森林火灾对烟台蓁山次生林土壤性质的影响

刘瑞斌，李莉陈鹏东咸旭阳赵雪侯玉平*

1. 鲁东大学生命科学学院，山东 烟台 264025；2. 上海辰山植物园//中国科学院上海辰山植物科学研究中心，上海 201602

森林火灾对烟台蓁山次生林土壤性质的影响

刘瑞斌1，2，李莉1，陈鹏东1，咸旭阳1，赵雪1，侯玉平1*

1. 鲁东大学生命科学学院，山东 烟台 264025；2. 上海辰山植物园//中国科学院上海辰山植物科学研究中心，上海 201602

林火是北方森林生态系统最主要的自然干扰因子之一，可在短时间内使森林土壤的各种性质发生剧烈变化，并影响后续恢复进程。烟台蓁山属山东半岛北部黄海沿岸丘陵，该区域春季干燥、风大、人为活动多，致使火灾频发，造成较大生态和经济损失。以暖温带蓁山次生林为研究对象，选择不同类型火烧迹地及其对照（阴坡火烧区、阴坡非火烧区、阳坡火烧区和阳坡非火烧区），采集土壤样品，研究火灾2 a后土壤性质的变化，了解火灾对土壤理化性质、土壤微生物数量、酶活性变化及土壤氮素循环等的影响，以期为该区域森林火灾后生态系统的恢复和管理等提供理论依据。研究结果表明：（1）林火改变了土壤理化性质，火烧后土壤含水量下降，pH值无明显改变，土壤全碳含量呈降低趋势，全氮含量显著下降；（2）火烧后微生物量C含量显著增加，微生物量N变化不明显，细菌数量下降，特别是细菌含量丰富的阴坡，其细菌数量下降明显，而真菌和放线菌数量下降不显著；（3）火烧降低了土壤磷酸酶和过氧化氢酶活性，对脲酶活性的影响不明显；（4）阴坡火烧区土壤氮素的矿化和硝化速率较对照显著降低，阳坡火烧区土壤氮素的矿化和硝化速率较对照有所降低，但不存在显著差异。火灾改变了土壤各种性质，短期内引起地力衰退，影响林地微环境，对生态系统恢复产生重要影响。

森林火灾；土壤微生物；酶活性；土壤矿化；生态恢复

LIU Ruibin， LI Li， CHEN Pengdong， XIAN Xuyang， ZHAO Xue， HOU Yuping. Effects of forest fire on soil properties of secondary forests on Zhenshan mountain in Yantai， Shandong province ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（8）: 1300-1305.

森林火灾，是指失去人为控制，在林地内自由蔓延和扩展，对森林、森林生态系统和人类带来一定危害和损失的林火行为。林火是北方森林最主要的自然干扰因子（韩春兰等，2015）。林火突发性强、破坏性大、处置救助较为困难，全球平均每年大约有1%的森林遭受火灾的影响（Fraser et al.，2002）。自20世纪90年代以来，林火有上升的趋势，如1987年中国的大兴安岭特大火灾、1989年美国黄石公园森林火灾、1997—1998年印度尼西亚火灾。由于林火造成的危害严重，当今世界许多国家都较重视对林火的研究（肖化顺等，2012）。

林火对森林生态系统的影响不仅表现在森林物种组成、群落结构、功能的动态变化，也会导致土壤性质发生改变（韩春兰等，2015）。土壤是生态系统可持续性的重要组成部分，它为植物生长提供各种养分和支持。火烧以后，土壤的各种性质会发生较大变化，原因是火向土壤中施加了热量、灰烬，并且改变了土壤环境和微气候，土壤性质也可因植被和生物活性的改变而发生相应的变化（姜勇等，2004）。中国有关林火对生态系统的影响的研究以东北地区为多（Chang et al.，2007；孙明学，2011；孙龙等，2011），近年来对南方马尾松林的关注有所增加（薛立等，2011；赵志霞等，2016），多集中于土壤理化性质方面。相比之下，中国暖温带林区因季节性干旱和人为干扰等因素，火灾频发，而目前火灾对暖温带土壤生态系统的影响研究还较少。本文以山东烟台蓁山次生林为研究对象，选择不同类型火烧迹地及其对照（阴坡火烧区、阴坡非火烧区、阳坡火烧区和阳坡非火烧区），采集土壤样品，研究火灾2 a后土壤性质的变化，了解火灾对土壤理化性质、土壤微生物数量、酶活性变化及土壤氮素循环等的影响，以期为暖温带林区火灾后生态系统的恢复和管理等提供理论依据。

