林火干扰后大兴安岭森林土壤磷的变化特征

孔健健, 张亨宇, 于 龙, 张洪波, 辛世刚

(1. 沈阳师范大学 生命科学学院, 沈阳 110034; 2. 沈阳师范大学 实验与教学中心, 沈阳 110034)

全球每年约有300～460×106hm2陆地面积遭受野火与人为管理火的影响[1-2],这些火剧烈改变了生态系统的结构与功能[3-5]。火是森林生态系统的关键组成部分,具有双重作用,一方面能将生物量和土壤中的碳以CO2的形式释放进大气环境中,从而减少森林碳存储量[4];另一方面能从森林生物量中释放养分进入土壤,进而促进植物的生长[6]。在气候变暖的背景下,林火发生的强度与频率可能会增加[7-8],因而迫切需要研究火对森林生态系统的影响,从而更好地管理火后森林生态环境,及维持森林生态服务功能。

国内外关于林火对森林生态系统结构与功能方面影响的研究,以往多关注火后植被更新与生态系统生产力方面[3,9],而先前忽略的林下土壤环境对林火的响应已成为现下的研究热点。尽管已有一些学者在研究林火对土壤环境影响方面已取得一些研究成果[10-13],但这些研究主要集中在碳(C)氮(N)循环方面,较少火后考虑元素磷(P)的变化。相较于N而言,P亦是植物生长发育的必需营养元素,它是组成植物体内许多化合物的重要成分,在植物体生长和代谢过程中具有不可替代的作用[14]。相较于N的开放式循环系统,P的循环过程较为封闭,土壤中P的主要来源为岩石风化,也有少部分来自于有机质的矿化[15]。由于磷酸根易于结合一些钙镁离子,从而将其固定在化合物内,降低了其有效性。北方针叶林林下环境湿冷,不利于有机质的矿化,从而使得大量养分积累在林床层中[16]。而林火通过燃烧有机质,可以直接释放无机P,也能通过改变火后土壤环境促进有机质的矿化,进而影响元素P的循环。

大兴安岭是我国唯一的寒温带针叶林生态系统,是我国主要的生态安全屏障,该区域70%的面积覆盖着兴安落叶松,为全国提供30%的木材。大兴安岭是我国森林火灾频繁发生区,呼中林区从1990—2010年,20年间共发生林火167次,平均火烧面积约200 hm2,最大火烧面积8 700 hm2,不仅造成了巨大的经济损失,还严重破坏了该生态系统的生态服务功能[17-18]。为深入理解林火对兴安落叶松林生态系统结构与功能的影响,研究林火对于林下土壤环境的影响对火后土壤肥力管理、植被恢复与多样性的保护均具有重要意义。本研究以大兴安岭呼中国家自然保护区2000年和2010年火烧区为研究对象,并选择附近未过火区作为对照,综合分析了火后5年、16年凋落物P、有机层与矿物层土壤P含量的动态变化,及其与林火烈度、火后土壤性质间的相关关系。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大兴安岭位于高纬度寒温带地区,属大陆性季风气候,为寒冷湿润气候区,是我国唯一的寒温性针叶林区。呼中国家自然保护区地处大兴安岭主脉和伊勒呼里山所夹成的东北坡,地理坐标为E122°39′30″～124°21′00″,N51°14′40″～52°25′00″。本区地貌类型为石质中低山地,平原面积较小,山体的总体走向为东北-西南,海拔高度在420～1 404 m。本区属寒温带大陆性季风气候,冬季寒冷漫长多雪,夏短暂多雨,年均温-4.7 ℃,年均降水量为458 mm。土壤类型为棕色针叶林土,主要发育于花岗岩与石英岩。保护区总面积为167 213 hm2,有林地面积14.0万hm2,森林覆盖率为92.2%。本区植被以兴安落叶松林(Larix.gmelinii)为单优势种,并混有白桦(Betulaplatyphylla)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv)、云杉(Piceakoraiensis)和山杨(PopulusdavidianaandP.suaveolens)。

1.2 实验设计

2015年6—8月对2010年火烧迹地进行野外调查取样,2016年7—8月对2000年火烧迹地进行野外调查取样,选择附近未过火区作为对照,研究区样地概况见表1。选择附近未过火区作为对照。Fang等[19]和Cai等[20]研究中已经确定基于遥感影像获取的差分归一化火烧比率(differenced Normalized Burn Ratio, dNBR=NBR火前-NBR火后)适用于本研究区,因此,本研究中林火烈度(fire severity)的确定依据遥感影像。选择2010、2000年火烧迹地进行火后5年、16年的调查,共设44个样方40 m×40 m,其中对照12个,火后5与16年各16个。

样地标准:选择斑块面积大于18 000 m2(20 像元),每个斑块中心选择1个样地,大板块可选择2～3个样地,距离边界5个像元以上,去除边界效应,采样区距离道路路程尽量保证在1 h以内。为保证火烧区与对照样地间数据的可比性,尽量确保二者在火前植被类型、林型、地形、土壤性质等条件基本一致。

