森林火烧黑炭对闽楠幼苗生长及林地土壤养分的影响

张秋霞，吴晓生，严 强，林勇辉，刘 先，王玉哲

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2.福建农林大学西芹教学林场，福建 南平 353001)

炼山是热带和亚热带地区一种清理采伐剩余物的传统森林管理措施[1]。炼山具有两面性，其一，炼山会带来水土流失，地力衰退等一系列生态环境问题。其二，炼山虽然破坏了土壤结构，降低了生物多样性，但炼山减少了病虫害，扫除了非目标杂草，减少了与林木的养分竞争，并能促进土壤腐殖质的形成，有利于养分的快速归还，对林木早期生长具有一定的短期效应[2]。目前，炼山仍然是我国南方马尾松林松材线虫病防治的重要措施，通过对马尾松枝条进行火烧处理能有效防治松材线虫病的扩散。火烧将植物体内有机质转化为无机态，可提高土壤速效养分含量，但炼山又使养分挥发和向灰分传递，降低了全效养分含量[3]。炼山短时间内可提高土壤速效养分，但从长远来看，炼山常常会使林地养分亏损[4]。炼山对土壤理化性质的影响是复杂的，炼山的强度、频率以及炼山时间都会影响土壤理化性质[3,5-6]。

黑炭是炼山过程中采伐剩余物不完全燃烧的产物，具有化学结构稳定、孔隙度和比表面积大等特点[7]。有研究表明，黑炭能增加土壤有机碳含量，改善土壤持水性，提高酸性土壤pH值，为土壤微生物提供适宜栖息环境，并可通过吸附作用减少土壤可溶性养分的流失进而提升土壤肥力[8-10]。HERATHetal[8]将玉米秸秆生物炭加入土壤中，295 d后取样发现生物炭改善了土壤持水性和稳定性。OLESZCZUKetal[11]向土壤施用生物炭以后发现，土壤中脱氢酶、脲酶、蛋白酶、碱性磷酸酶和酸性磷酸酶活性增强。张宏等[12]研究表明，施用生物炭提升了土壤肥力，提高了小麦产量。与农业系统相比，受可操作性等现实条件的限制，生物质炭添加在林业中的应用和研究相对较少。森林土壤中的黑炭主要来自野外原位火烧(野火或人为控制火烧如炼山)过程，然而，火烧黑炭对林木生长的影响还需进一步研究。

闽楠[Phoebebournei(Hemsl.)Yang]，又称楠木，樟科(Lauraceae)楠木属，亚热带常绿阔叶树种，是中国特有的名贵建筑用材和观赏树种，属国家二级保护植物[13-14]。作为我国特有的名贵木材，闽楠在我国有着悠久的培育历史，但其对立地质量要求较高，耐阴不喜强光，生长较为缓慢，加之人类对闽楠资源的不合理利用与开发，使其渐为濒危物种[15]。本研究以中亚热带炼山整地造林的3年生闽楠人工林为研究对象，通过测定树高、地径和冠幅等生长特性指标，并结合土壤氮有效性、有效态常量和微量养分元素含量特征，探究炼山及其产物黑炭管理方式对亚热带人工林林木生长和土壤肥力的影响，以期为完善亚热带人工林采伐剩余物管理措施和闽楠人工林可持续经营提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究地位于福建北部南平市福建农林大学西芹教学林场，地理坐标为北纬26°33′，东经118°06′ ，是武夷山脉东伸支脉的中低山山地，海拔200～500 m，属亚热带季风性湿润气候，全年气候温和，年均气温19.4 ℃，雨量充沛，年均降水量1 817 mm，年均日照时间1 807.8 h，无霜期302 d。土壤类型为花岗片麻岩上发育而成的黄红壤。林场主要造林树种为马尾松(PinusmassonianaLamb.)、杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.]和闽楠等。