1　材料与方法

1.1研究地区概况

烟台蓁山属山东半岛北部黄海沿岸丘陵，气候类型为暖温带季风型大陆性气候，年均降水量为740.3 mm，年均气温12 ℃。土壤为棕壤，成土母质为花岗岩。本区域属于暖温带落叶阔叶林区域，由于人类活动频繁，原始植被早已无存，现以人工恢复的次生林为主，主要建群树种有刺槐（Robinia pseudoacacia）、黑松（Pinus thunbergii）等。

由于该区域春季干燥、风大、人为活动多，火灾频发。2014年4月24日蓁山鲁东大学西山段发生过森林火灾。山火过后所有凋落物和地表植被烧为灰烬，树木损毁。至2016年春季，火灾地区的植被恢复状况为：地表草本植物恢复较好，木本植物恢复极少，土层表面仍覆盖有较厚的火烧灰烬。

1.2样地选取与样品采集

2016年3月30日，在蓁山鲁东大学西山段（37°30'8219"N～37°31'9354"N，121°20'3242"E～121°21'1969"E）选取不同类型火烧迹地及其对照（阴坡火烧区、阴坡非火烧区、阳坡火烧区和阳坡非火烧区）等4种样地作为研究对象，样地间隔100 m以上，每个样地面积为150 m2。同坡向样地的坡度、海拔、土壤条件等生境特征较为一致（表1）。在各类型样地0～20 cm土层取环刀后带回实验室，进行土壤田间持水量测定；铝盒取土，进行土壤含水量的测定，每个类型样地6个重复。同时每种样地随机取30个采样点，取0～20 cm表层土壤，每5个采样点土壤混合成1个土样。去除根系、石子等杂物，将土壤分为两部分，第一部分约100 g，立即置于4 ℃冰箱中保存，用于土壤微生物分析和土壤矿化与硝化实验；第二部分过2 mm筛，约500 g，自然风干，室温下保存，用于土壤化学性质和土壤酶活性测定。

1.3测定指标及方法

1.3.1土壤理化性质的测定

土壤含水量采用常规的烘干称重法，田间持水量采用环刀法测定；土壤pH值用电极法测定，土壤悬浊液为水土比1∶2.5（质量比）；土壤全碳和全氮采用元素分析仪（Vario MACRO cube，Elmentar）测定。

1.3.2土壤微生物分析

土样微生物量C、量N采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法。土壤微生物群落组成采用平板涂抹法（沈萍等，2002）测定，细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基，真菌采用马丁氏培养基，放线菌采用改良的高氏1号培养基。

1.3.3土壤酶测定方法

采用比色法测定土壤脲酶、酸性磷酸酶活性（关松荫，1986）；采用紫外分光光度法测定过氧化氢酶活性（杨兰芳等，2011）。

1.3.4土壤矿化与硝化

土壤矿化与硝化采用室内培养法测定。称取10 g新鲜土样，放入25 mL试管中，加水至田间持水量的65%，用透气膜封口，在28 ℃条件下培养，培养过程中用称重法保持土壤水分含量一致，培养28 d后，测定土壤NH4+和NO3-含量，同时测定培养后土壤水分含量。土壤铵态氮采用靛酚蓝比色法测定，硝态氮采用酚二磺酸比色法测定。

