不同时间序列林火干扰对兴安落叶松林区土壤性质及温室气体通量的影响

马秀枝，范雪松，舒常禄，李长生1. 内蒙古农业大学林学院，内蒙古 呼和浩特 010019；. 内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古 呼和浩特 010019；. 内蒙古通辽市气象局，内蒙古 通辽 08000

不同时间序列林火干扰对兴安落叶松林区土壤性质及温室气体通量的影响

马秀枝1*，范雪松2，舒常禄2，李长生3
1. 内蒙古农业大学林学院，内蒙古 呼和浩特 010019；2. 内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古 呼和浩特 010019；3. 内蒙古通辽市气象局，内蒙古 通辽 028000

林火是森林生态系统的重要干扰因素之一。在内蒙古大兴安岭兴安落叶松（Larix gmelinii）林区，分别选取2014年、2006年、1995年、1986年的火烧区，以临近未过火区作为对照，研究在火烧发生0、8、19、28年后，4个不同时间序列下林火干扰对土壤温室气体通量和土壤性质的影响。结果表明：火烧发生0、8、19、28年后，土壤pH分别较对照增加了7.7%、2.0%、3.4%、4.0%；土壤有机质含量分别较对照降低了63.8%、26.6%、35.3%、11.3%，土壤全氮含量分别较对照降低了53.2%、19.7%、21.7%、16.2%；土壤有效氮含量在火烧发生0年和8年后分别较对照降低了28.1%和9.5%，火烧发生19年后较对照增加了16%；火烧发生28年后土壤有效氮含量与对照无显著差异。CH4平均吸收通量在火烧发生0、8、19年后，较对照分别下降了51.0%、45.0%、7.1%，火烧发生28年后与对照相比差异不显著。火烧发生当年，CO2通量较对照增加了64.5%，其他3个时间序列火烧对土壤温室气体通量的影响结果不一。火烧发生当年，N2O排放通量较对照增加了69.2%，达到最高排放量139.3 μg·m-2·h-1。火烧发生8、19、28年后土壤N2O排放通量分别较对照减少了5.6%、14.6%、37.9%。温室气体通量和土壤性质的灰色关联分析表明，CH4和CO2通量与土壤有机质含量关联度最大，N2O排放通量与土壤全氮含量关联度最大。火灾发生当年土壤CH4的吸收下降，土壤CO2和N2O的排放增加，随着植被的演替和土壤生态系统的逐步恢复，火灾发生区与未过火区之间的土壤性质及温室气体通量的差异逐渐变小。

林火干扰；兴安落叶松；CH4；CO2；N2O；土壤有机质；土壤全氮；土壤速效氮

引用格式：马秀枝， 范雪松， 舒常禄， 李长生. 不同时间序列林火干扰对兴安落叶松林区土壤性质及温室气体通量的影响［J］.生态环境学报， 2016， 25（6）: 939-946.

MA Xiuzhi， FAN Xuesong， SHU Changlu， LI Changsheng. Effects of Forest Fire Disturbance in Different Time Series on Soil Properties and Greenhouse Gas Flux in Larix gmelinii Forest of Cold-temperate Zone ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016，25（6）: 939-946.

随着全球经济不断增长，人类使用化石燃料以及土地利用方式发生了剧烈改变，大气中CO2、CH4、N2O浓度在1750—2011年间分别增加了40%、150% 和20%（IPCC，2013）。这些温室气体的浓度已经超过过去80万年的最高浓度，而且其浓度增加的平均速率在过去2万年也是未曾有过的（IPCC，2013）。

大兴安岭地区是我国面积最大的一个林区，森林覆盖率约为 62%，是林火发生最严重的地区之一，林火已经对该区生态系统结构和功能产生了重要影响（范雪松等，2014；任乐等，2014，2015）。作为全球碳储量的重要组成部分，大兴安岭地区蕴藏着大量固态碳，对气候变化十分敏感（李攀等，2012；孔健健等，2014）。目前大量林区被砍伐，树木不断被破坏，导致碳排放量增加，加上自然排放的CH4，大兴安岭地区可能是碳的排放源（Alongi et al.，2007；任乐等，2015）以及N2O的弱源或汇（马秀枝等，2012；任乐等，2015）。

