火燒對土壤理化性質的影響

杜 君,劉永志,高明亮,楊立賓,吳 松

(1.黑龍江呼中國家級自然保護區,黑龍江 大興安嶺 165100; 2.黑龍江省科學院自然與生態研究所,哈爾濱 150040; 3.黑龍江省科學技術情報研究院,哈爾濱 150028)

0 引言

土壤是一個高度復雜的生態系統,是植物生長的基礎,為其提供必要的養分。土壤也是微生物的棲息地,為其提供適宜的環境及保護[1-3]。植物和微生物對土壤具有顯著的影響,可改變土壤物理與化學特性,其相互作用與反饋形成了一個復雜、相互依賴的生態循環[4-5]。火災作為外部干擾因素,增加了土壤系統的復雜性[6]。火災程度及持續時間不同[7],可能會對土壤系統產生有害影響,也可能起到積極作用,故需從多個角度深入研究火災對土壤系統的影響包括火災后土壤濕度及溫度等物理特性的變化、土壤微生物種類及數量變化、土壤有機碳成分的改變及土壤微生物活性的變化。這些變化及相互作用共同調節土壤系統的恢復過程[8-10]。

為了更好地理解火災對土壤系統的影響,著重分析了火災對土壤物理性質的影響,包括土壤含水量等。火災對土壤化學性質的影響,包括pH值、有機質含量與成分及養分的有效性,以幫助人們更全面地了解火災對土壤系統的影響機制。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

呼中國家級自然保護區位于中國東北地區,是我國最大的寒溫帶針葉林生態系統,屬大陸性季風氣候,平均氣溫-2 ℃～5.5 ℃,最低氣溫可達-52.3 ℃,年平均降水量480 mm,降雨期多集中在7—8月,約占全年降水量的50%～60%,無霜期130 d左右,平均海拔600～800 m[11-12]。研究區位于呼中國家級自然保護區,研究樣地選擇地勢平坦、未受到人為活動干擾及植被恢復完整的火燒跡地。

1.2 樣地布設

選擇2010年發生林火的區域,根據火災程度劃分為輕度(L)、中度(M)、重度(H)火災跡地。選擇與火災跡地毗鄰的、具有相同林分類型且未受到火災干擾的區域作為對照樣地。在3種不同火災強度的火災跡地及各自對照區域內分別設置3塊標準樣地,總計12塊樣地,每塊樣地面積為20 m×20 m,對不同火災影響程度下進行詳盡數據收集及土壤研究。

1.3 土壤樣品采集與實驗方法

采用五點取樣法在每個樣地采集去除腐殖質后0～10 cm的土壤后混樣,混合均勻后過2 mm篩,去除植物根系、石頭等,裝入密封無菌袋中,放入冰袋盒中帶回實驗室,用于土壤理化性質測定。

1.4 土壤理化性質分析

土壤微生物量碳(MBC)采用碳氮分析儀法測定,土壤pH值采用電位法,土壤含水率(MC)采用烘干法測定,土壤速效鉀(AK)采用乙酸銨浸提火焰光度計法測定,利用Elementarvario ELIII(德國)自動碳氮分析儀測定土壤有機碳(SOC)、總氮(TN)含量,土壤速效磷(AP)采用鉬銻抗比色法測定,土壤堿解氮(AN)采用堿解擴散法測定[13-15]。

2 結果

與對照組相比,火燒跡地的土壤理化性質發生了顯著變化(P<0.05)(圖1)。火燒跡地的土壤MBC和SOC與對照組相比顯著升高后降低,火燒組之間分別是M組和L組最高且與其他兩組具有顯著差異(P<0.05)。火燒跡地的土壤MC與對照組相比顯著升高,火燒組之間H組最高且與其他兩組具有顯著差異(P<0.05)。火燒跡地的土壤AK與對照組相比顯著降低,火燒組之間L組最高且與其他兩組具有顯著差異(P<0.05)。火燒跡地的土壤AP與對照組相比顯著升高,火燒組之間L組最高且與其他兩組具有顯著差異(P<0.05)。

3 討論

林火過后會對森林土壤的理化性質指標變化產生一定的影響,如森林土壤含水率pH值、有機碳等[16]。研究結果顯示,不同火燒強度間土壤理化性質具有顯著差異(圖1)。MBC和SOC隨火燒程度增加出現了先增加后降低的趨勢,這與文獻[17-18]報道一致,這可能是因為中輕度火燒會增加土壤溫度,促進土壤微生物的活動,加速土壤有機質的分解過程[19]。而在重度火燒下高溫使表層土壤SOC受熱分解,導致有機物質輸入的減少,從而降低SOC含量。隨著林火強度的增大,火從干擾變成破壞因素,植物根系發生凋亡,導致菌根消失,減少了土壤MBC,使得SOC以氣態形式損耗[20]。

在低強度的林火發生后,由于地表植被和枯落物被燒毀,地表裸露,這增加了外界對土壤的侵蝕作用。土壤表面開始發生風化,在雨水沖刷下出現磨損,導致土壤中速效鉀(AK)含量明顯降低[21]。這一研究結果與文獻[22]的研究結果一致。但中度火燒與重度火燒之間的土壤AK含量沒有顯著差異,這可能是因為在火災過程中大部分鉀元素已經通過顆粒物或非顆粒物的流失而損失,故土壤中沒有足夠的AK可以釋放[23]。

火燒跡地的土壤速效磷(AP)含量均上升,這與文獻[24]的研究結果一致。這是因為林火導致部分有機磷化合物被轉化為無機磷并進入土壤,從而對土壤產生積極影響[25-26]。

土壤水分含量(MC)顯著增加,這與Hart等的研究結果相反[27-28]。這種差異可能是因為火災后大片樹木倒伏,大量植物死亡,減少了植物蒸騰及樹冠對雨水的截留[29],隨著倒木的分解,倒木密度減小,孔隙度增大,故土壤吸水能力增強,導致土壤水分含量上升[30]。