马尾松林采伐迹地火烧黑炭对土壤活性碳氮库的影响

2018-11-15王玉哲刘俊第易志刚胡亚林

生态学报 2018年20期

王玉哲,刘俊第,严强,方熊,易志刚,胡亚林,刘先,*

1 福建农林大学林学院, 福州 350002 2 福建农林大学资源与环境学院, 福州 350002 3 福建农林大学西芹教学林场, 南平 353000

林火是全球森林生态系统一个不可忽视的干扰因子[1- 2],在全球气候变化的背景下,林火发生的频率和强度将会增加。在我国南方,炼山是林火的一种,也是一项重要的森林经营措施,不但可以经济、快速和有效地清除森林采伐剩余物,还能抑制植物病害的蔓延[3]。虽然炼山会导致环境污染,增加土壤中养分流失[4],但是炼山作为一种传统的森林管理措施一直存在,特别是,在松材线虫(Bursaphelenchusxylophilus(Steiner & Buhrer)Nickle)病感染的马尾松(PinusmassonianaLamb.)人工林,炼山仍是控制松材线虫病蔓延的有效措施。

火烧对森林生态系统的碳氮循环有重要影响[5],一方面燃烧过程可以直接导致有机物质中的碳氮以气态的形式损失,另一方面火烧引起的土壤、植物和微生物性质改变还会对森林生态系统碳氮循环产生间接影响[6]。黑炭是火烧过程不完全燃烧的产物,不易被微生物降解,可以在土壤中存留几千甚至上万年,对于缓解大气CO2浓度的增加具有重要贡献[7]。火烧产生的黑炭能通过静电吸附作用来增加土壤对铵态氮的保持能力[8],另一方面在北方森林和干燥温带高山森林的研究表明,添加黑炭能增强土壤净硝化作用,增加土壤硝态氮的累积[9- 10],这在一定程度上增加了氮素淋溶损失的风险。然而,在高温多雨的亚热带地区,黑炭输入对土壤氮转化过程的影响是否相同还有待研究。

土壤活性碳氮库主要包括土壤微生物量碳氮和可溶性有机碳氮,是土壤碳氮库中的活跃组分,具有很高的生物有效性,可作为土壤有机质改变和养分有效性的评价指标[11- 13]。为此,本研究选取福建南平中亚热带33年生马尾松人工林采伐迹地,研究了炼山1年后不同黑炭输入量处理火烧土壤与未火烧对照土壤理化性质(容重、含水率和pH)、全碳和全氮、可溶性有机碳(Dissolved organic carbon, DOC)、可溶性有机氮(Dissolved organic nitrogen, DON)、矿质氮、土壤微生物量碳(Soil microbial biomass C, MBC)和土壤微生物量氮(Soil microbial biomass N, MBN)含量差异,并探讨了炼山及其产物黑炭对土壤活性碳氮库的影响机理,旨在为完善炼山管理措施和人工林可持续经营提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于福建省南平市福建农林大学西芹教学林场(26°33′ N, 118°6′ E),属中亚热带季风气候,海拔200—500 m,年平均气温19.4℃,极端最高温为41℃,最低温度为-5.8℃,年平均降雨量1817 mm,集中在5—6月,7月常有台风和暴雨,年平均日照1807.8 h,无霜期302 d。土壤主要为黄红壤[14],由母岩风化的残积母质发育而成,土层较厚,超过1 m。试验样地选取33年生马尾松人工林(8马尾松+1阔叶树+1杉木Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)采伐迹地,采伐时间为2015年10月,密度为330株/hm2,坡度为25°。林下植被主要有冬青(IlexchinensisSims)、苦竹(Pleioblastusamarus(Keng) Keng)、箬竹(Indocalamustessellatus(Munro) Keng f.)、枇杷叶紫珠(CallicarpakochianaMakino)、粗叶榕(FicushirtaVahl)、山苍子(Litseacubeba(Lour.) Pers.)、五节芒(Miscanthusfloridulus(Lab.) Warb. ex Schum. et Laut.)、铁芒萁(Dicranopterislinearis(Burm.) Underw.)等。

