不同強(qiáng)度火燒對興安落葉松林土壤可礦化碳的影響

摘要 [目的]探討不同強(qiáng)度火燒對土壤碳礦化率及礦化量的影響。[方法]通過野外采樣和室內(nèi)分析研究了大興安嶺地區(qū)不同強(qiáng)度火燒跡地0～15 cm土壤有機(jī)碳礦化速率及礦化量的差異及其相互關(guān)系。[結(jié)果]在60 d的培養(yǎng)期內(nèi)，不同月份不同強(qiáng)度土壤有機(jī)碳的礦化率均表現(xiàn)出隨著時間延長呈現(xiàn)先降低后逐漸趨于穩(wěn)定；土壤有機(jī)碳礦化速率整體表現(xiàn)為對照樣地和重度火燒樣地>中度火燒樣地>輕度火燒樣地，但差異不顯著；土壤碳礦化累計釋放CO2C總量表現(xiàn)為對照樣地和重度火燒樣地>中度火燒樣地>輕度火燒樣地，且差異顯著，不同月份間土壤碳礦化累計釋放CO2C總量9月份高于5月份，且差異顯著。[結(jié)論]為揭示興安落葉松林下不同強(qiáng)度火燒對土壤有機(jī)碳組分的影響提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 不同強(qiáng)度火燒；興安落葉松；可礦化碳

中圖分類號S762文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）30-10708-03

基金項(xiàng)目科技部973項(xiàng)目（2011CB403203）；黑龍江省青年科學(xué)基金項(xiàng)目（QC2012C003）。

作者簡介魏云敏（1979- ），女，吉林通榆人，助理研究員，碩士，從事森林防火研究。*通訊作者，教授，博士，從事林火生態(tài)與管理研究。

近年來隨著氣候的逐漸變暖，土壤有機(jī)碳庫被認(rèn)為是導(dǎo)致大氣碳庫和全球氣候變化的主要原因之一而成為研究領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，同時也是了解和研究土壤碳循環(huán)的重要場所[1]。土壤可礦化碳是土壤有機(jī)碳組分之一，又稱生物可降解碳，是土壤微生物分解有機(jī)物質(zhì)過程中每單位微生物量產(chǎn)生的CO2量，高值時反映發(fā)酵性微生物區(qū)系的活性，低值時反映穩(wěn)態(tài)性微生物區(qū)系的活性，被廣泛用于評價土壤中微生物的活性[1]。由于土壤碳礦化過程就是土壤生物降解碳的過程，因此根據(jù)碳礦化釋放CO2C的數(shù)量可以反映土地利用變化或環(huán)境因素對土壤有機(jī)碳分解的影響[2]。因此，土壤可礦化碳被人們看作土壤微生物活性指標(biāo)。

目前，國內(nèi)外研究者已對土壤碳礦化做了一些研究，如Soon等對加拿大沙壤土進(jìn)行了輪作和翻耕試驗(yàn)，研究表明翻耕對土壤碳礦化產(chǎn)生的影響大于輪作，這有可能是因?yàn)檩斎氲蚵湮锏扔袡C(jī)物的數(shù)量有關(guān)[3]；戴慧等對不同林型下土壤碳礦化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明土壤礦化速率常綠闊葉林>針葉林、竹林和茶園>裸地[4]；Jose等對阿拉斯加皆伐后黑云杉林進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)皆伐后比皆伐前土壤礦化碳的含量增加，這可能是因?yàn)榻苑ズ罅值厣洗嬗写罅康目葜β淙~，而且樹木皆伐后光照增加，使土壤溫度增加，導(dǎo)致微生物的生物活性相應(yīng)增加，從而使礦化碳的含量增加[5]。Stephen等對皆伐后更新的班克松幼齡林下土壤進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)碳礦化速率出現(xiàn)降低[6]。目前已有研究主要集中在土地利用方式的變化和木材采伐改變有機(jī)物的輸入對土壤礦化碳產(chǎn)生的影響，而關(guān)于火強(qiáng)度對土壤碳礦化的影響研究很少。以興安落葉松林為主要樹種的黑龍江省大興安嶺地區(qū)近40年來火災(zāi)次數(shù)和面積不斷上升，多次發(fā)生森林火災(zāi)，總過火面積300余萬hm2，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成了巨大影響[7]。鑒于此，筆者選擇被林火頻繁干擾的大興安嶺地區(qū)，通過測定總有機(jī)碳、礦化碳2個指標(biāo)研究了不同強(qiáng)度火燒對土壤碳礦化率及礦化量的影響，旨在為揭示興安落葉松林下不同強(qiáng)度火燒對土壤有機(jī)碳組分的影響提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況研究區(qū)域位于黑龍江省大興安嶺松嶺區(qū)南甕河自然保護(hù)區(qū)2006年因雷擊引起森林火災(zāi)火燒跡地內(nèi)，地理坐標(biāo)為125°07′55″～125°50′05″E、51°05′07″～51°39′24″N，該自然保護(hù)區(qū)在大興安嶺松嶺區(qū)境內(nèi)，總面積229 523 hm2。地形屬于低山丘陵地帶，地處寒溫帶，冬季寒冷，持續(xù)時間較長，夏季炎熱，持續(xù)時間較短，屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫-3.0 ℃，最高氣溫35.5 ℃、最低-43.8 ℃，極端最低溫度-48.0 ℃，年日照時數(shù)2 500 h，無霜期90～100 d，植物生長期為110 d，降雨量415～500 mm，土壤為棕色針葉林土。主要樹種為興安落葉松（Larix gmelinii），其余有白樺（Betula platyphylla Suk.）、黑樺（Betula davurica）、柞樹（Xylosma japonicum）、山楊（Populus davidiana Dode）等。

