中度火干擾對興安落葉松林土壤磷和鉀元素的影響

王偉，張興龍，竇旭，李飛，孫龍，胡同欣*

(1.東北林業大學 林學院，哈爾濱 150040; 2.內蒙古牙克石烏爾旗漢林業局，內蒙古 牙克石 022159;3.江西贛州市林業產業發展管理局，江西 贛州 341000)

0 引言

森林火災是陸地森林生態系統中重要的干擾因素之一，全球每年約有300×106～460×106hm2陸地面積遭受森林火災的影響[1]，這些森林火災嚴重地改變了森林生態系統的結構與功能[2-4]。目前研究發現,火干擾對森林生態系統的影響主要體現在直接作用和間接作用，森林火災直接可以造成大量的森林死亡，并向生態系統釋放大量的CO2，導致溫室效應加劇[5-6]，同時還可以間接加速森林生態系統的物質循環和能量流動，以及改變火后的土壤環境來促進森林生態系統的恢復[7-9]。因此在全球氣溫升高的背景下需要進一步量化火干擾對森林生態系統的影響，這對于加強火后森林生態系統管理，維持森林生態系統的生態服務功能具有重要的生態學意義[10-11]。

北方針葉林生態系統約占陸地總面積的14.5%和森林總面積的30%，其分布面積約為1.89×109hm2。高緯度北方針葉林生態系統在維持全球生態平衡方面具有重要意義，對全球氣候變化也最為敏感[12-13]。森林火災是北方針葉林生態系統的重要干擾因子之一，目前火干擾對北方針葉林生態系統養分元素和土壤環境因子的影響還缺乏系統深入的研究，大部分研究多集中于火干擾對北方森林生態系統碳氮循環影響的研究，對火后土壤磷元素與鉀元素的影響還缺乏系統、深入的研究[14-16]，這直接導致火干擾對北方針葉林生態系統養分元素循環的影響帶來許多不確定性。

土壤磷元素與鉀元素均是植物生長的重要營養元素，在植物生長發育過程中，其參與60種以上酶系統的活化、光合作用同化產物的運輸、碳水化合物的代謝和蛋白質的合成等過程[17-18]。北方針葉林林下環境濕冷，不利于有機質的礦化，從而使得大量養分積累在林床層中[19]，森林火災通過燃燒有機質，可以直接釋放無機態的磷，也能通過改變土壤環境促進有機質的礦化，進而影響磷元素和鉀元素的循環[20-22]。

中國大興安嶺地區是我國最大的北方針葉林生態系統分布區域，其主要樹種是興安落葉松(Larixgmelinii)，約占大興安嶺森林總面積的80%以上[23]。該區域是歐亞北方針葉林生態系統的最南緣和寒溫帶森林的過度帶，受到最顯著氣候變化的影響，同時該區域也是我國森林火災的高發區域[24]。為深入理解林火對興安落葉松林生態系統結構與功能的影響，研究林火對于林下土壤環境的影響，將對火后土壤肥力管理、植被恢復與多樣性的保護均具有重要意義。本研究以大興安嶺漠河地區2012年火燒區域為研究對象，選擇火后3 a火燒區域作為研究區域，綜合分析火干擾對土壤全磷、全鉀、速效磷和速效鉀的影響，量化分析速效磷、速效鉀與土壤性質的關系。該研究結果將為進一步深入了解火干擾對我國北方針葉生態系統土壤磷元素和鉀元素的循環提供數據基礎。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究樣地位于黑龍江省漠河縣內的古蓮林場，該地區位于大興安嶺北麓，地理位置坐標為北緯52°10′～53°33′，東經124°07′～124°20′，是中國緯度最高的地域。該地是我國寒溫帶針葉林的主要分布區域，屬于溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥。全年降雨集中在夏季的7—8月份，年平均降水量為460.8 mm。該地區全年平均氣溫在-5.5 ℃，氣溫年較差為49.3 ℃，全年平均無霜期為86.2 d。該實驗區域土壤以棕色針葉林土為主，土壤土層較薄，一般約為10～30 cm[25]。由于常年氣溫較低，分解與轉化有機物的微生物活動受到限制，加之凍融期土壤過濕，使養分的轉化與氧化過程減弱，養分循環速率較慢。

