不同強度火燒對楊樹林碳、氮及其比值變化的影響

王 天，張水鋒，陳鵬鵬，宮涵

（南京森林警察學院，江蘇 南京210023）

1 引言

林火是森林生態(tài)系統(tǒng)最顯著的干擾因子之一，也是影響森林植被的一個活躍生態(tài)因素，對森林生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和功能的影響較大。因此，林火與森林生態(tài)系統(tǒng)平衡有很大的關(guān)系，被認為是森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要組成部分［1，2］。火對土壤有機碳的影響既有短期直接性，也有長期間接性。一方面火災(zāi)過程中有機土層的燃燒造成土壤有機碳的直接損耗，另一方面，火燒通過改變碳素形態(tài)和分布，以及改變物種組成、植物生長、土壤生物區(qū)系、土壤淋溶和侵蝕等，對生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)產(chǎn)生潛在而深遠的長期影響。水解氮是銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白質(zhì)氮的總和，是土壤氮素的重要組成部分，它的含量與土壤有機質(zhì)呈正相關(guān)，能較好的反映出近期內(nèi)土壤氮素的供應(yīng)狀況，在衡量土壤氮素供應(yīng)水平上占有重要的位置。在不同強度林火干擾下，短時間內(nèi)土壤有機碳和水解氮變化方面的研究還較少。近年來，國內(nèi)外學者的研究主要集中在不同類型輕組有機碳的變化［4，5］，火燒對土壤物理和化學性質(zhì)的影響［3，6］，不同強度火燒對土壤有機碳組分差異及其影響因素［7，8］，不同土地利用變化對輕組和重組有機碳的影響［9～12］等長期觀察的變化方面。研究不同強度火燒在短期內(nèi)對有機碳和水解氮的影響對評價森林土壤肥力、土壤碳庫平衡、碳循環(huán)具有重要的意義。該文通過測定有機碳及水解氮來探討不同強度火燒在短時間內(nèi)對土壤有機碳和水解氮含量影響的差異及其相關(guān)影響因子，為揭示人造楊樹林在不同強度火燒對土壤有機碳和水解氮短時的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 研究區(qū)概況

野外林火點燒樣地位于南京市仙林大學城南京森林警察學院校內(nèi)后山旁楊樹人工林，土壤類型為黃棕壤，枯落物厚度5～8 cm，表層枯落物較干燥，易燃，林冠郁閉度為0.5～0.7，林下灌木蓋度20%～30%，枯落物蓋度80%。為實現(xiàn)不同火強度的分級目標，在楊樹林下增鋪了可燃物，主要為附近闊葉林地收集的已曬干的枯枝落葉。增鋪可燃物的厚度從樣地邊緣的10 cm向中心逐漸均勻增加到40 cm。另外，在楊樹林各個小樣地中心插上長6m且標有紅色刻度線并涂有白漆的鐵質(zhì)標桿，并將火燒后標桿的熏黑高度作為火焰高度記錄。

2014年5月4日，在近百名森林防火隊員全副武裝的嚴密監(jiān)控下，楊樹人工林樣地實施了點燒試驗。試驗過程中，同時對火行為進行了多角度監(jiān)控錄像。

3 研究方法

3.1 樣地設(shè)置

本次試驗以火燒實驗前的楊樹林作為研究對照，其土壤取樣時間為林火點燒試驗實施前的2014年5月3日、試驗結(jié)束24 h后的2014年5月5日。在2014年5月4日點燒實驗火燒跡地和鄰近火燒跡地未著火區(qū)域分別選取低強度、高強度和對照樣地，基于楊樹林樣地的面積和地形，按照代表性和典型性的原則，將其劃分為12塊4m×6m的小樣地，如圖1所示。

3.2 樣品采樣

為減少其它環(huán)境因素的干擾，本次楊樹林火燒試驗設(shè)計在雨后至少4～5d的晴朗天氣進行采樣。以火燒前的楊樹林作為研究對照，其土壤取樣時間為林火點燒試驗實施前的2014年5月3日，試驗結(jié)束24 h后的2014年5月5日。采樣時，將楊樹林的各個小樣地均勻劃分成4個方格，在每個取樣點先移去土壤上面的凋落物和腐殖質(zhì)后，在4個方格內(nèi)分別按0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm分層取樣，取樣后各層均勻混合至500 g，低強度、高強度和對照樣地每塊3次重復(fù)，共計36份土壤樣品。將土壤樣品帶回實驗室后除去雜質(zhì)，自然風干，風干后研磨，一部分過2 mm篩用于土壤有機碳的測定，一部分過0.25 mm篩用于土壤總有機碳的測定，一部分過0.149 mm篩用于水解氮的測定。