1.2方法

1.2.1樣地設(shè)置。在2006年4月杜鵑興安落葉松林火燒跡地上選取不同強(qiáng)度火燒樣地，以臨近未火燒區(qū)作為對照樣地，每個強(qiáng)度火燒樣地及未火燒區(qū)各設(shè)置3塊標(biāo)準(zhǔn)樣地，共計12塊，樣地大小均為20 m×20 m。不同強(qiáng)度和對照樣地林分特征見表1。

1.2.2樣品采集。于2010年5上旬和9月下旬進(jìn)行土壤樣品的采集。每次每塊樣地內(nèi)采用5點(diǎn)混合隨機(jī)取樣法取樣，在每處采樣點(diǎn)先移去土壤上的枯落物及雜物，然后用土鉆采集土壤0～15 cm的土樣3份，混合后作為1個土壤樣品，不同強(qiáng)度火燒樣地和對照樣地每塊3次重復(fù)，共計12份土壤樣品。土壤樣品被帶回實(shí)驗(yàn)室，去掉枯落物及其他雜質(zhì)，自然風(fēng)干，一部分過2 mm篩用于土壤礦化碳培養(yǎng)試驗(yàn)，同時將一部分土樣取出用于物理化學(xué)性質(zhì)的測定。

1.2.3樣品測定。采用室內(nèi)需氧培養(yǎng)法[8]分別取不同強(qiáng)度火燒樣地0～15 cm土層的干土30 g，均勻置于棕色廣口瓶底部，加水至相當(dāng)于供試土壤田間飽和含水量的60%。吸取25 ml 0.2 mol/L NaOH盛入一個50 ml高型小燒杯內(nèi)，作為CO2吸收杯，將吸收杯掛在塑料內(nèi)墊的下方，再將塑料內(nèi)墊連同吸收杯懸掛在瓶內(nèi)供試樣品的上端。然后旋緊口的塑料蓋，將廣口瓶密封后放入30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中（重復(fù)2次）培養(yǎng)60 d。另設(shè)不加供試樣品的空白處理。測定時，打開瓶蓋，取出培養(yǎng)瓶內(nèi)的吸收杯，同時換入另一個50 ml高型小燒杯，立即吸取25 ml 0.5 mol/L NaOH盛入燒杯內(nèi)，然后加蓋繼續(xù)培養(yǎng)。用0.2 mol/L NaOH溶液吸收釋放出的CO2。放置2、5、10、16、23、30、37、44、51、60 d后，取出堿液加入BaCl2（1.0 mol/L）溶液15 ml，再加2滴酚酞指示劑，用0.1 mol/L HCl標(biāo)準(zhǔn)液滴定至微紅色。滴定測定釋放的CO2，單位為mg（CO2C）/kg。用稱重法校正水分含量。按下式計算出培養(yǎng)時間內(nèi)樣品中礦化有機(jī)碳的分解率：

