不同强度火烧对兴安落叶松林土壤溶解性有机碳的影响

袁 强，魏云敏

(1.东北农业大学生命科学学院，黑龙江哈尔滨150030;2.黑龙江省森林保护研究所，黑龙江哈尔滨150040)

随着气候的逐渐变暖，土壤有机碳库被认为是导致大气碳库和全球气候变化的主要原因之一，近年来，成为研究领域关注的焦点，同时也是了解和研究土壤碳循环的重要场所［1］。作为土壤活性有机碳组分之一的土壤溶解性有机碳，因其对大气温室气体和微生物新陈代谢的等存在潜在的影响而成为关注的焦点，并已经对其进行了广泛的研究。土壤溶解性有机碳是指土壤经过盐溶液或水等不同溶剂获得的土壤中溶解性的部分有机碳，是具有不同分子量大小、不同结构的有机物，包括碳水化合物和有机酸等［2］，属于土壤活性有机碳，这类有机碳受植物和微生物的影响强烈，具有一定的溶解性和易分解性，对植物和微生物而言是活性较高的那一部分土壤碳素。土壤溶解性有机碳因其易溶性和移动性，是土壤圈与大气圈、水圈等相关圈层进行物质交换的主要形式。

目前，国内外研究者已对土壤溶解性有机碳进行了一些研究。徐秋芳等［3］研究了毛竹林、杉木林、马尾松林和阔叶林4种林型中溶解性有机碳的含量变化，结果发现溶解性有机碳含量:毛竹林＞杉木林＞马尾松林、阔叶林＞马尾松林，并且它们之间均存在显著差异(P＜0.05)。森林采伐和造林对土壤中溶解性有机碳的影响研究还存在分歧不同看法。杨顶田等［4］研究发现森林采伐后土壤中溶解性有机碳含量呈下降趋势，但其原因可能是森林采伐后地表径流增加所致;McDowe11等［5］研究表明森林采伐后溶解性有机碳含量没有显著性变化。Quideau等［6］研究表明土地上造林后土壤中的溶解性有机碳含量增加;Collier等［7］研究表明造林与溶解性有机碳含量没有关系。张金波等［8］和李淑芬等［9］研究表明，土地利用的变化导致土壤溶解性有机碳含量变化明显，自然土壤转变为农田后土壤溶解性有机碳含量明显降低，耕作年数越长，减少的趋势越明显。曾有学者对未受扰动或扰动较小的小叶章草甸土壤、人工林和岛状林进行比较，结果发现小叶章草甸土壤溶解性有机碳含量最高，为(415.55±35.94)mg/kg，人工林和岛状林含量稍低，分别为(221.35±19.14)和(214.18±18.52)mg/kg。国内外研究主要集中在土地利用方式变化、耕作和森林采伐等对土壤溶解性有机碳的影响，而火强度对土壤溶解性有机碳产生的影响目前研究很少。笔者针对不同强度火烧对兴安落叶松土壤溶解性有机碳的影响，以期为今后营林用火和火对环境产生的影响提供科学依据。

研究区域选在以兴安落叶松林为主要树种的黑龙江省大兴安岭地区，该地区近40年来火灾次数和面积不断上升，多次发生森林火灾，总过火面积300余万hm2，对区域生态环境造成了巨大的影响［7］。被林火频繁干扰的大兴安岭地区为研究不同强度火烧对土壤溶解性有机碳的影响提供了理想研究场所。笔者通过测定溶解性有机碳及相关指标，探讨不同强度火烧对土壤溶解性有机碳的影响，以期为揭示兴安落叶松林下不同强度火烧对土壤有机碳组分的影响提供基础数据。

1 材料与方法

1.1研究区概况 研究区位于黑龙江省大兴安岭松岭区南瓮河自然保护区2006年因雷击引起森林火灾火烧迹地内，地处 125°07＇55″～125°50＇05″E，51°05＇07″～51°39＇24″N，该自然保护区在大兴安岭松岭区境内，总面积约229 523 hm2。研究区地形属于低山丘陵地带，地处寒温带，冬季寒冷，持续时间较长，夏季炎热，持续时间较短，属于寒温带大陆性季风气候，年平均气温-3℃，最高气温35.5℃、最低气温-43.8℃，极端最低气温-48℃，年日照时数2 500 h，无霜期90～100 d，植物生长期110 d，降雨量415～500 mm，土壤为棕色针叶林土。主要树种为兴安落叶松(Larix gmelinii)，其余有白桦(Betula platyphylla Suk.)、黑桦(Betula davurica)、柞树(Xylosma japonicum)、山杨(Populus davidiana Dode)等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置。在2006年4月杜鹃兴安落叶松林火烧迹地上选取不同强度火烧样地，以临近未火烧区作为对照样地，每个强度火烧样地及未火烧区各设置3块标准样地，共计12块，样地大小均为20 m×20 m。不同强度和对照样地林分特征如表1所示。

