劉小菊

(1.新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園林科技學(xué)院， 新疆 昌吉 831100； 2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園藝學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052)

喀納斯自然保護(hù)區(qū)是我國(guó)唯有的南西伯利亞山地南泰加林生態(tài)系統(tǒng)的代表，具有很高的保存和科研價(jià)值?？{斯山地森林和其他北方森林一樣，火干擾是構(gòu)成其森林演替和生生不息的主要源動(dòng)力[1]，也是泰加林碳循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)力[2-3]?；鸶蓴_對(duì)喀納斯泰加林森林群落的物種組成結(jié)構(gòu)、生物多樣性格局和森林景觀的形成與維持起著舉足輕重的作用。大量研究表明，在全球氣候變暖背景下，北方針葉林未來(lái)林火干擾的頻率和強(qiáng)度都會(huì)增加[4-6]。研究火干擾對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響，對(duì)制定林火管理措施具有非常重要的指導(dǎo)意義。火燒通過(guò)加熱直接或間接影響土壤微生物群落[7]，一般情況下，火燒能快速改變森林土壤理化性質(zhì)，土壤中養(yǎng)分的循環(huán)和分配亦會(huì)受到影響[8]。同時(shí)，林火還在維持植物區(qū)系組成和促進(jìn)林木更新等方面具有重要意義[9]。森林生態(tài)系統(tǒng)火燒后對(duì)土壤養(yǎng)分具有短期和長(zhǎng)期作用，而相關(guān)研究大多集中在火燒后短期內(nèi)土壤養(yǎng)分的變化過(guò)程[10-11]。林火對(duì)森林土壤影響方面的研究較多，有研究認(rèn)為，火干擾可迅速改變森林土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)及養(yǎng)分的存儲(chǔ)狀態(tài)[12]，并且火對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響還與研究區(qū)的火前林型和林火強(qiáng)度等因子密切相關(guān)[13]。森林土壤中養(yǎng)分的有效性不僅受火干擾的直接影響，而且火后林下土壤環(huán)境的改變也會(huì)影響N、P和K的存儲(chǔ)狀態(tài)和數(shù)量[14]。一般來(lái)說(shuō)，低至中等烈度的森林火災(zāi)(如計(jì)劃火燒)會(huì)提高土壤的pH，促進(jìn)林下植被更新，增加土壤營(yíng)養(yǎng)的有效性[15]。國(guó)內(nèi)火干擾對(duì)土壤影響研究主要集中在林火如何影響北方針葉林(大興安嶺)林下土壤理化性質(zhì)方面[16-20]，對(duì)于養(yǎng)分(N、P和K)有效性變化的研究較少。目前，林火干擾對(duì)喀納斯泰加林土壤影響的報(bào)道較少，因此加強(qiáng)土壤對(duì)林火烈度的火后恢復(fù)時(shí)間響應(yīng)研究對(duì)喀納斯泰加林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。為此，以火燒后的喀納斯泰加林為研究對(duì)象，研究林火烈度和火后恢復(fù)時(shí)間對(duì)森林土壤化學(xué)性質(zhì)的長(zhǎng)期影響，旨在為森林經(jīng)營(yíng)管理者提供科學(xué)有效的林火管理策略，提高森林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)管理水平。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究區(qū)概況 研究區(qū)域?yàn)榭{斯國(guó)家自然保護(hù)區(qū)。喀納斯國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于新疆阿勒泰地區(qū)布爾津縣西北部，東西長(zhǎng)約74 km，南北寬約66 km。保護(hù)區(qū)地處歐亞大陸腹地，屬溫帶高寒山區(qū)氣候。年均氣溫-0.2℃，年均降水量1 065 mm，年均蒸發(fā)量1 097 mm，無(wú)霜期80～108 d?？{斯的山地森林是南西伯利亞山地南泰加林在我國(guó)北方森林的典型代表。喬木優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為西伯利亞落葉松(LarixsibiricaLedeb.)、西伯利亞云杉(PiceaobovataLedeb.)和西伯利亞紅松(Pinussibirica(Loud.) Mayr.)，伴生有西伯利亞冷杉(AbiessibiricaLedeb.)、疣枝樺(BetulapendulaRoth.)和山楊 (PopulustremulaLinn.)等。灌木優(yōu)勢(shì)種有大葉繡線菊(SpiraeachamaedryfoliaLinn.)、多刺薔薇(RosaspinosissimaLinn.)和藍(lán)果忍 (LoniceracearuleaLinn.)等。草本優(yōu)勢(shì)種有多葉苔草(CarexpolyphyllaKar. et Kir.)、白花砧 (GaliumborealeLinn.)、白喉烏 (AconitumleucostomumWorosch.)和老芒 (ElymussibiricusLinn.)等。

