森林火灾对马尾松次生林土壤活性有机碳的影响

罗斯生 罗碧珍 魏书精 胡海清 宋 红 吴泽鹏 王振师周宇飞 李小川 钟映霞 李 强

（1. 东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2. 广东省森林培育与保护利用重点实验室/广东省林业科学研究院，广东 广州510520；3. 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026）

以气候变暖和CO2浓度升高为特征的气候变化是国际社会最为关注的环境问题之一，碳周转速率及碳循环格局的变化是该问题的关键[1-2]。土壤活性有机碳（LOC）是森林碳库重要组分，在减缓气候变暖效应中具有重要地位[3]。因此，管理和保护好土壤活性有机碳，以维护或提高其碳汇效应及减缓气候变暖已成为学者们关注的重要科学问题之一[2,4]。世界各地每年有约1%的森林经受森林火灾[5-6]，其释放大约4 Pg/a的碳到大气中[7]，占每年化石燃料消耗释放量的约70%[8]。然而随着气候暖干化的到来，森林火灾的频率和强度将进一步加剧[4,9]，其碳汇效应已引起学者们的广泛关注。森林火灾释放的大量温室气体（CO2、CH4等）将造成土壤有机碳库的动态变化[10-11]，从而影响区域碳循环，干扰大气碳平衡[12-13]，进而影响生物地球化学循环[2,4]。森林火灾作为森林非连续的生态干扰因子，是生物地球化学循环的驱动因子，显著改变生态系统的结构和功能以及养分循环与能量传递，引起土壤活性有机碳及组分分配格局的变化，影响森林演替进程及固碳能力，进而影响生态系统碳平衡。然而，在研究森林生态系统碳库时，经常忽视森林火灾对土壤活性有机碳的影响。

定量研究森林火灾对土壤活性有机碳（包括土壤微生物生物量碳（MBC）、土壤可溶性有机碳（DOC）、土壤易氧化碳（EOC）和土壤颗粒有机碳（POC））的影响对了解森林生态系统的碳平衡研究具有重要意义。然而，有关我国森林火灾对土壤活性有机碳影响的定量化研究及影响机制尚不清楚[2,5-8]。不同林龄马尾松次生林土壤理化性质对森林火灾的响应，森林火灾对土壤活性有机碳的影响及相互作用，森林火灾对土壤活性有机碳的影响等科学问题的研究鲜见报道。广东地处我国南方亚热带地区，2020年全省森林覆盖率将达58.66%，森林蓄积量达5.84亿m3，亦是全国重点火险区，森林防火期长（10月1日—翌年4月30日）、森林火灾频繁、森林高火险天气日数较多、林下易燃可燃物载量偏高、野外火源分布面广、扑救森林火灾难度大。本研究以广东省亚热带马尾松（Pinus massoniana）次生林为研究对象，以广东重点火险区为研究区域，通过空间代替时间的方法以及采取相邻样地法，定量分析森林火灾对不同林龄马尾松次生林的土壤活性有机碳组分的差异变化，系统研究森林火灾对土壤活性有机碳的影响机制，进而为评价森林火灾对森林生态系统土壤碳固持能力与固碳潜力提供参考。森林火灾对土壤活性有机碳组分的量化研究，可减少森林碳平衡估算中的不确定性，为林业管理以及制定森林碳汇生态补偿政策提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

广东省鹤山市地处北回归线以南（22°28′～22°51′N，112°28′～113°2′E）。该区气候属于南亚热带季风区，冬无严寒，夏无酷暑，年平均降水量为1 777 mm，年平均气温22.6 ℃，无霜期为365 d。地形东西宽，南北狭长，全境在生物因子和气候因子的交互作用下，形成了主要以赤红壤、砖红壤、红壤、黄壤等地带性土壤。

