火烧对兴安落叶松林土壤氮形态和含量的初期影响

左 壮,张 韫,崔晓阳

(东北林业大学林学院,森林生态系统可持续经营教育部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150040)

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究地位于黑龙江省北部大兴安岭塔河林业局沿江林场(124°25′02″E,53°06′52″N),属浅山丘陵地带,海拔约312 m,东坡,坡度约5°。该区为寒温带大陆性季风气候,年均气温-2.4 ℃,年均降水量约460 mm。春、秋季大风干旱,是重要火险期;夏季降雨集中,可达全年降水量的70%～90%;冬季受西伯利亚高压影响,寒冷漫长,冰雪覆盖约200 d。固定样地布设于自20世纪60年代择伐后未经林火干扰的兴安落叶松林内,现为落叶松成熟林,其中间有少量白桦,林分郁闭度约0.7;林下灌木为杜香与杜鹃,盖度达70%～90%;森林凋落物层厚5～10 cm,半泥炭化现象明显;土壤类型为漂白暗瘠寒冻雏形土(漂灰土),腐殖质层厚8～12 cm,有机质含量约120 g/kg,地表可燃物载量达40 t/hm2,极易引燃。固定样地呈矩形(40 m × 20 m),长边向东坡延伸。网格法布设固定样地,以4 m为横纵坐标单位长度,单位长度垂线交点为采样点(图1)[3, 28],共采集66个混合土样。

图1 采样点位(黑点)与林火强度空间格局Fig. 1 Sampling points (black spots) and forest fire intensity spatial pattern

1.2 林火点烧试验

10月下旬,在森林消防严密监控下,进行以点烧地表可燃物为主要方式(重度火烧区,人为添加森林枯落物模拟高强度火烧)的野外林火试验。试验结束,参照Cui等[28]的林火强度划分标准,根据地上植被、凋落物层、腐殖质层实际烧焦程度划分轻、中、重度火烧区,并分别为其子集赋值2～9。其中,轻度火烧区仅地上植被过火(凋落物层温度峰值186 ℃),包含子集2(烧焦不足50%)和3(烧焦超过50%),共20个点位;中度火烧区地上植被全部过火或烧焦,凋落物层有不同程度损失(该层温度峰值549 ℃),包含子集4(损失1/3以下)、5(损失1/3～2/3)、6(损失2/3以上),共27个点位;重度火烧区地上植被全部过火或烧焦,凋落物层烧毁(该层温度峰值826 ℃),腐殖质层有不同程度损失,包括子集7(腐殖质层损失0.5 cm以下)、8(腐殖质层损失0.5～1.0 cm);9(腐殖质层损失1.0 cm以上),共19个点位(图1)。

1.3 土样采集

野外林火点烧试验前,在各采样点插入钢钎,以此为圆心切取半径30 cm的圆形毡状半泥炭化凋落物层,在钢钎上标记凋落物层与土层的界线。用微型钢制土钻(半径1 cm,高10 cm)于圆形范围内随机钻取3个原状土壤样品,充分混合,置于0～4 ℃保存。用细河沙回填钻孔,将此前切取的圆形凋落物层恢复原位。野外林火点烧试验1 a后,同火前点位与方法,再次采集土壤样品,采样时避开回填沙孔。

1.4 土壤氮素分析

1.5 数据处理

通过SPSS 18.0进行数据统计,采用单因素方差分析与均值比较分析进行各土壤氮素指标常规分析,采用配对样本t检验进行火烧前、后各采样点位的对应分析,并做各指标与火烧强度间相关性分析。采样点位与林火强度格局图、火烧前后各土壤氮素指标空间分布图均采用Arc GIS(反距离权重插值法)绘制。

2 结果与分析

2.1 火烧迹地土壤氮素量变分析

据单因素方差分析,轻、中、重度火烧区在火烧前土壤全氮含量均值分别为0.42、0.44、0.44 g/kg,各火烧区差异不显著;火烧后各区土壤全氮含量均值表现为中度(0.48 g/kg)>轻度(0.45 g/kg)>重度(0.40 g/kg),各火烧区之间差异显著(P<0.05)。这说明火烧强度差异驱动了该时段土壤全氮含量的空间异质性(图2a)。