實驗樣地中主要喬木樹種為興安落葉松(LarixgmeliniiRupr.)和白樺(BetulaplatyphyllaSuk.),主要灌草為柴樺(BetulafruticosaPall.)、篤斯越桔(Sementrigonellae)、杜香(LedumpalustreL. var.palustre)和小葉章(CalamagrostisangustifoliaKom.)和山刺玫(RosadavuricaPall.)等。

1.2 實驗設計

研究選擇在2012年5月8日過火區域設置實驗樣地，于2015年5月在興安落葉松林過火區域設置過火樣地，在鄰近未過火區域設置與之相對應的對照樣地。分別設置3塊20 m×20 m的樣地，共計6塊樣地。本研究以Keeley[26]提出的火強度劃分方法為依據，通過調查確定火燒區域為中度火燒，興安落葉松林過火區域樣地內林木死亡率為40%，枯枝落葉層和半腐層被燒毀，半腐層以下沒有受到火燒影響，顏色保持不變，樹干熏黑高度平均為2.1～2.7 m。過火樣地與對照樣地土壤性狀基本信息和實驗樣地內基本信息見表1和表2。

表1 樣地土壤性狀基本信息

表2 實驗樣地內基本信息

注：DBH.胸徑; OML.有機質層厚度; *.優勢種; 1.興安落葉松.; 2.白樺。

Note: DBH. Diameter at breast height; OML. The depth of organic material layer; *. Dominant species;1.LarixgmeliniiRupr.; 2.BetulaplatyphyllaSuk.

1.3 實驗分析

本研究采用5點取樣法進行取樣，將取得土樣分為0～10 cm和10～20 cm兩層土，以下簡稱上層和下層土壤。將同一樣地的5個取樣點相同層次的土壤均勻混合后過2 mm篩，裝入封口袋中，放入保溫箱，帶回實驗室做室內分析。試驗從2016年5月開始至2017年10月結束，包括兩個生長季和一個冬季，共采樣8次。

1.4 土壤理化性質的測定

本研究中土壤含水率采用土壤絕對含水率(SWC，%)，使用電子稱稱量10 g自然濕土土壤，放入烘箱內在105 ℃的條件下進行反復烘干直至鋁盒重量不再變化為止，按照公式(1)計算出土壤含水率[27]：

SWC=(M0-M1)/M1×100% 。

(1)

式中：M0為土壤濕質量，g；M1為土壤干質量，g。

土壤pH使用電位法測定，使用PHS-3C型pH計測量pH[27]。土壤速效鉀使用火焰比色法測定，土壤速效磷使用磷鉬藍比色法測定[27]。土壤全磷使用德國seal連續流動分析儀(BRAN+LUEBBE-AA 3)測定，土壤全鉀使用氫氧化鈉堿熔-火焰光度計法進行測定[27]。

1.5 數據統計分析

在本章數據分析過程中使用SPSS 19.0(SPSS Institute, Inc., Chicago, IL, USA)統計軟件進行數理統計分析。對上層和下層土壤理化性質以及過火樣地和對照樣地土壤理化性質是否存在顯著性差異均采用配對t檢驗法(Paired samples T test)進行檢驗。對火后樣地中土壤性質月份間的差異采用單因素方差分析(One-way ANOVA test)，并利用LSD (Least-significant differences)檢驗方法進行多重比較。利用皮爾遜相關系數(r)分析土壤AP、AK和土壤含水率(SWC)和pH之間的關系。本研究中顯著性水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 火后土壤環境因子的動態變化