1.2 样地设置

2018年10月31日，广东省鹤山市龙口镇粉洞村将军山发生森林火灾，过火面积约75 hm2，在火后一周内，选取不同发育阶段（不同林龄：幼龄林、中龄林和成熟林）的马尾松次生林，进行野外调查和采样。选设中度林火强度（林火强度划分参考文献[11,14]，即中度林火强度为火灾烧死木占30%～70%，乔木熏黑高度在2～5 m，林下灌木几乎被烧毁（＞50%），凋落物几乎被烧毁（＞50%）），不同林龄（划分为幼龄林（8 a）、中龄林（17 a）和成熟林（31 a），划分依据参考《森林资源规划设计调查技术规程》（GB/T 26424—2010）[15]）马尾松次生林火烧迹地（过火后）及相邻未烧林分（CK）分别在坡向坡度坡位一致条件下选设20 m×20 m的标准固定样地共18块，3种林龄共选设固定标准样地18块，即幼龄林+对照样地、中龄林+对照样地、成熟林+对照样地各进行3个重复，同时做好相关标记，于火后1 a后（森林火灾发生后1个生长周期后）进行外业调查及样品采集。马尾松次生林样地基本概况见表1。

表1 马尾松次生林样地基本概况Table 1 Basic profile of sample plots in secondary forest of P. massoniana

1.3 土壤样品的采集与处理

森林火灾1 a后，在设置好的每个固定标准样地内，沿“S”形设置5个60 cm深的土壤剖面，每个剖面按照0～10、10～20、20～30、30～40 cm和40～60 cm共5 层分别采样。每层土样各采3份，第1份土样采1 000 g左右，带回实验室进行自然风干，过10目筛备用，用于测定土壤易氧化碳（EOC）、颗粒有机碳（POC）、土壤有机碳含量等指标；第2份采200 g左右，用自封袋封装后放入冰盒带回实验室，运回实验室后过10目筛后，立即进行测定或者贮藏在4 ℃的冰箱内，用作新鲜土样的活性有机碳（DOC和MBC）的测定。

1.4 测定方法

土壤有机碳中碳含量的测定：土壤样品过100 目筛（0.15 mm），存放于玻璃瓶中，采用MultiN/C3100分 析 仪（Analytik Jena AG, Germany）联用固体模块测定土壤样品的碳含量。土壤MBC常采用熏蒸提取-仪器法测定。土壤DOC采用岛津总有机碳分析仪（岛津，日本）直接测定提取液；土壤EOC通常用333 mmol/L高锰酸钾溶液氧化法测定[16]；土壤POC的测定运用六偏磷酸钠（NaPO3）6分散提取法[16-17]。

1.5 数据分析

运用方差分析和LSD多重比较不同林龄及不同土壤剖面马尾松次生林的土壤活性有机碳组分的差异（α=0.05）。运用独立样本t检验比较森林火灾前后同一层土壤深度的马尾松次生林的土壤活性有机碳组分的差异（变化量是火后土壤各层土壤活性有机碳组分含量减去对应土层CK后所得数值）。采用嵌套方差分析不同林龄、森林火灾、不同土壤深度及其交互作用对土壤活性有机碳组分的影响，运用方差分解讨论不同林龄、林火、不同土壤深度对土壤活性有机碳组分的相对贡献[18]。嵌套方差分析中，对每一个不同林龄的马尾松次生林，采用的嵌套级别包括2个层次尺度：土壤深度和林龄。以上统计分析均采用SPSS 25.0软件处理。用Excel 2019 软件和Origin 2019b绘制图表。

2 结果与分析

2.1 森林火灾对土壤活性有机碳各组分含量和分配特征的影响

2.1.1 森林火灾对土壤有机碳各组分含量的影响

马尾松次生林对照样地和过火样地的土壤有机碳各组分含量均随林龄的增长而增加，均表现为成熟林＞中龄林＞幼龄林的规律（表2）。从幼龄林到成熟林，对照样地的马尾松次生林土壤（0～60 cm）MBC、DOC、EOC、POC平均含量变化范围分别为95.26～183.28、30.17～86.32、1 741.33～3 084.66、1 309.59～2 826.59 mg/kg；森林火灾均降低了马尾松次生林各林龄的土壤有机碳各组分含量，相比对照，过火样地的土壤有机碳各组分含量依次降低范围为18.14%～26.03%、17.81%～22.28%、13.50%～23.98%、18.32%～22.96%。

