火烧和刈割耙除对草原土壤理化性质的影响

原 烨，张 钊，赵 宁，张永娟，粱 虹，戎郁萍

(中国农业大学草业科学系，北京 100193)

火烧作为草原管理的重要措施一直被许多国家使用[1-5]，其影响植物种群的形成过程、控制群落的组成和外貌[6]，以及火烧的附灰与去枯作用可显著增加物种均匀度[7]，并提高地上部生物量，有效控制草原灌丛化的不断扩展[8]。但火烧过程中，草地大量的生物物质以及腐殖质层被燃烧，释放大量的碳，造成草地生态系统有机碳的净损失，并通过改变草地生态系统的土壤温度、土壤团粒结构等理化性质，对土壤有机碳的收支产生影响[9]。随着对全球碳循环的广泛关注，持续火烧所导致的有机碳大量减少也引起重视[10]，尤其要关注火烧对我国北方温带草原有机碳的影响，因为北方温带草原生态系统碳循环过程及其影响因素对于正确评估我国整个陆地生态系统碳源/汇贡献具有十分重要的作用[11]。刈割耙除成为火烧的替代措施被应用于草原管理中。Tester[12]的研究表明，刈割耙除可以增加地面温度，减少遮阴，促进种子萌发等。另外，适度刈割不会破坏物种的多样性[13-14]，许多研究者已经就火烧对草地土壤的影响作了大量的研究，但关于火烧和刈割耙除这两种管理措施对草原土壤理化性质影响的比较研究较少，本研究比较两种管理措施对草原土壤理化性质的影响，以探索草原管理的有利措施。

1 材料与方法

1.1试验区域 本研究在中国农业大学沽源野外科学研究站(以下简称野外站)的天然草地上进行。野外站位于河北省张家口市塞北管理区，地处内蒙古高原的东南缘，属典型草原，41°45′～41°57′ N、115°39′～115°51′ E。海拔1 400 m。年均气温1.4 ℃，≥10 ℃的年积温1 513.1 ℃·d，无霜期100 d左右，年均降水量297 mm，主要集中在7-9月。年均风速4.3 m/s，年均大风日数49 d，年日照时数2 930.9 h，土壤以栗钙土、草甸土为主。试验区土壤为暗栗钙土(pH值7.7)。

试验区植被以羊草(Leymuschinensis)、冷蒿(Artemisiafrigida)、二裂叶委陵菜(Potentillabifurca)为建群种，伴生种有鹅绒委陵菜(P.sericea)、菊叶委陵菜(P.tanacetifolia)、火绒草(Leontopodiumleontopodiodes)、茵陈蒿(A.capillaries)、艾蒿(A.viridissima)、叉枝蓼(Polygonumtortuosum)、扁蓿豆(Medicagoruthenica)和华北岩黄芪(Hedysarumgmelinii)。

1.2试验设计 试验设置4个处理，处理1：连续火烧2年(B1)；处理2：连续火烧2年后间隔1年(B2)；处理3：连续刈割耙除2年(M1)；处理4：连续刈割耙除3年(M2)。不做任何处理为对照。在春季牧草返青前进行火烧处理，5月底之前进行刈割耙除处理。刈割使用甩绳式割草机在试验地来回刈割两次，留茬控制在5 cm左右；耙除使用齿距4 cm的耙子从4个方向各单向耙除一次。试验采用完全随机区组设计，每个处理4个重复，每个小区为面积12 m×12 m的正方形。

1.3研究方法 2008年、2009年6月至8月采用“S”取样法，在试验处理的各个小区采集土样，用土钻按0～10 cm和10～20 cm分层取样，用四分法取足样品。将样品部分装入自封袋，于4 ℃保存用于实验室指标测定，另一部分风干用于土壤团聚体的测定。用于实验室指标测定的土壤风干后，通过0.15 mm筛用于测定土壤全氮和土壤有机碳。

采用曲管地温表测定土壤以下5、10、15和20 cm温度。在土壤中挖一个长40 cm，宽25～30 cm的坑，坑的长边大致由东向西，坑的北面垂直，南面是倾斜的。沿坑的北壁逐渐加深，使其与地面成一定的距离(5、10、15、20 cm)，并且将温度表的球部嵌入坑中。温度表与地表成45°角，读数时按着从5 cm到20 cm的顺序。于每天温度最低和最高的07：00和14：00进行测定。

土壤团聚体采用干筛法测定。将风干土样通过0.25 mm筛(带盖和底)在振荡机上振荡10 min，当筛完后分成>0.25 mm和<0.25 mm的粒级并称量，计算出>0.25 mm团聚体含量(R0.25)的值[15]。采用重铬酸钾-稀释热法测定土壤有机碳[16]。采用全自动凯氏定氮仪(FOSS KjeltecTM 2300 )测定土壤全氮。