土壤是维持整个森林生态系统运转的重要部分。土壤为植物生长提供大量必不可少的养分，如C、N、P、K等（刘祖祺，1994；闫平等，2006），对植物生长起着重要作用（罗菊春，2002；张敏等，2002a；张敏等，2002b；张敏等，2002c；张敏等，2003）。林火干扰对森林植被和土壤具有很重要的影响（Sawamoto et al.，2000；谷会岩等，2010）。火后4年和14年凋落物及土壤养分含量低于对照，随火烧年限的增加，凋落物分解加快，凋落物质量及土壤养分质量不断提高，在火后 40年恢复到未火烧水平，趋于稳定状态（杨新芳等，2016）。林火通过改变土壤的物理、化学性质以及土壤养分的组成和储存状态，从而影响土壤温室气体的通量（任乐等，2014）。林火发生时土壤温度升高，土壤微生物活性增强，从而促进有机物分解，土壤呼吸增加，土壤CO2排放量也增加（任乐等，2014；任乐等，2015）。土壤湿度决定了需氧和厌氧微生物在土壤中的位置、甲烷氧化菌的丰度及活性，从而影响土壤甲烷的释放。当土壤湿度达到一定程度时，林区土壤CH4气体排放通量较高；湿度较低时，则转为CH4的汇（Liikanen et al.，2006）。土壤湿度也是N2O排放通量的主要因素（Song et al.，2006），湿度较低时，有利于土壤中硝化细菌的反应（Yu et al.，2011）。

目前有关林火的研究大多关注林火发生后的短期效应，而对于林火的长期影响报道较少。在研究不同强度火烧对土壤性质的影响时，发现火后20年土壤理化性质仍与对照间存在显著差异（孔健健等，2014；谷会岩等，2010）。火烧发生不同时间后，随着土壤和植被的恢复，在多长时间尺度上这些差异将最终消失，目前还没有确切的研究结论。基于此，本实验在室内条件下，模拟室外环境，测定不同时间跨度林火发生后，土壤性质以及CO2、CH4、N2O通量特征的变化，以期为火后恢复及正确经营管理提供科学依据。

1　研究地概况与方法

1.1研究地概况

试验地位于内蒙古呼伦贝尔市额尔古纳市。额尔古纳市分布在大兴安岭林区西侧（50°01′～53°26′N，119°07′～121°49′E），总面积为 2.84×104km2。该地区属于大陆性寒温带气候，冬季寒冷漫长降水少，夏季较短气温适中，雨热同期，降水丰沛，年平均气温在-4.86 ℃，绝对最低气温达-44 ℃，年平均最高气温31.5 ℃，年平均降水为300～450 mm，降水主要集中在7、8月。代表乔木树种主要有兴安落叶松（Larix gmelinii），还包括白桦（Betula platyphylla Suk）、柴桦（Betula fruticosa）、樟子松（Pinus sylvestris var）等。灌木主要包括越橘（Semen Trigonellae）、杜鹃（Rhododendron simsii Planch）、刺玫（Rosa davurica）、杜香（Ledum palnstre）等。

大兴安岭地区土壤存在永冻层，土壤以棕色针叶土为主，永冻层是棕色针叶土壤形成的重要条件。地表有厚的枯枝落叶，厚度一般在5～6 cm，枯枝落叶层下层是腐殖质层，厚度在10 cm左右，再下层是黑土，土层很薄一般10 cm。该地区土壤普遍显酸性，pH值在4.5～6.5之间。

1.2样地设置

1980─2014年间额尔古纳市境内发生了多次火灾，本研究中所选取的火烧地点由额尔古纳市林业局和防火办根据历史资料提供。在大兴安岭额尔古纳地区选取苏沁、育良、莫尔道嘎、室韦4块样地，分别代表2014年、2006年、1995年、1986年的火烧迹地，在每块火烧样地的附近，选取植被、坡向、坡度、土壤性质与火烧样地尽量接近的未火烧样点作为其对照样地（见表1）。4个火烧样地在野外实验样地均按照树干的熏黑高度、火烧后树木存活情况、2014年7月份火烧后植被更新情况、土壤颜色等指标，选取重度火烧强度的样地（见表2），即本实验中4个样地代表4种火烧系列，4个对照，共计8个样方，每个样方大小为100 m×100 m。

表1　4个火烧试验样地信息Table 1　Information of sample points in four field burned sites and each control

1.3研究方法

依据额尔古纳市气象局提供的近 10年来当地气象数据以及0～20 cm土壤湿度数据，确定了室内培养土样的条件为18 ℃。于生长季7月份，在所选取的8个样地内按照S形分别进行0～20 cm土壤样品的采集，5次重复，每个重复大约取样300 g。回到室内过2 mm筛，装于保鲜袋中，于冰箱-4 ℃冷藏备用。依据铝盒法测定每份土样的湿度，取100 g土样（干土重）放在300 mL烧杯内，用蒸馏水调节土壤湿度至最大田间持水量的50%，置于18 ℃培养箱中培养，通过称重法定时补充水分，以维持恒定土壤湿度。预培养48 h后，将烧杯置于约2 L（底面半径为5 cm，高为25.5 cm）的密封玻璃瓶，玻璃瓶口上方设有三通阀可用于注射器抽气（见图1），按照0、5、10、15 min间隔混匀后抽取约10 mL气体，气体抽取完毕将烧杯重新放入培养箱中继续培养。抽取当天用Agilent 7890A气相色谱仪同时测定分析气体中CH4、N2O、CO2的浓度。5 d为1个培养周期，共培养3个周期。

