林火对森林土壤有机碳影响的研究进展

徐 成，张水锋，李克伦

(南京森林警察学院，江苏 南京 210023)



林火对森林土壤有机碳影响的研究进展

徐 成，张水锋，李克伦

(南京森林警察学院，江苏 南京 210023)

摘要：指出了森林生态系统土壤有机碳是全球碳循环的重要组成，在全球生态系统碳循环和全球变化的研究中占据着重要的地位。火因子是干扰森林生态系统发展的重要因子之一，对森林生态系统中土壤与大气的碳素交换过程有着重要的影响。因此，加强火干扰对森林生态系统土壤有机碳的研究，了解林火对森林生态系统土壤有机碳循环过程的具体影响，对发现火干扰下森林土壤中碳循环的机理，特别是土壤有机碳的动态变化有着重要的作用。综述了林火对森林土壤有机碳的研究进展，讨论了测定土壤有机碳的几种不同方法，比较了其适用性，探讨了在不同林火强度和不同土壤深度条件下土壤有机碳的变化情况。对实际工作中遇到的问题以及今后森林土壤有机碳研究进行了展望。

关键词：林火；森林土壤；有机碳；火强度

1引言

土壤有机碳库是陆地碳库的重要组成部分 ，在陆地碳循环研究中有着重要的作用。由于碳循环对全球生态系统循环有着重要的影响，因此，土壤有机碳研究受到人们普遍关注， 已成为全球变化研究的三大热点之一[1]。要研究有机碳，就必须了解有机碳的储存方式和它的存储位置。据研究者发现，全球约有1 400～1 500 Gt的有机碳储存在土壤中，是陆地植物碳库(500～600 Gt)的2～3倍，是大气碳库(750Gt)的2倍[2，3]。根据《2005年全球森林资源评估报告》，2005年全球森林面积39.52亿hm2，占陆地面积(不含内陆水域)的30.3%。因此，研究森林土壤有机碳对研究全球碳循环有着重要的意义。林火是影响森林生态系统的重要因子，火烧不但会对生态系统中的动物、植物、微生物产生影响，而且还会影响到土壤的物理性质(包括土壤结构、土壤湿度和土壤温度)、化学性质(包括有机质、矿物质、土壤呼吸和土壤养分)土壤动物、土壤酶等。不同的火烧强度所产生的影响也会有所差异，但影响程度会随火烧强度的增强而增加。

2国内外对土壤有机碳的研究

中国早在1946年就正式成立中国土壤研究学会，在土壤有机碳研究方面也取得了许多积极的进展。如周玉[11]荣等通过实验研究估算出中国主要森林生态系统的土壤碳储备量约为2.10×1010t，在全国森林生态系统碳总储量中占据74.6%的比例，在全球森林土壤碳储量中占据2.7%的比例；方精云[12]等通过利用我国1949～1998年间进行的7次森林资源清查资料，对我国近50年来森林碳库的变化进行了推算，结果显示在20世纪70年代中期以前由于对森林的不合理采伐利用，使中国森林碳库不断减少，据推算在这期间碳总储量减少了约0.62×1015g，平均每年约减少0.024×1015g，但之后通过对森林利用加强管理和开展植树造林运动，土壤碳库储量呈增加趋势；周莉[13]等对土壤有机碳的主导影响因子进行的研究及进展，对影响土壤有机碳的多种因子(气候、大气成分、植被、土壤理化性质等)进行具体分析。这些科研工作者们在各方面取得的积极进展对我国在土壤研究方面都做出了巨大的贡献。

国外对土壤有机碳的研究开始较早，在20世纪60年代，就有学者开始研究林火对土壤有机碳的影响，如Rashid.GH[4]等人研究火灾对阿尔及利亚地中海橡树林土壤有机碳的影响；Johnson.SE[5]等对北美不同林火影响下土壤有机碳变化进行分析；Dikici[6]等研究了泥炭火对土壤有机碳的影响；Czimczik[7]等研究了火烧对美国俄亥俄州阔叶栎林土壤有机碳的影响；Garc，a-O liva[8]等研究了火烧对热带落叶阔叶林土壤有机碳的影响。也有学者对全球土壤有机碳总库存量进行研究，但早期对土壤有机碳库存量的估算大都是根据少数土壤剖面数据进行的，因此对有机碳储存量的估算也有着很大的差异，但有两位学者的估算值成为当前全球土壤有机碳储量的上下限值，分别是1976年Bohn[9]利用土壤分布图及相关土组的有机碳含量，估计出全球土壤有机碳库存量为2 946 Pg，1951年Rubey[10]根据不同研究者发表的关于美国9个土壤剖面的有机碳含量，推算出全球土壤有机碳库存量为710 Pg。由此也可以看出，在土壤有机碳研究方面仍有很多问题等待人们去探索和研究。