表1 研究区样地基本概况Table 1 Basic characteristics of sampling sites of study area

注: 表中关于土壤湿度和pH的数值为均值(SD)

在每个样方,按照回字形取样法(样方的4个角和中心部位)采集0～10 cm矿物层土壤、有机层土壤,然后将所采集的矿物层和有机层土样分层次进行混匀,各获得1个矿物土和有机土混合样,土样放于自封袋,存于冰盒中4 ℃冷藏保存。带回实验室后,分成2份,1份放于冰箱冷藏保存,用于土壤理化性质的测定;1份在阴凉处风干,用于分析总磷。

凋落物的采集,在每个样方内再划分5个1 m×1 m的小样方,收集地表凋落物,存放于布袋中,带回实验室。凋落物样品在烘箱中烘干后存放起来以备分析。

1.3 实验分析

土壤pH值与湿度的测定按照土壤农业化学分析方法进行[21]。土壤样品自然风干后研磨过100目筛,用于分析土壤P含量;将烘干的凋落物样品研磨过100目筛后,用于分析凋落物P含量。土壤P采用硫酸+高氯酸消煮-钼锑抗比色法测定,凋落物P采用硫酸+过氧化氢-钼锑抗比色法测定[21]。

1.4 数据统计分析

采用Games-Howell post hoc test检验试验处理对土壤和凋落物P含量的影响,显著性水平为0.05。采用Spearman相关性分析检测土壤P和凋落物P含量之间及其与林火烈度(dNBR)、土壤理化性质间的相关关系。所有数据分析在R3.4.5统计软件中完成。

2 结果与分析

2.1 火后土壤P、凋落物P含量的变化

林火影响了各层土壤中的P含量。对照分析,火后5年,凋落物P含量从(2 699±842) mg·kg-1减少至(1 777±402) mg·kg-1,显著减少了34%;而有机层土壤P含量则从(1 260±304) mg·kg-1增至(1 618±590) mg·kg-1,显著增加了28%,矿物层土壤P含量从(597±68) mg·kg-1增至(833±160) mg·kg-1,增加了39%(图1)。火后16年,凋落物P含量仍显著低于对照,而矿物层土壤P含量则显著高于对照,有机层土壤P含量则基本恢复至火前水平。火后5年,各层土壤中的P含量变化与林火烈度(dNBR)不显著相关;而火后16年,凋落物P含量与dNBR边际性正相关(r=0.35,p=0.077),矿物层土壤P含量则与dNBR边际性负相关(r=0.38,p=0.055)(表2)。

图1 火后凋落物P含量、土壤P含量的变化Fig.1 Post-fire changes in total phosphorus of litter and soil

表2 凋落物P含量、土壤P含量与林火烈度(dNBR)的相关关系Table 2 Correlations (r) between fire severity (dNBR) and total phosphorus of litter and soil

注: LP:凋落物P含量(litter P); OSP:有机层土壤P含量(organic soil P); MSP:矿物层土壤P含量(mineralsoil P); **在0.01水平上显著相关; *在0.05水平上显著相关

2.2 土壤P与凋落物P含量的相关性关系分析

对照区,凋落物、矿物层和有机层土壤的P含量三者间不相关,凋落物与有机层土壤P含量间相关系数较高,但差异不显著(表3)。火后5年,凋落物、矿物层和有机层土壤P间的相关系数比对照的高,但差异不显著(表3),这表明林火改变了各层土壤P之间的相关关系。火后16年,矿物层土壤P含量与有机层土壤和凋落物P含量间的相关关系增强,且矿物层与有机层土壤P含量间边际性相关(r=0.36,p=0.066)。

表3 凋落物P含量、土壤P含量的相关关系Table 3 Correlations among the total phosphorus of litter and soil

注: LP:凋落物P含量(litter P); OSP:有机层土壤P含量(organic soil P); MSP:矿物层土壤P含量(mineral soil P); **在0.01水平上显著相关; *在0.05水平上显著相关

2.3 土壤P、凋落物P含量与土壤环境因子的相关性关系分析

对照区,凋落物P含量与矿物层土壤湿度显著正相关,而矿物层土壤pH显著负相关;矿物层和有机层土壤P含量与各层土壤湿度、pH不显著相关(表4)。火后5年,仅凋落物P含量与有机层土壤pH呈显著负相关,其他各层土壤P与土壤性质不显著相关。火后16年,有机层土壤P含量与矿物层土壤湿度显著正相关,而凋落物P含量则与其呈显著负相关(表4)。

表4 凋落物、土壤P含量与土壤环境因子间的相关性关系Table 4 Correlations between soil environments and the totalphosphorus of litter and soil

注: 凋落物P含量(litter P); OSP:有机层土壤P含量(organic layer soil P); MSP:矿物层土壤P含量(mineral soil P); **在0.01水平上显著相关; *在0.05水平上显著相关

