不同火强度对河北平泉油松林土壤有机碳及土壤养分影响

李炳怡, 刘冠宏, 李伟克, 刘晓东



不同火强度对河北平泉油松林土壤有机碳及土壤养分影响

李炳怡, 刘冠宏, 李伟克, 刘晓东*

北京林业大学森林资源生态系统过程北京市重点实验室，北京 100083

选择河北省平泉县油松林火烧迹地为研究区, 按照过火林地燃烧状况, 划分轻度火烧(L)、中度火烧(M)、重度火烧(H)3个强度的林地作为研究样地, 选择相邻未过火林地(CK)作为对照样地。以0—10 cm, 10—20 cm, 20—30 cm的顺序采集土壤样品。样品用于分析不同火烧影响下土壤有机碳(SOC)、土壤养分中铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、全氮(TN)、全钾(TK)、全磷(TP)、速效氮(AN)、速效钾(AK)、速效磷(AP)含量和土壤pH值变化, 以及土壤有机碳和土壤养分其在火烧之后不同土层深度之间的数值波动。结果表明: (1)不同火烧强度对土壤有机碳含量差异影响显著(P <0.05), 与未过火林地相比, 中度、轻度火烧的土壤有机碳含量降低, 重度火烧土壤有机碳含量增加; 土壤有机碳含量变化随土层深度增加而降低; (2)不同火烧强度对土壤养分中所有指标的差异性显著 (< 0.05), 不同土层深度之间的数量变化明显。铵态氮含量在各土层均表现为重度火烧后增加, 中、轻度火烧则减少; 硝态氮含量受轻度、中度、重度火烧后在各土层整体增加; 速效氮含量在0—10 cm土层轻度、中度、重度火烧后增加, 在10—20 cm土层中度、重度火烧后减少而轻度火烧后增加, 在20—30 cm土层重度和轻度火烧后增加, 中度火烧后减少。轻度、中度、重度火烧后的全氮和全磷含量在各土层整体降低。速效磷含量在0—10 cm土层受重度和轻度火烧后增加, 10—20 cm、20—30 cm土层重度、中度、轻度火烧后含量皆减少。全钾含量在0—10 cm土层重度、轻度火烧后含量降低, 中度火烧后含量增加, 10—20 cm土层火烧后含量均会增加, 20—30 cm土层火烧后含量均会降低。速效钾含量受重度、中度、轻度火烧后在各土层含量均会减少; (3) 不同火烧强度与土壤pH值差异性极显著(< 0.01), 火烧后pH值上升。上述结果可为研究林火干扰后土壤有机碳和土壤养分的变化规律, 以及火烧迹地植被恢复的研究提供参考。

不同火强度; 土壤有机碳; 土壤养分; 火干扰

1 前言

火是森林生态系统中一个重要的生态因子。森林火灾以地表火最为频繁, 燃烧过程中通过热量传递, 烧毁地面可燃物, 进而对土壤理化性质、养分含量、有机碳含量产生不同程度的影响。土壤有机碳(SOC)是指土壤有机质中碳元素含量, 其成分复杂, 包含土壤微生物量碳(MBC)、土壤易氧化碳(ROC)、溶解性有机碳(DOC)、轻组有机碳(LFOC)等, 且对环境感应敏感容易分解, 一旦受到林火的干扰, 各组分会发生相应的变化[1]。全球气候变化背景下, 土壤有机碳含量变化与全球碳平衡密切相关。土壤有机碳贮存量大, 微小的数值变化都会对生态系统造成一定干扰[2]。林内可燃物燃烧导致土壤内碳量流失, 同时向大气排放大量CO2, 从而使森林的“碳汇”功能在一段时间内转换为“碳源”, 大气碳浓度增加, 改变森林内部小气候, 干扰森林生态系统碳循环, 继而增加森林火灾发生的频率和强度[3-5]。土壤养分是林木生长发育所需要的物质基础, 直接关系土壤肥力, 同时土壤养分也是易于被控制和调节的因子, 对土壤其他部分产生直接和间接的作用。不同强度的火烧影响多种养分的含量, 改变土壤内部小环境。尤其是对火烧后植被的恢复具有重要意义。

