不同强度火烧对杨树林碳、氮及其比值变化的影响

王 天，张水锋，陈鹏鹏，宫涵

（南京森林警察学院，江苏 南京210023）

1 引言

林火是森林生态系统最显著的干扰因子之一，也是影响森林植被的一个活跃生态因素，对森林生态系统的组成、结构和功能的影响较大。因此，林火与森林生态系统平衡有很大的关系，被认为是森林生态系统结构和功能的重要组成部分［1，2］。火对土壤有机碳的影响既有短期直接性，也有长期间接性。一方面火灾过程中有机土层的燃烧造成土壤有机碳的直接损耗，另一方面，火烧通过改变碳素形态和分布，以及改变物种组成、植物生长、土壤生物区系、土壤淋溶和侵蚀等，对生态系统的碳循环产生潜在而深远的长期影响。水解氮是铵态氮、硝态氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白质氮的总和，是土壤氮素的重要组成部分，它的含量与土壤有机质呈正相关，能较好的反映出近期内土壤氮素的供应状况，在衡量土壤氮素供应水平上占有重要的位置。在不同强度林火干扰下，短时间内土壤有机碳和水解氮变化方面的研究还较少。近年来，国内外学者的研究主要集中在不同类型轻组有机碳的变化［4，5］，火烧对土壤物理和化学性质的影响［3，6］，不同强度火烧对土壤有机碳组分差异及其影响因素［7，8］，不同土地利用变化对轻组和重组有机碳的影响［9～12］等长期观察的变化方面。研究不同强度火烧在短期内对有机碳和水解氮的影响对评价森林土壤肥力、土壤碳库平衡、碳循环具有重要的意义。该文通过测定有机碳及水解氮来探讨不同强度火烧在短时间内对土壤有机碳和水解氮含量影响的差异及其相关影响因子，为揭示人造杨树林在不同强度火烧对土壤有机碳和水解氮短时的影响提供基础数据。

2 研究区概况

野外林火点烧样地位于南京市仙林大学城南京森林警察学院校内后山旁杨树人工林，土壤类型为黄棕壤，枯落物厚度5～8 cm，表层枯落物较干燥，易燃，林冠郁闭度为0.5～0.7，林下灌木盖度20%～30%，枯落物盖度80%。为实现不同火强度的分级目标，在杨树林下增铺了可燃物，主要为附近阔叶林地收集的已晒干的枯枝落叶。增铺可燃物的厚度从样地边缘的10 cm向中心逐渐均匀增加到40 cm。另外，在杨树林各个小样地中心插上长6m且标有红色刻度线并涂有白漆的铁质标杆，并将火烧后标杆的熏黑高度作为火焰高度记录。

2014年5月4日，在近百名森林防火队员全副武装的严密监控下，杨树人工林样地实施了点烧试验。试验过程中，同时对火行为进行了多角度监控录像。

3 研究方法

3.1 样地设置

本次试验以火烧实验前的杨树林作为研究对照，其土壤取样时间为林火点烧试验实施前的2014年5月3日、试验结束24 h后的2014年5月5日。在2014年5月4日点烧实验火烧迹地和邻近火烧迹地未着火区域分别选取低强度、高强度和对照样地，基于杨树林样地的面积和地形，按照代表性和典型性的原则，将其划分为12块4m×6m的小样地，如图1所示。

3.2 样品采样

为减少其它环境因素的干扰，本次杨树林火烧试验设计在雨后至少4～5d的晴朗天气进行采样。以火烧前的杨树林作为研究对照，其土壤取样时间为林火点烧试验实施前的2014年5月3日，试验结束24 h后的2014年5月5日。采样时，将杨树林的各个小样地均匀划分成4个方格，在每个取样点先移去土壤上面的凋落物和腐殖质后，在4个方格内分别按0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm分层取样，取样后各层均匀混合至500 g，低强度、高强度和对照样地每块3次重复，共计36份土壤样品。将土壤样品带回实验室后除去杂质，自然风干，风干后研磨，一部分过2 mm筛用于土壤有机碳的测定，一部分过0.25 mm筛用于土壤总有机碳的测定，一部分过0.149 mm筛用于水解氮的测定。

3.3 样品测定

采用碱解－扩散法来测定土壤水解氮。土壤有机碳总量，重铬酸钾外加热法。用控制变量分析法分析火烧强度与不同土壤层次对土壤有机碳和水解氮含量的影响，并进行多重比较，对不同土壤层次不同火烧强度下土壤有机碳和水解氮含量情况作多重比较分析。

另外，根据森林火中的地表火和树冠火的火焰高度和火线强度的资料，采用根据森林火扑救的需要将森林火强度划分为4级的分级标准（表1）［13］。

表1 地表火和树冠火强度的分级标准

3.4 数据分析

数据分析采用Excel2013和SPSS17.0软件完成。

4 结果与分析

4.1 不同强度火烧后土壤有机碳的含量变化

由表2可见，低、中和高强度火烧样地中在0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm的土层土壤有机碳的含量均呈现下降的趋势。其中，高强度火烧后土壤有机碳含量的减少幅度约是低强度下的8倍。且过火后土壤有机碳含量对不同层次土壤层的影响大小基本一致，0～5 cm土层＜5～10 cm土层＜10～20 cm土层。0～5 cm土层有机碳含量降幅在低、中和高强度火烧分别为5%、12%和46% 与5～10 cm和10～20 cm间差异显著，但10～20 cm土层低、高强度火烧间差异不显著，仅为1%。可见在不同强度火烧后土壤有机碳含量均下降，且随着林火强度增大土壤有机碳含量减少幅度越明显，随着土层厚度增加火烧后土壤有机碳含量变化趋于不变。

