火干扰对喀纳斯泰加林土壤化学性质的影响

刘小菊

(1.新疆农业职业技术学院 园林科技学院， 新疆 昌吉 831100； 2.新疆农业大学 林学与园艺学院， 新疆 乌鲁木齐 830052)

喀纳斯自然保护区是我国唯有的南西伯利亚山地南泰加林生态系统的代表，具有很高的保存和科研价值。喀纳斯山地森林和其他北方森林一样，火干扰是构成其森林演替和生生不息的主要源动力[1]，也是泰加林碳循环的主要驱动力[2-3]。火干扰对喀纳斯泰加林森林群落的物种组成结构、生物多样性格局和森林景观的形成与维持起着举足轻重的作用。大量研究表明，在全球气候变暖背景下，北方针叶林未来林火干扰的频率和强度都会增加[4-6]。研究火干扰对森林生态系统的影响，对制定林火管理措施具有非常重要的指导意义。火烧通过加热直接或间接影响土壤微生物群落[7]，一般情况下，火烧能快速改变森林土壤理化性质，土壤中养分的循环和分配亦会受到影响[8]。同时，林火还在维持植物区系组成和促进林木更新等方面具有重要意义[9]。森林生态系统火烧后对土壤养分具有短期和长期作用，而相关研究大多集中在火烧后短期内土壤养分的变化过程[10-11]。林火对森林土壤影响方面的研究较多，有研究认为，火干扰可迅速改变森林土壤的物理、化学和生物学性质及养分的存储状态[12]，并且火对森林生态系统的影响还与研究区的火前林型和林火强度等因子密切相关[13]。森林土壤中养分的有效性不仅受火干扰的直接影响，而且火后林下土壤环境的改变也会影响N、P和K的存储状态和数量[14]。一般来说，低至中等烈度的森林火灾(如计划火烧)会提高土壤的pH，促进林下植被更新，增加土壤营养的有效性[15]。国内火干扰对土壤影响研究主要集中在林火如何影响北方针叶林(大兴安岭)林下土壤理化性质方面[16-20]，对于养分(N、P和K)有效性变化的研究较少。目前，林火干扰对喀纳斯泰加林土壤影响的报道较少，因此加强土壤对林火烈度的火后恢复时间响应研究对喀纳斯泰加林的可持续经营具有重要现实意义。为此，以火烧后的喀纳斯泰加林为研究对象，研究林火烈度和火后恢复时间对森林土壤化学性质的长期影响，旨在为森林经营管理者提供科学有效的林火管理策略，提高森林的可持续经营管理水平。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 研究区概况 研究区域为喀纳斯国家自然保护区。喀纳斯国家级自然保护区位于新疆阿勒泰地区布尔津县西北部，东西长约74 km，南北宽约66 km。保护区地处欧亚大陆腹地，属温带高寒山区气候。年均气温-0.2℃，年均降水量1 065 mm，年均蒸发量1 097 mm，无霜期80～108 d。喀纳斯的山地森林是南西伯利亚山地南泰加林在我国北方森林的典型代表。乔木优势树种为西伯利亚落叶松(LarixsibiricaLedeb.)、西伯利亚云杉(PiceaobovataLedeb.)和西伯利亚红松(Pinussibirica(Loud.) Mayr.)，伴生有西伯利亚冷杉(AbiessibiricaLedeb.)、疣枝桦(BetulapendulaRoth.)和山杨 (PopulustremulaLinn.)等。灌木优势种有大叶绣线菊(SpiraeachamaedryfoliaLinn.)、多刺蔷薇(RosaspinosissimaLinn.)和蓝果忍 (LoniceracearuleaLinn.)等。草本优势种有多叶苔草(CarexpolyphyllaKar. et Kir.)、白花砧 (GaliumborealeLinn.)、白喉乌 (AconitumleucostomumWorosch.)和老芒 (ElymussibiricusLinn.)等。

1.1.2 研究对象 研究时间为2017年6—8月，以喀纳斯国家自然保护区尚未受到人为干扰的原始林火烧地为研究对象，具体为1967年(距研究时间49 a)与1978年(距研究时间39 a)的火烧样地。