国外在该领域主要是以大尺度的、连续性、综合性的角度去研究, 通过一个代表性区域来探讨更大领域的通用规律, 或者通过连续观测探究机理。研究林火和土壤有机碳的关系与机理之中, 同时加入其它因素、指标的影响。国外学者通过研究过火后栎树林(), 探究不同火烧强度对土壤有机碳和土壤理化性质的影响, 及土壤性质对火烧强度的响应。也有研究从土壤阳离子交换的角度探究对火烧后土壤有机质的影响, 结果表明燃烧使土壤温度升高, 导致土壤矿物热变化、土壤性质变化, 从而导致有机碳损失[6-7]。国内研究林火和土壤碳的关系, 从大气、植被、土壤三个领域来探究。主要包括火烧之后对碳损失量的估算, 火烧发生多年后土壤碳的恢复, 不同林型、林龄、气候类型下的林火对土壤性质的影响等[8-12]。研究林火与土壤有机碳关系加入其他影响因素, 如土壤呼吸、土壤根系、土壤微生物、土壤养分状况等[13]。

土壤有机碳含量与土壤养分含量的变化状况能够反映一个地区整体的土壤条件[14], 国外学者Leslie研究了火干扰对土壤碳的影响[15], 国内学者谷会岩林火对大兴安岭偃松—兴安落叶松林土壤养分的影响[16], 孔健健等研究了大兴安岭火后演替初期森林土壤养分磷的动态变化特征[17]。因此探究林火与土壤有机碳和土壤养分含量之间的关系, 有利于更全面了解生态系统变化机制。目前对林火与土壤碳和土壤养分的研究集中在东北林区、西南林区, 对华北地区的林地研究很少。华北地区植被地带性为暖温带针阔混交林, 是生态系统多样性的重要体现。油松林(), 是华北地区温性针叶林代表类型, 也是华北生态系统中重要组成部分, 对环境变化响应极其敏感[18]。由于油松林的林下生长耐干旱灌木、草本, 整个林分易燃条件非常充分, 枝叶和秋果都很易燃。另外, 全球变化背景下, 对林火和土壤有机碳的研究越来越得到重视, 然而针对不同火烧强度对土壤的作用和影响的研究不太多; 对土壤养分研究采用的指标主要为全氮、全磷、全钾, 缺乏更全面的分析。因此, 研究不同火烧强度对不同土层之间土壤有机碳含量和土壤养分含量的影响, 为进一步探究林火干扰后土壤有机碳与土壤养分含量变化规律, 及火烧迹地植被恢复提供参考。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

河北平泉(118°21′—119°15′E, 40°24′—40°40′N), 是河北、辽宁、内蒙古三省交界地带, 燕山山脉位于平泉县内, 全境皆山, 平均海拔660 m。该地区位于我国半湿润地区, 年平均降水量540 mm, 属于温带季风性气候, 四季分明, 年平均气温7.3℃。春季风大干干旱、回暖较快; 夏季高温, 7月月平均气温达22—32℃, 降水集中, 占全年降水量的68—74%; 秋季降水减少; 冬季寒冷干燥。无霜期110—140 d。土壤类型以棕壤土和褐土为主, 森林类型为天然次生林, 主要树种有油松()、刺槐()、侧柏()等, 灌木层主要有胡枝子()、锦带花()、土庄绣线菊()、山杏()等, 常见草本有细叶薹草()、石竹()、玉竹()等。

2015年4月清明节期间, 河北平泉县柳溪镇大窝铺村发生森林火灾, 火烧面积800余亩(约53.33 hm2)。于2015年建立样地, 2016年采集样品, 用于对火烧后土壤有机碳、土壤养分含量的短期响应研究。

