火烧对土壤理化性质的影响

杜 君,刘永志,高明亮,杨立宾,吴 松

(1.黑龙江呼中国家级自然保护区,黑龙江 大兴安岭 165100; 2.黑龙江省科学院自然与生态研究所,哈尔滨 150040; 3.黑龙江省科学技术情报研究院,哈尔滨 150028)

0 引言

土壤是一个高度复杂的生态系统,是植物生长的基础,为其提供必要的养分。土壤也是微生物的栖息地,为其提供适宜的环境及保护[1-3]。植物和微生物对土壤具有显著的影响,可改变土壤物理与化学特性,其相互作用与反馈形成了一个复杂、相互依赖的生态循环[4-5]。火灾作为外部干扰因素,增加了土壤系统的复杂性[6]。火灾程度及持续时间不同[7],可能会对土壤系统产生有害影响,也可能起到积极作用,故需从多个角度深入研究火灾对土壤系统的影响包括火灾后土壤湿度及温度等物理特性的变化、土壤微生物种类及数量变化、土壤有机碳成分的改变及土壤微生物活性的变化。这些变化及相互作用共同调节土壤系统的恢复过程[8-10]。

为了更好地理解火灾对土壤系统的影响,着重分析了火灾对土壤物理性质的影响,包括土壤含水量等。火灾对土壤化学性质的影响,包括pH值、有机质含量与成分及养分的有效性,以帮助人们更全面地了解火灾对土壤系统的影响机制。

1 材料与方法

1.1 样地概况

呼中国家级自然保护区位于中国东北地区,是我国最大的寒温带针叶林生态系统,属大陆性季风气候,平均气温-2 ℃～5.5 ℃,最低气温可达-52.3 ℃,年平均降水量480 mm,降雨期多集中在7—8月,约占全年降水量的50%～60%,无霜期130 d左右,平均海拔600～800 m[11-12]。研究区位于呼中国家级自然保护区,研究样地选择地势平坦、未受到人为活动干扰及植被恢复完整的火烧迹地。

1.2 样地布设

选择2010年发生林火的区域,根据火灾程度划分为轻度(L)、中度(M)、重度(H)火灾迹地。选择与火灾迹地毗邻的、具有相同林分类型且未受到火灾干扰的区域作为对照样地。在3种不同火灾强度的火灾迹地及各自对照区域内分别设置3块标准样地,总计12块样地,每块样地面积为20 m×20 m,对不同火灾影响程度下进行详尽数据收集及土壤研究。

1.3 土壤样品采集与实验方法

采用五点取样法在每个样地采集去除腐殖质后0～10 cm的土壤后混样,混合均匀后过2 mm筛,去除植物根系、石头等,装入密封无菌袋中,放入冰袋盒中带回实验室,用于土壤理化性质测定。

1.4 土壤理化性质分析

土壤微生物量碳(MBC)采用碳氮分析仪法测定,土壤pH值采用电位法,土壤含水率(MC)采用烘干法测定,土壤速效钾(AK)采用乙酸铵浸提火焰光度计法测定,利用Elementarvario ELIII(德国)自动碳氮分析仪测定土壤有机碳(SOC)、总氮(TN)含量,土壤速效磷(AP)采用钼锑抗比色法测定,土壤碱解氮(AN)采用碱解扩散法测定[13-15]。

2 结果

与对照组相比,火烧迹地的土壤理化性质发生了显著变化(P<0.05)(图1)。火烧迹地的土壤MBC和SOC与对照组相比显著升高后降低,火烧组之间分别是M组和L组最高且与其他两组具有显著差异(P<0.05)。火烧迹地的土壤MC与对照组相比显著升高,火烧组之间H组最高且与其他两组具有显著差异(P<0.05)。火烧迹地的土壤AK与对照组相比显著降低,火烧组之间L组最高且与其他两组具有显著差异(P<0.05)。火烧迹地的土壤AP与对照组相比显著升高,火烧组之间L组最高且与其他两组具有显著差异(P<0.05)。

3 讨论

林火过后会对森林土壤的理化性质指标变化产生一定的影响,如森林土壤含水率pH值、有机碳等[16]。研究结果显示,不同火烧强度间土壤理化性质具有显著差异(图1)。MBC和SOC随火烧程度增加出现了先增加后降低的趋势,这与文献[17-18]报道一致,这可能是因为中轻度火烧会增加土壤温度,促进土壤微生物的活动,加速土壤有机质的分解过程[19]。而在重度火烧下高温使表层土壤SOC受热分解,导致有机物质输入的减少,从而降低SOC含量。随着林火强度的增大,火从干扰变成破坏因素,植物根系发生凋亡,导致菌根消失,减少了土壤MBC,使得SOC以气态形式损耗[20]。

在低强度的林火发生后,由于地表植被和枯落物被烧毁,地表裸露,这增加了外界对土壤的侵蚀作用。土壤表面开始发生风化,在雨水冲刷下出现磨损,导致土壤中速效钾(AK)含量明显降低[21]。这一研究结果与文献[22]的研究结果一致。但中度火烧与重度火烧之间的土壤AK含量没有显著差异,这可能是因为在火灾过程中大部分钾元素已经通过颗粒物或非颗粒物的流失而损失,故土壤中没有足够的AK可以释放[23]。

火烧迹地的土壤速效磷(AP)含量均上升,这与文献[24]的研究结果一致。这是因为林火导致部分有机磷化合物被转化为无机磷并进入土壤,从而对土壤产生积极影响[25-26]。

土壤水分含量(MC)显著增加,这与Hart等的研究结果相反[27-28]。这种差异可能是因为火灾后大片树木倒伏,大量植物死亡,减少了植物蒸腾及树冠对雨水的截留[29],随着倒木的分解,倒木密度减小,孔隙度增大,故土壤吸水能力增强,导致土壤水分含量上升[30]。