表2　森林生态系统火烧等级划分（李攀等，2012）Table 2　Division of forest fire degree

图1　实验气体测定用培养瓶（约2 L，底面直径10 cm，高25.5 cm）Fig. 1　The glass bottle for gas sample with 10 cm base diameter and 25.5 cm high （2 L）

通量是指单位时间通过某单位面积界面输送的物质质量。箱体内所测样品的浓度（Cs）采用下式计算：

式中，C0为标气浓度；As为所测样品峰面积；A0为标气峰面积。

气体交换通量（F）计算公式：

式中，F为测定气体的交换通量（CO2通量计量单位为mg·m-2·h-1，CH4和N2O通量计量单位为μg·m-2·h-1），ρ为箱内气体密度（kg·m-3），Δm和Δc分别为一定时间间隔（Δt）内箱内气体质量和混合比浓度的变化，A、V、H分别为采样箱底面积（m2）、体积（m3）和气室高度（m），Δc/Δt为箱内气体浓度变化。F为负值时表示吸收，为正值时表示排放。具体计算气体通量时要对气压和温度进行校正。

1.4土壤性质测定

土壤化学性质测定：先将野外取得的土样在室内经过自然风干、过筛、研磨、再过筛等预处理，土壤pH的测定采用电位法，土壤全氮测定采用扩散皿法，土壤有效氮测定采用碱解扩散法，土壤有机质采用重铬酸钾滴定法，计算公式如下：

有机质=［（V0-V）×N×0.003×1.724×1.1］/ms×1000

式中，V0表示滴定空白液时所用去的硫酸亚铁溶液的体积，V表示滴定样品液时所用去的硫酸亚铁溶液的体积，N表示标准硫酸亚铁的物质的量浓度（mol·L-1），ms表示样品质量。上述土壤指标的测定均按照《土壤农化分析》和《中华人民共和国林业行业标准》中的规定测定方法和用量进行（鲍士旦，2000）。

1.5数据处理

经过预试验可知，依据瓶内抽取的气体计算的通量对取样时间符合线性回归，采用SAS 9.0软件分析各处理的差异显著性，Grey Modeling Software chs V6.0分析温室气体通量与土壤理化性质直接的相关性，采用Excel软件做图。

2　结果分析

2.1不同时间序列林火干扰对土壤化学性质的影响

图2为4个林火干扰序列下，土壤pH、有机质、全氮以及速效氮的变化情况。由图2可知，火烧后土壤pH较对照均有所提高，火烧发生0、8、19和28年后，土壤pH分别较对照提高了7.7%、2.0%、3.4%和4.0%。

火烧发生0、8、19和28年后土壤中全氮质量分数分别较对照下降了 53.2%、19.7%、21.7%和16.2%，其中火烧发生当年土壤全氮质量分数下降为2.4 g·kg-1，而同期对照样地中土壤全氮质量分数为5.2 g·kg-1，其余3个序列时间对照样地土壤全氮质量分数约为3.3 g·kg-1。

火烧后土壤有机质质量分数发生明显下降，火烧发生0、8、19和28年后分别较对照减少了63.8%、26.6%、35.3%和 11.3%，除灾后 28年样地与对照无明显差异，0、8、19年火灾发生迹地土壤有机质质量分数均显著低于其相应对照（P＜0.05）。

火烧发生当年和火烧8年后土壤有效氮平均质量分数与对照相比分别下降了28.1%和9.5%，火烧发生 19年后土壤速效氮平均质量分数较对照增加了16%，火烧发生28年后土壤速效氮质量分数与对照相比无差异。

2.2不同时间序列林火干扰下土壤CH4的吸收通量

由图 3可知，不同时间序列林火干扰下土壤CH4吸收通量均表现为吸收，不同时间序列下4个对照样地的土壤 CH4吸收通量无显著差异（P＞0.05）。火灾降低了森林土壤吸收CH4的能力，随火后演替时间的延长，火灾迹地与对照之间的差异逐渐缩小（y=0.43x-22.06、R2=0.97）。1986年火烧迹地及其对照土壤 CH4吸收通量最大，分别为21.3 μg·m-2·h-1和21.2 μg·m-2·h-1。火灾发生0、8、19、28年后，土壤CH4平均吸收通量分别较对照下降了51.0%、45.0%、7.1%和4.6%，其中0年和8年后火烧样地与其对照样地之间达显著性差异（P＜0.05），而19年和28年后火烧样地与对照样地之间差异不显著（P＞0.05），这说明在大兴安岭林区火灾发生后的10～20年间很可能是土壤CH4吸收能力恢复的关键时段。

图2　不同时间序列林火干扰下土壤化学性质的变化Fig. 2　Changes of soil chemical properties in different time serials after forest fire

