不同程度火干扰对大兴安岭冻土区土壤碳组分的影响

闫志刚，王 鼎，周 梅，赵鹏武，田金龙，舒定玺

(1.内蒙古大兴安岭航空护林局，内蒙古 呼伦贝尔 021000；2.甘肃农业大学 资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；3.内蒙古农业大学 林学院，内蒙古 呼和浩特 010000；4.内蒙古毕拉河国家级自然保护区，内蒙古 呼伦贝尔 165479)

森林土壤有机碳是土壤碳汇的重要组成部分，森林土壤碳库占全球土壤碳库的73%，内部组成极为复杂，且受外界影响较大，在调节陆地生态系统碳收支和碳平衡过程中起着关键作用[1]。因此，研究土壤有机碳对森林土壤碳汇的影响有重要意义[2-3]。森林土壤有机碳库的变化可能会引起大气中CO2浓度发生改变，从而影响局地的气候变化。因此，各国学者也越来越重视森林土壤碳库的研究[4-5]。

火是森林生态系统碳循环的重要干扰因子，不同程度的火烧对森林生态系统的作用不同，对森林土壤的有机碳库造成影响也不同[6-7]。大兴安岭林区森林火灾频繁发生，严重影响着森林生态系统的服务功能及土壤碳库[8]。土壤活性有机碳占土壤有机碳总量的比例较小，但活性有机碳能够直接参与土壤生物化学过程，反映出土壤质量的微小变化[9]。

大兴安岭林区林下资源丰富，是森林火灾频发区[10]。内蒙古大兴安岭冻土分布较广，北部地下多为连续永久冻土带，东南部多为岛状冻土和季节性冻土分布区域。火干扰将导致部分冻土区冻土融化、土壤性质发生改变[11-12]。本研究以内蒙古大兴安岭冻土区不同火烧程度火烧迹地为对象，研究森林火灾后土壤恢复期碳组分的变化特征，旨在为森林火灾后土壤碳库恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于毕拉河林业局2017年火烧迹地(49°00′-49°54′N，122°42′-123°55′E)，与汗马国家级自然保护区2018年火烧迹地(51°20′-51°49′N，122°23′-122°52′E)，2个研究区均隶属于中国内蒙古大兴安岭森林工业集团有限公司。毕拉河林区位于大兴安岭山脉的东南坡，地下为岛状冻土区，汗马保护区位于内蒙古大兴安岭山脉西坡北部，地下为永久冻土区。气候均属寒温带大陆性气候，特点是夏季温暖短促、多雨，冬季寒冷漫长。毕拉河林区年平均气温为-1.1 ℃，年平均降水量为480 mm，降雨期多集中在7-8月，约占全年降水量的50%～60%，无霜期130 d左右。汗马保护区年平均气温-5.3 ℃，年降水量450 mm左右，集中在7-9月，约占全年总降水的70%。保护区全年有长达10个月的积雪覆盖，局部地区积雪常年不化，无霜期只有80～100 d。

1.2 样地布设

分别于2017年5月和2018年7月在内蒙古大兴安岭毕拉河林区2017年火烧迹地和汗马保护区2018年火烧迹地内设置轻度、中度、重度3种类型火烧样地，同时在距离轻度火烧样地1 km范围内设置未火烧对照样地。每个类型样地设置3个重复，共24块样地，样地规格均为30 m×30 m。

1.3 土壤样品采集与实验方法

在样地内进行S形取样，每个样地取5份土壤样品，样品按照0～10、10～20、20～30 cm土壤层分层取样。取样后用自封袋保存、冷藏，带回实验室风干、研磨后进行土壤有机碳(SOC)和易氧化有机碳(ROC)含量(质量分数)的测定。Elementarvario EL III(德国)自动碳氮分析仪测定土壤SOC含量。土壤ROC含量的测定采用高锰酸钾氧化法。

1.4 数据处理

使用Excel 2016对数据进行初步分析，使用SPSS 20.0软件对数据进行单因素方差分析(Duncan)，显著性水平设定为P=0.05，使用Sigmaplot 12.5软件进行制图。