2.2 样地设置

发生火灾的林分类型是油松天然次生林, 地势起伏较小且受相同气候影响, 林内环境相对一致。于相似的海拔高度、坡度、坡向设置样地, 以最大程度降低地形因素带来的影响。根据发生火灾林地的不同火烧强度, 分为轻度火烧(L)、中度火烧(M)、重度火烧(H), 并在同纬度、海拔、坡度的相邻地区选取一块对照样地(CK), 样地规格为20 m×20 m, 每个强度样地设置3个重复。重复样地之间的海拔高度、坡向、坡位完全相同, 仅在平行位移上有差别。划分火强度依据烧死木比例、树木被熏黑高度、地表植被烧毁程度以及树冠层死亡率判定, 树干熏黑高度在3 m以下, 林木死亡烧伤在10%以下, 且树冠未过火, 根部未受到损伤的为低强度火烧; 树干熏黑高度大于6 m, 林木死伤在70%以上, 地表植被尽被烧毁, 土壤颜色和土壤结构发生改变的为高强度火烧[19-21]。

2.3 样品采集

在每块标准样地内采用五点取样法采集土样, 由于火烧对土壤影响范围有限, 只有高强度火烧才能对深层土壤造成影响, 因此土壤采集深度为0—30 cm。待清理土壤表层后, 使用直径为37 mm的土钻, 按照0—10 cm, 10—20 cm, 20—30 cm顺序挖取后, 将同强度同土层的五个点的土样均匀混合为一份, 放入自封袋内, 标记具体信息, 样品数量为36份。土样采集完成后立即带回实验室, 土样均放在通风处进行风干, 用于土壤有机碳含量、土壤养分及土壤pH值指标的测定。

2.4 样品分析

2.4.1 土壤有机碳

土壤样品中的有机碳含量的测定选用重铬酸钾-外加热法。每个样品进行3次平行重复测定, 以确保结果的准确性和数据的统计意义。计算公式如下:

式中:为有机碳含量(g·kg-1); 0.8000为重铬酸钾标准溶液的浓度(mol·L-1); 5.0为重铬酸钾标准溶液的体积(mL);V为空白标定所用硫酸亚铁溶液的体积(mL); 0.003为碳原子的摩尔质量(g·mmol-1); 1.1为氧化校正系数;m为风干土样质量(g);K为将风干土换算到烘干的水分换算系数。

2.4.2 土壤养分

土壤全氮含量测定采用凯氏定氮法, 铵态氮与硝态氮含量通过氯化钾溶液浸提后, 采用流动分析仪进行测定。速效氮测定方法为碱解扩散法。土壤全磷与速效磷的测定方法为硫酸-高氯酸消煮法与碳酸氢钠法; 全钾使用NaOH熔融, 速效钾则采用醋酸铵-火焰光度计法, 每个样品进行3次平行重复测定。

2.4.3 土壤pH值

土壤pH值测定使用风干土, 采用电位测定法, 水与土壤比例为2.5:1, 同一份样品测定3次, 取平均值。充分混匀后静置30 min, 以玻璃电极为指示电极, 甘汞电极为参比电极, 将两种电极插入土壤滤液中, 产生位差。根据产生的两点位差得出pH值。

2.5 数据处理

使用Microsoft Excel 2016对数据进行初步整理与作图, 使用SPSS 18.0进行数据分析, 利用方差分析比较不同火烧强度、不同土层土壤SOC含量和土壤养分含量(NH-、NO-、、、、、、)及土壤pH值的差异性, 显著性水平设定为a=0.05; 采用皮尔逊方法(Pearson)对土壤SOC含量、土壤养分含量、土壤pH值进行相关性分析。

3 结果与分析

3.1 不同火烧强度对土壤有机碳含量影响

将重铬酸钾-外加热法测定出的土壤有机碳含量数据分组处理, 分析不同火烧强度下对不同土层深度土壤有机碳含量的差异性, 得出不同火烧强度下差异性极显著(P<0.01), 在不同土层下差异性极显著(P<0.01)。不同火烧强度影响下的土壤有机碳含量和未过火林地的数值有明显变化, 在不同土层深度之间也有分布规律, 如图1所示:

与未过火的土壤有机碳含量相比, 轻度火烧0—10 cm、10—20 cm土层的土壤有机碳含量分别损失21%, 17%, 20—30 cm土层则增加27%; 中度火烧0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土层的有机碳含量分别损失18%, 18%, 13%; 重度火烧0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土层的土壤有机碳含量分别增加13%, 25%, 34%。0—30 cm土壤剖面上, 土壤有机碳含量随着土层深度增加而降低。受不同火烧强度影响, 土壤有机碳含量在0—10 cm土层表现为H> CK>M>L; 在10—20 cm土层表现为H>CK>L>M; 在20—30 cm土层表现为H>L>CK>M。

3.2 不同火烧强度对土壤养分影响

土壤养分主要包含氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)等, 其中氮、磷、钾是土壤养分中大量元素, 同时是植物主要的需求养分; 速效氮、速效磷、速效钾关系到植物是否能直接迅速利用该养分; 铵态氮与硝态氮是土壤中无机态氮, 是土壤氮元素的重要组成部分。以上指标经常作为判断土壤养分供给和肥力状态的常见研究内容。

将土壤养分的每个指标分别作为因变量, 与火烧强度和土层深度做双因素方差分析, 结果表明火烧强度和土层深度之间并没有显著的交互作用, 因此在研究不同火烧强度与土层深度对全氮、全钾、全磷、速效氮、速效钾、速效磷、铵态氮影响时, 不用考虑交互效果, 而对硝态氮是具有交互作用的, 应当考虑交互效果。分析数据参见表1。

根据表格得出, 除硝态氮之外, 火烧强度与土层深度分别对土壤中的养分都有显著影响, 但是二者之间不存在交互作用, 即无交互项模式分析: 两个因素对结果的影响是相互独立的; 而在硝态氮中, 火烧强度和土层深度存在交互影响, 即有交互项模式分析: 可以认为除火烧强度和土层深度分别对硝态氮含量影响外, 二者的交互作用也会影响硝态氮含量。

图1 不同火烧强度对土壤有机碳含量的影响

表1 土壤养分双因素方差分析

将无交互项的土壤养分含量的数据分为不同火烧强度和不同土层深度, 按组分别进行单因素方差分析, 具体数值如表2所示:

根据表2得出, 在不同火烧强度下, 速效钾差异性显著(P<0.05); 铵态氮、硝态氮、速效氮、全氮、全钾、全磷、速效磷含量差异性极显著(P<0.01)。为方便比较, 将土壤养分的8个成分按照氮元素、磷元素、钾元素分为三组, 分析如下:

3.2.1 不同火烧强度对土壤氮元素的影响

铵态氮含量: 0—10 cm土层, 重度火烧后铵态氮含量明显增加, 中度火烧后铵态氮含量增加但不明显, 轻度火烧使铵态氮含量损失, 低于对照水平; 10—20 cm土层和20—30 cm土层变化规律与0—10 cm土层一致。

硝态氮含量: 0—10 cm土层, 重度、中度、轻度火烧均会增加硝态氮含量, 高于对照水平; 10—20 cm土层, 重度与中度火烧明显增加硝态氮含量, 高于对照水平。轻度火烧使硝态氮含量损失, 低于对照水平; 20—30 cm土层, 硝态氮含量变化规律与0—10 cm土层一致。

速效氮含量: 0—10 cm土层, 重度、中度、轻度火烧均会增加速效氮含量, 明显高于对照水平; 10—20 cm土层, 重度与中度火烧使速效氮含量损失, 低于对照水平。轻度火烧后的速效氮含量明显高于对照水平; 20—30 cm土层, 火烧强度对速效氮含量影响波动大, 重度与轻度火烧后的速效氮含量明显高于对照水平, 中度火烧使速效氮含量损失, 低于对照水平。