1.1.2 研究對(duì)象 研究時(shí)間為2017年6—8月，以喀納斯國(guó)家自然保護(hù)區(qū)尚未受到人為干擾的原始林火燒地為研究對(duì)象，具體為1967年(距研究時(shí)間49 a)與1978年(距研究時(shí)間39 a)的火燒樣地。

1.2 方法

1.2.1 樣地設(shè)置 于2017年6月中旬至8月中旬在喀納斯國(guó)家自然保護(hù)區(qū)尚未受到人為干擾的原始林中進(jìn)行火干擾調(diào)查。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)60—80年代火燒樣地的數(shù)量最多，為對(duì)比林火烈度和恢復(fù)時(shí)間對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，尋找到1967年火燒樣地和1978年火燒樣地，并將樣地林火程度劃分為高烈度(High-severity, HS)、中烈度(Moderate-severity, MS)和低烈度(Low-severity, S)。采用空間代替時(shí)間法，盡量保證樣地的地形條件基本相同，樣地基本情況見(jiàn)表1。所有樣地的大小均為900 m2(30 m×30 m)，樣地邊界離林緣至少50 m。

記錄樣地的經(jīng)緯度、海拔、坡度和坡向。采用林木火疤年齡分析法確定林分火干擾的發(fā)生歷史時(shí)間(年份)，即：正對(duì)火疤砍出一個(gè)斜面，根據(jù)內(nèi)部完整年輪數(shù)與整株樹(shù)木全部年輪數(shù)之差確定火疤木成疤時(shí)間，獲取火疤木形成層與木炭層之間的年輪數(shù)，最后依據(jù)調(diào)查時(shí)間(年份)推算火干擾的歷史發(fā)生時(shí)間(年份)[21]，將火干擾發(fā)生年份距離調(diào)查年份時(shí)間的長(zhǎng)度簡(jiǎn)稱為火后時(shí)間(恢復(fù)時(shí)間)；利用火疤木的外在屬性因子(成疤部位、火疤深度、火疤寬度、火疤高度即熏黑高度)將林火烈度劃分為高、中、低3個(gè)等級(jí)。

表1 樣地主要特征描述

1.2.2 土壤采樣 每個(gè)樣地沿坡體方向分別在上中下3個(gè)坡位各挖1個(gè)土壤剖面，記錄土壤剖面特征，在0～10 cm、10～25 cm土層用木鏟取樣1 kg左右風(fēng)干后去除雜物，過(guò)篩后進(jìn)行分析。