1.2 样地设置

于2016年3月21日对采伐迹地进行炼山(图1),黑炭是炼山过程中采伐剩余物不完全燃烧的产物,在火烧迹地的分布具有异质性,为研究炼山及其产物黑炭对土壤性质的影响,于2016年3月27日(炼山1周后)在火烧样地中根据随机区组试验设计,在4个区组中设置了3个不同黑炭输入量处理,每个小区面积为100 m2(10 m×10 m)。3个黑炭处理分别为：①对炼山迹地黑炭不做处理(B1)；②将炼山后产生的黑炭移出该小区(B0)；③将处理B0处理小区中移除的黑炭添加到该小区(B2),添加的黑炭在表面均匀铺设,并未对土壤进行人工平整。由于本研究主要探讨不完全燃烧生成的固体组分黑炭对土壤碳氮库的影响(其在土壤中有较长的存留时间),因此B0处理中移除的黑炭并不包括粉状黑炭和灰分,在移除过程中尽可能地移出所有块状黑炭。黑炭的基本性质为：pH 7.98±0.03, 全碳含量(80.1±0.30)%,全氮含量(0.32±0.02)%。同时选择采伐迹地未火烧区域作为对照处理(UB,n=4)。2016年4月中旬在火烧迹地和对照区域同时进行造林,新造树种为闽楠(Phoebebournei(Hemsl.)Yang),造林方式为1年生幼苗移栽,造林密度为2505株/hm2。

图1 马尾松人工林采伐迹地炼山前后Fig.1 Slash burning in a Pinus massoniana plantation

1.3 土样采集与分析

于2017年3月21日(炼山1年后)进行土壤样品采集,在3个黑炭处理样方内按“S”型采样法选8个点,采集0—10 cm和10—20 cm土壤[15],同时在4块未火烧对照处理(UB)区域采集土壤样品,将每个样方土壤混匀后冷藏运回实验室。去除土壤中的石块、根系等杂物后过2 mm筛,之后分成2份,一份风干用于测定土壤pH、全碳和全氮含量；另一份在4℃冰箱冷藏,用于土壤DOC、DON、矿质氮、MBC和MBN含量测定。采用100 cm3环刀取0—10 cm和10—20 cm土层原状土测定土壤容重。

土壤含水率采用重力法(105℃烘干24 h)；土壤pH按土水比1∶2.5混合搅拌后用pH计测定；土壤全碳和全氮含量采用碳氮元素分析仪(Vario MICRO cube,Elementar,德国)测定。用2 mol/L KCl 液浸提土壤后,利用全自动间断化学分析仪(SmartChem200,AMS,意大利)测定浸提液中的矿质氮(铵态氮和硝态氮)含量,用总有机碳分析仪TOC-LCPH,Shimadzu,日本)测定土壤浸提液的DOC和可溶性总氮含量,可溶性总氮含量与矿质氮含量的差值即为土壤DON含量。土壤微生物量碳氮含量测定采用氯仿熏蒸法：分别称取2份10 g的土壤样品,其中一份用氯仿熏蒸24 h,另一份不熏蒸,然后往土壤中加50 mL 0.5 M K2SO4溶液,震荡30 min后过滤,用总有机碳分析仪(TOC-LCPH,Shimadzu,日本)测定浸提液中的碳氮含量,根据熏蒸和未熏蒸样品的差值计算土壤MBC和MBN含量,转换系数分别选取2.64[16]和2.22[17]。

1.4 数据分析

采用SPSS 22.0进行统计分析,通过单因素方差(One-way ANOVA)检验同一土层不同处理土壤理化性质和活性碳氮库的差异,采用最小显著性差异法(Least-Significant Difference,LSD)检验均值之间差异是否显著(α=0.05)。采用Pearson法分析土壤活性碳氮库与土壤理化性质的相关性。利用Origin 8.5软件制图。

2 结果与分析

2.1 土壤基本理化性质

炼山1年后,火烧和对照土壤的基本理化性质见表1。火烧和对照土壤的含水率存在显著差异(P<0.05),在0—10 cm和10—20 cm土层,火烧土壤含水率均低于对照土壤。火烧土壤的pH均高于对照土壤,特别是B2处理0—10 cm土壤pH比对照土壤高出24%(P=0.058)。炼山对土壤全碳和全氮没有显著影响(P>0.05),而火烧与对照土壤C/N差异因土层而异,在0—10 cm土层,双倍黑炭输入量处理土壤C/N要显著大于对照土壤(P<0.05),10—20 cm土层的火烧和对照土壤C/N没有显著差异(P>0.05)。火烧土壤含水率、pH、全碳和全氮均随着黑炭输入量的增加而增加,但差异均未达到显著性水平(P>0.05)。

