大兴安岭火烧迹地植被恢复过程中土壤氮素特征

吴晞 赵雨森 辛颖

摘 要：以大兴安岭重度火烧迹地不同恢复年限的林分土壤为研究对象，对各形态氮素含量进行测定。为了研究重度火烧迹地在植被恢复过程中土壤氮素特征，研究结果表明：①大兴安岭“5·6”大火造成的重度火烧迹地，在植被恢复过程中，恢复了29 a的人工林土壤全氮储量最高，为3.16 g/kg。分别是恢复18 a、8 a和23 a土壤全氮含量的1.79、2.82和3.43倍。② 0～10 cm土层，恢复29 a林分土壤铵态氮和硝态氮含量显著高于其他恢复年限。③土壤有机碳与全氮呈极显著正相关关系，与铵态氮和硝态氮呈显著正相关关系。C/N与pH呈负相关关系。土壤全氮与铵态氮和硝态氮呈显著正相关关系。研究结果可作为大兴安岭重度火烧迹地植被恢复的科学依据。

关键词：土壤氮素;火烧迹地;植被恢复;大兴安岭

中图分类号：S774    文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2022）02-0008-06

Distribution Characteristics of Soil Nitrogen During Vegetation

Restorations of Burned Area in Greater Xingan Mountains

WU Xi， ZHAO Yusen， XIN Ying*

（School of Forestry， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract：Taking the forest soil of different recovery years in the severely burned area of Great Xingan Mountains as the research object， the content of various forms of nitrogen was determined. In order to reveal the characteristics of soil nitrogen in vegetation restoration process of severely burned areas， the results showed that： ① in the process of vegetation restoration of burned area caused by the “5.6” fire in Greater Xingan Mountains， the total nitrogen storage was the highest in the soil of 29 years plantation， which was 3.16g/kg. It was 1.79， 2.82 and 3.43 times of total soil nitrogen content in 18， 8， and 23 years of restoration， respectively. ② In 0-10 cm soil layer， the contents of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in 29 years of restoration were significantly higher than those in other restoration years. ③ Soil organic carbon showed a very significant positive relationship with whole nitrogen， and that with ammonium and nitric nitrogen. The C/N was negatively correlated with the pH values. A significant positive correlation between soil whole nitrogen and ammonium and nitrate nitrogen. The results can provide scientific basis for vegetation restoration of severely burned area in Greater Xingan Mountains.

Keywords：Soil nitrogen; burned area; vegetation restoration; Greater Xingan Mountains

0 引言

氮素是森林生态系统中最重要的元素之一，是植被生长发育所必需的重要营养元素。自然生态系统中含有有机氮和无机氮两大类，其中无机氮只占到全氮总含量的1%～8%。植物可以直接吸收的主要是无机氮，部分植物可以吸收小部分有机氮，自然状态下，矿化作用可将有机氮转化成植物可以吸收的无机氮。因此，土壤中无机氮的存在对植物的生长起到重要作用。

大兴安岭林区是我国寒温带针叶林的唯一分布区，承担着维护地域生态平衡，保障生态安全的重任。该区也是我国的林火高发区，特别是1987年5月6日發生的特大森林火灾，烧毁森林资源100多万hm2，形成大面积的重度火烧迹地。众多学者对大兴安岭火烧迹地的研究更多地集中在土壤有机碳的分布特征，而该区域土壤氮素特征也逐渐引起关注。已有研究显示火烧可以使土壤中的氮素损失，DeBano等研究发现高强度火烧过程中导致土壤中67%的氮损失。火烧虽然释放土壤中大量的氮，但也会引起可利用氮在短期内增加，从而促进火后植被更新。这种趋势一般维持在火后大约1～2 a。在火烧后初期大兴安岭重度火烧迹地土壤全氮 、有效氮的含量有明显的增加。在火后不同年限，土壤无机氮含量随着时间推移而变化。Covington等发现在火干扰后土壤中的无机氮含量迅速增加。北方针叶林中火后随时间推移可利用无机氮呈下降趋势。斑克松林在野火干扰后净氮矿化速率以及铵根离子含量最初下降随后呈增加趋势。