表2 森林火灾对马尾松次生林不同林龄土壤有机碳各组分含量的影响Table 2 Effects of forest fire on soil LOC in secondary forest of P. massoniana at different ages mg/kg

在垂直方向上，森林火灾发生后，各林龄马尾松次生林土壤有机碳各组分含量的变化量均随土层深度加深而降低（图1）。在幼龄林样地中，火后土壤各土层（0～60 cm）MBC、DOC、EOC、POC的变化量减小范围分别为6.83～86.18、3.71～12.34、176.86～816.71、49.59～787.15 mg/kg，中龄林分别为6.97～65.28、6.04～22.59、168.33～967.98、75.88～1 564.31 mg/kg，成 熟 林 分 别 为8.93～107.48、7.02～31.96、129.80～1 554.85、127.93～1 819.35 mg/kg。0～20 cm土壤活性有机碳组分减少量显著大于土层20～60 cm的减少量。

图1 不同林龄马尾松次生林土壤活性有机碳组分变化量Fig. 1 Vertical distribution of soil LOC in secondary forest of P. massoniana at different ages

2.1.2 森林火灾对土壤活性有机碳组分分配比例特征的影响

土壤活性有机碳组分中的土壤MBC、土壤DOC、土壤EOC、土壤POC已被认为是评价土壤质量的重要指标[19]。土壤活性有机碳组分分配比例是指土壤活性有机碳组分占总有机碳的比例，是反映植被对土壤行为的影响程度[20]。马尾松次生林土壤活性有机碳组分随林龄呈现出波动性变化的趋势（图2），整体变化表现为先增加后减少。在对照样地中，幼龄林、中龄林和成熟林的土壤MBC分配比例分别为1.70%、2.20%和2.12%，土壤DOC的分配比例分别为0.61%、1.13%和1.11%，土壤EOC的分配比例分别为32.81%、35.54%和34.35%，土壤POC的分配比例分别为24.87%、30.99%和30.94%。在过火样地中，幼龄林、中龄林和成熟林的土壤MBC分配比例分别为1.46%、2.05%和1.92%，土壤DOC的分配比例分别为0.55%、1.05%和0.99%，土壤EOC的分配比例分别为29.69%、33.29%和33.35%，土壤POC的分配比例分别为23.62%、26.82%和28.31%。在对照样地和过火样地的土壤有机碳分配比例大小排序依次为：EOC＞POC＞MBC＞DOC。与对照相比，森林火灾均降低了马尾松次生林不同林龄的土壤活性有机碳组分的分配比例，其中幼龄林的土壤MBC下降幅度最多达14.12%，其他林龄土壤活性有机碳组分的下降比例均存在一定差异，但未呈现显著差异。

图2 不同林龄马尾松次生林对照样地和过火样地土壤活性有机碳分配比例Fig. 2 The soil LOC/SOC ratios in CK sample plots and forest fire sample plots in secondary forest of P. massoniana at different ages

由表3可知，马尾松次生林土壤活性有机碳组分在土壤剖面上分配比例有差异。在对照样地和过火样地中，各林龄土壤MBC均随土壤深度的加深而减少；成熟林的土壤DOC则呈现相反的变化，随土壤深度的加深而增加的变化趋势，而幼龄林和中龄林的土壤DOC随土壤深度的加深没有明显的动态变化规律；各林龄的土壤EOC亦呈现随着土壤深度的加深而减少的变化趋势，而各林龄POC随林龄剖面垂直分布没有明显动态规律。

表3 马尾松次生林土壤活性有机碳的剖面分配比例Table 3 Vertical distribution of LOC/SOC in secondary forest of P. massoniana %