1.2.3 測(cè)定指標(biāo) 土壤pH采用電位法，有機(jī)質(zhì)(SOC)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，全氮含量(TN)采用半微量凱氏法，全鉀含量(TK)采用火焰光度法，全磷含量(TP)采用鉬提抗比色法，堿解氮(AN)采用堿解擴(kuò)散法，速效磷(AP)采用鉬銻抗比色法，速效鉀(AK)采用火焰光度計(jì)法。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 運(yùn)用方差分析(ANOVA)研究林火烈度對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，多重比較采用LSD檢驗(yàn)。運(yùn)用SPSS 19.0和Excel 2010分析數(shù)據(jù)，OriginPro 2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 火干擾因子對(duì)喀納斯泰加林0～10 cm土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.1.1 林火烈度 從圖1看出，林火烈度對(duì)喀納斯泰加林火后49 a的火燒跡地0～10 cm土壤的化學(xué)性質(zhì)有顯著影響，對(duì)火后39 a的火燒跡地除全氮、堿解氮和速效鉀以外的土壤化學(xué)性質(zhì)均有顯著影響?；馃?9 a的土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效鉀和速效磷含量隨林火烈度增加呈遞減趨勢(shì)，即在3種程度林火條件下，各指標(biāo)含量均為高烈度<中烈度<低烈度?；馃?9 a的土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、速效鉀和速效磷含量均表現(xiàn)出與49 a相似的變化趨勢(shì)，全磷和全鉀含量為中烈度>低烈度>高烈度的趨勢(shì)。土壤pH隨林火烈度變化無(wú)明顯變化規(guī)律，土壤基本呈酸性?？傮w看，火燒后土壤養(yǎng)分含量隨林火烈度增強(qiáng)而下降，烈度越高，下降越明顯。

2.1.2 恢復(fù)時(shí)間 相同林火烈度條件下，不同恢復(fù)時(shí)間對(duì)火燒跡地0～10 cm養(yǎng)分含量影響明顯，土壤有機(jī)碳、全氮、全鉀、堿解氮、速效鉀和速效磷含量隨恢復(fù)時(shí)間的增加呈遞增趨勢(shì)。pH隨恢復(fù)時(shí)間的增加無(wú)明顯規(guī)律(圖1)。表明，火燒后隨恢復(fù)時(shí)間增加土壤養(yǎng)分呈上升趨勢(shì)，而由于火燒時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法推測(cè)火燒是否引起土壤pH的升高。

注：不同小寫(xiě)字母表示同一恢復(fù)時(shí)間不同林火烈度間存在顯著差異(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.

圖1不同恢復(fù)時(shí)間火燒跡地0～10 cm土壤的化學(xué)性質(zhì)

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

2.2 火干擾因子對(duì)喀納斯泰加林10～25 cm土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.2.1 林火烈度 從圖2看出，林火烈度對(duì)火后49 a火燒跡地的10～25 cm土壤養(yǎng)分含量均有顯著影響，變化趨勢(shì)與0～10 cm的土壤變化趨勢(shì)相同，土壤養(yǎng)分含量隨林火烈度的增強(qiáng)而減少。火后39 a的火燒跡地10～25 cm土壤除有機(jī)碳、全鉀和pH外，林火烈度對(duì)其他土壤化學(xué)性質(zhì)均無(wú)顯著影響。

2.2.2 恢復(fù)時(shí)間 林火相同烈度條件下，不同恢復(fù)時(shí)間火燒跡地10～25 cm土壤養(yǎng)分含量除速效磷和全鉀外，其他指標(biāo)含量均表現(xiàn)隨恢復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)呈遞增趨勢(shì)(圖2)。土壤pH無(wú)明顯變化規(guī)律，但低烈度火燒跡地的土壤pH呈中性。

圖2 不同恢復(fù)時(shí)間火燒跡地10～25 cm土壤的化學(xué)性質(zhì)

3 結(jié)論與討論

林火對(duì)森林結(jié)構(gòu)和土壤的影響是長(zhǎng)期的，而且因林火烈度和恢復(fù)時(shí)間而異。高烈度比中低烈度火燒跡地土壤有機(jī)碳、土壤氮含量恢復(fù)到火前水平需要更長(zhǎng)的時(shí)間。土壤有機(jī)碳、全氮和堿解氮的含量隨恢復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)。土壤pH、土壤磷和鉀含量對(duì)林火烈度和恢復(fù)時(shí)間的響應(yīng)不及土壤有機(jī)碳和氮強(qiáng)烈。0～10 cm的土壤對(duì)林火烈度和恢復(fù)時(shí)間的響應(yīng)比10～25 cm土壤敏感。