1.2 试验设计

采用炼山整地造林方式营造闽楠幼林。2015年底，对一片感染松材线虫病的马尾松人工林(2.8 hm2，坡度25°)进行皆伐，为防止病虫害扩散， 2016年3月21日，在该林地对采伐剩余物火烧处理。林地内采伐剩余物不完全燃烧生成黑炭，且黑炭在林地表面的分布具有很高的异质性。为探究黑炭对土壤养分有效性和新造林木生长的影响，炼山1周后，对林地内火烧产生的黑炭进行人为移除和添加处理，从而实现不同黑炭输入量的实验处理[16]。本研究中黑炭指的是采伐剩余物不完全燃烧生成的块状黑炭，不包括完全燃烧产生的灰分和烟灰等已经混入土壤中的粉状黑碳。具体做法是在火烧林地内随机选取4个区域，每个区域设置3个10 m×10 m样方，3个不同黑炭输入量处理：保留样方内火烧黑炭(B1)、移除火烧黑炭(B0)、将B0处理移出的黑炭均匀铺洒至该样方林地表面，相当于双倍黑炭(B2)输入处理。选取附近未炼山(UB)区域作为对照。详细试验处理信息见参考文献[17]。2016年4月中旬，选择1年生闽楠幼苗(购自南平市森科种苗有限公司)，同批苗树高、地径和冠幅无显著差异(平均苗高40 cm，地径0.3 cm，冠幅20 cm)，按2 505株 · hm-2的密度在林地内挖穴造林。火烧和未火烧区域采取同样的锄草等抚育措施，试验期间未对苗木进行施肥。

1.3 样品采集与分析

2018年4月初，在每个处理小区进行每木检尺，测量闽楠树高、地径、南北冠幅和东西冠幅。采用皮尺测量树高和冠幅，采用游标卡尺测量地径。同时在每个样方内随机选择8点，首先移除林地表面的腐殖质层和黑炭，然后采集0～10 cm和10～20 cm的矿质土壤样品，每个样方各土层样品为8个点的土壤混合组成，将土样装入塑料密封袋后冷藏运回实验室。在实验室挑出石子、根系等后过2 mm筛。过筛土分成两份，一份自然风干，用于土壤pH值和养分元素含量测定；另一份于4 ℃冰箱冷藏保存，用于测定土壤含水率、可溶性总氮(total dissolved nitrogen, TDN)、铵态氮和硝态氮含量。

土壤含水率采用烘干法，在105 ℃温度下烘干至恒重；土壤pH值按水土比2.5∶1(25 mL去离子水加入10 g 风干土)用去离子水浸提后再用pH计测定；土壤用2 mol· L-1KCl溶液(水土比5∶1， 50 mL溶液加入10 g鲜土)浸提1 h，滤液中的硝态氮和铵态氮含量用Smart Chem 200全自动间断化学分析仪(AMS，意大利)测定，滤液中的可溶性总氮含量用TOC-LCPH总有机碳分析仪(岛津，日本)测定。可溶性总氮与无机氮(铵态氮+硝态氮)含量的差值为土壤可溶性有机氮(dissolved organic nitrogen,DON)含量。二乙烯三胺五乙酸(DTPA)浸提土壤有效态元素后[18]，用Optima 8000电感耦合等离子体发射光谱仪ICP-OES(珀金埃尔默，美国)测定土壤浸提液中可提取态P、K、Ca、Na、Mg、Fe、Al、Mn、Cu、Zn元素含量。

1.4 数据分析

用SPSS 25.0进行统计分析，用单因素方差分析炼山黑炭对闽楠生长特性指标、土壤含水率和pH值、土壤氮含量及土壤营养元素含量的影响，并采用最小显著差异法(LSD)进行不同处理间差异显著性检验分析(P<0.05)。将闽楠生长指标(树高、地径、南北和东西冠幅)与0～20 cm土壤养分含量(0～10 cm和10～20 cm土壤养分含量数据取其平均值)进行Pearson相关分析。

2 结果与分析

2.1 闽楠幼苗生长指标

炼山2 a后，闽楠幼苗生长指标如图1所示。对比UB和B1处理发现，炼山对闽楠幼苗树高、地径和冠幅没有显著影响(P>0.05)。对于不同黑炭输入量处理，B2处理闽楠幼苗地径显著低于B0处理(P<0.05)，而树高和冠幅无显著性差异(P>0.05)。由此可见，炼山对闽楠幼苗生长没有显著影响，而黑炭则会抑制闽楠幼苗地径生长。

注：不同字母表示处理之间存在显著性差异(P<0.05)。Note: different letters indicate significant differences among the treatments at P<0.05.

2.2 土壤含水率和pH值

由图2可以看出，不同处理之间土壤含水率没有显著差异(P>0.05)。不同黑炭处理土壤pH值存在显著差异(P<0.05)，在0～10 cm和10～20 cm土层，B2处理火烧土壤pH值均显著高于UB和B0处理(P<0.05)，说明炼山和黑炭输入对土壤含水率没有影响，但黑炭能提高土壤pH值。

注：不同字母表示处理之间存在显著性差异(P<0.05)。Note: different letters indicate significant differences among the treatments at P<0.05.

