大兴安岭火烧迹地土壤有机质含量的Meta分析

张扬，铁牛，2*，刘洋，张晨

(1.内蒙古农业大学林学院，内蒙古 呼和浩特 010019；2.内蒙古自治区林业科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010010)

火是大兴安岭森林主要干扰之一。近年来受到火干扰的影响，大兴安岭森林土壤温度随之发生变化，土壤碳氮比与碳储量也相应改变[1]，土壤当中的有机质受到干扰。土壤有机质是植物生长发育和土壤保肥中必不可少的营养成分，因此，研究火干扰对土壤有机质含量的影响具有重要意义。

目前对于火烧后的大兴安岭森林的研究主要是火烧对植物的影响，有火烧对植物分类组成的改变[2]，树木的生长恢复[3]，提高木材经济效益[4]等。研究土壤有机质的文章也主要是通过试验的方法，但各研究结果得出的结论有所差异，因此，要想得出大兴安岭地区火后土壤有机质含量变化的一般规律，需整合分析大兴安岭地区相关研究的试验数据。采用Meta分析方法,用定量评估火干扰对森林土壤有机质的影响,并通过亚组分析进一步探讨土壤有机质含量在不同火烧恢复年限，不同火烧强度影响下的变化情况。解决各单项研究对同一个目的研究结果不一致的问题，提高相关研究结果的可信度[5]。为受到火灾影响的森林土壤肥力恢复及对植物生长环境恢复的相关研究提供参考依据[6]。

1 材料与方法

1.1 文献纳入和剔除

以“大兴安岭地区”、“火烧迹地”、“不同火烧强度”为关键词在中国知网和Web of Science核心合集数据库中进行检索，筛选大兴安岭地区不同火烧强度对土壤有机质影响的相关研究论文。

所收集的文章必须符合以下标准:(1)文献必须有对照(未火烧)和实验组(火烧)的包括土壤有机质指标(2)研究样地林型为兴安落叶松林,土壤类型为棕色针叶林土，火烧强度根据林木受损情况分为轻、中、重度火烧3种[7]。土样在0～20cm范围土层采集。文献数据需包括具体的数值或图表,数据必须包括平均值和样本量(处理重复数)。通过Meta分析处理的数据可信度高，利用正态分位数图检验发表偏倚性，y-轴代表均值，斜率表示SD若样本来自同一总体，且样本量足够大斜率应为1.如图1所示，数据基本呈现线性，落在置信区间内，说明不存在发表偏倚性。

1.2 数据获取

文献中数据以表格形式呈现的直接获取，以图形呈现的，用GetData 软件进行图形数字化转换。并将所有土壤有机质含量的单位统一为有机质质量分数(%)。

图1 文献发表偏倚性检验

1.3 数据分析方法

本研究采用MetaWin2.0进行meta分析，利用响应比1nR反映不同火烧强度，不同火烧年限对土壤有机质含量的影响。公式如下：

式中S2,SC,NE,NC代表一个独立研究当中实验组以及对照组方差和样本量。

式中:CI代表累计效应值的95%置信区间；Sem代表综合效应值的标准误。选用随机效应模型分析计算火烧后土壤有机质的效应值和方差。在某一指标平均效应值的95%置信区间不与零重叠时,就认为火烧强度对土壤有机质含量的影响达到显著水平;反之则不显著。

表1 被引用参考文献

2 结果与分析

综合数据显示，轻度火烧、中度火烧、重度火烧对土壤有机质含量的增加效应不显著，可能由于单个研究受区域气候条件、时间等因素影响较大，不能反映大兴安岭地区的综合情况，因此，本研究采用Meta分析方法对大兴安岭地区火烧对土壤有机质含量影响的独立试验结果进行整合，综合评价火烧强度和年限对土壤有机质含量的增加效果。

图2 火烧强度对土壤有机质含量的影响

2.1 轻度火烧对土壤有机质含量的效应分析

在轻度火烧中，不同火烧年限对土壤有机质含量的影响有所差异。整体上，各研究结果之间异质性检验具有统计学意义(P<0.05),综合各研究结果得出土壤有机质含量轻度火烧低于未火烧(合并效应值E=-0.0408)，但均未达到显著(置信区间包含0)。分析轻度火烧后不同火烧年限对土壤有机质含量的效应，得出以下结果：

(1)火后2年内(包含2年)，土壤有机质含量在轻度火烧干扰下有增加趋势，但并不显著(置信区间包含0)。是由于轻度火烧强度使大量燃烧不充分的树叶、树皮、树枝等物质渗入土壤，短期内火后土壤温度高，加快了枯枝落叶的分解，土壤有机质含量有所增加。

(2)火后3～5年之间，土壤有机质含量在轻度火烧干扰下有降低趋势，但并不显著(置信区间包含0)。这可能是由于火烧烧毁许多地表的植被，土壤表层有机质虽大量分解,但在火后3～5年之间，相比火后2年内(包含2年)降水周期较长，表层的有机质会随着降水而流失。

