火灾事故对森林土壤微生物生物量的影响研究

黄晓霖　彭晓娟　张彦玲　杨青　张伟

摘要：火灾事故会改变土壤环境的理化性质，破坏土壤环境的固有平衡，故提出火灾事故对森林土壤微生物生物量的影响分析研究。选取研究区域，设计实验地火灾事故情况（轻度、中度与重度），制定土壤样品采集程序，采用稀释平板法测定土壤微生物数量，利用熏蒸提取一容量分析法测定土壤微生物生物量碳含量、氮含量。测定结果：随着火灾事故程度的增加，土壤微生物数量呈现逐渐下降的趋势，碳含量、氮含量均呈现逐渐增加的趋势；随着土壤恢复年限的增加，微生物数量、碳含量与氮含量均呈现先下降后上升的变化趋势。

关键词：森林土壤环境；火灾事故；微生物影响分析；林火强度；微生物种类

中图分类号：X72 文献标志码：B

前言

对于森林土壤环境来说，火灾事故是一种独特的干扰因素，其会影响土壤的温度、氧化反应等，从而改变土壤环境的理化性质，例如微生物生物量、有机物质含量、无机物质含量等，这些变化会对森林结构、性能等造成极大的不利影响。微生物是土壤环境变化响应最快的理化指标，是生态体系中必不可少的组成成员之一，也是无机物质循环的关键所在。微生物在森林生态体系中主要充当着分解者的“角色”，分解部分有机物质与地表凋落物。当森林发生火灾事故后，土壤微生物生物量会发生一定的改变，从而影响碳、氮元素的固持与利用，也会影响微生物的生存与繁殖。微生物主要为森林植物生长提供养分，是森林稳定发展的主要基础，再加之其具有较强的环境因子变化敏感度，将其作为生态指标进行深入研究具备一定的现实意义。

就现有研究成果来看，由于火灾事故强度、森林土壤类型、研究时期等条件差异性的存在，使得火灾事故对森林土壤微生物生物量的影响研究并没有一个确切的定论，制约着森林领域的探究与治理步伐。因此，提出新的火灾事故对森林土壤微生物生物量的影响分析研究，掌握火灾事故后土壤微生物生物量的变化规律，为森林生态平衡恢复与治理提供一定的支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

选取山东省临沂市某处森林作为研究区域，选取了3个研究样地，具体的地理概况、自然概况、土壤特征与植被类型见表1。

需要注意的是，选取的3个研究样地具有丰富的生物多样性，植物种类高达1 000多种，例如阔叶树种、针叶树种、灌木树种、草甸等。研究样地植被种类垂直分布差异性较小，水平分布差异性较为显著，优势群落主要为松林、乔木与灌木，符合火灾事故对土壤微生物生物量影响的研究需求。

1.2 实验地设计

为了提升火灾事故对森林土壤微生物生物量影响分析结果的精确性，对研究样地实际火灾事故状况进行具体设计。研究样地1为轻度火灾，林木死亡率为39. 45%，树干熏黑高度为1.45 m，林下灌木25%被烧毁。研究样地2为中度火灾，林木死亡率为56. 23％，树干熏黑高度为2.32 m，半腐层、枯枝落叶层被烧毁。研究样地3为重度火灾，林木死亡率为78. 50%，树干熏黑高度为5.86 m，林下灌木、半腐层、枯枝落叶层全部烧毁。

1.3 土壤样品采集

土壤样品采集是后续微生物生物量变化分析的基础与前提，采集过程涉及内容较多，需要考虑到多种因素，制定土壤样品采集程序，此流程采用对角线方式选取研究样地上的5个采集点，清除表面杂物，将钢管打人土壤中，保持冰盒温度在0℃ -4℃，小心取出钢管，在实验室中取出土壤样品并放人冰盒保存，以测量土壤生物量。整个过程需确保土壤纯净、微生物活性得到保留，并记录测量值。

1.4 土壤微生物数量测定

采用稀释平板法对土壤微生物数量进行测定。在无菌实验室中，取10 g土壤样品，将其放入三角瓶中，其内部还包括无菌水与玻璃珠，振荡10 min将土壤样品打散成土壤悬液，倒入10-2-10-5稀释液，以此为基础，对土壤微生物数量进行精准测定，表达式为式（1）：

式（1）中，Qtotal表示的是土壤微生物数量，每克干土中含菌数，单位为个·g-1干土；Q0表示的是每克湿土中含菌数；M1表示的是湿土质量；M2表示的是干土质量。

上述过程确定了土壤微生物数量对应的测定方法与测定公式，为后续实验结果计算提供依据。

1.5 土壤微生物生物量碳、氮测定

土壤微生物生物量碳、氮含量测定主要采用熏蒸提取-容量分析法。在无菌实验室中，取10 g土壤样品，采用氯仿（无乙醇）熏蒸土壤样品5 min，加入40 mLK2SO4溶液，振荡30 min，采用定量滤纸对土壤悬液进行过滤，将其放置在- 20℃冰箱中保存，以此为基础，测定土壤微生物生物量碳、氮含量，表达式为式（2）：