本研究以大兴安岭重度火烧迹地不同恢复年限的林分土壤为研究对象，通过对各形态氮素含量研究，揭示重度火烧迹地植被恢复过程中土壤氮素含量的特征，为大兴安岭地区火烧迹地植被恢复与重建工作提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区域概况

研究区位于黑龙江省大兴安岭地区阿木尔林业局，该区是1987年“5·6”大火重灾区，地理坐标为： 52 15′03″～ 53°33′15″N，122°38′30″～ 124°05′05″E。海拔为500 ～ 800 m。属于寒温带大陆性气候，夏季短暂而炎热，冬季漫长且寒冷，昼夜温差大。年均气温-5 ℃，年均降水量429～527 mm，年无霜期为80～110 d。地带性土壤为棕色针叶林土，隐域分布沼泽土和泥炭土。区域内主要树种有兴安落叶松（Larix gmelinii）、樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）、 白桦（Betula platyphylla）和山杨（ Populus davidiana）等。

1.2 样品采集

2018年7月，对阿木尔林业局重度火烧迹地经过植被恢复的林分进行实地踏查，选取不同恢复年限（29、23、18、8 a）的落叶松人工林为研究對象，以天然恢复的林分为对照，所选样地火烧前都是兴安落叶松林，海拔、坡度和坡向等立地条件基本一致，土壤类型为棕色针叶林土。重度火烧后在不同年份种植落叶松，种植落叶松前并未做其他利用，落叶松人工林造林密度均为3 300株/hm2，造林后连续3 a进行人工抚育。天然恢复的次生林在重度火烧后未受过人为干扰，主要树种是白桦和山杨，见表1。在各林分中分别设置 3 个 20 m × 30 m 的标准样地，每个标准样地内设置5个取样点，每个取样点按照0～10 cm和10～20 cm机械分层取样，土壤样品风干后带回实验室测定。

1.3 样品测定

采用电位法测定土壤pH，元素分析仪测定土壤有机碳，先浓硫酸消煮，再半微量凯氏定氮法测定全氮，连续流动分析仪（AA3）测定铵态氮和硝态氮。

1.4 数据分析

数据统计分析采用SPSS Statistics 20，应用单因素方差分析法分析重度火烧迹地在植被恢复过程中不同形态氮素的差异性，应用Pearson法分析土壤各形态氮素与土壤理化性质间的相关性。

2 结果与分析

2.1 土壤全氮特征

大兴安岭重度火烧迹地在植被恢复过程中，恢复29 a的林分土壤全氮含量显著高于其他林分（P<0.05），土壤全氮含量为1.97 ～ 3.16 g/kg。其次是恢复18 a的林分，土壤全氮含量为1.32～1.77 g/kg。恢复23 a和8 a的林分土壤全氮含量低于天然次生林，如图1所示。

重度火烧迹地在植被恢复后上层土壤全氮含量大于下层。0～10 cm土层，不同恢复年限下土壤全氮含量为0.92～3.16 g/kg。恢复29 a土壤全氮含量为3.16 g/kg，分别是天然次生林、恢复18 a、恢复8 a和恢复23 a土壤全氮含量的1.60、1.79、2.82和3.43倍。

10～20 cm土层，不同恢复年限林分土壤全氮含量为0.47～1.97 g/kg。恢复29 a和恢复18 a土壤全氮含量高于天然次生林，分别为1.97和1.32 g/kg。恢复8 a和恢复23 a土壤全氮含量低于天然次生林，分别为0.77  g/kg和0.47 g/kg。恢复29 a后土壤全氮含量分别是恢复18 a、天然次生林、恢复8 a和恢复23 a的1.49、1.93、2.56和4.19倍。

2.2 土壤铵态氮特征

由图2可知，大兴安岭重度火烧迹地在不同恢复年限下土壤铵态氮含量为3.62～5.97 mg/kg，恢复29 a的林分土壤铵态氮含量最高。恢复29 a、恢复8 a、天然次生林、恢复23 a和恢复18 a土壤铵态氮含量分别为4.13 ～ 5.97、4.10～4.46、3.62～4.05、3.71～3.87和3.70～3.86 mg/kg。