表1 马尾松林采伐迹地炼山1年后土壤基本理化性质 (n=4)

数据为均值±标准差；不同字母表示同一土层不同处理之间存在显著差异(P<0.05)

2.2 土壤可溶性有机碳氮含量

炼山对土壤DOC含量的影响因土层而异(图2),在0—10 cm土层,火烧土壤DOC含量与对照土壤没有显著差异(P>0.05),而10—20 cm土层的火烧土壤DOC含量要显著低于对照土壤(P<0.05)。同样,炼山对土壤DON含量的影响因土层而异(图2),且与炼山后黑炭输入量有关(图2)。火烧后单倍(B1)和移除黑炭(B0)处理中,土壤DON含量显著低于对照土壤(P<0.05),而双倍黑炭输入处理(B2)与对照土壤没有显著差异(P>0.05)。炼山及其黑炭输入量对土壤DOC/DON没有显著影响(P>0.05,图2)。

图2 炼山黑炭对土壤可溶性有机碳氮含量的影响Fig.2 Effects of black carbon on soil dissolved organic carbon and nitrogen contentsUB：未火烧对照,unburnt soil；B0：去除黑炭,removal of black carbon；B1：单倍黑炭,single rate of black carbon；B2：双倍黑炭,double rates of black carbon

2.3 土壤矿质氮含量

土壤矿质氮以硝态氮为主,分别占火烧和对照土壤的70.82%—95.95%和48.40%—97.53%(图3)。土壤铵态氮含量受火烧和黑炭输入量的影响较大,特别是10—20 cm下层土壤(图3),与对照相比,炼山后移除黑炭(B0)显著降低了土壤铵态氮含量,而增加黑炭输入(B2)能显著增加火烧土壤中的铵态氮含量(P<0.05)。在0—10 cm和10—20 cm土层中,火烧土壤硝态氮含量均低于对照土壤,但差异未达到显著性水平(P>0.05)。

图3 炼山黑炭对土壤矿质氮含量的影响Fig.3 Effects of black carbon on the contents of soil nitrate and ammonium

2.4 土壤微生物量碳氮含量

炼山1年后火烧土壤MBC和MBN含量均低于对照土壤,且炼山对马尾松人工林采伐迹地土壤MBN含量的影响因土层而异(图4)。在0—10 cm土层,炼山后移除黑炭(B0)处理中土壤MBN含量显著低于对照土壤(P<0.05),而在10—20 cm火烧和对照土壤MBC和MBN含量均未显著差异(P>0.05)。不同黑炭输入量处理火烧土壤MBC和MBN含量没有显著差异(P>0.05),但随着黑炭输入量的增加而增加(0—10 cm土壤MBC含量除外,图4)。火烧后黑炭输入量能显著影响0—10 cm表层土壤的微生物量碳氮比(MBC/MBN),移除黑炭处理(B0)土壤MBC/MBN要显著高于双倍黑炭输入处理(B2)(P<0.05),这与土壤C/N的趋势相反(表1)。

图4 炼山黑炭对土壤微生物量碳氮含量的影响Fig.4 Effects of black carbon on soil microbial biomass carbon and nitrogen contents

2.5 土壤活性碳氮库与土壤理化性质之间的关系

如表2所示,土壤DOC含量与土壤含水率之间存在显著或极显著的正相关性；0—10 cm土壤硝态氮含量与土壤pH呈负相关,10—20 cm土壤铵态氮含量与全碳呈正相关；0—10 cm土壤MBC和MBN含量与土壤含水率呈极显著的正相关关系,而在10—20 cm下层土壤,土壤MBC和MBN含量与含水率和pH等土壤理化性质不存在显著相关性。

