兴安落叶松林火烧迹地土壤微生物量碳氮特征1)

石炳东 韩懂懂 李兆国 全先奎 于宏洲 邸雪颖 杨光

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

土壤微生物是土壤中最活跃的组分之一[1]。它们在土壤中度过它们全部或部分的生命历程，大多数的微生物过程取决于微生物的生物量和活性[2]。土壤微生物在森林生态系统中起着至关重要的作用[3]，它通过维持土壤肥力[4]、减轻土壤污染、调节土壤有机质分解和养分循环[5]及其土壤结构的形成等方式，控制着许多对生态系统功能至关重要的生态过程。土壤微生物的生物质量称为微生物生物量[6]，土壤微生物生物量包括微生物生物量碳(MBC，简称微生物量碳)、微生物生物量氮(MBN，简称微生物量氮)等。土壤微生物量碳氮是土壤养分元素中的活性养分库，可以直接参与土壤碳氮等元素的形态转化[7]与生物地球化学循环过程，是监测土壤质量变化的重要指标[4，8-11]，也是联系不同圈层物质与能量交换的重要纽带[12]。

林火是森林生态系统中的重要干扰因子，林火干扰会改变土壤微生物的结构和功能[6]，它影响着土壤微生物对土壤养分的固定[13]，同时影响着森林生态系统的稳定[14]。林火在燃烧过程中释放的热量，会升高土壤温度，导致微生物细胞的溶解和死亡[15]；同时，土壤微生物量碳和微生物量氮在火烧迹地中也会发生改变；根据时间的推移，林火对土壤微生物的影响，也可以按短、中、长期划分[6]。地形因子，会通过对火烧迹地水热条件的改变，影响土壤系统的恢复力[16]。林火和地形因子对土壤微生物量碳氮的影响是相互关联的，土壤微生物对火的中长期反应会因为地形因子的影响而发生间接变化[17]。

关于火烧迹地土壤微生物量碳氮的研究，较多集中于短期效应[18-23]，对中长期影响的研究较少[24]。为此，本研究在大兴安岭塔河县1990年到2018年的兴安落叶松(Larixgmelinii)林火烧迹地区域，设置试验样地，将样地火烧后(过火)恢复时期分为恢复初期、恢复中期、恢复后期，将样地坡度分为平坡、缓坡、斜坡，将样地坡向分为阴坡、半阴坡、半阳坡、阳坡；以随机采样法采集表层(0～10 cm)土壤样品，测定土壤微生物量碳氮，分析林火、坡度、坡向对土壤微生物量碳氮的影响。旨在为深入研究长时间尺度下兴安落叶松林火烧迹地土壤微生物量碳氮特征，探索火烧迹地土壤微生物恢复机制、生态恢复机制提供参考。

1 研究区域概况

大兴安岭地处寒温带的大陆性季风气候区，北起黑龙江畔，南至西拉木伦河上游谷地；土层极薄，气候干旱，生长季短，属于东西伯利亚南部落叶针叶林沿山地向南的延续部分；是我国唯一的寒温带针叶林区，也是我国最大的林区[25]。试验样地位于大兴安岭塔河县，气候属寒温带大陆性气候，低温时间漫长寒冷、高温时间短暂湿热；年平均气温-2.4 ℃,年均风速2.9 m/s，年平均降水量463.2 mm，平均无霜期98 d，年日照时间2 015～2 865 h，≥10 ℃有效积温1 100～2 000 ℃。兴安落叶松是大兴安岭地区荒山造林和林地更新的主要树种，属于耐火树种，可以在一定程度上减弱林火对森林生态系统的干扰，是东北的珍贵树种。其中，该地区的优势灌木主要有兴安杜鹃(Rhododendrondauricum)、杜香(Ledumpalustre)、越橘(Vacciniumvitis-idaeaL.)、绣线菊(SpiraeasalicifoliaL.)，优势草本主要有苔草(Carexappendiculata)、铃兰(ConvallariamajalisLinn.)等。

2 研究方法

2.1 样地设置

本研究于2018年8月中上旬，在大兴安岭塔河县林业局作业区和漠河市林业局作业区(东经123°3′～124°56′、北纬52°19′～52°42′)，选取时间序列为1990、1994、1996、2000、2003、2006、2008、2010、2012、2015、2018年林分信息相似的重度火烧样地，同时记录样地的海拔、坡度、坡向，并使用控制变量法设立附近未过火样地作为对照样地(见表1)。