在0～10 cm土层，土壤铵态氮含量范围为3.70～5.97 mg/kg。恢复29 a土壤铵态氮含量显著高于其他恢复年限（P<0.05）。恢复29 a和恢复8 a土壤铵态氮含量高于天然次生林，分别为5.97 mg/kg和4.10 mg/kg。恢复23 a和恢复18 a土壤铵态氮含量低于天然次生林，且含量很接近，分别为3.71 mg/kg和3.70 mg/kg。

10～20 cm土层，不同恢复年限落叶松人工林土壤铵态氮含量均高于天然次生林。恢复8 a土壤铵态氮含量最高，为4.46 mg/kg。恢复29 a和天然次生林上层土壤铵态氮含量大于下层土壤，其他恢复年限均是下层土壤大于上层土壤的铵态氮含量。

2.3 土壤硝态氮特征

由图3可知，不同恢复年限下土壤硝态氮含量明显不同，且均低于天然次生林。恢复29、18、8、23 a土壤硝态氮含量分别为1.04～1.78、0.62～0.79、0.50～0.54、0.44～0.53 mg/kg。

在0～10 cm土层，不同恢复年限落叶松人工林土壤硝态氮含量范围在0.50～1.78 mg/kg。恢复29 a土壤硝态氮含量明显高于其他恢复年限，分别是恢复23、18、8 a的3.34、2.62、3.56倍。

10～20cm土层，不同恢复年限下土壤硝态氮含量为0.44～1.04 mg/kg。恢复29 a、恢复18 a、恢复8 a、恢复23 a含量依次为1.04、0.62、0.54、0.44 mg/kg。除了恢复8 a外，其他恢复年限土壤硝态氮含量均是上层大于下层。恢复29 a上层土壤硝态氮含量是下层土壤的1.71倍。

2.4 土壤铵态氮与硝态氮质量分数比值（ANR）特征

土壤铵态氮与硝态氮质量分数比值（ ANR）能更好地反映土壤氮素形态。研究结果表明，不同恢复年限落叶松人工林土壤铵态氮与硝态氮质量分数比值存在显著性差异（P<0.05），落叶松人工林土壤铵态氮与硝态氮质量分数比值均大于天然次生林。在0～10 cm土層，ANR范围在2.15～8.21，由大到小依次为：恢复8 a、恢复23 a、恢复18 a、恢复29 a、天然次生林。10～20 cm土层，ANR范围在2.67～8.80，由大到小依次为：恢复23 a、恢复8 a、恢复18 a、恢复29 a、天然次生林（图4）。

2.5 土壤氮素与主要土壤化学性质的相关性

重度火烧迹地在植被恢复后土壤呈偏酸性，0～20 cm土壤pH范围为4.73～5.42。其中，天然次生林土壤pH最高，人工恢复18 a在10～20 cm土壤pH最低。除了恢复18a的落叶松人工林土壤外，其他林分下层土壤pH均高于上层见表2。

土壤有机碳含量范围为6.40～61.66 g/kg。在0～20 cm土层范围内，恢复了23 a和8 a落叶松人工林土壤有机碳含量低于天然次生林。恢复29 a的落叶松人工林土壤有机碳含量最大。土壤C/N的变化范围为 13.62～20.29，不同恢复年限的落叶松人工林土壤C/N均高于天然次生林。0～10 cm土壤C/N最大的是恢复23 a，为20.29;最小是天然次生林，为13.99。10～20 cm，土壤C/N最大的是恢复29 a，为16.56;最小是恢复23 a，为13.62。

由表3可知，大兴安岭地区重度火烧迹地在不同恢复年限下，土壤中的有机碳含量与全氮含量之间存在极显著正相关关系，与铵态氮和硝态氮存在显著正相关性。土壤全氮与铵态氮和硝态氮存在显著正相关性。C/N与pH呈显著负相关关系。