對照樣地中上層和下層土壤含水率(SWC)在均存在顯著的季節動態變化(P<0.05)，而在過火樣地上層和下層土壤的含水率均不存在顯著的季節動態變化(P>0.05)，如圖1(a)、(b)所示。過火樣地上層土壤SWC、對照樣地上層土壤SWC、過火樣地下層土壤SWC、對照樣地下層土壤SWC平均值分別為(98.59±36.00)%、(37.08±6.76)%、(48.91±21.53)%、(22.55±5.23)%。與對照樣地相比，過火樣地上層和下層土壤SWC均要顯著升高(P<0.05)。同時，過火樣地和對照樣地上層土壤SWC均要顯著高于對應過火樣地和對照樣地下層土壤SWC(P<0.05)。

過火樣地上層土壤pH存在顯著季節動態變化(P<0.05)，而下層土壤pH則不存在顯著的季節動態變化(P>0.05)，如圖1(c)(d)所示。對照樣地中上層土壤pH在各月份之間不存在顯著的季節動態變化(P>0.05),下層土壤pH存在顯著的季節動態變化(P<0.05)。過火樣地上層土壤pH、對照樣地上層土壤pH、過火樣地下層土壤pH、對照樣地下層土壤pH平均值分別為3.78±0.10、4.05±0.14、3.63±0.07、3.98±0.11。過火樣地上層和下層土壤pH均要顯著小于對應對照樣地上層和下層土壤pH(P<0.05)。過火樣地土壤上層pH要顯著高于下層土壤(P<0.05)，而對照樣地土壤上層和下層pH則不存在顯著差異(P>0.05)。

圖1 火后土壤含水率(SWC)和土壤pH的動態變化

2.2 火干擾對土壤全磷和全鉀的影響

過火樣地上層土壤全磷(TP)、對照樣地上層土壤TP、過火樣地下層土壤TP、對照樣地下層土壤TP平均值分別為(0.75±0.10)、(0.57±0.05)、(0.48±0.07)、(0.36±0.10) g/kg,如圖2(a)和(b)所示。與對照樣地相比，過火樣地上層和下層土壤TP含量分別增加了約56%和31%，其中過火樣地上層土壤TP顯著高于對照樣地上層土壤TP(P<0.05)，而過火樣地下層土壤TP也高于對照樣地下層土壤TP，并且兩者存在邊緣顯著相關關系(P=0.056)。同時，研究結果表明，過火樣地和對照樣地上層土壤TP均顯著高于對應下層土壤TP(P<0.05)。

過火樣地上層土壤全鉀(TK)、對照樣地上層土壤TK、過火樣地下層土壤TK、對照樣地下層土壤TK平均值分別為(14.41±0.86)、(10.93±0.05)、(15.94±2.76)、(12.75±1.07) g/kg，如圖2(c)和(d)所示。與對照樣地相比，過火樣地上層和下層土壤TK含量分別增加了約33%和25%，其中過火樣地上層土壤TK顯著高于對照樣地上層土壤TK(P<0.05)，而過火樣地下層土壤TK與對照樣地下層土壤TP則不存在顯著相關性(P>0.05)。同時，火燒樣地和對照樣地上層土壤TK與對應下層土壤TK均不存在顯著差異(P>0.05)。

圖2 火后土壤全磷(TP)和全鉀(TK)的變化

2.3 火后土壤有效磷和速效鉀的動態變化

過火樣地和對照樣地中上層和下層土壤有效磷(AP)在各月份之間均存在顯著的動態變化(P<0.05)，如圖3(a)和(b)所示。過火樣地上層土壤AP、對照樣地上層土壤AP、過火樣地下層土壤AP、對照樣地下層土壤AP平均值分別為(34.46±10.53)、(47.35±8.57)、(26.10±6.52)、(41.94±7.83) mg/kg。過火樣地上層和下層土壤AP均要顯著低于對應對照樣地上層和下層土壤AP(P<0.05)。過火樣地和對照樣地上層土壤AP與其對應的下層土壤AP不存在顯著差異(P>0.05)。