3.3 樣品測定

采用堿解－擴散法來測定土壤水解氮。土壤有機碳總量，重鉻酸鉀外加熱法。用控制變量分析法分析火燒強度與不同土壤層次對土壤有機碳和水解氮含量的影響，并進行多重比較，對不同土壤層次不同火燒強度下土壤有機碳和水解氮含量情況作多重比較分析。

另外，根據(jù)森林火中的地表火和樹冠火的火焰高度和火線強度的資料，采用根據(jù)森林火撲救的需要將森林火強度劃分為4級的分級標準（表1）［13］。

表1 地表火和樹冠火強度的分級標準

3.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用Excel2013和SPSS17.0軟件完成。

4 結(jié)果與分析

4.1 不同強度火燒后土壤有機碳的含量變化

由表2可見，低、中和高強度火燒樣地中在0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm的土層土壤有機碳的含量均呈現(xiàn)下降的趨勢。其中，高強度火燒后土壤有機碳含量的減少幅度約是低強度下的8倍。且過火后土壤有機碳含量對不同層次土壤層的影響大小基本一致，0～5 cm土層＜5～10 cm土層＜10～20 cm土層。0～5 cm土層有機碳含量降幅在低、中和高強度火燒分別為5%、12%和46% 與5～10 cm和10～20 cm間差異顯著，但10～20 cm土層低、高強度火燒間差異不顯著，僅為1%。可見在不同強度火燒后土壤有機碳含量均下降，且隨著林火強度增大土壤有機碳含量減少幅度越明顯，隨著土層厚度增加火燒后土壤有機碳含量變化趨于不變。

表2 不同強度火燒后土壤中有機碳含量

4.2 不同強度火燒后土壤水解氮的含量變化

由表3可見，不同強度火燒后土壤水解氮的含量在0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm的土層水解氮含量的影響各不相同。其中，低強度下各土層水解氮含量變化依次增加3%、4%和0.3%，5～10 cm土層的水解氮含量增幅相對最大；中強度下各土層水解氮含量變化依次降低5%、增加4%、增加0.1%，0～5 cm與5～10 cm土層間的變化差異較大，10～20 cm土層受到的影響較小；高強度下各土層水解氮含量變化下降低22%、降低11%和增加0.3%，高強度火燒對水解氮含量的影響最大，主要表現(xiàn)為降低的趨勢，且降幅較大。0～5 cm層低強度火燒后氮含量為增加，而且中強度和高強度火燒后土壤氮含量為降低趨勢，而且高強度火燒后降幅約是中強度降幅的4.4倍。顯然，不同強度火燒對土壤水解氮的含量變化的影響各不相同，低強度和中強度火燒使土壤水解氮含量小幅度增加，而高強度火燒后水解氮含量呈明顯減少趨勢。另一方面，隨著土壤深度的水解氮的含量趨于不變。

表3 不同強度火燒后不同土壤層數(shù)中水解氮含量

4.3 不同強度火燒后楊樹林土壤碳氮比值的變化

由表4可見，不同強度火燒后，土壤碳氮含量比呈下降趨勢，其中0～5 cm低強度、中強度和高強度火燒后土壤碳氮比降幅分別為9.3%、7.7%和30%，其中高強度火燒后降幅最大，約是低強度的3倍，中強度的3.9倍；5～10 cm低、中火燒后土壤碳氮比降幅分別為4.6%、6.5%，變化幅度差異不顯著，而高強度下則增加2%；10～20 cm低強度火燒后碳氮比降幅為3.7%，而中、高強度火燒后碳氮比則基本保持不變。