续表 3

2.2 土壤活性有机碳组分差异的影响因素

引起马尾松次生林土壤活性有机碳组分变异的原因是由不同林龄、不同土壤深度、森林火灾等组成的（表4、图3）。对于土壤MBC，土壤深度解释其变异的70.73%，林龄解释了其变异的20.09%，森林火灾解释了其变异的4.69%，未能解释部分占4.49%。对于土壤DOC，土壤深度解释其变异的28.34%，林龄解释了其变异的62.27%，森林火灾解释了其变异的5.39%，未能解释部分占4.00%。对于土壤EOC，土壤深度解释其变异的79.83%，林龄解释了其变异的13.92%，森林火灾解释了其变异的2.61%，未能解释部分占3.64%。对于土壤POC，土壤深度解释其变异的73.35%，林龄解释了其变异的18.13%，森林火灾解释了其变异的3.42%，未能解释部分占5.10%。从以上分析可知，土壤深度对土壤EOC影响最大，而林龄对土壤DOC影响最大。森林火灾对土壤DOC影响最大，对土壤EOC影响最小。

图3 马尾松次生林土壤活性有机碳组分方差分解Fig. 3 Variance partitioning of soil LOC fraction in secondary forest of P. massoniana

表4 马尾松次生林土壤活性有机碳组分差异的嵌套方差分析Table 4 Nested analysis of variance of soil LOC fraction in secondary forest of P. massoniana

3 结论与讨论

土壤活性有机碳作为森林土壤碳库的活跃成分，是调控生态系统养分通量的主要因素，在凋落物分解和土壤碳循环中发挥重要作用，已成为调控森林物质循环和能量流动的核心过程[21-23]。本研究表明，森林火灾均降低了不同林龄马尾松次生林土壤（0～60 cm）的 MBC，与对照相比，幼龄林的土壤（0～60 cm）MBC下降了26.03%，中龄林的土壤MBC（0～60 cm）下降了18.14%，成熟林土壤MBC（0～60 cm）下降了18.63%。Wang等[24]研究发现，火后土壤MBC下降40.50%，下降幅度高于本研究结果。Fritze等[25]研究亦表明，火后土壤MBC恢复到火烧前水平需较长时间。这表明森林火灾对土壤活性有机碳产生短期和长期影响。但一些研究表明火后土壤MBC增加[26-27]，这有可能是火后提高光照渗透率，增加了植物生长所需的光照能量进而改变植物演替，增加了植被NPP及根系分泌物，为土壤微生物增加了生长和活动所需的营养。此外，火灾对土壤MBC的影响因土层不同剖面深度和不同林龄而产生差异，各林龄中0～10 cm的变化幅度大于其他各土层（10～60 cm）的变化幅度，且变化幅度随着林龄增加呈现先增加后减小的趋势，这有可能是因为随着林龄增加，林分储存水分的能力增加，随着土壤含水率增加，土壤的热扩散率也会增加，影响不同土层的含水率，从而对土壤MBC产生不同影响，这与李红运等[28]研究结果一致。

森林火灾均降低了不同林龄马尾松次生林土壤（0～60 cm）DOC含量，与对照相比，幼龄林、中龄林、成熟林的土壤DOC分别下降了22.28%、17.81%、19.41%。与孔健健等[29]的研究结果类似。土壤DOC虽占SOC比例较少，但与土壤有机碳组分之间可在一定条件下相互转化，始终处于动态平衡之中，与土壤MBC具有很高的正相关关系，亦是微生物代谢维持活动需求的关键碳源[30]。土壤MBC和DOC主要是由土壤微生物驱动土壤有机质分解产生[31]，故火后土壤DOC的整体变化趋势与土壤MBC的变化类似，均为火后随林龄增长其减少幅度表现“U”变化趋势。此外，火灾对土壤DOC的影响因土层不同剖面深度和不同林龄而产生差异，林火减少了不同林龄土壤DOC的含量，亦影响土壤DOC含量的空间分布[22]。

