林火對(duì)大興安嶺典型植被土壤理化性質(zhì)的影響1)

張玉紅 孫銘隆

(森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

劉 彤

(東北林業(yè)大學(xué)生態(tài)研究中心)

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，由于人為、雷擊或者高溫干旱等多種因素引發(fā)的林火，使得林火成為森林生態(tài)系統(tǒng)中極為活躍的干擾因子，并對(duì)維持森林生物多樣性和森林健康起著舉足輕重的作用[1]。土壤是生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的重要組成成分，它為植物生長提供各種養(yǎng)分和支持[2]，而林火可以影響土壤的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致森林土壤酸堿度、土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)等土壤理化性質(zhì)的變化。火燒產(chǎn)生的高溫灰分，填充到土壤空隙中，可以氣化掉大部分氮元素等，使土壤中養(yǎng)分分配發(fā)生變化，還能夠改變枯枝落葉物的分解歸還速率，以及改變土壤表層植物和土壤內(nèi)動(dòng)物、微生物等的生物數(shù)量和種群結(jié)構(gòu)等。

大興安嶺林區(qū)是我國最北部而且面積最大的一個(gè)林區(qū)，是我國重要的木材生產(chǎn)基地，又是呼倫貝爾草原和松嫩平原的天然屏障，其生態(tài)效益、社會(huì)效益都十分顯著。近些年來該地區(qū)的火災(zāi)次數(shù)和面積不斷上升，并時(shí)有大火和特大火發(fā)生，不僅在經(jīng)濟(jì)上造成重大損失，而且嚴(yán)重影響森林生態(tài)系統(tǒng)景觀格局和生態(tài)環(huán)境[3]。本研究以大興安嶺呼中國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)2008年火燒跡地為研究對(duì)象，研究了林火干擾對(duì)大興安嶺兩種典型林型——落葉松林和白樺林土壤理化性質(zhì)的影響，旨在了解林火干擾后落葉松林和白樺林生長的養(yǎng)分供應(yīng)情況，確定合理、有效、可行的森林經(jīng)營對(duì)策，為加速被破壞森林的恢復(fù)提供可靠的科學(xué)理論依據(jù)。

1 研究地概況

研究地點(diǎn)位于黑龍江省大興安嶺地區(qū)西部呼中國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)122°42'14″～123°18'05″，北緯 51°17'42″～ 51°56'31″。保護(hù)區(qū)總面積為167213 hm2，南北長約63 km，東西寬約32 km。呼中自然保護(hù)區(qū)是我國最北部的寒溫帶針葉林生態(tài)系統(tǒng)自然保護(hù)區(qū)，也是我國目前保存下來的最典型、最完整、面積最大的原始寒溫帶興安落葉松林分布區(qū)。在植物地理區(qū)劃上隸屬于泛北植物區(qū)、歐亞森林植物亞區(qū)、大興安嶺地區(qū)。植被區(qū)系為典型的東西伯利亞植被區(qū)系成分。地帶性植被主要為興安落葉松(Larix gmelini)、白樺(Betula platyphylla)、樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)、山楊(Populus davidiana)、云杉(Picea asperata)、興安杜鵑(Rhododendron dauricum)、杜香(Ledum palustre)等。

2 研究方法

試驗(yàn)樣地選擇:于2009年選擇坡度、坡向、海拔等立地條件基本一致，中度火燒(40% ～60%為活立木)和重度火燒(活立木＜20%)的興安落葉松林、白樺林，每種林型各6塊樣地，以未經(jīng)過火干擾且與火燒跡地立地條件和林型基本一致的原始林為對(duì)照。

土壤取樣:在選擇的樣地內(nèi)，以“品”字形設(shè)置3個(gè)樣點(diǎn)，用土鉆分兩層取土樣各100 g，裝在布袋中，風(fēng)干備用。

土壤含水率的測(cè)定:在樣地中沿兩個(gè)對(duì)角線利用TDR100測(cè)量土壤含水率各10次，共20次，取平均值為樣地中土壤的平均體積含水率。土壤質(zhì)量含水率(%)=[土壤體積含水率×土壤密度]/水的密度。土壤密度、土壤pH值、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮和土壤有效氮的測(cè)定按照鮑士旦[4]方法測(cè)定;土壤全磷用NaOH熔融－鉬銻抗比色法進(jìn)行測(cè)定;土壤全鉀采用NaOH熔融－火焰光度法進(jìn)行測(cè)定。

運(yùn)用Excel、Sigmaplot 9.0等軟件對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 林火對(duì)土壤含水率的影響

由表1可知:中度火燒強(qiáng)度的白樺林土壤含水率是落葉松林的3.7倍，而原始林和重度火燒強(qiáng)度下落葉松林的土壤含水率分別是白樺林的1.4倍和4.1倍。不同林型及火燒強(qiáng)度下土壤含水量未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，這是由于土壤含水率受降雨、地表徑流、植被類型、郁閉度、地形條件等諸多環(huán)境因子影響而致。