表1 不同强度火烧后兴安落叶松林的林分特征

1.2.2 样品采集。于2010年5～11月进行土壤样品的采集。每次每块样地内采用5点混合随机取样法取样，在每处采样点先移去土壤上的枯落物及杂物后用土钻采集土壤0～15 cm的土样3份，混和后作为1个土壤样品，不同强度火烧样地和对照样地每块3次重复，共计12份土壤样品。土壤样品被带回实验室，去掉枯落物及其他杂质，一部分过2 mm筛用于土壤溶解性有机碳测定，同时将一部分土样取出用于物理化学性质的测定。

1.2.3 样品的测定。样品测定参考JIANG R等［10］的方法。新鲜土样过2 mm筛，称取相当于烘干土重10 g土样，用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提，按照土水比1∶5的比例混匀，在25℃条件下以250 r/min的转速振荡1 h，在转速为15 000 r/min离心机上离心10 min，上部悬浮液过0.45 μm薄滤膜，过滤液在multiC/N3000分析仪(Elementar，Germany)上测定(滤液如果不能及时测定，可装在聚乙烯管中放置在-15℃冰箱中保存)。

土壤总有机碳(TOC)含量的测定采用重铬酸钾氧化-外加热法;全氮含量的测定采用Vario EL 3元素分析仪(Elementar，Germany);土壤温度使用土壤温度计测定。

1.2.4 数据分析。试验数据采用Excel 2003和SPSS13.0统计软件进行统计与分析，相关性分析采用Person法，方差分析采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 不同强度火烧对土壤溶解性有机碳的影响 从图1可以看出，对照样地与轻度、中度和重度火烧样地中土壤溶解性有机碳分别为286.08～513.25、252.47～567.38、278.63～520.13和235.14～497.89 mg/kg，土壤溶解性有机碳平均值为:对照样地370.77 mg/kg，轻度火烧样地372.55 mg/kg，中度火烧样地351.75 mg/kg，重度火烧样地338.72 mg/kg，土壤溶解性有机碳含量大小依次为轻度火烧样地＞对照样地＞中度火烧样地＞重度火烧样地，溶解性有机碳含量随着火强度的增强而逐渐降低，对照样地、轻度火烧分别与重度火烧之间差异显著(P＜0.05)，其他样地之间差异不显著(P＞0.05)。

2.2 不同强度火烧迹地中土壤溶解性有机碳的季节动态变化 从图2可以看出，不同强度火烧迹地中土壤溶解性有机碳具有明显的季节动态变化，随着时间的变化呈现先减少后增加的V型或双V型的变化趋势，季节变化显著(P＜0.05)。不同强度火烧样地和对照样地中溶解性有机碳含量范围为235.14～520.13 mg/kg，占总有机碳的比例为0.26%～1.86%，土壤溶解性有机碳含量在不同月份有不同的高低变化和差异，表现为轻度火烧样地中土壤溶解性有机碳含量高于中度和重度火烧迹地(重度火烧迹地中7月除外)，对照样地中溶解性有机碳高于中度火烧迹地，而重度火烧迹地中除5和7月外，对照样地土壤有机碳含量均高于重度。6月，轻度和中度火烧迹地中溶解性有机碳含量差异不显著外，其他样地间均差异显著(P＜0.05);11月，中度和重度火烧迹地中溶解性有机碳含量差异显著(P＜0.05)，对照样地和重度火烧样地之间差异显著(P＜0.05)，其他月份差异均不显著(P＞0.05)。

2.3 溶解性有机碳与相关因子的关系 相关性分析表明，溶解性有机碳与土壤含水率呈显著正相关(P＜0.05)，与pH呈负线性相关，与土壤温度、全氮和总有机碳呈正线性相关。