3土壤有机碳的测定方法

土壤有机碳根据微生物可利用程度分为易分解有机碳、难分解有机碳和惰性有机碳。易分解者有较高的生物利用率与损失率，难分解者则有较高的残留率，一般占土壤有机质的60%～80%。虽然有机碳在土壤有机质中占据很大的比例，但在日常的实验当中如何能够快速而又精确的对土壤有机碳进行测量呢？对于这个问题，科学界一直在不断地研究、探讨和改进，但方法大都不尽相同。前人在测量时有的是通过干烧法测定CO2，干烧法是先通过稀盐溶液把土壤中的DOM有机物提取出来，紧接着放入蒸箱内在低温下将溶液蒸干，然后在高于700 ℃的环境下将其与适量的氧气接触，从而产生出CO2，再用红外监测仪器对CO2测定，也有用重铬酸钾和浓硫酸先进行湿硝化， 然后再通过滴定法来测定其中的碳。

相比之下，干烧法有着较高的精度，但是有机碳氧化需要用的仪器价格昂贵，样品分析用量少(3～5 mg)，且必须干燥和细磨，而且当温度高于500 ℃时，实验结果会因为无机碳的分解而受到影响，尤其在测量石灰性土壤时这种影响会更加明显。因此很多研究人员会采用湿氧化法，湿氧化法通常采用的方法是重铬酸钾氧化滴定技术，但同样有不足之处。主要表现在测定有机碳效果较差，因为滴定过程中不能保证所测样品被完全氧化，所以要对测量的结果进行校正。另外湿氧化法测定所需要的时间较长，这样就很难消除滴定液中的铬和强酸对样品的持续影响，而且一些干扰离子在滴定和比色时也会引起误差[14]。总的来说这些方法都有它们的局限性，而且实验测量的结果往往会与实际值有着或多或少的偏差。现在，人们多采用TOC(总有机碳)分析仪直接测定提取液，这种方法相对简便而且能够有效地避免一些相关条件的影响，因此测量的结果也相对真实可靠。

4不同强度林火对土壤有机碳的影响

林火强度被分为3个等级，即低强度、中强度和高强度(重度)。在不同的森林地段上，由于可燃物的种类和载物量是不同的，因此发生在不同森林地段上的林火行为是有所差异的。

一般情况下，中、低强度的火烧仅烧毁了草本灌木层，以及部分乔木[15]，可以促进林分的更新并减少可燃物，不但不会对林分的碳汇功能造成巨大影响，而且还会增加土壤有机碳的含量，这是因为火烧将地表的枯枝落叶燃烧后留下的灰分中含有剩余的碳，随着雨水进入土壤，土壤碳含量也随之增加。如李纫兰等[16]在研究南方突发性火灾对土壤碳储量的影响时， 发现中低强度火烧会显著的增加土壤有机碳的含量。包旭[17]通过研究火烧对大兴安岭湿地生态系统碳循环的影响，发现轻度火烧较未火烧样地土壤碳含量并没有显著的变化，重度火烧样地的生物碳量和土壤碳含量都有显著降低的趋势，而且仅重度火烧样地与未火烧样地存在着显著差异性。孙学明[18]在研究林火对不同林型土壤有机质时也发现轻度火烧后土壤有机质升高的趋势会明显加大。

而高强度的火烧灼伤高度可达到乔木林冠层[15]，致使大量乔木被烧死，而且会显著降低土壤有机碳的含量。火烧的高温不但会直接导致地表及土壤浅层的有机碳含量减少，而且还会通过影响土壤的理化性质、酶、pH值等来间接地影响土壤对有机碳的储存能力。因此，高强度的林火对土壤有机碳的储存起着不利的影响。如崔晓阳等[19]在研究发现，低、中强度的林火在短时间内对土壤有机碳影响是不明显的，但在高强度的林火干扰下土壤有机碳的含量是明显下降的，平均降幅达到14.6%。Wang等[20]总结了200多个火烧迹地土壤有机碳的变化情况，发现高强度的林火会使土壤有机碳减少约25.3%，而预定火烧(低强度火)对土壤有机碳没有显著影响。方东明等[21]在模拟大兴安岭火烧试验时发现高强度火烧后土壤总碳库减少了1.4%～5.4%，变化幅度也均高于中低强度火烧。