土壤净矿化速率=培养后（NH4++NO3-）总量-培养前（NH4++NO3-）总量

土壤净硝化速率=培养后（NO3-）总量-培养前（NO3-）总量

1.4数据处理

采用统计软件SPSS 19.0进行单因素方差分析（one-way ANOVA），采用SNK法进行多重比较，检验各土壤类型对土壤理化性质、微生物性质、土壤酶活性、土壤矿化与硝化速率的影响。采用SigmaPlot 10.0制图。

表1　试验样地基本概况Table 1　Basic condition of experimental sample plot

2　结果

2.1火烧对土壤理化性质的影响

火烧对土壤理化性质的影响见图1。火烧后阴坡含水量显著下降，阳坡变化不明显。无论阴坡还是阳坡，火烧后的土壤pH值均有升高趋势，但与对照相比不存在显著差异。火烧后全碳含量均有降低趋势，其中阳坡全碳显著降低，幅度达58.6%。火烧后全氮含量显著下降，阴坡下降幅度达47.5%，阳坡下降幅度达49%。

2.2火烧对土壤微生物性质的影响

火烧影响了土壤微生物量C、微生物量N含量以及微生物群落结构（表2）。火烧均显著提高了阴坡与阳坡的微生物量C含量，分别较对照组提高了83.6%和32.1%。阴坡非火烧区微生物量N含量最高，显著高于阳坡非火烧区，但火烧并未对阴坡和阳坡的微生物量N含量造成显著影响。火烧后细菌含量均呈降低趋势，其中阴坡显著降低，幅度达27.6%。火烧后放线菌和真菌含量均有降低趋势，但与对照相比均未达到显著差异水平。

图1　火烧对土壤理化性质的影响Fig. 1　Effects of fire on soil physical and chemical properties

表2　火烧对土壤微生物的影响Table 2　Effects of fire on soil microbes

表3　火烧对土壤酶活性的影响Table 3　Effects of fire on soil enzyme activities　mg·g-1

2.3火烧对土壤酶活性的影响

火烧对土壤酶活性产生了不同程度的影响：火烧对脲酶活性的影响不明显，对磷酸酶和过氧化氢酶均有影响，其中磷酸酶受影响的程度最大（表3）。火烧显著降低了阳坡与阴坡的磷酸酶活性，较对照组分别降低了75.5%和62.9%；阳坡火烧区的过氧化氢酶活性较对照组降低了78.1%，阴坡则无显著差异。

2.4火烧对土壤矿化、硝化速率的影响

与阴坡非火烧区相比，火烧显著降低了土壤净矿化速率和净硝化速率，降幅分别达到70.4%和80.2%；而火烧对阳坡土壤净矿化速率和净硝化速率的影响不明显（图2，图3）。

图2　火烧对土壤净矿化速率的影响Fig. 2　Effects of fire on soil net mineralization rate

图3　火烧对土壤净硝化速率的影响Fig. 3　Effects of fire on soil net nitrification rate

3　讨论

3.1火烧对土壤理化性质的影响

本研究中，火烧后阴坡含水量显著下降，阳坡变化不明显。这可能是由于阴坡火烧情况更为严重，火烧引起的有机质损失破坏了土壤团聚体结构，土壤空隙被矿物粘粒所堵塞（Carter et al.，2004），致使土壤持水能力下降；另一方面，地表枯落物减少，植被恢复慢，特别是乔木层需要较长的时间恢复，地表缺乏覆盖，土壤对雨水的有效截留减弱。

大量研究表明火烧后土壤pH值有所增加，这种增加现象是由于土壤加热后导致有机酸变性造成的（Certini，2005）。本试验研究表明火烧后的土壤pH值有升高趋势，但与对照不存在显著差异。