表4 不同強度火燒后不同土壤層數(shù)中碳氮比

5 結(jié)語

楊樹人工林在不同火強度影響下的土壤有機碳含量均呈現(xiàn)下降的趨勢，且隨著火強度的增大土壤有機碳含量減幅越明顯，隨著土層厚度的增加火燒后土壤有機碳含量變化趨于不變。造成這種差異可能與火強度干擾土壤有機質(zhì)層有關(guān)，但也可能與周圍植被類型、氣候、立地條件等有關(guān)。關(guān)于火燒對土壤有機碳的影響結(jié)論不一，有些學者認為火燒降低了土壤有機碳含量［14］，有些學者認為火燒增加了土壤有機碳含量［15］，還有一些學者認為火燒只改變了土壤有機碳在不同層的量，但總量上沒有改變［16～18］。該研究中，低強度火燒對林木干擾不強，地上有機質(zhì)在通過低強度火干擾的情況下，部分損失，導致低強度火燒樣地中有機碳含量減少不明顯，而高強度火燒移去了地表大部分有機質(zhì)層以及高溫揮發(fā)，使土壤有機碳的來源大量減少，從而使土壤有機碳含量降低明顯，這與前人研究結(jié)果一致［19，20］。在不同土壤層次里，不同強度火燒樣地中，有機碳的動態(tài)變化規(guī)律基本一致。土壤層次越深土壤有機碳含量變化越不明顯。有機碳含量的高低變化與均值變化不同，造成這種差異可能與火強度干擾土壤有機質(zhì)層分布不均勻和動態(tài)變化有關(guān)［14］，這需要進一步驗證。

隨著火燒強度的升高，土壤水解氮的含量先增加后減少。揮發(fā)是燃燒中氮損失的主要途徑。Raison等［25］認為燃燒中揮發(fā)損失的氮量是直接與被燃燒的有機質(zhì)量呈比例的。預(yù)測揮發(fā)的氮中有99%是以N2的形式損失的，還有一小部分的氮并沒有在揮發(fā)中損失，而是存在于未燃燒的燃料中或是伴隨灰分以NH4＋形式返回地表，導致了火后土壤中氮有效量增加的現(xiàn)象。在北方針葉林，氮被認為是影響植被生長的限制性營養(yǎng)元素，對于森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的維持具有重要意義［21～23］。大量研究表明，林火減少了土壤氮庫，但卻增加了土壤中的水解氮含量，且無機氮的釋放量與燃料負荷、消耗量及濕度等有關(guān)［24］。

土壤有機碳與土壤水解氮呈線性正相關(guān)，與Camberdella等［26～27］研究結(jié)果一致，這是因為土壤中有機質(zhì)的氮含量的高低會影響到微生物對其分解速度的快慢。有機質(zhì)中含氮量高的那部分易被微生物分解，吸收、轉(zhuǎn)化速度較快［27］，從而對土壤有機碳含量產(chǎn)生有一定程度的影響。土壤有機碳與水解氮存在著相關(guān)性，但相關(guān)性顯著度不明顯，這可能與該研究中采集數(shù)據(jù)量較少有關(guān)。

不同強度火燒對楊樹林碳、氮及其比值變化的影響是復(fù)雜的，不同強度火燒對地表植被進行干擾、影響和改變有機碳輸入源的同時，它還借助改變其他因子，如土壤結(jié)構(gòu)、溫度、濕度、土壤微生物等，改變和影響著碳、氮含量及其比值，這種影響可能是暫時的，也可能是長期的，這與氣候、林型、土壤性質(zhì)及火燒強度及持續(xù)的時間有關(guān)。在以后的研究中，應(yīng)進一步加強不同強度火燒對楊樹林碳、氮及其比值變化的影響方面的研究。

［1］胡海清 .林火生態(tài)與管理［M］.北京：中國林業(yè)出版社，2005：154～157.

［2］王緒高，李秀珍，賀紅士，等 .大興安嶺北坡落葉松林火后植被演替過程研究［J］.生態(tài)學雜志，2004，23（5）：35～41.

［3］崔曉陽，郝敬梅，趙山山，等 .大興安嶺北部試驗林火影響下土壤有機碳含量的時空變化［J］.水土保持學報，2012，26（5）：195～200.

［4］Knicker H.How does fire affect the nature and stability of soil organic nitrogen and carbon？A review［J］.Biogeo chemistry，2007（85）：91～118.