图3　不同时间序列林火干扰下土壤CH4吸收通量Fig. 3　CH4absorbed flux in different time serials after forest fire disturbance

图4　不同时间序列林火干扰下土壤CO2排放通量Fig.4　CO2emission flux in different time serials after forest fire disturbance

2.3不同时间序列林火干扰下土壤CO2排放通量

图4为不同时间序列林火干扰下土壤CO2排放通量。1986年对照样地森林土壤CO2排放通量显著低于其他3个时期（P=0.0002），而1995、2006、2014年的对照样地之间土壤 CO2排放通量无显著差异（P＞0.05）。火烧对森林土壤 CO2排放通量影响结果不一。1986年和2006年火灾迹地与其对照之间土壤CO2排放通量差异不显著（P＞0.05），1995年火灾迹地土壤 CO2排放通量显著低于其对照样地，而2014年火灾迹地土壤CO2排放通量却显著高于其对照样地（P＜0.05），达到CO2排放通量的最大值（5.7×10-2mg·m-2·h-1）。火灾发生当年，火灾迹地土壤CO2排放通量较对照增加了64.5%。

2.4不同时间序列林火干扰下土壤N2O排放通量

不同时间序列林火干扰下土壤 N2O均表现为排放（图5）。2014年对照样地的N2O排放通量高于1986年和1995年对照样地，而与2006年对照样地无显著差异（P＞0.05）。1995年和2006年发生火灾样地与对照未火烧样地的土壤 N2O排放通量无显著差异（P＞0.05），2014年发生火灾样地土壤N2O排放通量显著高于对照土壤（P＜0.05），较对照相比增加了69.2%，土壤N2O平均排放量也达到最高，为139.3 μg·m-2·h-1。而1986年火烧样地土壤N2O排放通量显著低于对照（P＜0.05），较对照下降了37.9%。

图5　不同时间序列林火干扰下土壤N2O排放通量Fig. 5　N2O emission flux in different time serials after forest fire disturbance

表3　不同时间序列林火干扰后土壤温室气体通量与土壤化学性质的邓氏关联度分析Table 3　The correlation analysis of soil Greenhouse gas flux and soil chemical properties in different time serials after forest fire disturbance

2.5土壤温室气体通量与土壤化学性质的灰色关联度分析

本研究所采用的灰色关联度分析是将土壤温室气体 CH4、N2O、CO2和土壤有机质、速效氮、全氮视为一个整体，构成一个灰色系统。将土壤温室气体通量设为参考序列X0，记作：X0=｛X0（1）， X0（2），X0（3），…， X0（n）｝，土壤化学性质设定为比较序列X1～Xi，记作：Xi=｛Xi（1）， Xi（2）， …Xi（n）｝，（i=1， 2…， n）。

表3为不同时间序列林火干扰后土壤温室气体通量与土壤有机质、速效氮、全氮的邓氏相关度。从表中可以看出土壤CH4气体通量与速效氮、有机质、全氮的邓氏关联度分别为 0.68、0.78、0.61，其中，土壤CH4气体通量与有机质关联度最高，与速效氮和全氮关联度大致相同。土壤CO2气体通量与有机质关联度最高，达到0.86。土壤N2O气体通量与土壤全氮关联度为0.76，比速效氮和有机质关联度都要高，所以土壤N2O气体通量与全氮关联度最大。

通过对林火干扰后土壤各温室气体通量的相关关系分析表明，林火干扰后土壤温室气体通量之间达到极显著相关关系，其中土壤CH4、CO2、N2O排放通量两两之间均达到 0.58以上的极显著相关关系，尤其是土壤CH4和CO2通量之间达到0.86的极显著相关关系。

3　讨论

3.1林火对土壤性质的影响

林火干扰引起土壤温度升高，改变土壤物理和化学性质。火灾发生时地表温度超过200 ℃，温度过高影响土壤团聚结构的稳定性，从而影响有机质的稳定性。火烧破坏土壤结构，导致大量营养成分随雨水径流而流失，故土壤有机质含量下降；另外火烧使地表大量枯枝落叶减少，腐殖质层变薄，地表裸露在外，增加地表径流风险（Certini，2005）。土壤pH值影响土壤微生物活性，当酸碱度适宜时有利于微生物活动和有机物分解。火烧后大量枯落物被烧毁，有机物转化为无机物，在雨水的作用下渗透到土壤，这些无机物与土壤酸性物质发生化学反应，使土壤pH值升高。

就火烧对土壤全氮含量的影响，目前的研究结论不一致。有研究认为火烧提高了土壤全氮含量（赵彬等，2011），也有研究认为火烧降低了土壤全氮量（Bell et al.，1989），还有的研究认为火灾对土壤全氮含量无明显的影响（Moghaddas et al.，2007）。本研究选用的是重度火烧迹地，在火烧发生0、8、19、28年后，土壤全氮含量分别较相应对照降低了53.2%、19.7%、21.7%和16.2%。不同强度的森林火灾对全氮含量的影响可能不同，轻度火烧后，由于含有较高的氮素的灰分的残留，使得0～2 cm表层土壤全氮量比对照高出22%，而5～10 cm的土层中全氮含量则有所降低；中度火烧后土壤任何一个层次都表现出全氮含量显著降低（耿玉清等，2007）。