全氮含量: 0—10 cm土层, 重度火烧导致全氮含量增加, 高于对照水平。中度与轻度火烧使全氮含量损失, 低于对照水平; 10—20 cm土层, 重度、中度、轻度火烧均会使全氮含量损失, 低于对照水平, 且数值波动大; 20—30 cm土层, 全氮含量变化与10—20 cm土层变化规律一致。

3.2.2 不同火烧强度对土壤磷元素的影响

全磷含量: 火烧后的全磷含量在各土层均有损失, 低于对照水平, 且数值波动大。

速效磷含量: 0—10 cm土层, 重度火烧与轻度火烧增加速效磷含量, 高于对照水平。中度火烧后速效磷含量降低, 低于对照水平; 10—20 cm土层, 重度、中度、轻度火烧均会导致速效磷含量损失, 低于对照水平; 20—30 cm土层, 不同火烧强度对速效磷含量的影响与10—20 cm土层一致。

表2 不同火烧强度对不同土层土壤养分影响

注: 数据为平均值±标准差。不同小写字母表示同一样地不同土层之间差异显著(p<0.05), 不同大写字母表示不同样地同一土层之间差异显著(p<0.05), 下同。

3.2.3 不同火烧强度对土壤钾元素的影响

全钾含量: 0—10 cm土层, 重度火烧与轻度火烧导致全钾含量损失, 低于对照水平, 而中度火烧使全钾含量增加, 高于对照水平; 10—20 cm土层, 重度、中度、轻度火烧均会导致全钾含量增加, 高于对照水平; 20—30 cm土层, 重度、中度、轻度火烧均会导致全钾含量损失, 低于对照水平。

速效钾含量: 火烧后的速效钾含量在各土层均有损失, 低于对照水平, 且中度火烧的含量波动最大。

3.3 林火对土壤pH值影响

将土壤pH值的数据分为不同火烧强度和不同土层深度, 按组分别进行方差分析, 具体数值如表3所示:

不同火烧强度与土壤pH值相关性极显著(P< 0.01), 差异性极显著(P<0.01), 说明火强度对土壤pH值有重要影响。火烧后土壤pH值明显提高, 火烧前的土壤pH值平均为5.99, 火烧后土壤pH值平均为6.26。其中, 重度火烧林分的pH值增幅最大, 平均值为6.48; 中度火烧林分pH平均值为6.14; 轻度火烧林地的pH值为6.17。不同土层间土壤pH值差异性不显著(P>0.05)。

3.4 相关性分析

土壤有机碳与土壤养分和土壤pH值存在一定关联, 相关性可以反映土壤中各成分间的关系。火烧土壤有机碳、土壤养分、土壤pH值的数值发生变化, 可能导致各成分之间原本的联系发生改变, 同时不同土层深度之间也存在差异。不同火烧强度下, 不同土层的土壤有机碳含量与土壤养分和土壤pH值的相关性如表4所示:

0—10 cm土层受重度火烧的土壤有机碳含量与速效钾含量相关性显著, 且呈负相关; 受中度火烧的土壤有机碳含量与全氮相关性显著, 且呈负相关; 受轻度火烧影响的土壤有机碳含量与全氮、全磷含量相关性显著。

10—20 cm土层受轻度火烧的土壤有机碳含量与全氮含量相关性显著; 为受火烧的土壤有机碳含量与硝态氮和全氮含量相关性显著。

表3 土壤pH值方差分析

表4 土壤有机碳与酸碱性及土壤养分相关性

注:*表示相关性达显著水平(P<0.05);**表示相关性达极显著水平(P<0.01)。

20—30 cm土层受重度火烧的土壤有机碳含量与全磷含量相关性显著; 受中度火烧的土壤有机碳含量与速效钾含量相关性显著。

全氮含量是衡量土壤氮素供应状况的重要指标, 同时也会影响对土壤中其他养分的含量, 进而影响根系呼吸与植被恢复[22]。在不同火烧强度下, 不同土层的全氮与其他土壤养分的相关性如下, (表5):

