林火對森林土壤有機碳影響的研究進展

徐 成，張水鋒，李克倫

(南京森林警察學院，江蘇 南京 210023)

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林火對森林土壤有機碳影響的研究進展

徐 成，張水鋒，李克倫

(南京森林警察學院，江蘇 南京 210023)

摘要：指出了森林生態系統土壤有機碳是全球碳循環的重要組成，在全球生態系統碳循環和全球變化的研究中占據著重要的地位?；鹨蜃邮歉蓴_森林生態系統發展的重要因子之一，對森林生態系統中土壤與大氣的碳素交換過程有著重要的影響。因此，加強火干擾對森林生態系統土壤有機碳的研究，了解林火對森林生態系統土壤有機碳循環過程的具體影響，對發現火干擾下森林土壤中碳循環的機理，特別是土壤有機碳的動態變化有著重要的作用。綜述了林火對森林土壤有機碳的研究進展，討論了測定土壤有機碳的幾種不同方法，比較了其適用性，探討了在不同林火強度和不同土壤深度條件下土壤有機碳的變化情況。對實際工作中遇到的問題以及今后森林土壤有機碳研究進行了展望。

關鍵詞：林火；森林土壤；有機碳；火強度

1引言

土壤有機碳庫是陸地碳庫的重要組成部分 ，在陸地碳循環研究中有著重要的作用。由于碳循環對全球生態系統循環有著重要的影響，因此，土壤有機碳研究受到人們普遍關注， 已成為全球變化研究的三大熱點之一[1]。要研究有機碳，就必須了解有機碳的儲存方式和它的存儲位置。據研究者發現，全球約有1 400～1 500 Gt的有機碳儲存在土壤中，是陸地植物碳庫(500～600 Gt)的2～3倍，是大氣碳庫(750Gt)的2倍[2，3]。根據《2005年全球森林資源評估報告》，2005年全球森林面積39.52億hm2，占陸地面積(不含內陸水域)的30.3%。因此，研究森林土壤有機碳對研究全球碳循環有著重要的意義。林火是影響森林生態系統的重要因子，火燒不但會對生態系統中的動物、植物、微生物產生影響，而且還會影響到土壤的物理性質(包括土壤結構、土壤濕度和土壤溫度)、化學性質(包括有機質、礦物質、土壤呼吸和土壤養分)土壤動物、土壤酶等。不同的火燒強度所產生的影響也會有所差異，但影響程度會隨火燒強度的增強而增加。

2國內外對土壤有機碳的研究

中國早在1946年就正式成立中國土壤研究學會，在土壤有機碳研究方面也取得了許多積極的進展。如周玉[11]榮等通過實驗研究估算出中國主要森林生態系統的土壤碳儲備量約為2.10×1010t，在全國森林生態系統碳總儲量中占據74.6%的比例，在全球森林土壤碳儲量中占據2.7%的比例；方精云[12]等通過利用我國1949～1998年間進行的7次森林資源清查資料，對我國近50年來森林碳庫的變化進行了推算，結果顯示在20世紀70年代中期以前由于對森林的不合理采伐利用，使中國森林碳庫不斷減少，據推算在這期間碳總儲量減少了約0.62×1015g，平均每年約減少0.024×1015g，但之后通過對森林利用加強管理和開展植樹造林運動，土壤碳庫儲量呈增加趨勢；周莉[13]等對土壤有機碳的主導影響因子進行的研究及進展，對影響土壤有機碳的多種因子(氣候、大氣成分、植被、土壤理化性質等)進行具體分析。這些科研工作者們在各方面取得的積極進展對我國在土壤研究方面都做出了巨大的貢獻。