碳氮比=土壤有机碳含量/土壤全氮含量。

1.4数据分析 用SPSS 17.0进行单因子方差分析(one-way ANOVA)，多重比较按照Duncan新复极差法。

2 结果与分析

2.1对土壤温度的影响 B1、B2、M1、M2各处理中，5、10、15和20 cm的土壤温度变化情况一致(图1)，均为5 cm处土壤温度最高，且土壤温度随土层深度的增加而逐渐降低。不同土层土壤温度均表现为火烧地温度最高，刈割耙除地次之，对照地最低，且火烧地、刈割耙除地与对照地相比，土壤温度的增幅均为5、10 cm处大于15、20 cm处，其中在5、10 cm处，火烧地平均温度较对照地约高2.26 ℃，刈割耙除样地比对照地平均温度约高1.48 ℃；在10、20 cm处，火烧地比对照地平均温度约高1.74 ℃, 刈割耙除地比对照地平均温度约高0.87 ℃，即火烧和刈割耙除均能提高土壤温度，但刈割耙除的强度弱于火烧。B1与B2、M1与 M2各土层的平均温度相差小于1 ℃。各处理土壤温度随时间的变化趋势与对照的土壤温度变化趋势基本一致，各处理在不同土壤深度温度的最高值均出现在7月末至8月初，均为B1最大，且在5 cm处最高温度比B2高2.60 ℃，比对照高6.45 ℃。

2.2对土壤团聚体的影响 土壤团聚体通常被划分为大团聚体(>0.25 mm)和微团聚体(<0.25 mm)[17]，R0.25反映土壤结构的优劣[18]。0～10 cm土层的R0.25值大于10～20 cm土层的R0.25值(图2)。与对照相比，0～10 cm、10～20 cm各土层均为火烧、刈割耙除使土壤中的大团聚体数量显著减少(P<0.05)，且B1对土壤团聚体的影响最大，R0.25值最小。在0～10 cm土层中，B1的R0.25值比对照显著减少13.14%，M1、M2的R0.25值分别比对照显著减少9.62%、10.57%，但火烧和刈割耙除两者之间差异不显著(P>0.05)；在10～20 cm土层中，B1比对照显著减少14.83%，M2的R0.25值比对照显著减少12.62%，连续火烧2年和刈割耙除处理之间差异显著, 连续火烧2年后间隔1年刈割与耙除处理之间差异不显著(图2)。

2.3对土壤有机碳的影响 0～10 cm土层的有机碳含量高于10～20 cm土层的有机碳含量(图3)。除0～10 cm土层的 M1处理下的有机碳含量与对照相比差异不显著外,其他各处理在各层土壤中的有机碳含量与对照相比均有显著差异(P<0.05)，且均为火烧处理最小，刈割耙除处理其次，对照样地最高。在0～10 cm的表层土壤中，B1、B2的有机碳含量分别比对照显著(P<0.05)减少11.69、8.23 g/kg，而M2比对照显著减少3.32 g/kg，即火烧处理可以显著减少土壤有机碳含量，作用强于刈割耙除；B1的有机碳含量显著低于B2的，但M1与M2的差异不显著(P>0.05)，说明连续火烧的作用对土壤有机碳含量的影响强于间隔火烧，但连续刈割在时间上对土壤有机碳的影响差异并不显著；在10～20 cm的土层中，B1的有机碳含量显著小于其他处理，仅为20.27 g/kg,比对照低8.00 g/kg；B2却与M1、M2之间差异不显著，说明连续火烧对深层土壤的有机碳作用也要强于连续刈割耙除，但间隔火烧和刈割耙除在此土层上差异却不明显(图3)。

图1 火烧和刈割耙除处理下不同深度的土壤温度变化

2.4对土壤全氮的影响 0～10 cm土层的全氮含量高于10～20 cm土层的全氮含量，10～20 cm土层，火烧、刈割耙除均能使土壤全氮含量降低，且与对照相比差异显著(P<0.05)，但刈割耙除的作用显著弱于火烧(图4)。在0～10 cm土壤中，B1、B2的全氮含量(2.243、2.570 g/kg)显著低于对照，与对照分别低0.633、0.306 g/kg,且B1显著低于B2；虽然M1、M2与对照相比全氮含量分别减少了0.323、0.103 g/kg，且M1显著低于对照，但M1与M2差异不显著，B2与刈割耙除处理的差异也不显著(P>0.05)。在10～20 cm，B1、B2、M1、M2的全氮含量均显著低于对照，较对照分别减少了0.752、0.681、0.346、0.283 g/kg，且火烧处理显著低于刈割耙除处理，而B1与B2，M1与M1差异不显著，说明连续火烧和间隔火烧之间只在表层土壤中对全氮有影响，而连续刈割在时间上对土壤全氮的影响差异并不显著(图4)。

图2 火烧和刈割耙除对土壤团聚体分布的影响

图3 火烧和刈割耙除对不同深度土层有机碳含量的影响

2.5土壤碳氮比的影响 在0～10 cm土层上，B1与 B2的土壤碳氮比分别为9.27、9.36，与对照相比显著(P<0.05)减少了2.14、2.05，但B1与B2之间差异不显著(P>0.05)。刈割耙除处理与对照相比差异不显著，且M1、M2之间差异也不显著。在10～20 cm的土层上，各处理与对照差异均不显著(图5)。