0—10 cm土层受轻度火烧的全氮含量与全磷含量相关性显著; 未受到火烧的全氮含量与速效磷含量相关性显著。

10—20 cm土层受中度火烧的全氮含量与速效磷含量相关性显著; 未收到火烧的全氮含量与硝态氮相关性极显著。

20—30 cm土层未受到火烧的全氮含量与全磷含量相关性显著。

土壤养分内部各个指标之间具有联系, 相关系数可以有效说明养分内各成分的关系。表4用来体现不同火烧强度下, 土壤有机碳和土壤养分与土壤pH值在不同土层深度之间的相关性变化。表6是去除火烧强度和土层深度因素, 对土壤养分之间的关系进行分析。

表5 全氮与土壤养分相关性

注:*表示相关性达显著水平(P<0.05);**表示相关性达极显著水平(P<0.01)。

表6 土壤养分指标相关性分析

注:*表示相关性达显著水平(P<0.05);**表示相关性达极显著水平(P<0.01)。

铵态氮(NH-N)、硝态氮(NO-N)、速效氮()、全氮()、全钾()、全磷()、速效钾()、速效磷(AP)含量的相关性分析结果表明:NH-N与NO-N相关性极显著(P<0.01), 与相关性显著(P<0.05);NO-N与相关性极显著(P<0.01);与与相关性显著(P<0.05), 与呈负相关且极显著(P<0.01);与、、相关性极显著(P<0.01), 与呈负相关且极显著(P<0.01);与、呈负相关且极显著(P<0.01), 与呈负相关且显著(P<0.05);与和相关性极显著(P<0.01);与相关性极显著(P<0.01)。

4 结论与讨论

通过对不同火强度对河北油松林土壤有机碳及土壤养分的分析, 主要探究以下方面的影响:

(1)不同火烧强度对土壤有机碳含量影响

不同火烧强度与土壤有机碳含量差异显著(P<0.05), 在不同火烧强度影响下, 土壤有机碳含量的数值有明显变化。轻度、中度火烧后, 土壤有机碳含量明显下降, 低于对照水平。重度火烧后, 土壤有机碳含量增加且高于对照水平, 与林火刚发生时表现的规律相反。随着火烧时间增加, 中低度火烧的土壤有机碳含量呈现先增加后降低规律, 这是因为地表土壤冲刷淋洗等作用会逐渐降低土壤有机质含量[23]。通常, 高强度火烧直接导致土壤有机碳含量的耗损, 随着火烧强度增加土壤有机质含量降低[24]。本研究结果与此不一致, 但是也有研究表明, 高强度火烧会增加土壤有机碳含量。在周文昌研究中, 重度火烧有机碳含量比对照地增加119.06%[25]。这是因为重度火烧地区的林木烧毁严重, 树冠损失, 导致部分林地接收热辐射增多, 土壤温度升高, 从而刺激土壤根系与土壤微生物活性, 导致土壤呼吸增强, 改变了大气—植被—土壤的水热平衡[26]。而且受到重度火烧影响的土壤颜色变黑, 增加地表对热辐射的吸收, 同样促使地表土壤温度增加升高, 增加土壤有机碳含量。另外, 火烧后的森林植被会随着时间而逐渐得到恢复, 使土壤有机碳也得到恢复[27-28]。还有研究表明, 重度火烧使土壤表层有机碳和黑炭增加, 可能原因是重度火烧土壤粒径团聚体增大, 导致有机碳含量增加[29-30]。

土壤有机碳含量在不同土层的差异性显著(P<0.05)。轻度、中度、重度火烧的土壤有机碳含量随着土壤深度增加而降低。这与尹云峰、孙龙等人的研究结果一致, 即火烧后土壤有机碳含量先下降, 随着恢复年限增加, 下降的幅度逐渐缩小, 直至恢复甚至高于火烧前水平。

