中度火干擾對喀納斯泰加林土壤理化性質的影響

2018-08-04 02:07:38王衛霞劉曉菊楊玉萍

西南農業學報 2018年6期

王衛霞,劉曉菊,劉景,楊玉萍,崔倩

(新疆農業大學林學與園藝學院/新疆教育廳干旱區林業生態與產業技術重點實驗室,新疆烏魯木齊 830052)

【研究意義】火干擾在很大程度上影響著森林生態系統的穩定[1-2]，全世界范圍內每年約有1 %的森林遭受火干擾的影響[3]，自然火干擾作為北方泰加林演替的主要動力，會造成森林土壤孔隙度、土壤有機質、土壤養分、土壤pH值等土壤理化性質發生變化。林火干擾形成的大量高溫灰分進入土壤孔隙中，使得土壤孔隙中的氮元素被氣化，土壤中養分平衡被打破，土壤表層植被和土壤內生物數量進而受到影響[4]。也正因如此，林火干擾的發生使得小范圍內森林生態系統的格局與過程發生改變[5]，將對森林生態系統產生短期與長期的影響[6-9]。【前人研究進展】近年來，我國的森林火災頻繁發生，尤其是我國森林資源豐富的東北林區和西南林區，火干擾頻繁發生對當地的生態系統造成了極大的影響。隨著全球氣候變暖，森林火災現象還將不斷發生[10-12]。政府部門逐漸重視火干擾對森林生態系統的影響，并且對火干擾造成的土壤理化性質及生態系統的穩定性變化做了大量研究[13-15]，取得了不小的成果。但其研究多集中在我國東北林區，對新疆喀納斯泰加林受火干擾后土壤理化性質的影響研究較少?！颈狙芯壳腥朦c】喀納斯國家自然保護區位于阿勒泰山區，是我國西西伯利亞山地南泰加林生態系統的代表，具有獨特的地理條件，地形地勢起伏不定落差較大，地質歷史漫長。在其高度異質的生境下孕育著眾多的原始森林群落，其龐大的生態系統，有著豐富的種質資源，保存有完整的植被垂直帶譜。因此，研究火干擾對新疆喀納斯泰加林生態系統的影響具有重大意義?！緮M解決的關鍵問題】本論文主要研究探討中度火干擾后不同恢復時間對喀納斯泰加林土壤理化性質的影響，旨在為喀納斯泰加林受火干擾后生態系統的恢復提供理論依據。

1 研究區概況

本研究野外調查研究區位于我國新疆維吾爾自治區阿勒泰地區喀納斯自然保護區實驗區最南端(86°53′～87°54′E，48°28′～49°11′N)[16]。氣候屬于寒溫帶大陸性氣候，且具明顯的山地氣候特點，冬季寒冷而不劇，夏季溫熱短暫。本次研究的火干擾林分均位于喀納斯自然保護區海拔1900 m以下。研究區內森林群落的主要建群種為西伯利亞云杉(PiceaobovataLdb.)、西伯利亞落葉松(LarixsibiricaLdb.)和西伯利亞紅松(Pinussibirica(Loud.) Mayr.)，伴生有西伯利亞冷杉 (AbiessibiricaLdb.)、疣枝樺(BetulapendulaRoth.)等。林下草本層主要植物種類由兔兒草(LagotisglaucaGaertn.)、林奈草(LinnaeaborealisL.)、西伯利亞披堿草(ElymussibiricusL.)、林地早熟禾(PoapratensisL.)、草地早熟禾(PoapratensisL.)等植物組成。

2 研究方法

2.1 樣地的布設與土壤樣品的采集

2016年6-8月，采用典型樣方法在喀納斯自然保護區未受人為干擾的原始林中設置火干擾樣方進行調查。依據林木火疤年齡分析和林木火疤的外在屬性(火疤寬度、火疤高度及火疤深度)及耐火樹種的殘留比例，選擇新疆喀納斯中度火干擾烈度下不同火燒時間的泰加林火燒跡地，對照樣地采用臨近未發生過火干擾的樣地，但考慮到喀納斯地區并未有真正未火燒的樣地，因此本研究中以距離調查時火燒時間最長的樣地作為未火燒的對照樣地。通過調查，選擇海拔、坡度、坡向等立地條件基本一致的1938、1972、1985和1991年4個年份的火燒跡地作為研究區域，其中以1938a的火燒跡地作為未火燒的對照樣地。在每個火燒跡地及對照區域設置1個20 m×20 m的臨時樣地，樣地均是以西伯利亞落葉松為主的天然林。在每個樣地內設置3個隨機采樣點，挖土壤剖面，按照0～10、10～25 cm分層進行土壤樣品采集，樣地基本情況見表1。