2.3 土壤氮含量特征

由图3可知，炼山和炼山产生的黑炭对土壤可溶性总氮和可溶性有机氮含量均没有显著影响(P>0.05)。炼山对土壤矿质氮的影响因土层而异，在0～10 cm土层，炼山对土壤矿质氮含量没有显著影响(P>0.05)；在10～20 cm土层，B1处理土壤铵态氮含量显著低于UB处理，而硝态氮含量显著高于UB处理(P<0.05)。火后黑炭输入量对土壤矿质氮含量的影响同样因土层而异，在0～10 cm土层，B2处理土壤铵态氮含量显著低于B0和B1处理(P<0.05)，土壤硝态氮含量从高到低依次为B2>B0>B1，3个处理之间均存在显著差异(P<0.05)；在10～20 cm土层，B1和B2处理土壤铵态氮含量均显著低于B0处理，并且B1和B2处理有显著差异，而B1和B2处理土壤硝态氮含量没有显著差异，但均显著高于B0处理(P<0.05)。综上所述，炼山和炼山产生的黑炭均会影响土壤矿质氮含量，但对可溶性有机氮含量没有影响。

注：不同字母表示处理之间存在显著性差异(P<0.05)。Note: different letters indicate significant differences among the treatments at P<0.05.

2.4 土壤营养元素含量特征

从表1可以看出，炼山对土壤营养元素含量的影响因土层而异，在0～10 cm和10～20 cm土层，B1处理土壤Cu含量显著低于UB处理(P<0.05)；在10～20 cm土层，B1处理土壤Na、Al和Zn含量显著低于UB处理(P<0.05)，说明炼山抑制了土壤中Na、Al和Zn含量。炼山产生的黑炭对土壤营养元素的影响也因土层而异，在0～10 cm土层，B2处理土壤Ca含量显著高于B0、B1处理(P<0.05)，Mg和Mn含量显著高于B0处理(P<0.05)，土壤Ca/Al显著高于B0处理(P<0.05)；在10～20 cm土层，B2处理土壤P含量显著高于UB和B1处理(P<0.05)，Na含量显著高于B1处理(P<0.05)，说明黑炭能提高土壤P和Na含量。在0～10 cm和10～20 cm土层，各黑炭输入量处理的土壤Cu含量均无显著差异(P>0.05)，说明黑炭输入量对土壤Cu含量没有显著影响。

表1 土壤营养元素含量Table 1 Soil nutrient element content at depths of 0-10 and 10-20 cm

2.5 闽楠幼苗生长特性指标与土壤养分相关性分析

如表2所示，闽楠幼苗树高与0～20 cm土壤可溶性总氮和可溶性有机氮含量呈显著负相关；地径与土壤可溶性总氮、可溶性有机氮和Zn含量呈显著负相关，与K含量呈极显著负相关，说明地径受土壤K含量影响最大；南北冠幅与土壤可溶性总氮、可溶性有机氮和Mn含量呈显著负相关，与其他土壤养分含量没有表现出相关性；东西冠幅与土壤Mg含量呈显著正相关，而与Mn含量呈显著负相关。

表2 闽楠幼苗生长指标与0～20 cm土壤养分含量的相关性Table 2 Correlation between growth indexes of P. bournei seedling and soil nutrients at the depth of 0-20 cm