表2 土壤活性碳氮库与土壤理化性质相关性分析

3 讨论

3.1 火烧黑炭对土壤可溶性碳氮含量的影响

土壤活性有机质是林地物质循环的核心[18]。其中,土壤DOC含量虽然只占土壤全碳的极小部分,但它可以直接参与土壤生物化学转化过程,还是土壤微生物活动的能量和养分来源[19]。森林管理措施如森林采伐、施肥和炼山等能通过改变输入有机物质的数量和质量,以及土壤微生物的活性来影响土壤DOC含量[20]。本研究中,火烧土壤DOC含量要低于对照土壤(图2),但在0—10 cm土层差异不显著,这与孔健健和杨健[17]在大兴安岭落叶林的研究结果不同,这可能是由于对照处理的选择不同,本研究中对照区为采伐迹地未火烧区域,来自地上部分的有机物输入也减少,而在孔健健和杨健[21]的研究中对照区凋落物输入并没有受到显著影响。然而,10—20 cm土层的火烧土壤DOC含量要显著低于对照土壤(图2),从而说明火烧对土壤DOC的影响因土层而异,火烧不仅仅影响表层土壤的DOC含量,也会影响土壤DOC含量的空间分布[22]。火烧对土壤DON的影响也因土层而异,0—10 cm土层火烧和对照土壤DON含量没有显著差异,但在10—20 cm土层火烧土壤的DON含量显著低于对照土壤,特别是在黑炭输入量较少的处理(B0和B1),说明黑炭的输入有助于增加土壤DON的含量,这可能与黑炭的高比表面积和强吸附性能有关[9,23]。

土壤DOC含量与土壤含水率呈显著正相关(表2),与周文君等[22]在热带季节雨林的研究结果一致,这是由于土壤较高的水分含量提高了微生物活性,从而促进了水溶性有机化合物的形成[24]。本研究土壤DOC含量与土壤pH不存显著相关性,一般认为土壤pH能通过物理-化学和生物学过程来影响影响土壤DOC的移动性,然而室内和野外试验结果由于时空尺度不同而存在差异[25],野外条件下土壤溶液与原状土壤达到平衡状态可能是土壤DOC含量与土壤pH缺乏相关性的原因之一[18]。火烧土壤的pH高于对照土壤,特别是在双倍黑炭输入量处理具有较高的土壤DON含量,然而,土壤DON含量与土壤pH也不存在显著相关性,这与林宝平等[26]对滨海沙地人工林火烧土壤的研究结果相反,该研究发现土壤DON含量与土壤pH存在极显著负相关关系。

3.2 火烧黑炭对土壤矿质氮含量的影响

很多研究表明,火烧后短期内土壤矿质氮含量会增加[6,27],这是由于一方面燃烧过程可以将土壤有机氮转化为矿质氮,另一方面土壤环境的改变能增加土壤矿化和硝化作用,而且火后植物和微生物对矿质氮的吸收作用也减弱。随着火后植物和土壤微生物的吸收利用,土壤矿质氮会恢复到火烧前的水平,恢复时间与火烧类型、土壤深度和气候条件有关[27]。Meta-analysis分析结果发现,火后土壤硝态氮的恢复一般比铵态氮需要更长的时间[27],本研究中,炼山1年后火烧和对照土壤的矿质氮含量没有显著差异,在炼山1个月后在火烧样地和未火烧样地均种植了1年生闽楠幼苗,且对不同处理样地的抚育等森林管理措施一致,可以认为闽楠幼苗的生长和吸收不会显著影响不同处理土壤矿质氮含量的差异,未来应对火烧和对照土壤闽楠幼苗氮吸收特征开展进一步研究。火后土壤矿质氮的恢复可能与研究样地的气候和地形条件有关,南方雨热同季,土壤淋溶现象严重,因而火烧所引起的硝态氮增加效应会在更短的时间内消失,甚至出现火烧土壤矿质氮含量降低的现象,这与林宝平等在滨海沙地人工林的研究结果一致[26],而在大兴安岭落叶林中,火烧1年后土壤矿质氮含量仍极显著高于对照土壤[28],可能是因为大兴安岭落叶林中降雨较少,土壤对养分的固持能力强,因而矿质氮淋失较慢。