3 讨论

1987年大兴安岭林区发生“5·6”特大森林火灾，此次火灾中植被严重破坏，过火面积达133万hm2，其后逐渐开展植被恢复工作。本研究中，重度火烧迹地在不同恢复年限后土壤全氮含量不同，除恢复23 a外，总体上呈现出随着恢复年限的增加土壤全氮含量逐渐呈上升的趋势。火烧打破了土壤之间的水热平衡，火后土壤水分大量蒸发流失。随着恢复年限延长，土壤水分状态恢复，微生物活动加剧，氮矿化速度加快，土壤有效氮含量增多。温度对土壤氮影响也相当显著，林火通过燃烧有机质对氮循环产生影响，当温度达到200 ℃左右氮开始挥发，达到500 ℃时有机质中将有近一半的氮会挥发。同时火烧通过升高土壤温度使土壤微生物活动加剧，影响土壤氮矿化速率。温度高于508 ℃时导致热敏性微生物死亡，超过708 ℃直接烧毁植被，被烧死的植物和微生物迅速氧化为无机氮。此外，植被恢复过程中所产生的凋落物重新回到土壤内，土壤的结构和成分通过微生物的活动得到了显著的改善。这些过程和作用均会促进土壤氮含量的增加。随着恢复年限的增加，植被丰富度恢复增加，凋落物不断矿化积累，因此土壤全氮含量呈现出随着恢复年限的增加逐渐呈上升的趋势。但是恢复23 a的林分，林下基本无灌木，产生的凋落物较少，且因其针叶树种凋落物分解缓慢，不利于氮矿化积累，故此该年限林下土壤氮含量最低。

林地土壤中无机氮的主要成分为NH+4-N和NO-3-N。火烧的过程改变了土壤的pH，同时也使土壤中的无机氮含量增加。已有研究发现0～10 cm土层的NH+4-N和NO-3-N的含量大于10～20cm土层。植被燃烧过程中会产生大量灰分，这些的灰分沉积物将会增加土壤中的无机氮含量。研究发现，大兴安岭重度火烧迹地在植被恢复过程中土壤NH+4-N呈现出先下降后增加的趋势。NH+4-N能够被植物快速吸收，在植被恢复早期，兴安落叶松生长较快，不断吸收土壤中的NH+4-N，而其凋落物分解速率较慢，因此土壤中NH+4-N含量降低。随着恢复年限增加，凋落物持续分解，土壤有机氮不断矿化，无机氮积累，NH+4-N含量增加。

在火烧迹地植被恢复过程中，土壤中NO-3-N的含量不断发生变化，本研究表明，恢复29 a的落叶松人工林土壤NO-3-N的含量最高。除恢复23 a的林分外，土壤中的NO-3-N随着年限延长呈现增加的趋势。这是由于随着恢复年限的增加，植被的物种丰富度增加，植被生长所产生的凋落物以及根系部分所产生的腐解物在土壤中不断矿化、积累，一方面将大部分的无机营养元素返还给土壤，另一方面，植被恢复改善了土壤质地、通气状况和理化性质，进一步促使微生物的活动能力增强，对氮素的固定转化能力增强，土壤NO-3-N含量增加。同时在植被恢复早期，兴安落叶松生长较快，不断吸收土壤中的NO-3-N，而其凋落物分解速率较慢，因此土壤中NO-3-N含量增长缓慢。随着恢复年限增加，兴安落叶松生长平缓，吸收土壤中的NO-3-N趋于稳定，凋落物持续分解，土壤有机氮不断矿化，无机氮积累，NO-3-N含量增加。

4 结论

大兴安岭重度火烧迹地植被恢复过程中，通过对不同恢复年限下土壤氮素分布特征研究发现如下结论。

（1）大兴安岭重度火烧迹地在经过29 a人工植被恢复后，土壤全氮和铵态氮储量最高。0～10 cm土层，恢复29 a林分土壤铵态氮和硝态氮含量显著高于其他恢复年限。

（2）土壤中的NH+4-N随着年限的延长呈现先减少再增加的变化趋势。除恢复23 a的林分外，土壤中的NO-3-N和全氮随着年限延长呈现增加的趋势。

（3）大兴安岭重度火烧迹地植被恢复过程中，土壤有机碳与全氮呈极显著正相关关系，与铵态氮和硝态氮呈显著正相关关系。C/N与pH呈负相关关系。土壤全氮与铵态氮和硝态氮呈显著正相关关系。

【参 考 文 献】

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