3 讨论与结论

3.1 炼山对闽楠幼苗生长的影响

本研究中，炼山处理闽楠幼苗树高、地径、冠幅等生长特性指标皆优于未炼山处理，但差异未达到显著水平。已有研究表明[1,19-21]，炼山能够提高土壤速效养分含量，减少林下植被种类和数量，从而减小林下植被对土壤养分的竞争，同时炼山改良了林地卫生条件，有效控制林地病虫害。以此来看，炼山对苗木生长是有益的。然而，本研究中炼山与未炼山处理闽楠幼苗树高、地径、冠幅之间的差异未达到统计分析上的显著水平，说明炼山对闽楠幼苗生长没有明显促进作用，可能是由于本试验地土壤肥沃，即使未炼山，土壤养分也能满足闽楠幼苗生长所需[22]。此外，炼山对土壤速效养分的提升是短期的，本研究是在炼山2 a后。从长期来看，炼山后林地土壤和灰分中的速效养分可能通过地表径流或淋溶损失，从而加剧林地养分的流失[23]，而本研究是在雨量充沛，并常伴有暴雨的亚热带地区，以未郁闭的闽楠幼苗为研究对象，养分流失更为严重。因此，炼山为闽楠幼苗生长带来了一定程度上的弊端，抵消了对闽楠带来的部分益处，未来应在此类火烧样地布置适宜的水土保持措施来减少土壤养分的流失。本研究发现，炼山土壤含水率低于未炼山，这与马祥庆等[24]研究结果相似，炼山导致土壤表层失去植被覆盖，裸露的地表受到太阳直射后，土壤水分蒸发量增加，林地孔隙状况日益恶化，地表逐渐板结，雨水难以渗透，降水大部分转为地表径流，并带走大量养分。炼山导致0～10 cm土壤矿质氮含量变化，但与未炼山相比没达到显著水平。林思祖等[25]研究发现，炼山后土壤矿质氮因地表径流的流失量大于未炼山，流失量随着土层增加而减少。但WANetal[26]分析发现，炼山后短期内土壤矿质氮含量会快速提高，因为火烧可以使有机氮转化为无机氮，而无机氮是植物主要可利用的氮形态，但之后由于植物的吸收利用和微生物的活动，矿质氮会逐渐恢复到火烧前水平。铵态氮是闽楠吸收土壤矿质氮的主要形态[27]，本研究炼山显著降低了10～20 cm土层铵态氮的含量。炼山后0～10 cm土壤大部分元素的含量与未炼山土壤没有显著差异。虽然可溶性总氮、可溶性有机氮与闽楠树高、地径和南北冠幅呈显著负相关，但炼山对土壤可溶性总氮和可溶性有机氮含量无显著影响。

3.2 黑炭对闽楠幼苗生长的影响

黑炭是炼山过程中不完全燃烧的产物，不仅能改变土壤理化性质，还能影响土壤养分循环过程[28-29]，进而影响植物生长。在已有的研究中发现，生物质炭(包括生物炭和黑炭)对植物生长的影响结果不一致。本研究中，与去除黑炭相比，闽楠树高、冠幅在双倍黑炭处理下，长势较差，这与张晗芝等[30]、孟颖等[31]的研究结论相似，可能因为黑炭高的碳氮比和部分黑炭分解导致氮固定，抑制了植物对氮的吸收。张晗芝等[30]研究发现添加由小麦秸秆转化的生物炭抑制了玉米幼苗的生长，且对苗高的抑制作用随着生物炭量的增加而增强；同样，孟颖等[31]发现玉米黑炭和水稻黑炭的加入抑制了玉米苗的生长。黑炭的输入提高了土壤pH值，因为黑炭pH值较高，一般为碱性，表面携带的负电荷可交换酸性土壤中的H+和Al3+，降低它们在土壤中的浓度，所以土壤pH值随着黑炭量增加而升高。闽楠在pH值为4～6时，株高随着pH值升高而降低[32]。黑炭对土壤可溶性总氮和可溶性有机氮含量没有显著影响，但对矿质氮有显著影响。此外，黑炭对闽楠幼苗的抑制作用可能与土壤铵态氮含量有关，有研究发现相较于硝态氮，闽楠更偏好吸收铵态氮[27]。本研究中黑炭输入量的增加显著降低了土壤铵态氮的含量，减少了闽楠可吸收利用的铵态氮，从而抑制了地径的生长。本研究发现土壤铵态氮含量与火后黑炭输入量有关。黑炭输入量的增加显著降低了土壤铵态氮含量，可能是由于黑炭输入促进了土壤硝化作用[28]，此机理也从土壤硝态氮含量特征得到验证，双倍黑炭输入处理土壤硝态氮含量显著高于移除黑炭处理。虽然本试验没有研究炼山黑炭对土壤微生物的影响，但黑炭的孔隙结构可有效改变土壤理化性质，必然会影响土壤微生物。以往有研究[33]发现黑炭的多孔性可以为影响土壤硝化作用的细菌提供了很好的栖息环境，有利于增强土壤的硝化作用，促进土壤铵态氮转化为硝态氮，提高硝态氮含量，因此不利于闽楠生长。黑炭灰分有大量元素，添加黑炭能提高土壤元素含量，但多数元素提高不显著，所以增加黑炭量并不能显著促进闽楠幼苗生长。