1.2.4數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)分析采用Excel2003和SPSS13.0完成，方差分析采用LSD法進(jìn)行。

2結(jié)果與分析

2.1不同月份不同強(qiáng)度土壤有機(jī)碳的礦化率在60 d的培養(yǎng)期內(nèi)，不同月份不同強(qiáng)度土壤有機(jī)碳的礦化率均表現(xiàn)出隨著時間延長呈現(xiàn)先降低后逐漸趨于穩(wěn)定（圖1、2）。不同強(qiáng)度火燒跡地中土壤有機(jī)碳礦化速率高值出現(xiàn)在培養(yǎng)初期，隨后在15 d左右迅速下降，15～30 d緩慢下降或略有波動，30 d后土壤有機(jī)碳礦化率逐漸保持穩(wěn)定。在培養(yǎng)期的前15 d內(nèi)，不同強(qiáng)度火燒跡地中土壤有機(jī)碳礦化速率下降60%～80%。

2.2不同月份不同強(qiáng)度土壤有機(jī)碳累計礦化量由表2可知，培養(yǎng)60 d后，不同月份不同強(qiáng)度火燒樣地土壤碳礦化累計釋放CO2C總量大小順序?yàn)閷φ諛拥睾椭囟然馃龢拥?gt;中度火燒樣地>輕度火燒樣地，不同強(qiáng)度火燒樣地土壤碳礦化累計釋放CO2C總量差異顯著（P<0.05），不同月份土壤碳礦化累計釋放CO2C總量9月份高于5月份，差異顯著（P<0.05）。

3討論

該研究中，不同強(qiáng)度火燒樣地土壤有機(jī)碳礦化速率均在培養(yǎng)初期1～15 d內(nèi)迅速下降，降幅最大，后期緩慢下降趨于穩(wěn)定，這與研究者結(jié)果相似[9-11]。這可能是因?yàn)榈V化前期釋放的CO2主要來自土壤活性碳庫，即生物活性比較高的那部分土壤碳素。隨著培養(yǎng)時間的延長，土壤活性碳庫被消耗，逐漸被土壤慢性碳庫所代替，土壤礦化速率也隨著降低后保持相對平衡[11-12]。

在培養(yǎng)期內(nèi)，不同強(qiáng)度火燒樣地和對照樣地土壤有機(jī)碳礦化速率整體表現(xiàn)為：對照樣地和重度火燒樣地>中度火燒樣地>輕度火燒樣地，差異不顯著。經(jīng)研究已證明，火對土壤環(huán)境影響的大小取決于火強(qiáng)度的大小[13]，該研究中不同強(qiáng)度火燒對土壤有機(jī)碳礦化速率的影響雖然存在差異，但沒有達(dá)到顯著水平，這可能與火燒后5年采樣有關(guān)系，5年后的火燒跡地已被1年生的草本植物、小灌木所覆蓋，使原本破壞的土壤環(huán)境及結(jié)構(gòu)得到一些恢復(fù)，微生物生物量和微生物活性得以提高，所以不同強(qiáng)度火燒和對照樣地間土壤礦化速率差異度減少。

培養(yǎng)60 d后，9月份土壤碳礦化累計釋放CO2C總量高于5月份，且差異顯著，這與王淼等[14-15]研究土壤有機(jī)碳礦化速率與土壤溫度呈正相關(guān)結(jié)果相同，5月份氣溫低，土壤濕度較小，微生物活性得到抑制，對植物分解減少，使土壤中可礦化碳的含量較低，9月份氣溫升高，降雨量增大，土壤濕度較大，微生物活性較高，對植物分解快，因而土壤中可礦化碳的含量較高。不同強(qiáng)度火燒樣地土壤碳礦化累計釋放CO2C總量表現(xiàn)為對照樣地和重度火燒樣地>中度火燒樣地>輕度火燒樣地，且差異顯著。火燒跡地中，土壤碳礦化累計量隨著火強(qiáng)度的增大而增多，這可能是由于火燒導(dǎo)致樣地中有大量的死根存在，從而為微生物活動提供了豐富碳源，而且火燒后，特別是重度火燒后，短期內(nèi)草本植物迅速進(jìn)入繁衍，使重度火燒跡地中微生物量增多[16]，提高了土壤可礦化碳量，從而提高了生物可降解碳量。