5林火对不同深度土壤有机碳的影响

林火会烧除林地表面的凋落物，改变土壤的温度，并且随着火烧强度的增强土壤有机碳受到的影响也随之增大，但是随着土壤深度的增加受到的影响也会随之减小。有研究表明，地表有焰燃烧能够在短时间内迅速放热，产生300～1 400 ℃的高温，严重时会使土壤表面的温度达到500～700 ℃[22]，甚至超过1 500 ℃的情况都有瞬时记录[23]，在这种情况下土壤表层有机质(碳)会随之急剧减少。但随着土壤深度的增加，影响程度会逐渐减小，在土壤5 cm深处的温度通常不会超过150 ℃，对土壤20 cm深处及以下的土壤基本没有影响。如何斌[24]等在对皆伐炼山的马尾松林地调查时发现，炼山后0～20 cm层的土壤有机质含量明显减少，但在20～40 cm层的土壤有机质含量却没有变化。这些研究表明在发生林火的短期内土壤有机碳会受到不同程度的影响。

例如有些学者对火灾发生数年后土壤有机碳的变化情况进行研究，发现森林火灾对土壤有机碳含量是起着积极的影响作用的。如Johnson和Curtis[25]通过对48个森林火烧迹地的土壤有机碳的研究，发现火灾10年后森林土壤中有机碳的含量相比火灾发生前是增加的。方东明用CENTURE模型模拟[21]了林火对兴安岭土壤碳的影响，发现在火后6～8年内，土壤碳是高于火烧前的。因此，林火对土壤有机碳的影响一般具有以下几个特点：①林火对土壤有机碳的影响具有不确定性；②火烧强度越高、火烧时间越长，影响越大；③森林土壤有机碳的含量受着火及其它因子共同的影响。

6问题与展望

由于土壤有机碳的生成和存储本身就受到很多因素的影响，因此，在研究土壤有机碳的过程中也存在很多的不确定性，这也使得研究结果具有一定的局限性和不确定性。因为在不同的环境下土壤有机碳的变化机理存在差异，所以研究局部地区土壤有机碳的变化是不具有代表性和广泛性的。在今后的研究过程中，应该将研究范围扩大化，通过对不同环境下土壤有机碳变化机理的研究来发现更多关于有机碳的活动变化规律。

林火是影响森林土壤有机碳的重要因子之一，但是还有其它因子对土壤有机碳产生着重要的影响作用，如气候、坡位、微生物、海拔等影响因子。当前的研究主要集中在火干扰对土壤有机碳的影响，因此，在今后的研究当中，可以并分别对这些影响因子进行研究，为日后能够合理调节碳循环打下坚实的基础。土壤有机碳在全球碳循环过程中起着重要的作用，近年来，全球变暖问题受到各个国家的重视，研究土壤有机碳的变化机理对缓解和改变这一问题有着重要的意义，也希望研究人员能够在今后的研究中取得突破性的进展，推动全球有机碳研究迈向一个更高的台阶。

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Research Progress on Effect of ForestFire on Forest Soil Organic Carbon

Xu Cheng, Zhang Shuifeng, Li Kelun

(NanjingForestPoliceCollege,Nanjing210023,China)

Abstract:The soil organic carbon of forest ecosystem is the important part in the global carbon cycle, which occupies the crucial position in the researchof the global ecosystem carbon cycle and global change.Fire is one of the important factors that disturb the development of forest ecosystem,which has great impact on thecarbon exchange process between soil and atmosphere in forest ecological system.Therefore,strengtheningthe research on the impact of fire disturbance on soil organic carbon in forest ecosystem and the understanding the specific impact of forest fire on soil organic carbon cycle in forest ecosystem have great significance on the discovery ofthe mechanism of forest soil carbon cycle under the fire disturbance,especially having significance on the study of dynamic change of soil organic carbon.This articlebrief reviews the research progress on the effect of forest fire on forest soil organic carbon and discusses several different methods for the determination of soil organic carbon;then the article discussesthe change of soil organic carbon under the condition of different forest fire intensitiesand different soil depths.Finally,the article summarizes the problems occurred in the previous research and proposesthe future research prospect of forest soil organic carbon.

Key words:forest fire;forest soil;organic carbon;fire intensity

文章编号：1674-9944(2016)02-0008-02

中图分类号：S151

文献标识码：A

作者简介：徐成(1993—)，男，南京森林警察学院大学生。通讯作者：张水锋(1986—)，男，江苏丹阳人，助教，主要从事火烧迹地土壤侵蚀机制与防控技术研究。

基金项目：大学生科技创新基金项目(编号：DKC201508)

收稿日期：2015-11-26