火災事故對森林土壤微生物生物量的影響研究

黃曉霖　彭曉娟　張彥玲　楊青　張偉

摘要：火災事故會改變土壤環境的理化性質，破壞土壤環境的固有平衡，故提出火災事故對森林土壤微生物生物量的影響分析研究。選取研究區域，設計實驗地火災事故情況（輕度、中度與重度），制定土壤樣品采集程序，采用稀釋平板法測定土壤微生物數量，利用熏蒸提取一容量分析法測定土壤微生物生物量碳含量、氮含量。測定結果：隨著火災事故程度的增加，土壤微生物數量呈現逐漸下降的趨勢，碳含量、氮含量均呈現逐漸增加的趨勢；隨著土壤恢復年限的增加，微生物數量、碳含量與氮含量均呈現先下降后上升的變化趨勢。

關鍵詞：森林土壤環境；火災事故；微生物影響分析；林火強度；微生物種類

中圖分類號：X72 文獻標志碼：B

前言

對于森林土壤環境來說，火災事故是一種獨特的干擾因素，其會影響土壤的溫度、氧化反應等，從而改變土壤環境的理化性質，例如微生物生物量、有機物質含量、無機物質含量等，這些變化會對森林結構、性能等造成極大的不利影響。微生物是土壤環境變化響應最快的理化指標，是生態體系中必不可少的組成成員之一，也是無機物質循環的關鍵所在。微生物在森林生態體系中主要充當著分解者的“角色”，分解部分有機物質與地表凋落物。當森林發生火災事故后，土壤微生物生物量會發生一定的改變，從而影響碳、氮元素的固持與利用，也會影響微生物的生存與繁殖。微生物主要為森林植物生長提供養分，是森林穩定發展的主要基礎，再加之其具有較強的環境因子變化敏感度，將其作為生態指標進行深入研究具備一定的現實意義。

就現有研究成果來看，由于火災事故強度、森林土壤類型、研究時期等條件差異性的存在，使得火災事故對森林土壤微生物生物量的影響研究并沒有一個確切的定論，制約著森林領域的探究與治理步伐。因此，提出新的火災事故對森林土壤微生物生物量的影響分析研究，掌握火災事故后土壤微生物生物量的變化規律，為森林生態平衡恢復與治理提供一定的支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

選取山東省臨沂市某處森林作為研究區域，選取了3個研究樣地，具體的地理概況、自然概況、土壤特征與植被類型見表1。

需要注意的是，選取的3個研究樣地具有豐富的生物多樣性，植物種類高達1 000多種，例如闊葉樹種、針葉樹種、灌木樹種、草甸等。研究樣地植被種類垂直分布差異性較小，水平分布差異性較為顯著，優勢群落主要為松林、喬木與灌木，符合火災事故對土壤微生物生物量影響的研究需求。

1.2 實驗地設計

為了提升火災事故對森林土壤微生物生物量影響分析結果的精確性，對研究樣地實際火災事故狀況進行具體設計。研究樣地1為輕度火災，林木死亡率為39. 45%，樹干熏黑高度為1.45 m，林下灌木25%被燒毀。研究樣地2為中度火災，林木死亡率為56. 23％，樹干熏黑高度為2.32 m，半腐層、枯枝落葉層被燒毀。研究樣地3為重度火災，林木死亡率為78. 50%，樹干熏黑高度為5.86 m，林下灌木、半腐層、枯枝落葉層全部燒毀。

1.3 土壤樣品采集

土壤樣品采集是后續微生物生物量變化分析的基礎與前提，采集過程涉及內容較多，需要考慮到多種因素，制定土壤樣品采集程序，此流程采用對角線方式選取研究樣地上的5個采集點，清除表面雜物，將鋼管打人土壤中，保持冰盒溫度在0℃ -4℃，小心取出鋼管，在實驗室中取出土壤樣品并放人冰盒保存，以測量土壤生物量。整個過程需確保土壤純凈、微生物活性得到保留，并記錄測量值。

1.4 土壤微生物數量測定

采用稀釋平板法對土壤微生物數量進行測定。在無菌實驗室中，取10 g土壤樣品，將其放入三角瓶中，其內部還包括無菌水與玻璃珠，振蕩10 min將土壤樣品打散成土壤懸液，倒入10-2-10-5稀釋液，以此為基礎，對土壤微生物數量進行精準測定，表達式為式（1）：

式（1）中，Qtotal表示的是土壤微生物數量，每克干土中含菌數，單位為個·g-1干土；Q0表示的是每克濕土中含菌數；M1表示的是濕土質量；M2表示的是干土質量。

上述過程確定了土壤微生物數量對應的測定方法與測定公式，為后續實驗結果計算提供依據。

1.5 土壤微生物生物量碳、氮測定

土壤微生物生物量碳、氮含量測定主要采用熏蒸提取-容量分析法。在無菌實驗室中，取10 g土壤樣品，采用氯仿（無乙醇）熏蒸土壤樣品5 min，加入40 mLK2SO4溶液，振蕩30 min，采用定量濾紙對土壤懸液進行過濾，將其放置在- 20℃冰箱中保存，以此為基礎，測定土壤微生物生物量碳、氮含量，表達式為式（2）：