過火樣地上層土壤速效鉀(AK)在各月份之間存在顯著的動態變化(P<0.05)，而在對照樣地上層土壤AK在各月份之間不存在顯著的動態變化(P>0.05)，如圖3(c)所示。過火樣地和對照樣地下層土壤AK在各月份之間均不存在顯著的動態變(P>0.05)，如圖3(d)所示。過火樣地上層土壤AK、對照樣地上層土壤AK、過火樣地下層土壤AK、對照樣地下層土壤AK平均值分別為(483.40±146.22)、(379.99±106.78)、(283.87±126.43)、(278.98±138.68) mg/kg。過火樣地上層和下層土壤AK平均值高于對應對照樣地土壤上層和下層土壤AK，但是差異并不顯著(P>0.05)。過火樣地上層土壤AK顯著高于下層土壤AK(P<0.05)，而對照樣地上層土壤AK和下層土壤AK則不存在顯著差異(P>0.05)。

圖3 火后土壤有效磷(AP)和速效鉀(AK)的動態變化

2.4 火后土壤有效磷與速效鉀與環境因子的關系

通過相關性分析研究表明，對照樣地上層土壤AP與土壤SWC、pH均不存在顯著相關性;對照樣地上層土壤AK與土壤SWC具有顯著正相關關系，與土壤pH不存在顯著相關關系。對照樣地下層土壤AP、AK與土壤SWC、pH，均不具有顯著相關性(表3)。過火樣地上層土壤AP、AK與土壤SWC、pH均具有顯著正相關關系，過火樣地下層土壤AP與土壤SWC、pH不具有顯著相關性，而過火樣地下層土壤AK與土壤SWC具有顯著相關性，但和土壤pH不具有顯著相關關系(表3)。

表3 土壤有效磷(AP)與速效鉀(AK)與土壤環境因子的相關性

注：**.在0.01水平上顯著相關；*.在0.05水平上顯著相關。

Note: **. Significantly correlated at the 0.01 level; *. Significantly correlated at the 0.05 level.

3 討論

以往研究認為火干擾后礦質土壤中總磷和總鉀的增加與森林燃燒過程產生灰分物質的量、火后土壤地表土壤侵蝕程度、地表徑流量等因素密切相關[28]。Romanya等[29]研究發現森林火燒強度和持續時間直接影響土壤中無機元素含量。本研究發現，火燒3 a后上層土壤總磷和總鉀均顯著高于對照樣地，表明火燒增加土壤總磷和總鉀的含量。Certini[30]研究發現森林火災可以將固定在地表土壤有機質和凋落物中有機態的磷和鉀元素以無機態的形式釋放出來，這些被釋放出來的無機態磷和鉀元素隨著灰分物質的沉降返回到森林地表，從而增加了土壤磷和鉀元素的含量，而也有部分研究表明火燒2 a后土壤總磷含量呈現下降趨勢[31]。這些研究結果的差異，可能是由于不同森林生態系統間存在的差異所導致的。本研究所在的大興安嶺地區屬于高緯度北方針葉林生態系統，該區域氣候寒冷，生長期短，森林凋落物分解速率較低，有大量的養分儲存在森林有機質層當中，一旦發生森林火災將釋放出大量灰分物質，而灰分物質當中的無機元素在火后的遷移中與地表的侵蝕和淋失具有密切聯系[19]。火燒后地表腐殖質層被燒毀增加了地表徑流，林冠層被破壞降低了降雨的截留作用，導致過火樣地上層和下層土壤具有更高的土壤含水率，同時大興安嶺地區在生長季夏季多雨，過火樣地地表徑流增加，灰分物質中大量的養分元素通過淋失作用被重新分配到森林生態系統中，一部分進入到周圍的水域生態系統，另一部分則進入到土壤中，重新被植物、土壤微生物和植物所利用[32]。同時火后環境促進植被的更新速度，大量的磷和鉀元素被植物所吸收利用，導致大量的磷和鉀元素被固定到植物體內，隨森林凋落的分解返還到土壤當中，這可能是導致火后土壤總磷和總鉀含量增加的主要原因[33]。