3 讨 论

本研究发现,火后5与16年矿物层土壤P含量显著高于对照区,表明林火增加了矿物层土壤P含量,这一结果与先前的研究一致[10,22],本研究团队以前的研究也指出火后11年矿物层土壤P含量仍显著高于对照区[23]。这些研究认为火后矿物层土壤P含量的增加与森林可燃物消耗量、火后地表土壤受侵蚀程度、地表径流量等因素密切相关[24]。Certini[10]指出森林可燃物燃烧可将固定在生物量和凋落物中的有机P以无机的形式释放出来,这些被释放的P在燃烧过程伴随灰分沉降至地表,从而可能增加土壤P含量。Romanya等[25]指出燃烧释放的P首先影响土壤表层的P含量。本研究也发现火后5年,有机层土壤P含量显著增加,这与灰分的沉降密切相关。而被沉降在地表的P,其火后的迁移变化则主要与地表侵蚀与淋失有关[24]。本研究的2场火发生在2000和2010年的6月,这个时间是大兴安岭的干燥季节,也是林火的主要发生季。这2场火是由干燥引起的雷击火,而在林火发生后直接进入大兴安岭的夏季降雨期。根据当地气象资料记录2次林火发生后,都经历了暴雨的袭击。因此,灰分中的大量养分通过淋失进入土壤的更深层次,或是通过地表径流进入周围的水域生态系统。火后土壤P含量的大幅增加,可能会促进火后植被的更新速度,对于火后生产力的恢复起到至关重要的作用[26-27]。

尽管火后有机层和矿物层土壤P含量显著增加,但凋落物P含量则显著减少。本研究发现,火后5年甚至是16年,凋落物P含量显著低于对照区,这表明林火加快了P在落叶松生态系统中的循环速率。对照区,林下土壤苔藓层厚,蓄有过多水分,土壤深层处存在永冻层,这种湿冷的环境抑制了凋落物的降解,使得大量P存储在凋落物中。而林火的发生,不仅直接通过燃烧释放了凋落物P,还可能通过改变林下环境影响养分的循环速率。Lagerström 等[28]研究了火序列对瑞典北部一些生态系统P循环的影响,发现火干扰影响了土壤P的循环,缺少火干扰或降低火频率会减少土壤P的有效性;同时还指出P有效性是土壤微生物活动的指示因子。这些结果表明,林火对P循环的影响可能会通过影响土壤微生物活动进而影响其他元素的循环过程。

本研究发现,对照区凋落物、有机层与矿物层土壤P含量间相关性不显著,但凋落物与有机层土壤P含量存在较强的相关关系,说明落叶松林生态系统的P在凋落物和土壤有机层积累;而凋落物、有机层与矿物层土壤P含量间不相关。这一结果可能与对照区缓慢的P循环速率有关,也可能是因为本研究的样本数量较小(n=12),相关关系在统计上没有显示出来。研究结果表明,火后5年凋落物与有机层土壤P含量呈负相关(r=-0.26),但关系不显著,表明有机层土壤高的P含量促进了凋落物的降解。而这与对照区的结果是相反的,表明野火改变了凋落物与有机层土壤间的关联。火后16年,有机层与矿物层土壤P含量间显著正相关,表明火后土壤各层的P循环速率加快,有机层土壤磷的矿化为矿物层植被根系对P的消耗提供了补充。这些研究结果表明,林火加强了大兴安岭森林凋落物-土壤间的关联,促进了P循环,对火后演替初期植被恢复具有重要意义。

林火烈度通常用燃烧过程中森林可燃物的消耗量、所释放的能量、达到的燃烧温度来衡量[29],是影响土壤养分库数量变化的关键因素[30-31]。一些研究发现,高烈度火能够消耗更多的地表生物量和枯落物,故而释放出更多的养分[24,30],而土壤中各养分含量的变化则与元素对火的敏感响应密切相关。如氮,因具有较低的燃烧挥发温度阈值,因而易于从森林可燃物中释放出来,增加其有效量;但其增加量却受到燃烧温度的影响,在燃烧温度超过500 ℃时,几乎可将燃烧释放的氮全部损失掉[24]。相较于氮而言,元素P具有较高的燃烧挥发温度(774 ℃), 一般情况下,土壤P通过燃烧挥发的损失较小,林火释放的P量与林火烈度呈显著正相关[12]。孔健健等[23]在本研究区的前期研究中也发现火后1年,矿物层土壤P含量、有效P量与林火烈度呈显著正相关,但随火后时间增加,这种关系消失。火后5年与16年,林火烈度与各层土壤P间不存在显著相关关系。这可能因为火后长期的地表径流侵蚀作用去除了高低烈度火遗留的灰分效应。

本研究表明,林火显著改变了大兴安岭森林中凋落物、有机层与矿物层土壤P的储存量;火后土壤中P含量的大幅增加,对火后初期植被更新及生产力的恢复具有重要意义。本研究也为揭示林火对兴安落叶松林生态系统的长期影响提供了重要科学依据,对于火后土壤肥力的管理与植被恢复具有重要指导意义。