(3)火后6～10年之间，土壤有机质含量在轻度火烧干扰下仍有降低趋势，效应显著(置信区间不包含0)。这可能是相比火后2年内(包含2年)，火后3～5年之间，随时间的延长，降水周期变长，分解在土壤表层的有机质随降水流失更为明显。

(4)火后11～30年之间，土壤有机质含量在轻度火烧干扰下有增加趋势，但并不显著(置信区间包含0)。这说明长期火烧后，地表植被和枯落物不断增加，土壤有机质含量大于降水的流失，土壤有机质含量在不断恢复。

2.2 中度火烧对土壤有机质含量的效应分析

在中度火烧中，不同火烧年限对土壤有机质含量的影响有所差异。整体上，各研究结果之间异质性检验具有统计学意义(P<0.05),综合各研究结果得出土壤有机质含量中度火烧低于未火烧(合并效应值E=-0.0333)，但均未达到显著(置信区间包含0)。分析中度火烧后不同火烧年限对土壤有机质含量的效应结果如下:

(1)火后的2年内(包含2年)，土壤有机质含量在中度火烧干扰下有增加趋势，但并不显著(置信区间包含0)。可能是中度火烧在这一时间内会使枯枝落叶燃烧不充分，渗入土壤，使土壤有机质含量升高。

(2)火后3～5年之间，土壤有机质含量在中度火烧干扰下有增加趋势，但并不显著(置信区间包含0)。如图2所示，相比火后的2年内(包含2年)，效应值虽大于零，但有所减小。虽比未火烧样地的有机质含量高，但土壤中的有机质含量已经在随降水周期的延长产生损失。

(3)火后6～10年之间，土壤有机质含量在中度火烧干扰下有降低趋势，但并不显著(置信区间包含0)。可能是经中度火后的森林土壤，土壤结构改变，土壤中水分子、气体的运动加快，使土壤中土壤有机质发生转化或流失。

(4)火后11～30年之间，土壤有机质含量在中度火烧干扰下有增加趋势，但并不显著(置信区间包含0)。可能是土壤有机质含量的积累经过时间的沉淀已经高于其正常损失的含量。

2.3 重度火烧对土壤有机质含量的效应分析

经历重度火烧的森林，土壤有机质含量受不同火烧年限影响有较大差异。整体上,各研究结果之间异质性检验具有统计学意义(P<0.05),结果表明：重度火烧土壤有机质含量低于未火烧土壤有机质含量(合并效应值E=-0.0333),但均未达到显著(置信区间包含0)。分析重度火烧后不同火烧年限对土壤有机质含量的效应，得出以下结论：火后的2年内(包含2年)，3～5年之间，6～10年之间，11～30年之间，土壤有机质含量在重度火烧干扰下均有降低趋势，效应显著(置信区间不包含0)。这说明重度火烧强度较大,对植被的破坏力强,烧毁的植被主要以草木灰的形式存在,重度火烧后地上植被很难恢复生长，没有枯枝落叶的分解，土壤有机质大量损失。火烧强度对植被的破坏力的影响仍很明显。还未达到火烧前水平，需要的时间可能比30年要长。

3 结论与建议

对大兴安岭火烧迹地土壤有机质含量的Meta分析得到以下结论：

(1)与未火烧样地相比，轻度火烧后的3～5年之间，6～10年之间土壤有机质含量还未恢复到未火烧水平。在火后2年(包括2年)内和11年～30年之间轻度火烧对土壤有机质含量的增加有一定促进效应。在此期间，对火烧迹地林木采取适当的人工抚育。此时土壤当中的有机质含量有利于林木的生长发育，相对减少人力财力在森林土壤施肥中的浪费，既满足火烧迹地森林的恢复又减少了不必要的经济损失。

(2)中度火烧后6～10年间土壤有机质含量没有达到火烧前水平。火后的2年内(包含2年)，3～5年之间，11～30年之间中度火烧对土壤有机质含量的增加有一定促进效应。土壤当中的有机质含量在一定程度上有利于林木的生长发育，建议对于中度火烧后的森林应予以重视，利用火干扰的对土壤积极影响，适当补植，可提高林木成活率。

(3)重度火烧后的2年内(包含2年)，3～5年之间，6～10年之间，11～30年之间土壤有机质含量均未达到火烧前水平，对森林的损毁较为严重。土壤中的有机质含量较低对林木生长不能起到促进作用。对重度火烧的森林抚育可考虑在30年之后其土壤有机质含量逐步恢复后再进行。

在我国大兴安岭地区经过火后的森林土壤，在适当的时间内，表现出促进植物生长的潜力。未来，对于受到火干扰的森林，有利于充分挖掘和发挥火烧地在森林恢复中积极作用和优势。