法，以距离调查时火烧时间最长的样地作为未火烧的对照样地，分析各火烧迹地的土壤理化性质随火后时间的变化。所有数据采用SPSS 16. 0统计软件进行处理分析，并运用Sigmaplot 10.0制图软件进行制图。

3 结果与分析

3.1 火干扰对土壤物理性质的影响

由图1～2可知，中度火干扰对土壤孔隙度的影响表现为火烧后土壤孔隙度随着时间均不同程度地降低，火烧后44年(火烧发生后距调查当年的时间为44年) 的土壤孔隙度显著低于火烧前水平。

表1 样地信息

中度火干扰对土壤容重的影响表现为使土壤容重逐渐增加，火烧后44年的土壤容重显著高于火烧前水平。火烧后的25、31和44年的0～10 cm土层的土壤容重分别比火烧前增加了30.23 %、27.91 %和38.37 %，10～25 cm土层的土壤容重分别比火烧前增加了4.71 %、29.41 %和32.94 %。土壤有机碳被火烧后对土壤孔隙度造成不利影响，使得土壤孔隙度降低，土壤板结加重，进而导致土壤容重增加。

3.2 火干扰对土壤化学性质的影响

3.2.1 火干扰对土壤有机碳及pH值的影响 由表2可知，中度火干扰下火烧后不同恢复时间对0～10 cm的土壤有机碳的影响，随着火后时间的推移土壤有机碳的含量总体上呈不断增加的趋势，其中火烧后25、31年土壤有机碳含量均小于对照土壤，而火烧后达到44年时，土壤有机碳含量显著高于对照土壤。中度火干扰对10～25 cm土层土壤有机碳的影响表现为火烧后31年土壤有机碳含量高于对照土壤，但差异并不显著。

喀纳斯泰加林林区土壤为偏酸性土壤，火烧后土壤pH变化差异较显著，由表2可知，火烧后31、44年的0～10 cm土层的土壤pH值均基本恢复到火烧前水平。

3.2.2 火干扰对土壤全氮、全磷和全钾的影响 中度火干扰对土壤全氮的影响表现为随着火后时间的恢复土壤全氮含量呈逐渐增加的变化趋势，火烧后31a逐渐恢复到火烧前水平，火烧后达到44年时土壤全氮含量显著高于对照土壤。

在酸性土壤中磷元素含量很大程度上限制着木本植物的生长。由表2可知，火烧后25、31年的0～10 cm土层中土壤全磷含量均低于对照土壤，火烧后达到44年时土壤全磷含量才高于对照土壤，但仍未达到显著水平。0～10 cm土层土壤全磷含量的变化趋势总体表现为随火烧后时间的增加成上升趋势。10～25 cm土层全磷含量也表现为随火烧后时间的增加总体上呈上升趋势，但均未恢复到火烧前水平。

数据为均值±标准误，图中同一土层字母相同表示不同恢复年限之间差异不显著，字母不同表示不同恢复年限之间差异显著(P<0.05)，下同Data are means and standard error. Different letters indicate significant differences (P<0.05) among different recovery years in the same soil depth, the same as below 图1 火后土壤孔隙度的变化Fig.1 Change of soil porosity after being burned

中度火干扰下火烧后不同恢复时间对土壤全钾的影响表现为随着火后时间的推移土壤全钾的含量总体上呈不断增加的趋势，其中火烧后31、44年土壤全钾含量均大于对照土壤，但只有火烧后达到44年时，土壤全钾含量显著高于对照土壤。

4 讨 论

火干扰对森林生态系统的作用范围广，影响复杂，不仅可以减少地上部分的生物量，还在很大程度上影响土壤理化性质、微生物的降解及植物根系的生长[18]。中度火干扰使土壤孔隙度降低，土壤容重增加。呈现这一规律的原因，其一是林火带来的大量灰分填充到了土壤孔隙之间，使其更加紧实；其二是林火发生后短时间内地表没有了植被的遮挡造成裸露现象，后经降水冲刷，土壤板结现象发生严重，增大了土壤紧实度[19]，但随着时间的推移，地表植被逐渐恢复更新，土壤动物、微生物的活动增加，土壤结构也因此逐渐恢复。