有關(guān)火燒引起土壤有機(jī)質(zhì)損失的報(bào)道很多[23-26]。MICHELOTTI等[23]研究表明，火燒后的土壤有機(jī)碳可減少1 071 g/m2，研究發(fā)現(xiàn)，從火后39 a到火后49 a，0～10 cm和10～25 cm土壤有機(jī)碳在高中低3個(gè)林火烈度下都呈遞增趨勢(shì)，因此，推測(cè)火燒引起土壤有機(jī)碳下降。林火高溫引起地表有機(jī)質(zhì)燃燒，其烈度越強(qiáng)，造成植物有機(jī)體死亡越多，土壤有機(jī)質(zhì)損失越高。研究結(jié)果表明，49 a火燒跡地0～10 cm土壤中高烈度火燒跡地有機(jī)碳含量比中低烈度的林地分別高45.54 g/kg和27.97 g/kg，10～25 cm土壤高烈度火燒跡地有機(jī)碳含量比中低烈度分別高26.73 g/kg和12.02 g/kg。表明高烈度火燒對(duì)有機(jī)碳的影響比中低烈度顯著，高烈度火燒比中低烈度火燒需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能恢復(fù)到火前水平，火后恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)有機(jī)碳濃度越高[27]。0～10 cm土層有3個(gè)指標(biāo)在不同林火烈度和恢復(fù)時(shí)間之間無(wú)顯著差異，而10～25 cm土層則有4個(gè)，表明表層土壤比深層土壤對(duì)林火烈度的響應(yīng)更強(qiáng)烈。

地表枯落物是土壤有機(jī)質(zhì)的來(lái)源，而有機(jī)質(zhì)又是土壤氮的來(lái)源。林火過(guò)后，地表枯落物大量減少，導(dǎo)致土壤氮的損失[28]。研究結(jié)果表明，0～10 cm和10～25 cm土壤全氮和堿解氮的濃度均為高烈度<中烈度<低烈度；火后49 a的火燒跡地土壤全氮和堿解氮含量均高于39 a的火燒跡地?；鸷?9 a的火燒跡地0～10 cm土壤全磷、全鉀、速效磷和速效鉀與氮的含量變化趨勢(shì)一致，鉀的變化與張玉紅的研究結(jié)論一致[29]。林火只有達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，才會(huì)對(duì)森林地表覆蓋物和表層礦質(zhì)土壤全磷產(chǎn)生較大影響[30]。林地土壤鉀濃度中低烈度火燒跡地高于高烈度火燒跡地，原因主要是火燒對(duì)森林破壞較嚴(yán)重，降低了森林的郁閉度，且地表枯落物被去除，導(dǎo)致地表大面積裸露，火后地表遭受高強(qiáng)度侵蝕和風(fēng)蝕的可能性也較高，經(jīng)地表雨水沖刷后，鉀元素淋融流失，出現(xiàn)土壤鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低的趨勢(shì)[30]?；鸷?9 a的火燒跡地全磷、全鉀、速效磷濃度的變化未表現(xiàn)出高烈度<中烈度<低烈度的規(guī)律性，表明林火引起土壤磷鉀變化趨勢(shì)較土壤有機(jī)質(zhì)和土壤氮的變化更為復(fù)雜。有研究報(bào)道，火燒造成土壤有效磷的增加[31]，但也有火燒后土壤有效磷降低的報(bào)道[10]。CERTINI[9]研究發(fā)現(xiàn)，火燒后土壤的有效鉀含量會(huì)出現(xiàn)短暫提高，谷會(huì)巖等[17]研究表明，火燒后一定時(shí)間內(nèi)土壤速效鉀含量會(huì)顯著降低。

不同林火烈度和恢復(fù)時(shí)間的火燒跡地土壤pH差異顯著，但變化無(wú)明顯規(guī)律。火干擾后釋放出部分金屬陽(yáng)離子會(huì)中和土壤酸性，在經(jīng)過(guò)幾個(gè)月、幾年甚至幾十年的后會(huì)逐漸下降。而不同火燒跡地由于凋落物成分和土壤微生物活性的不同，導(dǎo)致土壤pH的恢復(fù)速度不同。