表1 林火對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

3.2 林火對(duì)土壤密度的影響

由表1可知:中度火燒下落葉松林土壤密度較白樺林的低13.90%，而原始林和重度火燒下落葉松林土壤密度較原始白樺林和重度火燒下白樺林土壤密度分別高28.04%和34.02%;火燒強(qiáng)度對(duì)土壤密度的影響呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，落葉松和白樺原始林型和重度火燒林型低于中度火燒林型，土壤密度依次為中度火燒林＞原始林＞重度火燒林。呈現(xiàn)這一規(guī)律的原因可能是中度火燒后，灰分顆粒填充進(jìn)土壤空隙中，而中度火燒林型經(jīng)過2 a雨水的沖刷，沒有枯枝落葉層保護(hù)土壤，使得土壤堅(jiān)實(shí)度增加，導(dǎo)致土壤密度增加;重度火燒土壤密度低于中度火燒，可能是因?yàn)榻?jīng)過時(shí)間的推移土壤動(dòng)物活動(dòng)頻繁，孔隙度增加，使得土壤結(jié)構(gòu)逐漸恢復(fù)，從而土壤密度減小。

3.3 林火對(duì)土壤pH值的影響

土壤有機(jī)質(zhì)的分解、土壤營養(yǎng)元素存在的狀態(tài)、釋放、轉(zhuǎn)化與有效性以及土壤發(fā)生過程中元素的轉(zhuǎn)移等都與土壤的酸堿度有關(guān);土壤酸堿度對(duì)植物及土壤微生物有很大的影響，適宜的酸堿性有利于土壤微生物活動(dòng)，加速枯枝落葉物分解，從而促進(jìn)林木的生長[5]。由表1可知:同一林地相同火燒強(qiáng)度的土壤A層pH值均高于B層。不同林地間，原始林和中度火燒強(qiáng)度的落葉松林土壤A層pH值均低于白樺林，重度火燒強(qiáng)度下落葉松林土壤A層pH值高于白樺林;而中度火燒和重度火燒下白樺林土壤B層pH值均高于落葉松林。不同強(qiáng)度火燒對(duì)兩種林型pH值的影響呈遞增趨勢(shì)，即重度火燒林＞中度火燒林＞原始林。這可能是由于火燒釋放出的一些陽離子中和了土壤中的酸性，從而使土壤pH值升高。

3.4 林火對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，也是土壤形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。不同類型的土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)差別很大，豐富的可以達(dá)到20%，而少的則低于1%。有機(jī)質(zhì)的存在能夠影響土壤一系列的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)。土壤中有機(jī)質(zhì)的來源主要是植物的殘?bào)w，如枝、葉、皮、根和果等，這些殘?bào)w依靠土壤中的動(dòng)物和大多數(shù)微生物的作用分解改造成土壤有機(jī)質(zhì)。有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)共同構(gòu)成了土壤的固體部分，一起供應(yīng)著林木生長發(fā)育過程中所需要的營養(yǎng)元素。有機(jī)質(zhì)不僅影響著土壤的理化性質(zhì)，而且在土壤形成過程中，特別是在土壤肥力的發(fā)展過程中起著極其重要的作用[6]。因此，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)是判斷土壤肥力以及火燒跡地土壤恢復(fù)狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

相同火燒強(qiáng)度下，落葉松林和白樺林A層土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于B層，這是由于A層土壤中枯枝落葉較B層多的緣故。同種火燒強(qiáng)度下，落葉松林土壤A層和B層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于白樺林，可能是因?yàn)榘讟辶质情熑~林，林下植被豐富度也高于落葉松林，導(dǎo)致枯枝落葉物較多，經(jīng)過土壤動(dòng)物和微生物的作用，將枯枝落葉物轉(zhuǎn)化成土壤有機(jī)質(zhì)也較多，這與闊葉林林下土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較針葉林高的結(jié)論相一致[7－8]。

同種林型土壤A層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨火燒強(qiáng)度呈遞減的趨勢(shì)，即原始林＞中度火燒林＞重度火燒林;而土壤B層則未呈現(xiàn)相似的規(guī)律性。可能是因?yàn)榛馃龔?qiáng)度越高，地表的枯枝落葉物越少，其分解產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤的補(bǔ)充越少。

3.5 林火對(duì)土壤中全氮和有效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)是衡量土壤氮供應(yīng)狀況的重要指標(biāo)[9]。林地土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加或減少和土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化相似，都主要決定于各個(gè)地區(qū)有機(jī)質(zhì)積累和分解作用的相對(duì)強(qiáng)弱及氣候、植被、耕作制度諸因素，特別是水熱條件，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)有顯著的影響。