表1 样地基本特征

2 结果与分析

2.1 不同火烧程度土壤SOC变化特征分析

由图1可以看出，在毕拉河与汗马研究区，4种类型样地土壤SOC含量在0～30 cm土壤层中随着土壤层的加深而降低。在毕拉河研究区，火干扰会使得0～20 cm土壤层SOC含量增加，3种程度火烧样地0～10 cm土壤层SOC含量均显著高于对照样地(P<0.05)，其中，重度火烧程度干扰下土壤SOC含量升高最多。轻度和中度火烧样地10～20 cm土壤层SOC含量均显著高于对照样地(P<0.05)。轻度和重度火干扰会使20～30 cm土壤层SOC含量增加，中度火干扰会使20～30 cm土壤层SOC含量降低，但与对照样地相比，3种程度火烧样地20～30 cm土壤层SOC含量无显著性差异(P>0.05)。在汗马研究区中，较对照样地相比，轻度和中度火干扰会使0～30 cm土壤层SOC含量增加，中度火烧样地0～30 cm土壤层中SOC含量显著高于对照样地(P<0.05)，轻度火烧样地10～30 cm土壤层中SOC含量显著高于对照样地(P<0.05)重度火干扰会使0～30 cm土壤层SOC含量降低，但重度火烧样地0～30 cm土壤层SOC含量与对照样差异不显著(P>0.05)。可见，在毕拉河岛状冻土区火干扰会显著增加0～10 cm土壤层有机碳含量；在汗马永久冻土区轻度和中度火干扰会显著增加0～20 cm土壤层有机碳含量(P<0.05)。

注：不同小写字母表示相同土壤层不同火烧程度间差异显著(P<0.05)。下同。

2.2 不同火烧程度土壤ROC变化特征分析

由图2可见，除毕拉河轻度火烧样地外，2个研究区各类型样地土壤ROC含量在0～30 cm土壤层中随着土壤层的加深而降低。在毕拉河研究区，中度和重度火干扰会增加0～20 cm土壤层中ROC含量。其中，重度火烧样地0～10 cm土壤层中ROC含量显著高于对照样地(P<0.05)。而轻度火干扰会降低0～10 cm土壤层中ROC的含量，增加10～30 cm土壤层中ROC含量，但轻度火烧样地与对照样地相比，0～30 cm土壤层中ROC含量差异不显著(P>0.05)。在汗马研究区，轻度和中度火干扰会增加土壤ROC的含量，而重度火干扰会降低土壤ROC的含量。其中，轻度和中度火烧迹地20～30 cm土壤层ROC的含量显著高于对照样地(P>0.05)。

图2 不同火烧程度样地土壤ROC含量

2.3 不同火烧程度土壤SOC与ROC关系

ROC含量在SOC含量中的比例是衡量土壤碳库活性和稳定性的重要指标，该比值越大土壤有机碳活性越高，更易被分解矿化。本研究发现，林火干扰会对ROC含量在SOC含量的占比产生影响，不同火烧程度干扰对ROC/SOC的值影响也不同。在毕拉河研究区，轻度和重度火烧样地ROC/SOC的值随着土壤层的加深而升高，对照样地ROC/SOC的值随着土壤层的加深而降低。火干扰显著降低了0～20 cm土壤层中ROC/SOC的值(P>0.05)，其中轻度火烧样地0～20 cm土壤层中ROC/SOC的值最低。在汗马研究区，未火烧样地ROC/SOC的值随着土壤层加深而降低，3种火烧样地ROC/SOC的值随土壤深度变化无明显规律。轻度火烧样地ROC/SOC的值与对照样地相比略有升高，中度样地和重度样地与对照样地相比ROC/SOC的值略有降低，3种火烧样地0～20 cm土壤层中ROC/SOC的值呈现轻度火烧样地>中度火烧样地>重度火烧样地。轻度火干扰会增加0～30 cm土壤层中ROC/SOC的值，其中10～20 cm土壤层ROC/SOC的值显著大于对照样地(P>0.05)。中度和重度火干扰会降低0～20 cm土壤层ROC/SOC的值，但会增加20～30 cm土壤层ROC/SOC的值，其中20～30 cm土壤层ROC/SOC的值显著小于对照样地。