测定火烧后土壤有机碳含量是研究土壤、判断土壤肥力状况以及恢复情况的一项重要工作（李媛等，2013）。林火对土壤有机碳含量的影响具有很大的变异性，取决于火的类型（林冠火、地表火、地下火）和强度、土壤类型以及地形坡度等（崔晓阳等，2012）。薛立等（2011）对火灾4年后马尾松林的研究表明：在火烧之后一段时间内，土壤表层的碳含量减少；而Johnson et al.（2001）对48个森林火烧之后的土壤有机碳进行统计分析，发现火灾10年后森林土壤碳含量增加。本研究基于火烧2年后的调查，结果显示火烧后土壤全碳含量呈降低趋势。推测可能是由于火烧引起枯落物层的损失和地表径流带来的表层土壤流失，致使土壤有机质减少。

本研究中，火烧后土壤全氮含量显著下降，其中阴坡下降幅度达47.5%，阳坡下降幅度达49%。有机质是土壤最主要的N源，而地表枯落物又是土壤有机质的重要来源。火烧引起的林地枯落物层损失，易致使林地总氮量减少（许鹏波等，2013）。在对北京西山地区的研究表明，在土壤有机质层，轻度火烧对土壤全氮量的影响不明显，而中度火烧后的表层土壤全氮量显著降低（耿玉清等，2007）。表层土壤全氮含量的显著降低与本次火情较为严重的情况相一致。

3.2火烧对土壤微生物的影响

一方面，火灾引起的高温可以直接杀死土壤微生物（Wüthrich et al.，2002）；另一方面，微生物对外界的环境变化是极其敏感的。火灾改变了土壤各种理化性质及林地微环境（洪伟等，2010），干扰微生物群落的动态稳定性，从而影响土壤微生物的活性及其生态功能（郑琼等，2012）。

土壤微生物量是土壤中易于利用的养分库及有机物分解和矿化的动力，与土壤中的C、N、P、S等养分循环密切相关，其含量大小可反映土壤肥力的变化（De la Jimenez et al.，2002；牛红榜等，2007）。本研究中，火烧后微生物量C显著增加，推测可能原因是：火烧后大量的植物灰烬覆盖于土壤表层，为微生物提供了大量碳源。研究发现火灾后细菌数量显著下降，特别是细菌含量原本丰富的阴坡；真菌和放线菌数量下降不显著。这与薛立等（2011）对火灾4年后马尾松林的研究结果一致，说明细菌对火灾较敏感。

3.3火烧对土壤酶活性的影响

土壤酶是土壤中能催化土壤生化反应的一类蛋白质，在森林生态系统的物质循环和能量流动过程中扮演着重要角色（Burns et al.，2001）。本研究中，火烧降低了磷酸酶和过氧化氢酶活性，对脲酶活性的影响不明显。土壤微生物是土壤酶的主要来源，而土壤有机质和养分又是土壤微生物的C源和N源，且前者还是土壤中酶促底物的主要供源（许鹏波等，2013）。本研究中，火烧之后土壤微生物（特别是细菌）、土壤全碳和全氮含量均降低，这直接减少了土壤酶的来源，造成了土壤酶活性的降低。

土壤磷酸酶是一类催化土壤中有机磷化合物矿化的酶，其活性高低直接影响着土壤中有机磷的分解转化及其生物有效性；过氧化氢酶可减弱过氧化氢对生物体的毒害。火烧导致两种酶活性的降低将对火烧干扰后的土壤质量恢复产生重要影响。

3.4火烧对土壤矿化、硝化的影响

土壤中氮素的矿化和硝化过程在提供植物生长所必须营养元素方面扮演着重要的角色。土壤中的氮主要以有机氮的形式存在，有机氮通过矿化和硝化的作用可以转化为无机氮供植物吸收、利用，因此矿化和硝化作用速率可以反映土壤中氮的有效率。本研究中，阴坡火烧区的矿化、硝化速率都显著低于对照组。Maithani et al.（1998）研究发现，氮矿化作用与土壤湿度和细菌数量呈显著正相关。本研究中，阴坡火烧后土壤含水量和细菌数量显著下降，与氮矿化作用减弱相符。氮矿化过程中，重要的参与者氨化细菌和硝化细菌等经过高温的灼烧，数量明显下降，这可能是导致阴坡氮矿化作用减弱的主要原因。