大写字母表示火后不同火烧强度下土壤氮素指标平均值间的差异显著(P<0.05),小写字母表示火前不同火烧强度区土壤氮素指标均值间的差异显著(P<0.05)。**表示给定火强度下火烧前后土壤氮素指标平均值之间差异显著(P<0.01)。 Upper case letters indicated the differences between the average values of soil nitrogen index under different fire intensities were significant after the fire (P<0.05), lowercase letters indicated the differences between the average values of soil nitrogen index were significant before the fire on different fire intensities area (P<0.05). ** represents that the differences of soil nitrogen index average values under given fire intensity were significant between before and after the fire (P<0.01).图2 兴安落叶松火烧迹地土壤氮含量变化Fig. 2 Changes of soil nitrogen content in burned areas of the Larix gmelinii forestry

火烧后,轻、中、重度火烧区土壤全氮含量平均变化率分别为7%、9%和-10%;经均值比较分析,轻度火烧区无显著变化,中、重度火烧区变化显著(P<0.05),说明该时段轻、中、重度火烧区土壤全氮含量的火响应模式迥异。采用网格法布点,建立火烧前、后各点位采集土样的明确对应关系,据此进行更为精细的成对数据t检验分析。较之均值比较分析,成对样本t检验发现该时段轻、中、重度火烧区土壤全氮含量均发生极显著变化(P<0.01),说明网格定点试验设计获取了更多土壤全氮含量变化信息。

2.2 火烧迹地土壤氮素含量及其变化率的空间格局

1)土壤全氮量空间格局。火烧后,样地土壤全氮含量各区间分布面积差异不大,但各区间所含点位的坐标分布发生了明显变化(图3a、3b)。火烧后土壤全氮含量空间格局与火烧强度格局呈阶段相关性(图7a),即轻、中度火烧阶段相关性不显著,重度火烧阶段极显著负相关(P<0.01)。火烧后,土壤全氮含量变化率的空间格局更加清晰地反映了该时段土壤全氮含量变化与火烧强度的关系,二者的空间格局相似(图1、图3c),且呈阶段性极显著相关(图7b),即轻、中度火烧阶段极显著正相关(P<0.01),重度火烧阶段极显著负相关(P<0.01)。

a、b、c分别为火烧前、火烧后土壤全氮含量空间格局以及土壤全氮含量变化率空间格局。 a, b and c respectively represent the spatial patterns of soil total nitrogen content before and after the fire and its change rate.图3 土壤全氮含量及其变化率空间格局Fig. 3 Soil total nitrogen content and its change rate spatial patterns

图7 火烧后土壤氮素指标及其变化率与火烧强度相关性Fig. 7 Correlation of soil nitrogen index and its change rate with the fire intensity after the fire

3 讨 论

火烧1 a后,各火烧区土壤全氮量变化因火烧强度而异。轻、中度火烧区土层未受到火干扰,地表植物与凋落物层有不同程度燃烧,其植物源燃烧产物随融雪水和降雨淋洗转移至土层,是两区土壤全氮量显著升高的主要原因。同时,此时段死亡植物根系腐烂后混入土壤也成为其全氮量增加的重要原因[22, 30]。重度火烧区地上植被与凋落物层尽毁,土层也有不同程度燃烧损失。火烧破坏土壤结构,土壤密度上升[31],含水率与水渗透速率下降[3, 32],雨季集中的降雨导致一定程度裸地侵蚀[33-34],这些因素是重度火烧区土壤全氮含量下降的重要原因。根据本次研究结果,该区燃烧及其衍生过程中产生的植物源氮素输入不足以平衡土层燃烧挥发的氮素输出。空间上,相较于土壤全氮量,其变化率表现出与火烧强度更强的相关性,说明其对火干扰的响应更加敏感。