(2)不同火烧强度对土壤氮元素影响

铵态氮、硝态氮、速效氮、全氮在不同火烧强度下差异性显著(P<0.05)。中度和重度火烧的铵态氮含量在各土层皆表现出增加的趋势, 在轻度火烧后含量略微降低。这是因为灰分中的营养物质通过淋溶作用进入土壤中, 增加铵态氮含量。硝态氮含量在火烧后整体增加, 因为燃烧增加土壤温度, 刺激土壤细菌活性, 促进发生硝化作用。受不同火烧强度影响的速效氮含量在0—10 cm土层皆表现为增加, 在10—20 cm土层重度与中度火烧和20—30 cm土层中度火烧有所降低, 其余都呈现增加趋势, 这是因为燃烧使土壤中氮流失, 增加无机氮成分, 同时增加了土壤氮的有效性, 速效氮的含量集中表现土壤速效氮水平。全氮含量除了0—10 cm土层重度火烧部分有所增加, 其余土层和火烧强度影响下基本处于降低趋势。土壤全氮含量的消长和土壤有机质含量变化一致, 火烧导致土壤有机质含量减低, 减少了有机质积累, 影响微生物活动, 导致土壤全氮含量降低。另外, 火烧后pH值增加会促进植物的固氮作用, 经过1年半的地上植被的恢复和固氮能力提升, 也会导致土壤全碳含量整体降低[31]。

(3) 不同火烧强度对土壤磷元素影响

全磷、速效磷在不同火烧强度下差异性显著(P<0.05)。不同火烧强度影响下的全磷含量在各土层皆有损失, 低于对照水平; 速效磷含量只有在0—10 cm土层受重度和轻度火烧后有所增加, 10—20 cm和20—30 cm土层均呈降低趋势。这是因为, 火烧导致土壤磷元素流失, 尤其是高强度火烧对林地环境破坏严重, 地表枯落物被燃烧而没有积累, 因此地表可能受到风力侵蚀, 从而导致磷元素损失[32]。

(4) 不同火烧强度对土壤钾元素影响

全钾、速效钾在不同火烧强度下差异性显著(P<0.05)。不同火烧强度影响下的全钾含量在0—10 cm土层和20—30 cm土层整体呈现下降趋势, 而10—20 cm土层全部增加。增加的原因是可燃物燃烧后的灰分中含有大量钙、钾等离子。而在10—20 cm增加的原因是随着年限增加, 0—10 cm土层的钾元素受淋溶作用逐渐进入10—20 cm土层, 因此0—10 cm土层降低10—20 cm土层增加。不同火烧强度影响下的速效钾含量在各土层都表现为降低趋势, 这是因为植被恢复和生长的吸收及淋溶流失导致[32]。

(5) 不同火烧强度对土壤pH值影响

不同火烧强度影响下的pH值差异性与相关性都极显著(P<0.01)。火烧后pH值呈现上升趋势, 尤其是重度火烧影响下的pH值增幅最大。这是因为火烧阳离子增加和土壤有机物与枯落物氧化对有机酸消耗造成[33]。此外, 杨黎芳等人认为土壤中CO2分压降低, 土壤变干, 也会造成pH升高[34]。

5 结论与展望

(1) 火烧一年后, 重度火烧增加土壤有机碳的含量, 中、低强度火烧则使土壤有机碳含量降低。土壤有机碳含量随着土层深度增加而降低。

(2) 中、高强度火烧促使铵态氮和硝态氮含量增加, 导致速效氮和全氮含量降低。土壤中氮的含量变化影响土壤有机碳含量变化。

各强度火烧导致全磷含量在各土层深度皆有流失, 但是速效磷在0—10 cm土层呈现增长趋势。

各强度火烧使全钾在0—10 cm和20—30 cm土层降低, 在10—20 cm土层增加; 而速效钾含量在火烧后于各土层皆为降低趋势。

(3) 火强度与土壤pH值极显著相关, pH值随着火烧强度增加而增加。

(4) 火烧前后草本植物变化明显, 一部分植物无法承受火烧而死亡, 一部分植物得以存活, 如鬼针草()、野青茅()、银背风毛菊()等。同时, 也有新的植物侵入到火烧迹地, 这类植物主要是喜光植物和固氮植物, 有狗尾巴草()、沙参()等。一方面说明火烧改变了林内环境, 从而导致植物生长格局发生变化, 另一方面说明恢复和新出现的植物也会反过来改变土壤环境, 使土壤养分重新分配。