2.2 土壤物理性質測定

采用烘干法測定土壤的含水量，環刀法測定土壤容重、土壤總孔隙度P依據土壤容重D與土壤比重d計算得出，其計算公式為：

P= ( 1-D/d)×100 %

2.3 土壤化學性質測定

土壤有機碳的測定采用重鉻酸鉀-水合加熱法，土壤全氮的測定采用凱氏定氮法，土壤全磷的測定采用鉬銻抗比色法，土壤全鉀的測定采用酸溶-火焰光度法[17]，pH值采用電極法測定。

2.4 數據處理

采用空間代替時間的方法，以距離調查時火燒時間最長的樣地作為未火燒的對照樣地，分析各火燒跡地的土壤理化性質隨火后時間的變化。所有數據采用SPSS 16. 0統計軟件進行處理分析，并運用Sigmaplot 10.0制圖軟件進行制圖。

3 結果與分析

3.1 火干擾對土壤物理性質的影響

由圖1～2可知，中度火干擾對土壤孔隙度的影響表現為火燒后土壤孔隙度隨著時間均不同程度地降低，火燒后44年(火燒發生后距調查當年的時間為44年) 的土壤孔隙度顯著低于火燒前水平。

表1 樣地信息

中度火干擾對土壤容重的影響表現為使土壤容重逐漸增加，火燒后44年的土壤容重顯著高于火燒前水平?；馃蟮?5、31和44年的0～10 cm土層的土壤容重分別比火燒前增加了30.23 %、27.91 %和38.37 %，10～25 cm土層的土壤容重分別比火燒前增加了4.71 %、29.41 %和32.94 %。土壤有機碳被火燒后對土壤孔隙度造成不利影響，使得土壤孔隙度降低，土壤板結加重，進而導致土壤容重增加。

3.2 火干擾對土壤化學性質的影響

3.2.1 火干擾對土壤有機碳及pH值的影響由表2可知，中度火干擾下火燒后不同恢復時間對0～10 cm的土壤有機碳的影響，隨著火后時間的推移土壤有機碳的含量總體上呈不斷增加的趨勢，其中火燒后25、31年土壤有機碳含量均小于對照土壤，而火燒后達到44年時，土壤有機碳含量顯著高于對照土壤。中度火干擾對10～25 cm土層土壤有機碳的影響表現為火燒后31年土壤有機碳含量高于對照土壤，但差異并不顯著。

喀納斯泰加林林區土壤為偏酸性土壤，火燒后土壤pH變化差異較顯著，由表2可知，火燒后31、44年的0～10 cm土層的土壤pH值均基本恢復到火燒前水平。

3.2.2 火干擾對土壤全氮、全磷和全鉀的影響中度火干擾對土壤全氮的影響表現為隨著火后時間的恢復土壤全氮含量呈逐漸增加的變化趨勢，火燒后31a逐漸恢復到火燒前水平，火燒后達到44年時土壤全氮含量顯著高于對照土壤。

在酸性土壤中磷元素含量很大程度上限制著木本植物的生長。由表2可知，火燒后25、31年的0～10 cm土層中土壤全磷含量均低于對照土壤，火燒后達到44年時土壤全磷含量才高于對照土壤，但仍未達到顯著水平。0～10 cm土層土壤全磷含量的變化趨勢總體表現為隨火燒后時間的增加成上升趨勢。10～25 cm土層全磷含量也表現為隨火燒后時間的增加總體上呈上升趨勢，但均未恢復到火燒前水平。

數據為均值±標準誤，圖中同一土層字母相同表示不同恢復年限之間差異不顯著，字母不同表示不同恢復年限之間差異顯著(P<0.05)，下同Data are means and standard error. Different letters indicate significant differences (P<0.05) among different recovery years in the same soil depth, the same as below 圖1 火后土壤孔隙度的變化Fig.1 Change of soil porosity after being burned

中度火干擾下火燒后不同恢復時間對土壤全鉀的影響表現為隨著火后時間的推移土壤全鉀的含量總體上呈不斷增加的趨勢，其中火燒后31、44年土壤全鉀含量均大于對照土壤，但只有火燒后達到44年時，土壤全鉀含量顯著高于對照土壤。