土壤有效氮是可以直接被植物根系吸收利用的氮，包括铵态氮、硝态氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白质氮。本试验中，火烧当年和火烧发生8年后土壤有效氮含量有一定增加，但火烧发生 19年后较对照增加了16%，火烧发生28年后土壤速效氮含量与对照相比无差异。土壤有效氮反应的是土壤近期可提供给植物吸收利用的氮素，受植物的生长状况、土壤环境等诸多因素的影响。

3.2林火干扰对土壤温室气体通量的影响

3.2.1林火干扰对土壤CH4通量的影响

土壤CH4的产生是甲烷菌在厌氧的条件下以有机质为基底，把有机质通过一系列化学作用转化成CH4（王跃思等，2003；冯虎元等，2004）的过程。林火干扰对土壤CH4通量的影响研究，目前结论不一。中国东北小兴安岭白桦沼泽在火灾发生当年，轻度火灾使得土壤 CH4排放量提高 169.5%，重度火灾CH4由排放转变为弱吸收汇（牟长城等，2011）。西班牙中部马德里地区的冬青栎林、比利牛斯橡树以及欧洲赤松林中，在火灾发生18个月后，受降雨和土壤湿度的影响，不同林分中 CH4通量的变化不一致（Inclan et al.，2012）。意大利中部灌木林中，计划火烧1年后，土壤温度、土壤铵态氮含量以及土壤水分含量在火烧迹地和对照样地之间有显著差异，但土壤CH4通量没有明显差异（Castaldi et al.，2005）。

本实验中林火干扰使土壤CH4吸收通量减小，尤其是火灾发生当年土壤CH4吸收通量较对照下降了51.0%。这可能是因为火烧后土壤湿度减小，在土壤湿度很小的情况下，有氧土层变厚，厌氧土层变薄，从而使土壤CH4吸收通量减少。这一结论与现有的研究基本一致。土壤水位下降，土壤CH4变为弱吸收，当水位低于一定的临近值时，森林土壤由源转为大气甲烷的汇（Jauhiainen et al.，2005）。在野外测得的土壤湿度数据表明， 2006年和2014年火灾迹地土壤湿度显著低于各自的对照土壤（P＜0.05），这与火烧发生当年和8年后土壤CH4吸收通量显著低于其对照的结论是一致的。随林火干扰后时间序列的延长，火烧迹地与其对照土壤的湿度差异逐渐降低，土壤CH4吸收通量随之升高。另外通过温室气体通量和土壤性质的灰色关联分析表明，CH4通量与土壤有机质含量关联度最大，而有机质在发生火灾后，尤其是火灾当年土壤有机质较对照降低了63.8%，土壤中甲烷氧化菌可能由于代谢底物的相对缺乏而呈现较低的数量或者活性。

3.2.2林火干扰对土壤CO2通量的影响

地-气 CO2通量的大小取决于很多因素。植物根系呼吸、土壤微生物代谢、土壤动物的呼吸以及地表枯枝落叶分解过程中都会释放CO2。土壤CO2气体通量与土壤中有机质含量、转化速率、微生物活性等有很大关系。影响土壤CO2排放通量的因子包括土壤温度和土壤湿度、土壤微生物的数量、活性以及植物根系。火烧对这些因子都有一定的影响。李志龙（2012）对大兴安岭冻土区的研究结果表明，2003年与2008年火干扰下土壤CO2排放通量分别较对照增加了36.7%和29.7%。同上述结论，本试验中火灾发生当年土壤CO2排放通量显著高于其对照样地。火烧后地表植被大部分死亡，火烧迹地所接收的太阳辐射增加，土壤温度升高；同时火烧加速生态系统养分的循环速率，增加了土壤养分，这些都可能是火灾发生当年土壤CO2通量增加的原因。

本试验中在土壤CO2通量与土壤有机质的灰色关联度最高达到0.86，进一步证明上述结论。同时，火烧迹地死亡根系的分解增加以及土壤微生物种群数量及活性的变化也可能是导致火后土壤CO2通量增加的原因。火烧迹地微生物数量也有明显的增加，其中土壤细菌、真菌、放线菌的数量分别平均增加了96.2，117.2，105.6万株·g-1（范雪松等，2014）。Anderson et al.（2004）研究发现，火烧90 d后，火烧迹地土壤微生物量碳比未火烧区域要高，而其他一些在热带草原和高草大草原的研究报道同样指出在火后土壤微生物量呈增长趋势（Gareia et al.，1994），这可能是由于林火干扰通过改变土壤的理化性质，间接改变了微生物的种类和数量，如火烧后土壤的 pH值增加使某些细菌种群数量增加（Fierer et al.，2006）。