式（2）中，Ctotal表示的是土壤微生物生物量碳含量；εmic表示的是熏蒸與未熏蒸土壤有機碳的差值；Ke表示的是有機碳轉換系數；Ntotal表示的是土壤微生物生物量氮含量；βmic表示的是熏蒸與未熏蒸土壤有機氮的差值；Le表示的是有機氮轉換系數。

上述過程確定了土壤微生物生物量碳、氮含量對應的測定方法與測定公式，為后續實驗結果計算提供依據。

2 結果與分析

在研究火災對土壤微生物的影響時，主要關注的是火災后的短期內（第1年和第2年），以及隨著時間的推移，土壤微生物生物量碳含量的長期變化（第5年）。在這種情況下，主要選取了第1年和第2年及第5年的數據進行分析。

2.1 土壤微生物數量變化分析

通過測定獲得土壤微生物數量變化情況見圖1。

如圖1所示，無論是在土壤上層（0 -10 cm）、土壤下層（10 -20 cm）或者整個土壤層（0-20 cm）背景下，土壤微生物數量隨著火災事故程度的增加而下降，主要是因為火災事故程度越重，對于森林土壤環境的破壞程度較高，土壤內部微生物生存環境變化愈加顯著，微生物數量也會相應的減少越多。相較于土壤微生物標準數量來看，隨著土壤恢復年限的增加，微生物數量呈現先下降后上升的變化趨勢。上述變化情況主要是因為火災事故后1年，森林土壤環境遭到明顯破壞，微生物數量直線下降，無法得到有效的恢復；火災事故后2年，由于火災殘余的腐爛，再加之土壤環境的自身凈化，土壤中養分含量逐漸增加，為微生物提供了生長條件，微生物數量隨之上升；火災事故后5年，土壤環境逐漸恢復，尤其是輕度火災事故研究樣地，已經恢復到無火災事故狀態（中度、重度火災事故研究樣地未恢復到無火災事故狀態），相應的土壤微生物數量越來越接近標準數量。

2.2 土壤微生物生物量變化分析

微生物碳氮含量變化分析，通過測定獲得土壤微生物生物量碳、氮含量變化情況見圖2。

如圖2所示，無論是在土壤上層（0 -10 cm）、土壤下層（10 -20 cm）或者整個土壤層（0-20 cm）背景下，土壤微生物生物量碳含量隨著火災事故程度的增加而增加。在土壤上層（0 -10 cm）背景下，隨著土壤恢復年限的增加，土壤微生物生物量碳含量呈現先減小后增加的變化趨勢；在土壤下層（10 -20 cm）背景下，隨著土壤恢復年限的增加，土壤微生物生物量碳含量呈現逐漸減小的變化趨勢；在整個土壤層（0 -20 cm）背景下，隨著土壤恢復年限的增加，土壤微生物生物量碳含量呈現先減小后增加的變化趨勢。造成上述土壤微生物生物量碳含量變化規律的主要原因是：火災事故對于土壤環境的影響持續時間大約為2年，2年之后土壤環境逐漸開始恢復，碳含量逐漸上升。

無論是在土壤上層（0 - 10 cm）、土壤下層（10-20 cm）或者整個土壤層（0- 20 cm）背景下，土壤微生物生物量氮含量隨著火災事故程度的增加而增加，主要是因為火災事故程度越重，殘留在土壤表面的灰燼越多，致使土壤中可利用性養分增加，為土壤中存活微生物提供生長養分。另外，火災事故會提升土壤的pH值，促進了微生物的繁殖。

從恢復年限角度出發，隨著土壤恢復年限的增加，土壤微生物生物量氮含量呈現先下降后上升的趨勢，這主要是因為火災事故后2年土壤環境經過長期高溫高熱的灼燒，使得土壤成分發生顯著變化，氮含量明顯下降，后續土壤環境逐漸恢復，氮含量也逐步增加。

3 結論

研究通過實地考察和實驗分析，探討了火災事故對森林土壤微生物生物量的影響。通過上述的測定結果，可以得出火災對森林土壤微生物生物量的影響的幾個結論：首先，土壤下層（10 -20 cm）的微生物數量、碳含量和氮含量都明顯低于土壤上層（0 - 10 cm）。這是因為火災后，上層土壤的有機物質散落到了下層，增加了下層的碳和氮含量，但同時也抑制了下層土壤微生物的生長。隨著土壤恢復年限的增加，微生物數量、碳含量和氮含量都呈現先下降后上升的變化趨勢。這是因為火災后，土壤環境經歷了一段時間的惡化，隨著時間的推移，土壤環境逐漸恢復，微生物數量和營養含量也隨之恢復。研究成果對如何進行有效的森林恢復和管理具有重要的指導意義。