4 討論

火干擾對森林生態系統的作用范圍廣，影響復雜，不僅可以減少地上部分的生物量，還在很大程度上影響土壤理化性質、微生物的降解及植物根系的生長[18]。中度火干擾使土壤孔隙度降低，土壤容重增加。呈現這一規律的原因，其一是林火帶來的大量灰分填充到了土壤孔隙之間，使其更加緊實；其二是林火發生后短時間內地表沒有了植被的遮擋造成裸露現象，后經降水沖刷，土壤板結現象發生嚴重，增大了土壤緊實度[19]，但隨著時間的推移，地表植被逐漸恢復更新，土壤動物、微生物的活動增加，土壤結構也因此逐漸恢復。

林火通過打破大氣、植被、地表凋落物和土壤之間原有的水熱平衡來改變土壤的化學特性。植物殘體，如莖、葉、花等都是土壤有機質的主要來源，這些植物殘體在土壤動物、微生物的作用下逐漸轉化為營養元素，與土壤礦物質一同促進林木生長發育[20]。在本研究中的0～10 cm土層，火燒后25、31年土壤有機碳含量均小于對照土壤。可能是因為大量原有植被的燒毀，這些植被中存儲的大量有機碳被釋放出來，裸露在地表上，后經降雨及地表徑流帶走[5]。而火燒后達到44年時土壤有機碳含量顯著大于對照土壤，可能是森林生態系統的逐漸恢復，植物的枯枝落葉又逐漸增多，再經過土壤動物、微生物的作用逐漸補充土壤中有機碳的含量甚至超過了原有水平。中度火干擾使得10～25 cm的土壤有機碳隨火后年限的增長不斷增加，并逐漸恢復至火燒前水平。這是因為地上植被的逐漸恢復，土壤下層的抗水層逐漸消失，植物的地下根系不斷蔓延，進而使得土壤下層的有機質逐漸增加[21]。

圖2 火后土壤容重的變化Fig.2 Change of soil bulk density after being burned

指標Index土壤深度(cm)Soil depth年限(年)Years25年31年44年對照有機碳(g/kg)Soil organic carbon0～1013.11±0.14a19.85±2.64b34.46±0.94c25.75±0.23d10～259.07±0.66a16.38±2.17b16.04±0.45b14.16±0.57b全氮(g/kg)Total nitrogen 0～101.01±0.034a1.25±0.027b2.62±0.024c1.17±0.009b10～250.83±0.018a0.82±0.019a1.02±0.024b0.56±0.003c全磷(mg/kg)Total phosphorus0～100.56±0.029a0.70±0.078a1.40±0.127b1.02±0.368ab10～250.70±0.056a0.69±0.138a0.85±0.103a1.42±0.232b全鉀(mg/kg)Total potassium 0～1014.44±0.342a28.10±1.145b49.83±1.072c27.78±0.497b10～2512.34±0.691a19.21±1.284b45.39±2.90c17.02±1.511abpH0～106.83±0.022a6.28±0.010bc6.30±0.015b6.22±0.025c10～256.67±0.012a5.85±0.012b6.44±0.008c6.22±0.035d

注：數據為均值±標準誤，同行字母相同表示不同恢復年限之間差異不顯著，同行字母不同表示不同恢復年限之間差異顯著 (P<0.05)。

Note：Data are means and standard error. Different letters indicate significant differences (P<0.05) among different recovery years in the same line.

土壤有機質是土壤氮元素的重要來源，因此，絕大部分氮素的損失與土壤有機物質的消耗有著直接關系。本研究結果表明，不同土層土壤全氮均有一定提升，原因可能是火干擾造成了大量的未完全燃燒的可燃物質進入土壤，在土壤動物、微生物的長期作用下，火燒殘余物逐漸轉化成土壤全氮。而相同火燒強度不同恢復時間0～10 cm的土壤全氮均高于10～25 cm土壤全氮，這是由于表層土壤的植物殘體較深層土壤多的緣故。

土壤中鉀元素主要以硅酸鹽礦物質的形態存在于土壤中，如果不進一步分解轉化，植物體很難吸收與利用。火燒后產生的大量灰分進入土壤中可補充土壤部分鉀素，同時因火燒帶來的增溫，破壞了含鉀礦物質，使部分非活性態的鉀元素轉化成活性態的鉀元素，提高了鉀的有效性，使得有效態鉀的含量增加[22]。此次的研究結果也表明，中度火干擾下明顯增加了土壤全鉀的含量。