本研究设置未过火样地为对照组；恢复时期设置为恢复时长t≤6 a为恢复初期、6 a

2.2 土壤样品取样和测定

土壤样品于2018年获取，以随机采样法采集土壤；在每块样地内随机设置至少30个采样点，用土钻采集表层0～10 cm的土壤样品，采样点间最小间距为2 m；将每个样地采集到的土壤样品随机均匀分成3组，每组混合成1个混合样品，共240份土壤样品。

将样品放置在冷冻冰柜(-40 ℃)内运回实验室后，经过冷冻干燥、过筛，采用液氯熏蒸浸提法[26]测定土壤微生物量碳氮。取20 g样品，其中10 g土样置于50 mL离心管中，并按60 μL/g的干土比例加入氯仿，拧紧盖子；黑暗处理24 h，加入浸提液K2SO4(按m(土)∶V(水)=1 g∶2 mL)，经过振荡混匀30 min，低速离心后，过滤至50 mL的离心管；水浴加热60 min后，将待测液倒入10 mL的离心管中，准备上机。其中另外10 g土样不加入氯仿，其他操作相同。土壤微生物量碳氮，采用德国耶拿Multi N/C 2100 S分析仪测定；土壤的含水率，采用烘干法测定。

2.3 数据处理

使用SPSS 26.0和Origin Pro 2019B软件分析处理文中数据。林火、坡度、坡向对土壤微生物量碳氮的影响，采用单因素方差分析法、多因素方差分析法、最小显著性差异法(显著性水平α为0.05)，并用斯皮尔曼(spearman)相关系数检验法进行分析；海拔的影响采用独立样本T检验。

3 结果与分析

3.1 火干扰对土壤微生物量碳氮质量分数的影响

由表2可见：火后恢复时长对土壤微生物量碳、微生物量氮质量分数，产生一定影响。在各恢复时期内，土壤微生物量碳、微生物量氮变化规律相似。火烧迹地恢复过程中，土壤微生物量碳氮的质量分数变化趋势，均为初中期降低，后期恢复。土壤微生物量碳质量分数，在恢复初期和后期，显著高于恢复中期(P<0.05)，但均低于未过火的对照组；土壤微生物量氮质量分数，恢复中期显著低于其他恢复期(P<0.05)，其他时间段微生物量氮质量分数随恢复时长无明显变化。土壤微生物量碳氮比[微生物量碳质量分数(w(C))与微生物量氮质量分数(w(N))比(w(C)∶w(N))]，随恢复时长的延长呈逐渐上升的趋势，恢复中期和恢复后期较恢复初期有显著提升(P<0.05)，而恢复初期与对照组相比无明显差异。

表2 火烧迹地不同恢复期土壤微生物量碳氮质量分数

任何生态过程的讨论都离不开对时间尺度的考量，在火烧迹地内生物和环境因素会随着时间的推移而变化，并最终在多年后达到稳定状态[27]。姜睿[6]对大兴安岭火烧迹地土壤微生物量碳氮的研究表明，在不同的火后恢复年限中土壤微生物量碳氮存在显著差异。本研究表明，火烧迹地火后恢复中期微生物量碳氮与火后恢复初期、后期、对照组差异显著。在火烧迹地恢复过程中土壤微生物量碳氮质量分数的变化趋势，均为恢复初期、恢复中期降低，恢复后期接近未过火水平。原因是火烧迹地内燃烧程度不同[28]；同时林火也增大了地表径流率，降低了土壤的含水量，并消耗了大量的森林有机质[29]，从而对土壤微生物量在火后恢复和繁殖的过程中产生了影响；这说明林火对土壤微生物的影响是长期且持续的，具有不可预见性[30]。因此，今后试验研究还可加长时间跨度，进一步确定火后土壤微生物量碳氮完全恢复所需的时间。

3.2 火烧迹地地形因子对土壤微生物量碳氮质量分数的影响

由表3可见：土壤微生物量碳质量分数，在平坡时，恢复初期和恢复中期，与恢复后期差异显著(P<0.05)；在缓坡时，恢复中期与恢复后期差异显著(P<0.05)；在斜坡时，无明显变化规律。土壤微生物量氮质量分数，在平坡时，对照组，显著高于恢复初期、恢复中期、恢复后期(P<0.05)；在缓坡时，恢复中期，显著低于恢复后期、对照组，在斜坡时，无明显变化。微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))，在平坡时，恢复后期，与恢复初期、恢复中期差异显著(P<0.05)；在其他坡度没有明显变化。