林火通过打破大气、植被、地表凋落物和土壤之间原有的水热平衡来改变土壤的化学特性。植物残体，如茎、叶、花等都是土壤有机质的主要来源，这些植物残体在土壤动物、微生物的作用下逐渐转化为营养元素，与土壤矿物质一同促进林木生长发育[20]。在本研究中的0～10 cm土层，火烧后25、31年土壤有机碳含量均小于对照土壤。可能是因为大量原有植被的烧毁，这些植被中存储的大量有机碳被释放出来，裸露在地表上，后经降雨及地表径流带走[5]。而火烧后达到44年时土壤有机碳含量显著大于对照土壤，可能是森林生态系统的逐渐恢复，植物的枯枝落叶又逐渐增多，再经过土壤动物、微生物的作用逐渐补充土壤中有机碳的含量甚至超过了原有水平。中度火干扰使得10～25 cm的土壤有机碳随火后年限的增长不断增加，并逐渐恢复至火烧前水平。这是因为地上植被的逐渐恢复，土壤下层的抗水层逐渐消失，植物的地下根系不断蔓延，进而使得土壤下层的有机质逐渐增加[21]。

图2 火后土壤容重的变化Fig.2 Change of soil bulk density after being burned

指标Index土壤深度(cm)Soil depth年限(年)Years25年31年44年对照有机碳(g/kg)Soil organic carbon0～1013.11±0.14a19.85±2.64b34.46±0.94c25.75±0.23d10～259.07±0.66a16.38±2.17b16.04±0.45b14.16±0.57b全氮(g/kg)Total nitrogen 0～101.01±0.034a1.25±0.027b2.62±0.024c1.17±0.009b10～250.83±0.018a0.82±0.019a1.02±0.024b0.56±0.003c全磷(mg/kg)Total phosphorus0～100.56±0.029a0.70±0.078a1.40±0.127b1.02±0.368ab10～250.70±0.056a0.69±0.138a0.85±0.103a1.42±0.232b全钾(mg/kg)Total potassium 0～1014.44±0.342a28.10±1.145b49.83±1.072c27.78±0.497b10～2512.34±0.691a19.21±1.284b45.39±2.90c17.02±1.511abpH0～106.83±0.022a6.28±0.010bc6.30±0.015b6.22±0.025c10～256.67±0.012a5.85±0.012b6.44±0.008c6.22±0.035d

注：数据为均值±标准误，同行字母相同表示不同恢复年限之间差异不显著，同行字母不同表示不同恢复年限之间差异显著 (P<0.05)。

Note：Data are means and standard error. Different letters indicate significant differences (P<0.05) among different recovery years in the same line.

土壤有机质是土壤氮元素的重要来源，因此，绝大部分氮素的损失与土壤有机物质的消耗有着直接关系。本研究结果表明，不同土层土壤全氮均有一定提升，原因可能是火干扰造成了大量的未完全燃烧的可燃物质进入土壤，在土壤动物、微生物的长期作用下，火烧残余物逐渐转化成土壤全氮。而相同火烧强度不同恢复时间0～10 cm的土壤全氮均高于10～25 cm土壤全氮，这是由于表层土壤的植物残体较深层土壤多的缘故。

土壤中钾元素主要以硅酸盐矿物质的形态存在于土壤中，如果不进一步分解转化，植物体很难吸收与利用。火烧后产生的大量灰分进入土壤中可补充土壤部分钾素，同时因火烧带来的增温，破坏了含钾矿物质，使部分非活性态的钾元素转化成活性态的钾元素，提高了钾的有效性，使得有效态钾的含量增加[22]。此次的研究结果也表明，中度火干扰下明显增加了土壤全钾的含量。

5 结 论

(1) 本研究中，中度火干扰下火烧后25、31和44年土壤孔隙度均低于对照土壤，土壤容重均高于对照土壤。

(2) 土壤有机碳、全钾、全氮含量则表现为在中度火干扰下随着火后时间的恢复呈逐渐增加趋势。总体而言，表层0～10 cm土壤容易受到外界环境的影响，因此火干扰对其造成的影响是显著的。