式（2）中，Ctotal表示的是土壤微生物生物量碳含量；εmic表示的是熏蒸与未熏蒸土壤有机碳的差值；Ke表示的是有机碳转换系数；Ntotal表示的是土壤微生物生物量氮含量；βmic表示的是熏蒸与未熏蒸土壤有机氮的差值；Le表示的是有机氮转换系数。

上述过程确定了土壤微生物生物量碳、氮含量对应的测定方法与测定公式，为后续实验结果计算提供依据。

2 结果与分析

在研究火灾对土壤微生物的影响时，主要关注的是火灾后的短期内（第1年和第2年），以及随着时间的推移，土壤微生物生物量碳含量的长期变化（第5年）。在这种情况下，主要选取了第1年和第2年及第5年的数据进行分析。

2.1 土壤微生物数量变化分析

通过测定获得土壤微生物数量变化情况见图1。

如图1所示，无论是在土壤上层（0 -10 cm）、土壤下层（10 -20 cm）或者整个土壤层（0-20 cm）背景下，土壤微生物数量随着火灾事故程度的增加而下降，主要是因为火灾事故程度越重，对于森林土壤环境的破坏程度较高，土壤内部微生物生存环境变化愈加显著，微生物数量也会相应的减少越多。相较于土壤微生物标准数量来看，随着土壤恢复年限的增加，微生物数量呈现先下降后上升的变化趋势。上述变化情况主要是因为火灾事故后1年，森林土壤环境遭到明显破坏，微生物数量直线下降，无法得到有效的恢复；火灾事故后2年，由于火灾残余的腐烂，再加之土壤环境的自身净化，土壤中养分含量逐渐增加，为微生物提供了生长条件，微生物数量随之上升；火灾事故后5年，土壤环境逐渐恢复，尤其是轻度火灾事故研究样地，已经恢复到无火灾事故状态（中度、重度火灾事故研究样地未恢复到无火灾事故状态），相应的土壤微生物数量越来越接近标准数量。

2.2 土壤微生物生物量变化分析

微生物碳氮含量变化分析，通过测定获得土壤微生物生物量碳、氮含量变化情况见图2。

如图2所示，无论是在土壤上层（0 -10 cm）、土壤下层（10 -20 cm）或者整个土壤层（0-20 cm）背景下，土壤微生物生物量碳含量随着火灾事故程度的增加而增加。在土壤上层（0 -10 cm）背景下，随着土壤恢复年限的增加，土壤微生物生物量碳含量呈现先减小后增加的变化趋势；在土壤下层（10 -20 cm）背景下，随着土壤恢复年限的增加，土壤微生物生物量碳含量呈现逐渐减小的变化趋势；在整个土壤层（0 -20 cm）背景下，随着土壤恢复年限的增加，土壤微生物生物量碳含量呈现先减小后增加的变化趋势。造成上述土壤微生物生物量碳含量变化规律的主要原因是：火灾事故对于土壤环境的影响持续时间大约为2年，2年之后土壤环境逐渐开始恢复，碳含量逐渐上升。

无论是在土壤上层（0 - 10 cm）、土壤下层（10-20 cm）或者整个土壤层（0- 20 cm）背景下，土壤微生物生物量氮含量随着火灾事故程度的增加而增加，主要是因为火灾事故程度越重，残留在土壤表面的灰烬越多，致使土壤中可利用性养分增加，为土壤中存活微生物提供生长养分。另外，火灾事故会提升土壤的pH值，促进了微生物的繁殖。

从恢复年限角度出发，随着土壤恢复年限的增加，土壤微生物生物量氮含量呈现先下降后上升的趋势，这主要是因为火灾事故后2年土壤环境经过长期高温高热的灼烧，使得土壤成分发生显著变化，氮含量明显下降，后续土壤环境逐渐恢复，氮含量也逐步增加。

3 结论

研究通过实地考察和实验分析，探讨了火灾事故对森林土壤微生物生物量的影响。通过上述的测定结果，可以得出火灾对森林土壤微生物生物量的影响的几个结论：首先，土壤下层（10 -20 cm）的微生物数量、碳含量和氮含量都明显低于土壤上层（0 - 10 cm）。这是因为火灾后，上层土壤的有机物质散落到了下层，增加了下层的碳和氮含量，但同时也抑制了下层土壤微生物的生长。随着土壤恢复年限的增加，微生物数量、碳含量和氮含量都呈现先下降后上升的变化趋势。这是因为火灾后，土壤环境经历了一段时间的恶化，随着时间的推移，土壤环境逐渐恢复，微生物数量和营养含量也随之恢复。研究成果对如何进行有效的森林恢复和管理具有重要的指导意义。