3.2.3林火干扰对土壤N2O通量的影响

土壤N2O的生成是一个复杂的过程，包括土壤硝化和反硝化作用，当 O2充足时，土壤微生物的硝化作用就会产生 N2O，而当O2不足或厌氧条件时，土壤微生物则进行反硝化作用从而产生 N2O （Praton et al.，1996）。土壤中氮元素的总量影响着土壤N2O排放通量。一些研究认为，土壤中有效碳含量与反硝化作用有密切关系，但与土壤中总碳量无关（李世朋等，2003）。

目前就林火发生对土壤N2O通量的影响研究，结论不一。Kim et al.（2011）研究发现，森林火灾之后，土壤的NH4+-N浓度升高，NO3--N没有差异，土壤N2O排放降低，认为可能是森林大火产生的生物质炭促进了土壤中NH4+-N和NO3--N的固定，或是干扰了土壤硝化作用的进行，从而降低了N2O的排放。同样美国阿拉斯加北方森林在计划火烧发生1年后，土壤N2O通量与对照相比降低了50%（Kim et al.，2003）。火灾提高了土壤中的 NH4+-N 和NO3--N的浓度，降低了土壤N2O的释放（Mataix-Solera et al.，2004）。

本研究中2014年发生火灾样地土壤N2O排放通量较对照增加了69.2%，与李志龙（2012）的火烧迹地表现为N2O排放加强的结论类似。在土壤温度和湿度适宜的情况下，硝化和反硝化作用同时进行，这样会使土壤N2O排放显著。火烧后使大量的枯落物和地表植物转化为无机物，为土壤输入充足的氮元素，氮元素的输入使硝化作用和反硝化作用的底物增加，同时火烧使土壤温度升高，微生物活性增强，可能会促进土壤N2O的释放。

4　结论

（1）林火干扰后土壤pH值升高，火烧发生0、8、19和28年后，土壤pH分别较对照增加了7.7%、2.0%、3.4%和 4.0%。火烧对土壤有机质含量有一定的影响，火烧发生 0、8、19年后分别较对照减少了63.8%、26.6%、35.3%，但随着时间序列的增加，土壤有机质含量与其对照差异逐渐缩小。火烧对土壤全氮和土壤速效氮均有短期的影响，火烧发生0、8年后土壤全氮含量分别较对照减少53.2%、19.7%，速效氮含量分别减少28.1%和9.5%，随时间序列的延长，差异逐渐变小。

（2）火灾降低了森林土壤吸收CH4的能力，随火后演替时间的延长，火灾迹地与对照之间土壤吸收CH4的差异逐渐缩小，火灾在发生0、8、19、28年后，土壤 CH4平均吸收通量分别较对照下降了51.0%、45.0%、7.1%和4.6%，其中0年和8年后火烧样地与其对照样地之间达显著性差异。

（3）不同时间序列发生的火灾对土壤CO2排放通量的影响结果不一。火灾发生当年土壤CO2的排放显著增加，排放通量达到5.7 mg·m-2·h-1，较对照相比增加了64.5%。火灾发生8年和28年后，土壤CO2排放通量与对照无显著差异，火灾发生19年土壤CO2排放通量却显著低于对照。

（4）火灾发生当年土壤N2O的排放显著增加，达到最高，为 139.3 μg·m-2·h-1，较对照增加了69.2%。。火灾发生8年和19年后，土壤CO2排放通量与对照无显著差异，火灾发生28年土壤CO2排放通量较对照下降了37.9%。

（5）灰色关联分析得出，土壤N2O气体通量与土壤全氮关联度最高，为0.76。

ALONGI D M， TROTTL A， PFITZNER J. 2007. Deposition mineralization and storage of carbon and nitrogen in sediments of the far northern Great Barrier Reef shelf ［J］. Continental Shelf Research， 27（20）: 2595-2622.

ANDERSON M， MICHELSEN A， JENSEN M， et al. 2004. Tropical Savannah woodland: Effects of experimental fire on soil micro-organisms and soil emissions of carbon dioxide ［J］. Soil Biology and Biochemistry， 36（5）: 849-858.

BELL R L， BINKLEY D. 1989. Soil nitrogen mineralization and immobilization in response to periodic prescribed fire in a loblolly pine plantation ［J］. Canadian Journal of Forest Research， 19（6）: 816-820.

CASTALDI S， FIERRO A. 2005. Soil atmosphere methane exchange in undisturbed and burned Mediterranean shrub land of southern Italy ［J］. Ecosystems， 8（2）: 182-190.

CERTINI G. 2005. Effects of fire on properties of forest soils: A review ［J］. Oecologia， 143（1）: 1-10.