由表1可以看出，不同火燒強(qiáng)度的落葉松林和白樺林A層土壤全氮和有效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于B層，這是由于A層土壤枯枝落葉物較B層多的緣故。

同種火燒強(qiáng)度下，落葉松林土壤A層全氮和有效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于白樺林，B層土壤無規(guī)律。可能是因?yàn)榘讟辶窒驴葜β淙~物較多且郁閉度較高，中度和重度火燒強(qiáng)度下白樺林林下植物也多于落葉松林，由于大部分土壤微生物的作用，將枯枝落葉物轉(zhuǎn)化成土壤全氮和有效氮也較多。

同種林型土壤A層全氮和有效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨火燒強(qiáng)度呈遞減的趨勢(shì)，即原始林＞中度火燒林＞重度火燒林;而土壤B層則未呈現(xiàn)相似的規(guī)律性。火燒以后，土壤受到侵蝕使得土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，另外由于火燒以后，植被尚未恢復(fù)，郁閉度小，光照使得地表土壤溫度升高，加速了氮的礦化，使得土壤有機(jī)氮下降，而土壤有機(jī)氮占土壤全氮的95%，從而導(dǎo)致土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下降;而火燒后，地表枯枝落葉物較少，補(bǔ)充給土壤的有效性氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較少。

3.6 林火對(duì)土壤中全磷和全鉀的影響

除中度火燒的白樺林外，其它兩種火燒強(qiáng)度的落葉松林和白樺林A層土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于B層，A層土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均比B層低。落葉松林土壤A層全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于同等火燒強(qiáng)度白樺林土壤A層全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同種火燒強(qiáng)度落葉松林型土壤B層全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于白樺林土壤B層全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

同種火燒強(qiáng)度下同種林型土壤A層全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為原始林＞中度火燒林＞重度火燒林;而B層未呈現(xiàn)相似的規(guī)律。這與已有的研究結(jié)果基本一致，即火燒對(duì)森林地表覆蓋物和表層礦質(zhì)土壤中全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般沒有明顯影響，只有火燒強(qiáng)度很大時(shí)會(huì)有一定的影響[10]。

對(duì)于全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)，落葉松林型土壤A、B層基本一致，呈現(xiàn)出原始林＞重度火燒林＞中度火燒林;而白樺林土壤A層全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為中度火燒林＞原始林＞重度火燒林，土壤B層全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出原始林＞重度火燒林＞中度火燒林。

4 結(jié)論與討論

火燒對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的作用不僅范圍廣，而且影響也很復(fù)雜，可減少地上部分的生物量，還可影響土壤理化性質(zhì)、微生物降解和細(xì)根的生長[11]。火燒對(duì)土壤的影響既有利又有害，主要是取決于火燒的強(qiáng)弱。通常高強(qiáng)度火能夠引起植物群落演替頻率的變化，使土壤結(jié)構(gòu)退化、水文功能改變，改變土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和C/N比值，加劇侵蝕、林溶和反硝化作用，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失，使微生物及地下動(dòng)物數(shù)量以及相關(guān)生命活動(dòng)過程發(fā)生改變[10]。

對(duì)于大興安嶺不同火燒強(qiáng)度下的兩種林型，落葉松林土壤A層全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、B層全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于相同火燒強(qiáng)度的白樺林;落葉松林土壤A層的有機(jī)質(zhì)、全氮和有效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于相同火燒強(qiáng)度的白樺林，除重度火燒林外，其它兩種火燒強(qiáng)度的土壤A層pH值均呈現(xiàn)出白樺林大于落葉松林，而B層無明顯規(guī)律;落葉松林和白樺林pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮和有效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于土壤B層;除中度火燒強(qiáng)度的白樺林外，土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)都是A層高于B層，土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)則是A層低于B層。

不同火燒強(qiáng)度對(duì)土壤理化性質(zhì)影響也較大，火燒通常易使土壤的酸性增強(qiáng)，經(jīng)過火燒的樣地有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于未經(jīng)過火燒的樣地。土壤密度表現(xiàn)為中度火燒林＞原始林＞重度火燒林;pH值隨火燒強(qiáng)度增加而增加，呈現(xiàn)出重度火燒林＞中度火燒林＞原始林;兩種林型的土壤A層有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨火燒強(qiáng)度的增加而減少，即原始林＞中度火燒林＞重度火燒林;而火燒強(qiáng)度對(duì)于土壤B層的上述指標(biāo)和土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響無明顯規(guī)律性。

不同火燒強(qiáng)度下兩種不同林型中土壤含水量未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性變化，這是由于土壤含水率受降雨、植被類型、郁閉度、地形條件等諸多環(huán)境因子的影響。

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