1.2 方法

1.2.1 样地设置 于2017年6月中旬至8月中旬在喀纳斯国家自然保护区尚未受到人为干扰的原始林中进行火干扰调查。调查发现，20世纪60—80年代火烧样地的数量最多，为对比林火烈度和恢复时间对土壤化学性质的影响，寻找到1967年火烧样地和1978年火烧样地，并将样地林火程度划分为高烈度(High-severity, HS)、中烈度(Moderate-severity, MS)和低烈度(Low-severity, S)。采用空间代替时间法，尽量保证样地的地形条件基本相同，样地基本情况见表1。所有样地的大小均为900 m2(30 m×30 m)，样地边界离林缘至少50 m。

记录样地的经纬度、海拔、坡度和坡向。采用林木火疤年龄分析法确定林分火干扰的发生历史时间(年份)，即：正对火疤砍出一个斜面，根据内部完整年轮数与整株树木全部年轮数之差确定火疤木成疤时间，获取火疤木形成层与木炭层之间的年轮数，最后依据调查时间(年份)推算火干扰的历史发生时间(年份)[21]，将火干扰发生年份距离调查年份时间的长度简称为火后时间(恢复时间)；利用火疤木的外在属性因子(成疤部位、火疤深度、火疤宽度、火疤高度即熏黑高度)将林火烈度划分为高、中、低3个等级。

表1 样地主要特征描述

1.2.2 土壤采样 每个样地沿坡体方向分别在上中下3个坡位各挖1个土壤剖面，记录土壤剖面特征，在0～10 cm、10～25 cm土层用木铲取样1 kg左右风干后去除杂物，过筛后进行分析。

1.2.3 测定指标 土壤pH采用电位法，有机质(SOC)采用重铬酸钾氧化-外加热法，全氮含量(TN)采用半微量凯氏法，全钾含量(TK)采用火焰光度法，全磷含量(TP)采用钼提抗比色法，碱解氮(AN)采用碱解扩散法，速效磷(AP)采用钼锑抗比色法，速效钾(AK)采用火焰光度计法。

1.2.4 数据处理 运用方差分析(ANOVA)研究林火烈度对土壤化学性质的影响，多重比较采用LSD检验。运用SPSS 19.0和Excel 2010分析数据，OriginPro 2018作图。

2 结果与分析

2.1 火干扰因子对喀纳斯泰加林0～10 cm土壤化学性质的影响

2.1.1 林火烈度 从图1看出，林火烈度对喀纳斯泰加林火后49 a的火烧迹地0～10 cm土壤的化学性质有显著影响，对火后39 a的火烧迹地除全氮、碱解氮和速效钾以外的土壤化学性质均有显著影响。火烧后49 a的土壤有机碳、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效钾和速效磷含量随林火烈度增加呈递减趋势，即在3种程度林火条件下，各指标含量均为高烈度<中烈度<低烈度。火烧后39 a的土壤有机碳、全氮、碱解氮、速效钾和速效磷含量均表现出与49 a相似的变化趋势，全磷和全钾含量为中烈度>低烈度>高烈度的趋势。土壤pH随林火烈度变化无明显变化规律，土壤基本呈酸性。总体看，火烧后土壤养分含量随林火烈度增强而下降，烈度越高，下降越明显。

2.1.2 恢复时间 相同林火烈度条件下，不同恢复时间对火烧迹地0～10 cm养分含量影响明显，土壤有机碳、全氮、全钾、碱解氮、速效钾和速效磷含量随恢复时间的增加呈递增趋势。pH随恢复时间的增加无明显规律(图1)。表明，火烧后随恢复时间增加土壤养分呈上升趋势，而由于火烧时间较长，无法推测火烧是否引起土壤pH的升高。

注：不同小写字母表示同一恢复时间不同林火烈度间存在显著差异(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters indicate significance of difference between different fire severity under same recovery years atP<0.05 level. The same below.