以往研究發現火后1～2 a內土壤速效磷與速效鉀元素顯著增加，這是因為高強度的森林火災產生的灰分物質會導致火后短期內土壤表面速效元素增加，然而這種增加作用很難持久，Outeiro等[34]研究發現在火后1 a后速效鉀元素含量低于火燒前水平，而Alcaniz等[35]研究發現土壤的速效磷與速效鉀含量在火后1 a基本恢復到火燒前的水平，到火后9 a則低于火燒前的水平。本研究結果與這些研究結果比較一致，在火后3 a上層和下層土壤速效磷含量顯著低于火燒前水平，而火后上層和下層土壤速效鉀含量則與火燒前不存在顯著的差異。產生這種原因一方面可能是火后森林郁閉度降低，受到雨水沖刷作用所導致的[33];相關研究發現植物生長每年要平均要消耗約112～224 kg/hm2的K+,火后植被恢復過程中對養分元素的吸收可能是導致土壤中速效養分元素含量在火后更長的時間尺度上降低的另一個原因[35]。

土壤水分是維持森林植物和微生物生長發育的必需環境要素，在制約土壤元素生物地球化學循環方面也起到至關重要的作用[36-37]。興安落葉松林林床蓄積了大量土壤水，過多的水分降低了有機質的降解速率，使得大多養分積累在有機層和凋落物中，有些區域甚至發生泥炭化過程，深度達10 cm以上的林床也阻礙了落葉松種子接觸土壤，進而影響種子的萌發與植被更新。林火去除了地表部分或是全部有機層，增加了土壤水分的存儲，改善了土壤環境，為火后養分循環和種子萌發提供了有利環境[19,38]。本研究結果發現，土壤上層和下層中速效磷和速效鉀含量與土壤水含量呈顯著正相關關系，這一結果與火后土壤環境的改變有關。火后有機層較薄，難以儲存水分，而礦物層土壤結構較為緊實有助于水分的存儲。土壤中適宜的水分一般會促進林下凋落物層的分解，加速土壤微生物的活動，有利于土壤中速效元素的轉化[39-41]。這些研究結果表明，火后土壤環境的改善為土壤中磷和鉀元素的循環創造了有利環境，進而也說明林火對磷和鉀元素的直接影響是短暫的，但是通過改變土壤環境對磷循環的間接影響是長期的，因此火干擾對高緯度北方針葉林生態系統的影響不能夠被忽視。

土壤酸堿度也是影響森林土壤生物地球化學循環的重要因子，不僅可通過影響土壤微生物活動來影響元素轉化，也可通過影響元素離子的存在形式影響土壤中的養分含量[28,42]。本研究發現，與對照樣地相比火后上層和下層土壤pH均降低，這可能是由于森林火災對林冠層產生了破壞，地表徑流增加，火燒后產生灰分物質中的礦質離子與土壤膠體表面吸附的氫離子發生交換后進入土壤溶液中，導致氫離子隨雨水流失到附近的水域中，從而使土壤pH降低[7,43-44]。以往研究表明我國寒溫帶針葉林森林生態系統土壤呈酸性，pH在4～5.5之間，土壤中含有大量的Al3+、Fe}、Mn2+，易于與土壤中PO43+結合，導致土壤pH和土壤速效養分元素之間不存在顯著的相關性[22,45]，而本研究結果表明火干擾改變森林生態系統中土壤的水熱分配，火后0～10 cm土層有效磷、速效鉀與土壤pH呈現出顯著的正相關關系，這說明在火后森林生態系統演替初期土壤表層速效養分元素不僅受到土壤水分的影響，同時火后土壤pH的變化也是限制火后土壤速效養分元素的重要土壤環境因子之一。

4 結論

林火顯著改變了大興安嶺興安落葉松林土壤磷和鉀元素循環，在森林火災發生3 a后，0～10 cm土壤總磷和總鉀含量顯著高于火燒前水平；而在0～10 cm和>10～20 cm土壤中速效磷含量低于火燒前的水平；0～10 cm和>10～20 cm土壤中速效鉀含量基本恢復到火燒前的水平；火后演替初期土壤含水率和土壤pH是調控0～10 cm土壤速效磷和速效鉀變化的主要土壤環境因子。未來需要進一步探究火后森林生態系統養分元素變化與植被恢復之間的關系，這對于揭示火后森林生態系統的恢復具有生態學意義。