图4 火烧和刈割耙除对不同深度土层全氮含量的影响

图5 火烧和刈割耙除对不同深度土层碳氮比的影响

3 讨论

3.1土壤温度 与对照相比，对草地进行火烧和刈割耙除均提高了土壤温度，但是火烧地土壤温度的提高幅度较大。火烧后一定时间内，火干扰地区土壤的温度通常会高于未干扰的地区[9,18-19]。O’Neill等[19]认为对草地进行火烧后，草地表面大量生物物质以及腐殖质层被烧掉，使土壤大面积裸露，地表颜色变深，由植被冠层带来的遮阴效果被移除，使得表层土壤得到更多的能量是火烧地土壤温度升高的原因。本研究中，刈割耙除地土壤温度有所提高，但提高幅度低于火烧地的原因，可能是刈割耙除虽然去除了地表的大量枯黄生物物质，植物地表盖度降低，但对腐殖质层的直接影响较小，而且地表颜色没有变化，这使得土壤吸收的能量远没有火烧处理吸收的多。与本研究结果一致，火烧后内蒙古鄂温克旗草原土壤的平均温度比未火烧高出2.3 ℃[20]，加拿大北方森林火烧地区地表温度较未火烧地区高6 ℃，而且这种情况可以持续15年[21]。

3.2土壤团聚体 >0.25 mm的团聚体是土壤中最好的结构体，其数量与土壤的肥力状况呈正相关[22]，故R0.25(>0.25 mm的团聚体)可用以反映土壤结构的优劣，且土壤中80%的有机碳存在于大团聚体中，因此土壤中大团聚体组分的变化可以指示土壤有机碳含量的变化[23-26]。火烧和刈割耙除导致草地遮阴下降，土壤持水下降，尤其是火烧直接破坏土壤表层的凋落物，改变土壤的碳输入，使得土壤成分发生变化从而改变了土壤团聚体结构。但目前火烧对于土壤团聚体稳定性的影响尚不明确[27]，有研究认为火烧增加土壤团聚体的稳定性[28-29], 也有研究表明火烧降低土壤团聚体的稳定性[30-32]。本研究发现，草地经火烧处理后，土壤中大团聚体含量明显降低，显著低于刈割耙除地和对照地，火烧后土壤大团聚体含量降低的原因可能是火烧导致土壤温度升高，促进了土壤微生物分解更多的有机碳，从而引起大团聚体结构的瓦解。热带落叶林火烧后的第1年，土壤中大团聚体减少了25%，小团聚体含量基本没有变化。而刈割耙除处理与火烧处理对于土壤温度的影响是一样的，只是没有火烧那么剧烈，因此刈割耙除地土壤大团聚体的分解也少得多[31]。

3.3土壤有机碳、全氮、碳氮比 火烧去除了地表枯落物，减少了土壤有机碳的输入，同时火烧提高了地温，使得土壤微生物活动增强，增加土壤有机碳的分解和输出，研究表明[33-34]，火烧可以使地表的有机物质减少21%～80%。显然，刈割耙除也移走了本应返还到土壤中的植物生物量，而土壤有机碳的储量是进入土壤的植物残体量及其在土壤微生物作用下分解损失量二者之间平衡的结果[35]。随着土壤碳输入的减少，以及碳支出的增加，土壤有机碳含量下降。

土壤氮的输入途径和有机碳类似，主要通过地表枯落物的降解进入土壤，但是火烧和刈割耙除处理严重减少了土壤的养分供应，因此，火烧、刈割耙除处理土壤有机碳、全氮显著低于对照，且连续火烧的有机碳含量显著低于间隔火烧。每隔1年火烧和每隔2年火烧均使南非草原表层土壤中有机碳和全氮含量下降[36]，长期的刈割也会降低土壤易分解库和难分解库中碳和氮的含量[37-38]，本研究得到类似结果。本研究中刈割耙除2年和刈割耙除3年的差异不显著，因此刈割时间对于土壤有机碳及全氮的影响有待进一步研究。一般来说，土壤碳氮比反映出土壤微生物活动强度，直接影响土壤呼吸商，随之反映出土壤微生物呼吸的强弱。通常情况下火烧可以显著降低土壤的碳氮比[39]，本研究与之一致，但刈割耙除对土壤碳氮比影响不大。

4 结论

对草地进行火烧和刈割耙除均提高了土壤温度，但是火烧地土壤温度的提高幅度较大，在5、10 cm处，火烧地平均温度比对照地大约高2.26 ℃，刈割耙除地比对照地平均温度高大约1.48 ℃；在10、20 cm处，火烧地比对照地平均温度高大约1.74 ℃, 刈割耙除地比对照地平均温度高大约0.87 ℃，且连续火烧可以提高土壤的最高温度。与对照相比，火烧和刈割耙除均可显著降低土壤的R0.25值(>0.25 mm团聚体含量)。火烧和刈割耙除均可显著降低土壤有机碳和全氮含量(P<0.05)，且火烧可使土壤0～10 cm的碳氮比降低(P<0.05)，刈割耙除对其影响不大。

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