3 结论与讨论

不同强度火烧样地和对照样地中溶解性有机碳含量范围为235.14～520.13 mg/kg，占总有机碳的比例为0.26% ～1.86%，对照样地与轻度、中度和重度火烧样地中土壤溶解性有机碳含量分别为286.08～513.25、252.47～567.38、278.63～520.13和235.14～497.89 mg/kg，平均值分别为:对照样地370.77 mg/kg，轻度火烧样地372.55 mg/kg，中度火烧样地351.75 mg/kg，重度火烧样地338.72 mg/kg。葛萍［11］对合肥市蜀山森林公园重度受损马尾松林、轻度受损马尾松林、麻栎成林和麻栎幼林土壤溶解性有机碳含量进行研究，结果表明其溶解性有机碳含量分别为52.38～126.96、45.02～111.29、48.58～180.50和 53.22～173.71 mg/kg。D S.Ross和R J.Bartlett等用针筒抽取法测得美国山毛榉沼泽灰土的溶解性有机碳含量为25～250 mg/kg［12］。该研究中不同强度火烧迹地溶解性有机碳平均值高于王连峰等［13］在庐山研究土壤溶解性有机碳的含量(289.85±111.04)mg/kg，造成这种差异可能与火强度干扰土壤有机质层有关，但也可能与植被类型、气候和立地条件等有关［14］。南方地区高温高湿，林下枯落物层分解较快，土壤中有机碳含量较低;北方低温，林下枯落物层累积较厚，土壤中有机碳含量较高，因为溶解性有机碳含量很大程度上取决于总有机碳量，与该研究中溶解性有机碳与总有机碳呈正相关的研究结果相同。

该研究结果表明不同强度火烧迹地中土壤溶解性有机碳具有明显的季节动态变化，季节变化显著(P＜0.05)。这与葛萍［11］对马尾松林溶解性有机碳季节变化和Mcdowell等［15］研究结果相一致，但最低和最高值略有不同。葛萍［11］研究发现马尾松林下溶解性有机碳平均含量的季节变化规律为秋季＞春季＞冬季＞夏季。Mcdowell研究中夏秋季最高，而该研究中对照、轻度和中度火烧迹地中溶解性有机碳最高值出现在11月(秋季)，重度火烧样地最高值出现在5月(春季)，而最低值出现在6月和9月，与该研究中没有冬季数据有关，也可能与枯落物层分布不均有关。

该研究中溶解性有机碳含量与总有机碳含量呈正相关，但相关性没有达到显著水平，因为溶解性有机碳占总有机碳的比例为0.26% ～1.86%，所占比例很小，所以其与总有机碳未达到显著相关，而它来自于总有机碳，总有机碳含量决定着溶解性有机碳量，会随着总有机碳的增加而增加。溶解性有机碳与土壤含水率呈显著正相关，与Lundquist等［16］的研究结果相一致。与湿样相比，干样中溶解性有机碳含量要低得多［17］。溶解性有机碳与pH呈负线性相关，与李淑芬和俞元春等［9］研究结果相一致，土壤pH下降导致土壤微生物的生命活动减弱，因此溶解性有机碳的含量也有所降低［18］。溶解性有机碳与土壤温度的相关性目前还存在异议，该研究中溶解性有机碳与土壤温度呈正线性相关，与Godde等［19］和Macdonald等［20］的研究结果相一致，表明在一定温度范围内温度升高有利于促进土壤中溶解性有机碳的淋溶。溶解性有机碳含量与全氮含量呈正相关，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［21-22］。有机质中含氮量高的那部分容易被微生物分解，利用、转化速度较快，从而对土壤活性碳含量产生有一定程度的影响［23］。

目前，火干扰对溶解性有机碳的影响研究很少。该研究中不同强度火烧样地和对照样地中溶解性有机碳含量范围为235.14～520.13 mg/kg，占总有机碳比例为0.26% ～1.86%，所占比例很小，存在相关但不显著。土壤溶解性有机碳均值在不同强度火烧迹地中表现为轻度火烧样地＞对照样地＞中度火烧样地＞重度火烧样地，溶解性有机碳含量随着火强度的增强而逐渐降低，溶解性有机碳具有明显的季节动态变化，活性有机碳具有易溶性和易分解性，随着植被和微生物等波动，呈现季节性变化。但其易受外界因素的影响和干扰，但影响程度还存在很多分歧，尚需要进一步研究。

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