［5］Grego Ich E G，Carter M R，Angers D A，et al.Towards a minimum data set to assess soil Rorganic matter quality in agricultural soil［J］.Can J Soil Sci，1994（74）：367～385.

［6］Jiang R，Sun L，Hu H Q，The seasonal dynamics of soil microbial biomass of a Larix gmelinii forest after wildfire［J］.African Journal of Microbiology Research，2012，6（10）：23～29.

［7］林曉東，漆智平，唐樹梅，等 .海南人工林地、人工草地土壤易氧化有機碳和輕組碳含量初探［J］.熱帶作物學報，2012，33（1）：171～177.

［8］馬昕昕，許明祥，張金，等 .黃土丘陵區(qū)不同土地利用類型下深層土壤輕組有機碳剖面分布特征［J］.植物營養(yǎng)與肥料學報，2013，19（6）：1366～1375.

［9］房飛，唐海萍，李濱勇 .不同土地利用方式對土壤有機碳及其組分影響研究［J］.生態(tài)環(huán)境學報，2013，22（11）：1774～1779.

［10］毛 艷，楊玉盛，邢世和，等 .土地利用變化對土壤水穩(wěn)性團聚體輕組有機碳的影響 ［J］.福建農(nóng)林大學學報：自然科學版，2008，37（5）：532～538.

［11］李海波，韓曉增，王 風，等 .不同土地利用下黑土密度分組中碳、氮的分配變化［J］.土壤學報，2008，45（1）：112～118.

［12］任 軍，郭金瑞，邊秀芝，等 .土壤有機碳研究進展［J］.中國土壤與肥料，2009（6）：1～5.

［13］王賢祥 .森林火行為的分級或分類標準的研究［J］.火災(zāi)科學，1995，4（1）：12～18.

［14］Johnson D W，Curtis P S.Effects of forest management on soil C and N storage meta analysis［J］.Forest Ecology and Management，2001，140（2／3）：227～238.

［15］Antonio J，Lorena M Z，Effect of fire severity on water repellency and aggregate stability on Mexican volcanic soils［J］.Catena，2011，84（3）：136～147.

［16］Gonzalez－Pereza J A，Gonzalez～Vila F J，Almendrosb G，et al.The effect of fire on soil organic matter［J］.Environment International，2004，30（6）：855～870.

［17］李正才，傅愚毅，楊校生 .經(jīng)營干擾對森林土壤有機碳的影響研究概述［J］.浙江林學院學報，2005，22（4）：469～474.

［18］Kraemer J F，Hermann R K.Broad east burning：252 year effects on forest soil in the western flanks of the Cascade mountains［J］.Forest Science，1979（25）：427～439.

［19］Certini G.Effects of fire on properties of forest soils a review［J］.Oecologia，2005（143）：1～10.

［20］Kennard D K，Gholz H L.Effects of high～and low～intensity fires on soil properties and plant growth in a Bolivian dry forest［J］.Plant and Soil，2001（234）：119～129.

［21］Schulze，E－D，Schulze，W，Kelliher，F(xiàn)，et al Above－ground biomass and nitrogen nutrition in a chronosequence of pristine Dahurian Larix stands in eastern Siberia［J］.Canadian Journal Forest Resource，1995（25）：943～960.

［22］Vitousek P M and How Arth R W.Nitrogen limit at ion on land and in the sea how can it occur［J］.Biogeo chemistry，1991（13）：87～115.

［23］Tokuchin，Hirobe M，Kondo K，et al.Soil nitrogen dynamics in l arch ecosystem ［M］.Permafrost Ecosystems，2010：229～244.

［24］Kaw Ahigashim，Prokush Kin A，Sum Ida H.Effect of fire on so lute release from organic horizons under larch forest in Central Siberian permafrost terra in ［J］.Geoderma，2011（166）：171～180.

［25］Ralson R J，Khanna P K，Woods P V.Mechanisms of element transfer to the atmosphere during vegetation fires［J］.Canadian Journal of Forest Research，1985（15）：132～140.

［26］Camberdella C A，Elliott E T.Methods of physical characterization of soil organic matter fractions［J］.Geoderma，1993（56）：449～457.

［27］徐 俠，陳月琴，汪家社，等 .武夷山不同海拔高度土壤活性有機碳變化［J］.應(yīng)用生態(tài)學報，2008，19（3）：539～544.