不同強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分析研究了大興安嶺地區不同強度火燒跡地0～15 cm土壤有機碳礦化速率及礦化量的差異及其相互關系。[結果]在60 d的培養期內，不同月份不同強度土壤有機碳的礦化率均表現出隨著時間延長呈現先降低后逐漸趨于穩定；土壤有機碳礦化速率整體表現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。[結論]為揭示興安落葉松林下不同強度火燒對土壤有機碳組分的影響提供了理論依據。

關鍵詞 不同強度火燒；興安落葉松；可礦化碳

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

基金項目科技部973項目（2011CB403203）；黑龍江省青年科學基金項目（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，從事林火生態與管理研究。

近年來隨著氣候的逐漸變暖，土壤有機碳庫被認為是導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域關注的焦點，同時也是了解和研究土壤碳循環的重要場所[1]。土壤可礦化碳是土壤有機碳組分之一，又稱生物可降解碳，是土壤微生物分解有機物質過程中每單位微生物量產生的CO2量，高值時反映發酵性微生物區系的活性，低值時反映穩態性微生物區系的活性，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，因此根據碳礦化釋放CO2C的數量可以反映土地利用變化或環境因素對土壤有機碳分解的影響[2]。因此，土壤可礦化碳被人們看作土壤微生物活性指標。

目前，國內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行了輪作和翻耕試驗，研究表明翻耕對土壤碳礦化產生的影響大于輪作，這有可能是因為輸入凋落物等有機物的數量有關[3]；戴慧等對不同林型下土壤碳礦化進行了研究，結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行研究發現皆伐后比皆伐前土壤礦化碳的含量增加，這可能是因為皆伐后林地上存有大量的枯枝落葉，而且樹木皆伐后光照增加，使土壤溫度增加，導致微生物的生物活性相應增加，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行研究發現碳礦化速率出現降低[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物的輸入對土壤礦化碳產生的影響，而關于火強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近40年來火災次數和面積不斷上升，多次發生森林火災，總過火面積300余萬hm2，對區域生態環境造成了巨大影響[7]。鑒于此，筆者選擇被林火頻繁干擾的大興安嶺地區，通過測定總有機碳、礦化碳2個指標研究了不同強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度火燒對土壤有機碳組分的影響提供理論依據。

1材料與方法

1.1研究區概況研究區域位于黑龍江省大興安嶺松嶺區南甕河自然保護區2006年因雷擊引起森林火災火燒跡地內，地理坐標為125°07′55″～125°50′05″E、51°05′07″～51°39′24″N，該自然保護區在大興安嶺松嶺區境內，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，持續時間較長，夏季炎熱，持續時間較短，屬于寒溫帶大陸性季風氣候，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樣地設置。在2006年4月杜鵑興安落葉松林火燒跡地上選取不同強度火燒樣地，以臨近未火燒區作為對照樣地，每個強度火燒樣地及未火燒區各設置3塊標準樣地，共計12塊，樣地大小均為20 m×20 m。不同強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月下旬進行土壤樣品的采集。每次每塊樣地內采用5點混合隨機取樣法取樣，在每處采樣點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，不同強度火燒樣地和對照樣地每塊3次重復，共計12份土壤樣品。土壤樣品被帶回實驗室，去掉枯落物及其他雜質，自然風干，一部分過2 mm篩用于土壤礦化碳培養試驗，同時將一部分土樣取出用于物理化學性質的測定。

1.2.3樣品測定。采用室內需氧培養法[8]分別取不同強度火燒樣地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，作為CO2吸收杯，將吸收杯掛在塑料內墊的下方，再將塑料內墊連同吸收杯懸掛在瓶內供試樣品的上端。然后旋緊口的塑料蓋，將廣口瓶密封后放入30 ℃恒溫培養箱中（重復2次）培養60 d。另設不加供試樣品的空白處理。測定時，打開瓶蓋，取出培養瓶內的吸收杯，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，然后加蓋繼續培養。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標準液滴定至微紅色。滴定測定釋放的CO2，單位為mg（CO2C）/kg。用稱重法校正水分含量。按下式計算出培養時間內樣品中礦化有機碳的分解率：

1.2.4數據處理。數據分析采用Excel2003和SPSS13.0完成，方差分析采用LSD法進行。

2結果與分析

2.1不同月份不同強度土壤有機碳的礦化率在60 d的培養期內，不同月份不同強度土壤有機碳的礦化率均表現出隨著時間延長呈現先降低后逐漸趨于穩定（圖1、2）。不同強度火燒跡地中土壤有機碳礦化速率高值出現在培養初期，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后土壤有機碳礦化率逐漸保持穩定。在培養期的前15 d內，不同強度火燒跡地中土壤有機碳礦化速率下降60%～80%。

2.2不同月份不同強度土壤有機碳累計礦化量由表2可知，培養60 d后，不同月份不同強度火燒樣地土壤碳礦化累計釋放CO2C總量大小順序為對照樣地和重度火燒樣地>中度火燒樣地>輕度火燒樣地，不同強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，不同強度火燒樣地土壤有機碳礦化速率均在培養初期1～15 d內迅速下降，降幅最大，后期緩慢下降趨于穩定，這與研究者結果相似[9-11]。這可能是因為礦化前期釋放的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]。

在培養期內，不同強度火燒樣地和對照樣地土壤有機碳礦化速率整體表現為：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。經研究已證明，火對土壤環境影響的大小取決于火強度的大小[13]，該研究中不同強度火燒對土壤有機碳礦化速率的影響雖然存在差異，但沒有達到顯著水平，這可能與火燒后5年采樣有關系，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境及結構得到一些恢復，微生物生物量和微生物活性得以提高，所以不同強度火燒和對照樣地間土壤礦化速率差異度減少。

培養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]研究土壤有機碳礦化速率與土壤溫度呈正相關結果相同，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。不同強度火燒樣地土壤碳礦化累計釋放CO2C總量表現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度的增大而增多，這可能是由于火燒導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，短期內草本植物迅速進入繁衍，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，該研究基于不同強度火燒對土壤礦化碳和礦化速率的影響展開討論，結果表明：不同月份不同強度土壤有機碳的礦化率均表現出隨著時間延長呈現先降低后逐漸趨于穩定；不同強度礦化速率表現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。火干擾對礦化碳產生的影響是復雜的，今后仍需進一步加強該方面的研究，進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理。

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