黑炭是森林火烧过程中不完全燃烧的产物,与燃烧产生的灰分不同,黑炭可以在土壤中存留上百年甚至上千年的时间[1]。黑炭不仅可以改变土壤的物理、化学和生物学性质,还能影响土壤养分特别是氮循环过程[9- 10]。一般认为,火烧可以增加土壤中的净硝化作用,这是由于：(1)黑炭具有较强的吸附性能,可以吸附对硝化作用有抑制作用的有机化合物如单萜等[29],还能吸附增强氮固定作用的含碳化合物如多酚[9]；(2)黑炭能增强氮转化微生物的活性,因为黑炭本身能为土壤微生物提供碳源[30],其多孔性还能为微生物生长提供适宜的栖息环境[31],如在干燥山地森林的研究发现[10],火烧产生的黑炭能影响硝化微生物群落的组成和功能,从而增强土壤硝化作用。本研究中,为保证不同黑炭输入量有足够时间改善土壤环境进而影响微生物对土壤氮转化的调控过程,选择在黑炭布置1年后进行土壤采集和分析,结果发现不同黑炭输入量处理之间土壤硝态氮含量并没有显著差异(图3),这可能由于本研究样地属于湿润的亚热带,相比之前研究的北方森林和温带高山森林,湿润多雨,土壤本身具有较高的硝化活性,之前的研究也发现,添加黑炭对硝化微生物活性较高的草地土壤硝化潜势并没有显著影响[9]。此外,黑炭输入还可以增加土壤的养分保持能力[8,32],本研究也发现下层土壤铵态氮含量随着黑炭输入量的增加而增加(图3),说明黑炭输入增加了土壤对铵态氮的固持能力,这是由于黑炭输入增加了土壤中可以进行静电吸附(Electrostatic adsorption)的位点,从而增加了对铵态氮的吸附[8]。本研究中,黑炭输入一方面增加了土壤对铵态氮的保持能力,另一方面并没有增强土壤的净硝化作用,因而减小了火烧后硝态氮含量增加所导致的淋失风险,这对于新造林地的养分特别是氮素保持具有重要意义。

3.3 火烧黑炭对土壤微生物量碳氮含量的影响

土壤微生物生物量能反映土壤微生物活性特征,可以作为土壤质量应对环境干扰(如火烧)的敏感评价指标[33]。火烧后短期内土壤微生物量急剧下降[34-35],这是由于燃烧过程中的高温可以直接杀死微生物,而且火烧后来自地上部分凋落物的活性有机物质输入减少[36]。随着火后植被的恢复和土壤环境的改变土壤微生物量会逐渐恢复到火烧前的水平,这与火后恢复时间、土壤和植被类型、火烧强度和频率有关[37]。本研究中,火烧1年后土壤MBC和MBN含量仍低于对照土壤,特别是受火烧直接干扰的表层土壤(图4),这是由于本研究样地为马尾松人工林的采伐迹地,一方面炼山消耗了大部分的采伐剩余物,另一方面来自新造树木的凋落物输入较少。此外,本研究中对照区域地上部分有机物质输入量也减少,但土壤并未受到火烧直接干扰,因而火烧与对照土壤微生物量的差异可能是火烧样地速效养分的淋溶损失导致土壤可利用养分下降引起的[38]。

受气候和林地条件的影响,火烧时不充分燃烧会形成黑炭等固体产物存留在林地中,而且黑炭在林地的分布有很高的异质性[39-41],从而影响土壤理化性质如含水率和pH等(表1)。本研究结果表明,火烧后土壤黑炭输入量的差异能影响土壤微生物生物量的恢复,特别是土壤MBN含量(图4)。土壤MBN含量随着火后黑炭输入量的增加而增加,移除黑炭后土壤MBN含量显著低于对照土壤,而有黑炭输入处理中火烧土壤MBN含量与对照土壤没有显著性差异,从而说明黑炭有助于土壤微生物生物量的恢复。可能的原因有：1)改善土壤理化性质,本研究中土壤含水率和pH均随着黑炭输入量的增加而增加(表1),而土壤微生物量碳氮含量与土壤含水率呈极显著正相关(表2)；2)黑炭具有较高的比表面积和很强的吸附性能,能吸附水分和铵态氮等养分,从而为微生物生长提供有利的微环境条件[9,23]。另外,本研究中,火烧土壤MBC/MBN随着黑炭输入量的增加而减少(图4),说明黑炭输入提高了土壤氮素的有效性。火烧与对照土壤MBC/MBN的差异与黑炭输入量有关,去除黑炭处理(B0)土壤MBC/MBN要高于对照土壤,说明火后移除黑炭减少了土壤的氮素供应能力,可能是移除黑炭减少了对土壤养分的吸附作用,从而增加了土壤中氮素等养分的损失。未来研究应该通过高通量测序等分子生物学手段来研究火烧土壤中的微生物群落(特别是氮转化功能微生物)结构及其丰度变化特征。