表3 火烧迹地各坡度不同恢复期的土壤微生物量碳氮质量分数

选取阴坡、阳坡、半阴坡、半阳坡4个坡向，分析坡向对土壤微生物量碳氮的影响(见表4。由表4可见：土壤微生物量碳质量分数，在阴坡和半阴坡时，恢复初期均显著高于恢复中期、恢复后期(P<0.05)；在半阳坡时，恢复后期，与恢复中期、对照组差异显著(P<0.05)；在阳坡时，恢复初期和恢复中期之间无显著差异，但在恢复后期土壤微生物量碳质量分数与恢复初期和恢复中期均差异显著(P<0.05)。恢复初期，微生物量碳质量分数，阴坡和半阴坡之间差异不显著，而半阳坡和阳坡显著低于阴坡和半阴坡(P<0.05)；恢复中期，4个坡向不存在显著差异；恢复后期，阳坡的土壤微生物量碳质量分数，显著高于阴坡、半阴坡、半阳坡的土壤微生物量碳质量分数(P<0.05)。土壤微生物量氮质量分数，在阳坡的恢复初期、恢复中期、恢复后期变化显著；阴坡、半阴坡，均为初期升高、后期降低、再恢复的趋势。土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))，在半阳坡无明显变化；在阳坡时，火后恢复初期、中期、后期差异显著(P<0.05)。

恢复时长土壤微生物量氮质量分数(w(N))/mg·kg-1阴坡半阴坡半阳坡阳坡恢复初期(28.4±1.6)aA(30.2±6.1)aA(19.9±4.1)abB(17.7±2.8)cB恢复中期(20.2±5.3)bA(17.8±4.8)bA(17.8±5.2)bA(10.6±0.2)dB恢复后期(20.6±7.3)bA(20.2±1.5)bA(21.9±7.6)aA(28.8±1.1)aA对照组(25.2±3.1)aA(26.5±1.6)abA(16.3±0.5)bB(23.6±1.4)bA

恢复时长w(C)∶w(N)阴坡半阴坡半阳坡阳坡恢复初期(10.7±0.9)bAB(11.2±1.1)aA(11.0±1.8)aA(9.3±1.4)cB恢复中期(11.1±2.5)bB(11.9±1.7)aB(11.8±2.3)aB(15.6±0.4)aA恢复后期(12.9±4.0)aA(10.4±1.1)abA(11.7±2.1)aA(11.5±0.6)bA对照组(10.6±1.2)bB(9.2±0.8)bC(11.7±0.9)aAB(12.9±0.1)bA

孔健健等[24]研究认为，在火烧迹地恢复6 a后，土壤微生物量碳显著高于对照样地。本研究结果表明，在火烧迹地恢复初期，土壤微生物量碳与对照样地差异不显著；这是因为孔健健等[24]研究的试验地为平地，而本文研究的试验地为坡地有关；相关分析[31]表明，随着时间的推移，火的影响逐渐减弱，地形因子的影响逐渐加强[32]。坡度会通过水热条件[31，33-34]影响土壤微生物的活动，较高坡度的土壤湿度高于较低坡度[35]，坡地的养分和水分更容易流失，也更容易受到土壤侵蚀[31，36]的作用；而火烧迹地的燃烧剩余物[37]和释放的黏土矿物，也会堵塞土壤孔隙[16，38]，使坡地土壤结构变得紧凑，从而减少土壤的水分。微生物会在火烧迹地的恢复中期受到更多来自坡地的影响。平坡的火烧迹地土壤微生物量碳随着恢复时长的改变呈逐渐上升的趋势，而缓坡和斜坡的火烧迹地在恢复中期的微生物量碳显著降低；这也说明，坡度是影响该区域微生物量碳的重要地形因子。