图1不同恢复时间火烧迹地0～10 cm土壤的化学性质

Fig.1 Chemical properties of soil with 0-10 cm depth in burned area after different recovery years

2.2 火干扰因子对喀纳斯泰加林10～25 cm土壤化学性质的影响

2.2.1 林火烈度 从图2看出，林火烈度对火后49 a火烧迹地的10～25 cm土壤养分含量均有显著影响，变化趋势与0～10 cm的土壤变化趋势相同，土壤养分含量随林火烈度的增强而减少。火后39 a的火烧迹地10～25 cm土壤除有机碳、全钾和pH外，林火烈度对其他土壤化学性质均无显著影响。

2.2.2 恢复时间 林火相同烈度条件下，不同恢复时间火烧迹地10～25 cm土壤养分含量除速效磷和全钾外，其他指标含量均表现随恢复时间的延长呈递增趋势(图2)。土壤pH无明显变化规律，但低烈度火烧迹地的土壤pH呈中性。

图2 不同恢复时间火烧迹地10～25 cm土壤的化学性质

3 结论与讨论

林火对森林结构和土壤的影响是长期的，而且因林火烈度和恢复时间而异。高烈度比中低烈度火烧迹地土壤有机碳、土壤氮含量恢复到火前水平需要更长的时间。土壤有机碳、全氮和碱解氮的含量随恢复时间的延长呈上升趋势。土壤pH、土壤磷和钾含量对林火烈度和恢复时间的响应不及土壤有机碳和氮强烈。0～10 cm的土壤对林火烈度和恢复时间的响应比10～25 cm土壤敏感。

有关火烧引起土壤有机质损失的报道很多[23-26]。MICHELOTTI等[23]研究表明，火烧后的土壤有机碳可减少1 071 g/m2，研究发现，从火后39 a到火后49 a，0～10 cm和10～25 cm土壤有机碳在高中低3个林火烈度下都呈递增趋势，因此，推测火烧引起土壤有机碳下降。林火高温引起地表有机质燃烧，其烈度越强，造成植物有机体死亡越多，土壤有机质损失越高。研究结果表明，49 a火烧迹地0～10 cm土壤中高烈度火烧迹地有机碳含量比中低烈度的林地分别高45.54 g/kg和27.97 g/kg，10～25 cm土壤高烈度火烧迹地有机碳含量比中低烈度分别高26.73 g/kg和12.02 g/kg。表明高烈度火烧对有机碳的影响比中低烈度显著，高烈度火烧比中低烈度火烧需要更长的时间才能恢复到火前水平，火后恢复时间越长有机碳浓度越高[27]。0～10 cm土层有3个指标在不同林火烈度和恢复时间之间无显著差异，而10～25 cm土层则有4个，表明表层土壤比深层土壤对林火烈度的响应更强烈。

地表枯落物是土壤有机质的来源，而有机质又是土壤氮的来源。林火过后，地表枯落物大量减少，导致土壤氮的损失[28]。研究结果表明，0～10 cm和10～25 cm土壤全氮和碱解氮的浓度均为高烈度<中烈度<低烈度；火后49 a的火烧迹地土壤全氮和碱解氮含量均高于39 a的火烧迹地。火后49 a的火烧迹地0～10 cm土壤全磷、全钾、速效磷和速效钾与氮的含量变化趋势一致，钾的变化与张玉红的研究结论一致[29]。林火只有达到一定强度时，才会对森林地表覆盖物和表层矿质土壤全磷产生较大影响[30]。林地土壤钾浓度中低烈度火烧迹地高于高烈度火烧迹地，原因主要是火烧对森林破坏较严重，降低了森林的郁闭度，且地表枯落物被去除，导致地表大面积裸露，火后地表遭受高强度侵蚀和风蚀的可能性也较高，经地表雨水冲刷后，钾元素淋融流失，出现土壤钾质量分数降低的趋势[30]。火后39 a的火烧迹地全磷、全钾、速效磷浓度的变化未表现出高烈度<中烈度<低烈度的规律性，表明林火引起土壤磷钾变化趋势较土壤有机质和土壤氮的变化更为复杂。有研究报道，火烧造成土壤有效磷的增加[31]，但也有火烧后土壤有效磷降低的报道[10]。CERTINI[9]研究发现，火烧后土壤的有效钾含量会出现短暂提高，谷会岩等[17]研究表明，火烧后一定时间内土壤速效钾含量会显著降低。

不同林火烈度和恢复时间的火烧迹地土壤pH差异显著，但变化无明显规律。火干扰后释放出部分金属阳离子会中和土壤酸性，在经过几个月、几年甚至几十年的后会逐渐下降。而不同火烧迹地由于凋落物成分和土壤微生物活性的不同，导致土壤pH的恢复速度不同。