FIERER N， JACKSON B. 2006. The diversity and biogeography of soil bacterial communities ［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 103（3）: 626-631.

GAREIA F Q， RIEE C W. 1994. Microbial biomass dynamics in Tallgrass Prairie ［J］. Soil Science Society America Journal， 58（3）: 816-823.

INCLAN R， URIBE C， SANCHEZ L.， et al. 2012. N2O and CH4fluxes in undisturbed and burned Holm oak， Scots pine and Pyrenean oak forests in central Spain ［J］. Biogeochemistry， 107（1）: 19-41.

IPCC. Climate Change 2013: The physical science basis［M］. Cambrige: Camgridge press， 2013.

JAUHIAINEN J， TAKAHASHI H， HEIKKINEN JE， et al. 2005. Carbon fluxes from a tropical peat swamp forest floor ［J］. Global Change Biology， 11（10）: 1788-1797.

KIM Y S， MAKATO K， TAKAKAI F， et al. 2011. Greenhouse gas emissions after a prescribed fire in white birch dwarf bamboo stands in northern Japan， focusing on the role of charcoal ［J］. European Journal of Forest Research， 130（6）: 1031-1044.

KIM Y， TANAKA N. 2003. Effect of forest fire on the fluxes of CO2， CH4and N2O in boreal forest soils， interior Alaska ［J］. Journal of Geophysical Research， 108: 1-12.

LIIKANEN A， HUTTUNEN J T， KARJALAINEN S M， et al. 2006. Temporal and seasonal changes in greenhouse gas emissions from a constructed wetland purifying peat mining runoff waters ［J］. Ecological Engineering， 26（3）: 241-251.

MATAIX-SOLERA J， DOERR S H. 2004. Hydrophobicity and aggregate stability in calcareous topsoils from fire affected pine forests in southeastern Spain ［J］. Geoderma， 118（1-2）: 77-88.

MOGHADDAS E Y， STEPHENS S L. 2007. Thinning， burning， and thin-burn fuel treatment effects on soil properties in a Sierra Nevada mixed conifer forests ［J］. Forest Ecology and Management， 250（3）: 156-166.

PRATON W J， MOSIER A R， OJIMA D S， et al.1996. Generalized model for N2and N2O production from nitrification and denitrification ［J］. Global Biogeochemical Cycles， 10（3）: 401-412.

SAWAMOTO T， HATANO R， YAJIMA T， et al. 2000. Soil respiration in Siberian taiga ecosystems with different histories of forest fire ［J］. Soil Science and Plant Nutrition， 46（1）: 31-42.

SONG C C， ZHANG L H， WANG Y Y， et al. 2006. Annual dynamics of CO2， CH4， N2O emissions from freshwater marshes and affected by nitrogen fertilization ［J］. Chinese Journal of Environmental Science，27（12）: 2369-2375.

YU L L， MU C C， GU H， et al. 2011.Effects of fire disturbance on greenhouse gas emission from Larix gmelinii-Carex schmidtii forested wetlands in XiaoXing'an Mountains， Northeast China ［J］. Acta Ecologica Sinica， 31（18）: 5180-5191.

鲍士旦. 2000. 土壤农化分析（第三版）［M］. 北京: 中国农业出版社.

范雪松， 马秀枝， 任乐， 等. 2014. 林火干扰对寒温带兴安落叶松土壤微生物数量的影响［J］. 林业资源管理， 12（6）: 115-120.

冯虎元， 程国栋， 安黎哲. 2004. 微生物介导的土壤甲烷循环及全球变化研究［J］. 冰川冻土， 26（4）: 411-419.

耿玉清， 周荣伍， 李摇涛， 等. 2007. 北京西山地区林火对土壤性质的影响［J］. 中国水土保持科学， 5（5）: 66-70.

谷会岩， 金靖博， 陈祥伟， 等. 2010. 不同火烧强度林火对大兴安岭北坡兴安落叶松林土壤化学性质的长期影响［J］. 自然资源学报， 25（7）:1114-1121.

孔健健， 杨健. 2014. 林火对大兴安岭落叶松林土壤性质的短期与长期影响［J］. 生态学杂志， 33（6）: 1445-1450.

李攀， 周梅， 王忠林， 等. 2012. 寒温带兴安落叶松林火烧迹地地表CO2通量研究［J］. 生态环境学报， 21（12）: 1950-1954.

李世朋， 汪景宽. 2003. 温室气体排放与土壤理化性质的关系研究进展［J］. 沈阳农业大学学报， 34（2）: 155-159.

李志龙. 2012. 内蒙古大兴安岭冻土温室气体通量对林火干扰的响应研究［D］. 呼和浩特: 内蒙古农业大学: 15-35.

刘祖祺. 1994. 植物抗性生理学［M］. 北京: 中国农业出版社， 386: 139-167.

罗菊春. 2002. 大兴安岭森林火灾对森林生态系统的影响［J］. 北京林业大学学报， 24（5/6）: 101-107.