本研究为火灾发生1a后土壤性质的变化, 只能在一定程度说明土壤内各成分短期响应和对植被恢复的影响。长期持续观测将更有利于解释和说明火烧后土壤养分变化机制与植被恢复动态。在未来研究中, 将会以1a为周期连续观测和取样, 进一步分析变化规律。为进一步分析火烧影响, 可以采取在同一年中进行生长季和非生长季的调查对比。同时, 在研究过程中应该更多考虑地形因子、气候因子作用及林龄、火后干扰状况等因素可能带来的影响。从而更有效的理解火烧迹地土壤元素变化规律和植被恢复更新动态。同时为华北地区可燃物调控提供一定基础。

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Effects of different wildfire intensities on soil organic carbon and soil nutrients inforests in Pingquan County, Hebei Province

LI Bingyi, LIU Guanhong, LI Weike, LIU Xiaodong*

Beijing Forestry University, Academy of Forestry, Beijing, 100083

The study site was selected in Pingquan County, Hebei Province, and stand type wasforests. Fire intensity was classified as low (L), medium (M), high (H) severity and unburned (UB)based on burning condition. Soil samples were collected in the order of 0-10cm, 10-20cm, and 20-30cm to analyze the effects of different fire intensity on soil organic carbon (SOC), soil nutrients (Ammonium nitrogen, Nitrate nitrogen,Available nitrogen, Total nitrogen, Total potassium, Total phosphorus,Available potassium, Available phosphorus) and soil pH value in different depths of soil. The resultsare as follows. (1) The difference of diverse fire intensity on SOC was not significant (>0.05). SOC content decreased in M and L, and increased in H. The change of SOC decreased with the increase of soil depth. (2) The difference of diverse fire intensity on soil nutrients was significant (<0.05), as well as the change of soil depth. Ammonium nitrogen contents in each soil layer were shown to increase after high intensity fire, decreased after low and medium intensity. Nitrate nitrogen content in each soil layer was shown to increase after each fire intensity. Available nitrogen content in the 0-10cm soil layer increased after fire; in the 10-20cm soil layer it decreased after M and H, but increased after L; in the 20-30cm soil layer it increased after H and L, but decreased after M. Total nitrogencontent and total phosphorus content decreased in each soil layer after fire (H, M, and L). Available phosphorus was increased by H and M in 0-10cm soil layer, but decreased by H, M and L in 10-20cm and 20-30cm soil layer. The content of total potassium in 0-10cm soil layer was decreased by H and L, but increased by M; in 10-20cm soil layer it was increased after fire; in 20-30cm soil layer it was decreased by each fire intensity. Available potassium content was decreased by each fire intensity in each soil layer. (3) The difference of diverse fire intensity on soil pH value was significant (<0.01), which increased after fire. The above results can be used to study the changes of SOC and soil nutrient after forest fire disturbance, and study of vegetation restoration in burned land.

fire intensity; soil organic carbon; soil nutrients; fire disturbance

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.004

S762

A

1008-8873(2018)04-035-10

2017-09-12;

2017-11-28

国家自然科学基金资助项目(31770696)

李炳怡(1991—), 女, 河北石家庄人, 硕士, E-mail: lby1220@bjfu.edu.cn

刘晓东(1969—), 男, 博士, 副教授, 主要从事森林防火, E-mail: xd_liu@bjfu.edu.cn

李炳怡, 刘冠宏, 李伟克, 等. 不同火强度对河北平泉油松林土壤有机碳及土壤养分影响[J]. 生态科学, 2018, 37(4): 35-44.

LI Bingyi, LIU Guanhong, LI Weike, et al. Effects of different wildfire intensities on soil organic carbon and soil nutrients inforests in Pingquan County, Hebei Province[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 35-44.