森林火灾均降低了不同林龄马尾松次生林土壤（0～60 cm）EOC含量，与对照样地相比，幼龄林、中龄林、成熟林的土壤EOC分别下降了23.98%、18.99%、13.50%，火后土壤EOC随林龄的增长其减少幅度呈现降低的规律。研究表明，土壤碳库的变化主要发生在土壤EOC的部分，研究火后土壤EOC的变化，是探讨土壤有机碳与土壤养分循环、土壤理化性质等关系的有效途径[23]。本研究中，火后降低了幼龄林、中龄林、成熟林土壤EOC的分配比例，下降幅度依次为3.12%、2.25%和1.00%。这与刘俊第等[32]研究结果相似。由于火后改变了土壤表层微环境，减少了表层碳输入源，且土壤EOC因林火发生氧化分解而损失。

森林火灾均降低了不同林龄马尾松次生林土壤（0～60 cm）POC含量，与对照相比，幼龄林、中龄林、成熟林的土壤POC分别下降了18.50%、22.96%、18.32%，火后土壤POC随林龄增长其减少幅度呈现出先增加后减少的规律。这与胡海清等[11]研究结果一致。研究土壤POC是探讨土壤有机碳分解转化、减缓大气CO2浓度上升的有效途径[33]。火后土壤POC降低可能是由于改变了土壤表层结构，使受团聚体保护的碳暴露在空气中，加快了微生物活动所需的碳利用效率[32]。此外，火灾对土壤POC的影响因土层不同剖面深度和不同林龄而产生差异，这表明林火减少了不同林龄土壤POC的含量，亦影响土壤POC含量的空间分布，这与耿玉清等[34-37]类似研究一致。

在垂直方向上，对照样地和过火样地中，马尾松次生林的土壤MBC、EOC的分配比例均随土壤深度的加深而减少，呈现递减的变化规律，各林龄POC随林龄剖面垂直分布没有明显动态规律，而各林龄的土壤DOC在土壤剖面的垂直变化比较复杂，幼龄林和中龄林的土壤DOC随土壤深度的加深没有明显的变化规律，但整体趋势是增加但规律性不强，成熟林的土壤DOC则呈现相反的变化，随土壤深度的加深而增加的变化趋势。这也充分说明了土壤活性有机碳复杂多变化性，不仅受不同林龄和森林火灾影响，不同土壤深度对土壤活性有机碳差异的影响，其解释比例范围为29.38%～79.83%，变化波动范围较大。

森林火灾降低了马尾松次生林各林龄土壤活性有机碳各组分的含量。马尾松次生林土壤活性有机碳各组分分配比例随林龄增长呈现出先增加后减少的规律，其中土壤EOC的分配比例最大，幼龄林、中龄林和成熟林的分配比例分别为29.96%、33.29%和33.35%。在垂直方向上，突发性森林火灾后马尾松次生林土壤MBC和EOC随着土壤深度加深而逐渐减小，而成熟林的土壤DOC则随着土壤深度加深呈现增大的趋势，土壤POC没有明显的变化规律。土壤EOC随着林龄增长其减少幅度呈现降低的规律，而土壤POC随着林龄增长其减少幅度呈现出先增加后减少的规律，且土壤MBC和DOC随着林龄增长其减少幅度呈现“U”型变化规律。相比对照，幼龄林、中龄林和成熟林的土壤MBC分别为65.36、107.48 mg/kg和142.48 mg/kg，依次降低了26.03%、18.14%和18.63%；幼龄林、中龄林和成熟林的土壤DOC分别为23.15、52.86 mg/kg和68.49 mg/kg，依次降低了22.28%、17.81%和19.41%；幼龄林、中龄林和成熟林的土壤EOC分别为1 308.82、1 824.19 mg/kg和2 571.58 mg/kg，依次降低了23.98%、18.99%和13.50%；幼龄林、中龄林和成熟林的土壤POC分别为1 013.02、1 374.75 mg/kg和2 206.09 mg/kg，依次降低了18.50%、22.96%和18.32%。方差分析表明，土壤深度对土壤EOC影响最大，而林龄对土壤DOC影响最大。森林火灾对土壤DOC影响最大，对土壤EOC影响最小。