马秀枝， 张秋良， 李长生， 等. 2012. 寒温带兴安落叶松林土壤温室气体通量的时间变异［J］. 应用生态学报， 23（8）: 2149-2156.

牟长城， 张博文， 韩丽冬， 等. 2011. 火干扰对小兴安岭白桦沼泽温室气体排放的短期影响［J］. 应用生态学报， 22（4）: 857-865.

任乐， 马秀枝， 范雪松. 2015. 不同经营方式及生境对大兴安岭高纬度林区生长盛季森林土壤CO2、CH4、N2O通量的影响［J］. 生态环境学报， 24（3）: 378-386.

任乐， 马秀枝， 李长生. 2014. 林火干扰对土壤性质及温室气体通量的影响［J］. 生态学杂志， 33（2）: 502-509.

王跃思， 薛敏， 黄耀， 等. 2003. 内蒙古天然与放牧草原温室气体排放研究［J］. 应用生态学报， 14（3）: 372-376.

闫平， 王景升. 2006. 森林火灾对兴安落叶松林生态系统碳素分布及储量的影响［J］. 东北林业大学学报， 34（4）: 46-48.

杨新芳， 鲍雪莲， 胡国庆， 等. 2016. 大兴安岭不同火烧年限森林凋落物和土壤 C、N、P化学计量特征［J］. 应用生态学报， 27（5）: 1359-1367.

张敏， 胡海清， 马鸿伟. 2002c. 林火对土壤结构的影响［J］. 自然灾害学报， 11（2）: 138-143.

张敏， 胡海清. 2002a. 林火对土壤微生物的影响［J］. 东北林业大学学报，30（4）: 44-46.

张敏， 胡海清. 2002b. 林火对土壤氮含量的扰动作用［J］. 防护林科技，（4）: 1-5.

张敏， 马鸿伟， 王希才. 2003. 林火对土壤细根系生物量影响的研究［J］.林业科技， 28（2）: 30-33.

赵彬， 孙摇龙， 胡海清， 等. 2011. 兴安落叶松林火后对土壤养分和土壤微生物生物量的影响［J］. 自然资源学报， 26（3）: 450-459.

Effects of Forest Fire Disturbance in Different Time Series on Soil Properties and Greenhouse Gas Flux in Larix gmelinii Forest of Cold-temperate Zone

MA Xiuzhi1*， FAN Xuesong2， SHU Changlu1， LI Changsheng3
1. College of Ecology and Environmental Science， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot 010019， China；2. College of Forestry， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot 010019， China；3. Meteorological Administration of Tongliao city， Inner Mongolia 028000， China

Fire is one of the most important disturbance factors in forest ecosystem. Four different areas with different disturbances series in Larix gmelinii forest were selected to determine the effects of forest fire on soil properties and greenhouse gas flux. The results showed that: Soil pH had increased 7.7%， 2.0%， 3.4% and 4.0%， soil organic matter had decreased 63.8%， 26.6%， 35.3% and 11.3%， soil total nitrogen content had decreased 53.2%， 19.7%， 21.7% and 16.2% after 0， 8， 19 and 28 years respectively when compared with their corresponding control. Soil available nitrogen content had decreased 28.1% and 9.5% after 0 and 8 years respectively， but increased 16% after 19 years when compared with their corresponding control， and there was no significant difference among the burned area and control when forest fire occurred 28 years later. CH4absorbing flux had decreased significantly after fire， especially in the fire occurred year， this effect had disappeared 28 years later after fire occurred. CH4absorbing flux decreased 51.0%， 45.0%， 7.1% after 0， 8 and 19 years respectively. CO2flux had increased 64.5% after fire occurred when compared with the control， but no obvious uniformly results was found in other three different time series fire disturbance. Soil N2O emission flux had increased 64.5% after fire occurred year when compared with the control. Soil N2O emission had decreased 5.6%， 14.6% and 37.9% after fire occurred after 8， 19 and 28 years respectively. After analyzed grey correlation among soil properties and greenhouse gas flux， soil organic matter content had the highest correlation degree with CH4flux and CO2flux， N2O flux had the highest correlation degree soil total nitrogen. In conclusion， forest fire in Larix gmelinii areas decreased soil methane absorbing and increased soil CO2and N2O emission obviously in the very year fire occurred， but this effect had been decreased and even disappeared with the succession of vegetation and soil after fire.

fire disturbance； Larix gmelinii； CH4； CO2； N2O； soil organic matter； soil total N； soil available N

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.06.005

Q948； X171.1

A

1674-5906（2016）06-0939-08

由国家自然科学基金项目（31160117；31260119）；内蒙古自然科学基金项目（2014MS0319）

马秀枝（1974年生），女，教授，主要从事全球变化生态学。Email: luckmxy@imau.edu.cn

2016-03-30