表2 不同强度火烧后土壤中有机碳含量

4.2 不同强度火烧后土壤水解氮的含量变化

由表3可见，不同强度火烧后土壤水解氮的含量在0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm的土层水解氮含量的影响各不相同。其中，低强度下各土层水解氮含量变化依次增加3%、4%和0.3%，5～10 cm土层的水解氮含量增幅相对最大；中强度下各土层水解氮含量变化依次降低5%、增加4%、增加0.1%，0～5 cm与5～10 cm土层间的变化差异较大，10～20 cm土层受到的影响较小；高强度下各土层水解氮含量变化下降低22%、降低11%和增加0.3%，高强度火烧对水解氮含量的影响最大，主要表现为降低的趋势，且降幅较大。0～5 cm层低强度火烧后氮含量为增加，而且中强度和高强度火烧后土壤氮含量为降低趋势，而且高强度火烧后降幅约是中强度降幅的4.4倍。显然，不同强度火烧对土壤水解氮的含量变化的影响各不相同，低强度和中强度火烧使土壤水解氮含量小幅度增加，而高强度火烧后水解氮含量呈明显减少趋势。另一方面，随着土壤深度的水解氮的含量趋于不变。

表3 不同强度火烧后不同土壤层数中水解氮含量

4.3 不同强度火烧后杨树林土壤碳氮比值的变化

由表4可见，不同强度火烧后，土壤碳氮含量比呈下降趋势，其中0～5 cm低强度、中强度和高强度火烧后土壤碳氮比降幅分别为9.3%、7.7%和30%，其中高强度火烧后降幅最大，约是低强度的3倍，中强度的3.9倍；5～10 cm低、中火烧后土壤碳氮比降幅分别为4.6%、6.5%，变化幅度差异不显著，而高强度下则增加2%；10～20 cm低强度火烧后碳氮比降幅为3.7%，而中、高强度火烧后碳氮比则基本保持不变。

表4 不同强度火烧后不同土壤层数中碳氮比

5 结语

杨树人工林在不同火强度影响下的土壤有机碳含量均呈现下降的趋势，且随着火强度的增大土壤有机碳含量减幅越明显，随着土层厚度的增加火烧后土壤有机碳含量变化趋于不变。造成这种差异可能与火强度干扰土壤有机质层有关，但也可能与周围植被类型、气候、立地条件等有关。关于火烧对土壤有机碳的影响结论不一，有些学者认为火烧降低了土壤有机碳含量［14］，有些学者认为火烧增加了土壤有机碳含量［15］，还有一些学者认为火烧只改变了土壤有机碳在不同层的量，但总量上没有改变［16～18］。该研究中，低强度火烧对林木干扰不强，地上有机质在通过低强度火干扰的情况下，部分损失，导致低强度火烧样地中有机碳含量减少不明显，而高强度火烧移去了地表大部分有机质层以及高温挥发，使土壤有机碳的来源大量减少，从而使土壤有机碳含量降低明显，这与前人研究结果一致［19，20］。在不同土壤层次里，不同强度火烧样地中，有机碳的动态变化规律基本一致。土壤层次越深土壤有机碳含量变化越不明显。有机碳含量的高低变化与均值变化不同，造成这种差异可能与火强度干扰土壤有机质层分布不均匀和动态变化有关［14］，这需要进一步验证。

随着火烧强度的升高，土壤水解氮的含量先增加后减少。挥发是燃烧中氮损失的主要途径。Raison等［25］认为燃烧中挥发损失的氮量是直接与被燃烧的有机质量呈比例的。预测挥发的氮中有99%是以N2的形式损失的，还有一小部分的氮并没有在挥发中损失，而是存在于未燃烧的燃料中或是伴随灰分以NH4＋形式返回地表，导致了火后土壤中氮有效量增加的现象。在北方针叶林，氮被认为是影响植被生长的限制性营养元素，对于森林生态系统生产力的维持具有重要意义［21～23］。大量研究表明，林火减少了土壤氮库，但却增加了土壤中的水解氮含量，且无机氮的释放量与燃料负荷、消耗量及湿度等有关［24］。

土壤有机碳与土壤水解氮呈线性正相关，与Camberdella等［26～27］研究结果一致，这是因为土壤中有机质的氮含量的高低会影响到微生物对其分解速度的快慢。有机质中含氮量高的那部分易被微生物分解，吸收、转化速度较快［27］，从而对土壤有机碳含量产生有一定程度的影响。土壤有机碳与水解氮存在着相关性，但相关性显著度不明显，这可能与该研究中采集数据量较少有关。

不同强度火烧对杨树林碳、氮及其比值变化的影响是复杂的，不同强度火烧对地表植被进行干扰、影响和改变有机碳输入源的同时，它还借助改变其他因子，如土壤结构、温度、湿度、土壤微生物等，改变和影响着碳、氮含量及其比值，这种影响可能是暂时的，也可能是长期的，这与气候、林型、土壤性质及火烧强度及持续的时间有关。在以后的研究中，应进一步加强不同强度火烧对杨树林碳、氮及其比值变化的影响方面的研究。

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