關(guān)于火燒對土壤礦化碳的影響方面的研究還很少，該研究基于不同強(qiáng)度火燒對土壤礦化碳和礦化速率的影響展開討論，結(jié)果表明：不同月份不同強(qiáng)度土壤有機(jī)碳的礦化率均表現(xiàn)出隨著時間延長呈現(xiàn)先降低后逐漸趨于穩(wěn)定；不同強(qiáng)度礦化速率表現(xiàn)為對照樣地和重度火燒樣地>中度火燒樣地>輕度火燒樣地；土壤碳礦化累計釋放CO2C總量表現(xiàn)為對照樣地和重度火燒樣地>中度火燒樣地>輕度火燒樣地，且差異顯著，不同月份間土壤碳礦化累計釋放CO2C總量9月份高于5月份，且差異顯著。火干擾對礦化碳產(chǎn)生的影響是復(fù)雜的，今后仍需進(jìn)一步加強(qiáng)該方面的研究，進(jìn)一步揭示火燒是否有利于土壤碳的礦化以及對土壤礦化碳和礦化速率的影響機(jī)理。

參考文獻(xiàn)

[1] 柳敏，宇萬太，姜子紹，等.土壤活性有機(jī)碳[J].生態(tài)學(xué)雜志，2006，25（11）：1412-1417.

[2] MOTAVALLI P P，PALM C A，PARTON W J，et al.Comparison of laboratory and modeling，simulation methods for estimating carbon pools in tropical forest soils[J].Soils Biology and Biochemistry，1994，26（8）：935-944.

[3] SOON Y K，ARSHAD M A，HAQ A，et al.The influence of 12 years of tillage and crop rotation on total and labile organic carbon in a sandy loam soil [J].Soil Tillage Research，2007，95：38-46.

[4] 戴慧，王希華，閻恩榮.浙江天童土地利用方式對土壤有機(jī)碳礦化的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志，2007，26（7）：1021- 1026.

[5] JOSE M G，SPARROW S D，CHAPIN F S.Impact of forest conversion to agriculture on carbon and nitrogen mineralization in subarctic Alaska[J].Biogeochemistry，2003，64：271-296.

[6] STEPHEN D L，ROTHSTEIN D E.Initial recovery of soil carbon and nitrogen pools and dynamics following disturbance in jack pine forests：A comparison of wildfire and clear cut harvesting[J].Soil Biology Biochemistry，2007，39：2865-2876.

[7] BARRIOS E，KWASIGA F ，SPRENT J I.Light fraction soil organic matter and available nitrogen following trees and maize[J].Soil Science Society of America Journal，1997，61：826-831.

[8] 文啟效.土壤有機(jī)質(zhì)研究法[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1984：273-284.

[9] 陳濤，郝曉軍，杜麗君，等.長期施肥對水稻土土壤有機(jī)碳礦化的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2008，19（7）：1494-1500.

[10] 王清奎，汪思龍，于小軍，等.常綠闊葉林與杉木林的土壤碳礦化潛力及其對土壤活性有機(jī)碳的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志，2007，26（12）：1918-1923.

[11] 李忠佩，張?zhí)伊郑惐淘?可溶性有機(jī)碳的含量動態(tài)及其與土壤有機(jī)碳礦化的關(guān)系[J].土壤學(xué)報，2004，41（4）：543-551.

[12] ZHANG X H，LI L Q，PAN G X.Topsoil organic carbon mineralization and CO2 evolution of three paddy soils from South China and the temperature dependence[J].Journal of Environmental Sciences，2007，19：319-326.

[13] 張敏，胡海清.林火對土壤微生物的影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，30（4）：44-46.

[14] 周焱.武夷山不同海拔土壤有機(jī)碳庫及其礦化特征[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2009.

[15] 王淼，姬蘭柱，李秋榮，等.土壤溫度和水分對長白山不同森林類型土壤呼吸的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2003，14（8）：1234-1238.

[16] 趙彬，孫龍，胡海清，等.興安落葉松林火后對土壤養(yǎng)分和土壤微生物生物量的影響[J].自然資源學(xué)報，2011，26（3）：450-457.