4　结论

本研究对烟台蓁山火灾后2 a的土壤性质进行测定，结果表明：（1）火烧后土壤含水量下降，pH值无明显改变，土壤全碳含量呈降低趋势，全氮含量显著下降；（2）火烧后微生物量C含量显著增加，微生物量N变化不明显，细菌数量下降，特别是细菌含量丰富的阴坡细菌数量下降明显，而真菌和放线菌数量下降不显著；（3）火烧降低了土壤磷酸酶和过氧化氢酶活性，对脲酶活性的影响不明显；（4）阴坡火烧区土壤氮素的矿化和硝化速率较对照显著降低，阳坡火烧区土壤氮素的矿化和硝化速率较对照组有所降低，但不存在显著差异。火灾改变了土壤各种性质，短期内引起地力衰退，影响林地微环境，将对火烧干扰后的生态系统恢复产生重要影响。

致谢：感谢鲁东大学生命科学学院周敏和牛盛雯在实验过程中给予的帮助！感谢鲁东大学农学院王凯博士对英文摘要的润色！

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Effects of Forest Fire on Soil Properties of Secondary Forests on Zhenshan Mountain in Yantai， Shandong Province

LIU Ruibin1，2， LI Li1， CHEN Pengdong1， XIAN Xuyang1， ZHAO Xue1， HOU Yuping1*
1. College of Life Sciences， Ludong University， Yantai 264025， China；2. Shanghai Chen Shan Botanical Garden//Science Research Center of Shanghai Chen Shan Botanical Garden， Chinese Academy of Science，Shanghai 201602， China

Increasing researches focusing on forest fires have been carried out according the ever-increasing global temperature and forest fires throughout the world. As a main natural disturbance factor of northern forest system， forest fires could have acute effects on soil properties within a short time， which in turn affects the ecological recovery process. Zhenshan Mountain lies in the coast of the Yellow Sea in northern Shandong Peninsula where forest fires frequently break out because of the frequent human activities and dry and windy weather in spring. The present study takes the secondary forest of Zhenshan mountain as research object. Soil samples were collected from unburned and burned area on both shady and sunny slopes. The effects of forest fires on physical and chemical properties， microbial community， enzymatic activity and nitrogen cycle of soil were assessed. And the results showed that （1） fire greatly changed the soil physical and chemical properties: it decreased the water content， total carbon and total nitrogen， while the pH of the soil varied slightly； （2） the soil microbial biomass carbon increased significantly， while the soil microbial biomass nitrogen were not； bacteria amount especially those in shady slope decreased significantly， while fungi and actinomyces amounts were not； （3）enzymatic activities of phosphatase and catalase but urease decreased； （4） compared with the control， mineralization and nitrification rate of the shady slope decreased significantly， while the counterpart of sunny slope varied slightly. Collectively， forest fires could change the soil properties， cause productivity decline in a short time and affect the microenvironment of the woodland， which will greatly affect the recovery process of the ecosystem.

forest fires； soil microbes； enzyme activity； soil mineralization； ecological restoration

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.08.007

S718.52； X171.1

A

1674-5906（2016）08-1300-06

国家自然科学基金青年项目（31300465）；山东省自然科学基金项目（ZR2012CQ020）；山东省高等学校科技计划项目（J13LE08）

刘瑞斌（1991年生），男，硕士研究生，专业方向为植物进化与分类。E-mail: 1126114164@qq.com

侯玉平（1981年生），女，副教授，博士，主要从事恢复生态学与入侵生态学方面的研究。E-mail: hou_yuping@163.com

2016-07-28

引用格式：刘瑞斌， 李莉， 陈鹏东， 咸旭阳， 赵雪， 侯玉平. 森林火灾对烟台蓁山次生林土壤性质的影响［J］. 生态环境学报，2016， 25（8）: 1300-1305.