不同的坡向会通过影响环境从而影响土壤微生物。白爱芹等[31]研究认为，在重度火烧迹地中，西坡土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))高于南坡，但差异不显著。本研究表明，火烧迹地土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))，在恢复初期、中期、后期中，除阳坡外，半阴坡、半阳坡、阴坡3个坡向无显著差异。这说明本研究的火烧迹地内，半阴坡、半阳坡、阴坡3个坡向的土壤质量水平相似。吴然等[39]研究认为，在灌木林和华北落叶松人工林下，土壤微生物量碳氮在阳坡显著高于阴坡。Kong et al.[40]研究表明，受地形因子的影响，未燃烧场地和火后11 a的场地土壤特性差异很大，在火后11 a的场地中，靠北的斜坡比靠南的斜坡具有更多的土壤微生物量碳和生物量氮。本研究表明，在火烧迹地恢复中期与对照组相比，除半阳坡外，其他坡向恢复中期的微生物量碳氮质量分数与对照组的微生物量碳氮质量分数差异显著，并且在火后恢复中期，阴坡的土壤微生物量碳氮质量分数，比阳坡的土壤微生物量碳氮质量分数高，这与Kong et al.[40]研究结果不同。这一结果表明，在火烧迹地中，不同坡向对恢复期间的土壤特性产生了不同的影响；阳坡光照条件充足，而阴坡光照水平低于阳坡，土壤水分蒸发量小，含水量相对较高。水分是原生质的主要组成部分，控制着微生物的代谢活动，也是微生物生长发育所必需的营养素[41]，在潮湿的环境下，土壤微生物可以加速有机物的分解[42]；但另一方面，表层土壤的微生物，更容易受到林火的影响[32]，林火会使水分大量蒸发，使土壤含水量降低，影响微生物的活动。阴坡中，微生物量碳氮质量分数，在火后恢复中期、后期和对照组中呈现缓慢恢复上升的规律；而在阳坡中，火后恢复后期已经达到并超过了对照组的含量，这说明，火烧迹地中阳坡较高的土壤温度更适宜土壤微生物的快速繁衍发育，使该区域能更快地恢复至火烧前水平。

3.3 火干扰及地形因子对土壤微生物量碳氮质量分数的交互影响

由表5可见：土壤微生物量碳质量分数，与恢复时长、坡度呈显著相关，说明恢复时长、坡度均影响着土壤微生物量碳质量分数，而火烧迹地坡度是影响该地区生物量碳质量分数的主要因子。土壤微生物量氮质量分数，与坡向呈显著相关，与坡度呈极显著相关，说明火烧迹地微生物量氮质量分数受坡度的影响较大。土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))，与恢复时长呈极显著正相关，与坡度、坡向呈极显著负相关，说明该研究区域土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))受恢复时长、坡度、坡向的影响较大。

表5 土壤微生物量碳氮质量分数与火干扰、地形因子间的斯皮尔曼相关系数

为进一步探索火干扰及地形因子对土壤微生物量碳氮的交互影响，将火后恢复时长、坡度、坡向3个影响较为明显的因素，与微生物量碳质量分数、微生物量氮质量分数、微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))进行多因素方差分析(见表6)。由表6可见：恢复时长、坡度、坡向的交互作用，对土壤微生物量碳质量分数、微生物量氮质量分数、微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))无显著影响；恢复时长与坡度，对土壤微生物量碳质量分数产生极显著影响(P<0.01)；恢复时长与坡度的交互作用，对土壤微生物量碳质量分数影响显著(P<0.05)；恢复时长与坡向的交互作用，对土壤微生物量碳质量分数、微生物量氮质量分数影响极显著(P<0.01)；恢复时长，对微生物量氮质量分数影响极显著(P<0.01)。该研究区域内，兴安落叶松林火烧迹地，恢复时长对土壤微生物量碳质量分数、微生物量氮质量分数的影响最强；恢复时长对土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))的影响较弱；地形因子，对火烧迹地土壤微生物量碳质量分数的影响较强，对火烧迹地土壤微生物量氮质量分数的影响适中，对火烧迹地土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))的影响较弱。

多因素方差分析结果表明，火后恢复时长会显著影响土壤微生物量碳质量分数、微生物量氮质量分数；而坡度对土壤微生物量碳质量分数的影响显著，且表现在恢复中期。坡向在火烧迹地对微生物量碳氮质量分数都影响显著，土壤微生物量碳受坡度和坡向交互作用的影响；这一结果表明，地形是一个缓慢的影响过程[40]，也是大兴安岭兴安落叶松林火烧迹地恢复的一个重要的影响因素。

4 结论

林火对土壤微生物的影响是一个长期且持续的过程，火后恢复时长会显著影响土壤微生物量碳氮，火烧迹地恢复28 a后，兴安落叶松林土壤微生物量碳氮质量分数接近但仍低于未过火的对照样地。

火干扰也会影响不同坡度、不同坡向间土壤微生物量碳氮的质量分数，其中恢复时长、恢复时长与坡向的交互作用，对土壤微生物量碳氮质量分数均有极显著影响。随着火烧迹地的恢复，坡度对微生物量碳质量分数、微生物量氮质量分数的影响开始加深，而对微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))的影响不明显。

在火烧迹地，坡向影响着土壤微生物量碳氮质量分数，阳坡的土壤微生物比阴坡的更活跃，阳坡相比阴坡能更快地恢复至火烧前水平。