表2 不同火烧程度样地土壤ROC/SOC值

ROC含量与SOC含量之间的线性回归分析表明，毕拉河与汗马研究区的ROC含量与SOC含量之间的存在极显著正相关关系(P<0.01)，相关系数R分别为0.819、0.795，表明ROC含量在很大程度上取决于SOC含量。其中汗马研究区R比毕拉河研究区高，表明ROC含量与SOC含量之间的相关性更高。

表3 不同冻土区土壤ROC与SOC相关关系

3 结论与讨论

3.1 结论

1)在毕拉河岛状冻土区，火干扰会显著增加0～10 cm土壤层有机碳含量；在汗马永久冻土区，轻度和中度火干扰会显著增加0～20 cm土壤层有机碳含量(P<0.05)。

2)大兴安岭冻土区土壤ROC含量与SOC含量之间的存在极显著正相关关系(P<0.01)。

3)在毕拉河岛状冻土区，火干扰会降低0～20 cm土壤层ROC/SOC的值，火烧程度越小ROC/SOC的值越小。在汗马永久冻土区，轻度火干扰会增加0～30 cm土壤层ROC/SOC的值，中度和重度火干扰会降低0～20 cm土壤层ROC/SOC的值。

3.2 讨论

不同火烧程度下，土壤SOC含量在垂直分布随着土壤层的加深呈递减趋势，这与韩春兰[13]等的研究结果相同，即在火烧样地，森林土壤有机碳含量随着土壤层的加深而降低。张宇婧等[14]的研究发现，轻度火烧后大兴安岭森林土壤有机层碳含量与未过火对照样地相比有小幅度升高，认为是火烧使地表植被大量燃烧分解，同时产生了大量灰烬；火烧迹地土壤温度高，微生物分解速度加快，大量未被燃烧殆尽的可燃物进入土壤，对土壤有机质进行了有益补充。在本研究中除汗马重度火烧样地外，不同冻土区不同火烧程度样地0～20 cm土壤层中SOC含量也高于未火烧对照样地。韩春兰等[13]在火烧对兴安落叶松林土壤有机碳含量影响的研究中发现，重度火烧后土壤表层的有机碳大量分解，这与汗马研究区重度火烧样地结果相同，分析可知重度火干扰后初期，森林恢复植被较少，表层有机碳补充也相对较少，导致有机碳含量较未火烧样地相比明显下降。

魏云敏[15]研究发现，轻度火烧样地土壤总有机碳含量与碳组分含量高于未火烧样地，而中度和重度火烧样地，土壤总有机碳含量与碳组分含量均随火强度增强呈下降趋势。多数研究也表明火干扰后土壤活性有机碳含量会下降[16-17]，在本研究中只有在毕拉河轻度火烧样地和汗马重度火烧样地内发现该规律。在毕拉河研究区中度和重度火烧样地与汗马研究区轻度、中度火烧样地内均呈现火干扰后土壤活性有机碳含量增加的现象，这可能是因为在毕拉河研究区中、高强度的林火干扰与汗马研究区低、中强度的林火干扰会增加土壤内活性有机物的数量，增强了土壤活性有机碳的效应，致使土壤内活性有机碳含量增加[18]。目前大量的研究结果表明，不同火烧程度下土壤碳组分含量的变化没有一致的结论[19]。土壤有机碳组分变化与多种因素相关，如火烧程度、降雨、地形、林型、土壤质地、人为干扰等都与有机碳组分的变化密切相关[12-22]。因此，不同程度火烧对森林土壤有机碳含量和碳组分含量的影响，还需要进行长时期的定位观测才能有更为准确的结论。