國外對土壤有機碳的研究開始較早，在20世紀60年代，就有學者開始研究林火對土壤有機碳的影響，如Rashid.GH[4]等人研究火災對阿爾及利亞地中海橡樹林土壤有機碳的影響；Johnson.SE[5]等對北美不同林火影響下土壤有機碳變化進行分析；Dikici[6]等研究了泥炭火對土壤有機碳的影響；Czimczik[7]等研究了火燒對美國俄亥俄州闊葉櫟林土壤有機碳的影響；Garc，a-O liva[8]等研究了火燒對熱帶落葉闊葉林土壤有機碳的影響。也有學者對全球土壤有機碳總庫存量進行研究，但早期對土壤有機碳庫存量的估算大都是根據少數土壤剖面數據進行的，因此對有機碳儲存量的估算也有著很大的差異，但有兩位學者的估算值成為當前全球土壤有機碳儲量的上下限值，分別是1976年Bohn[9]利用土壤分布圖及相關土組的有機碳含量，估計出全球土壤有機碳庫存量為2 946 Pg，1951年Rubey[10]根據不同研究者發表的關于美國9個土壤剖面的有機碳含量，推算出全球土壤有機碳庫存量為710 Pg。由此也可以看出，在土壤有機碳研究方面仍有很多問題等待人們去探索和研究。

3土壤有機碳的測定方法

土壤有機碳根據微生物可利用程度分為易分解有機碳、難分解有機碳和惰性有機碳。易分解者有較高的生物利用率與損失率，難分解者則有較高的殘留率，一般占土壤有機質的60%～80%。雖然有機碳在土壤有機質中占據很大的比例，但在日常的實驗當中如何能夠快速而又精確的對土壤有機碳進行測量呢？對于這個問題，科學界一直在不斷地研究、探討和改進，但方法大都不盡相同。前人在測量時有的是通過干燒法測定CO2，干燒法是先通過稀鹽溶液把土壤中的DOM有機物提取出來，緊接著放入蒸箱內在低溫下將溶液蒸干，然后在高于700 ℃的環境下將其與適量的氧氣接觸，從而產生出CO2，再用紅外監測儀器對CO2測定，也有用重鉻酸鉀和濃硫酸先進行濕硝化， 然后再通過滴定法來測定其中的碳。

相比之下，干燒法有著較高的精度，但是有機碳氧化需要用的儀器價格昂貴，樣品分析用量少(3～5 mg)，且必須干燥和細磨，而且當溫度高于500 ℃時，實驗結果會因為無機碳的分解而受到影響，尤其在測量石灰性土壤時這種影響會更加明顯。因此很多研究人員會采用濕氧化法，濕氧化法通常采用的方法是重鉻酸鉀氧化滴定技術，但同樣有不足之處。主要表現在測定有機碳效果較差，因為滴定過程中不能保證所測樣品被完全氧化，所以要對測量的結果進行校正。另外濕氧化法測定所需要的時間較長，這樣就很難消除滴定液中的鉻和強酸對樣品的持續影響，而且一些干擾離子在滴定和比色時也會引起誤差[14]?？偟膩碚f這些方法都有它們的局限性，而且實驗測量的結果往往會與實際值有著或多或少的偏差?，F在，人們多采用TOC(總有機碳)分析儀直接測定提取液，這種方法相對簡便而且能夠有效地避免一些相關條件的影響，因此測量的結果也相對真實可靠。

4不同強度林火對土壤有機碳的影響

林火強度被分為3個等級，即低強度、中強度和高強度(重度)。在不同的森林地段上，由于可燃物的種類和載物量是不同的，因此發生在不同森林地段上的林火行為是有所差異的。

一般情況下，中、低強度的火燒僅燒毀了草本灌木層，以及部分喬木[15]，可以促進林分的更新并減少可燃物，不但不會對林分的碳匯功能造成巨大影響，而且還會增加土壤有機碳的含量，這是因為火燒將地表的枯枝落葉燃燒后留下的灰分中含有剩余的碳，隨著雨水進入土壤，土壤碳含量也隨之增加。如李紉蘭等[16]在研究南方突發性火災對土壤碳儲量的影響時， 發現中低強度火燒會顯著的增加土壤有機碳的含量。包旭[17]通過研究火燒對大興安嶺濕地生態系統碳循環的影響，發現輕度火燒較未火燒樣地土壤碳含量并沒有顯著的變化，重度火燒樣地的生物碳量和土壤碳含量都有顯著降低的趨勢，而且僅重度火燒樣地與未火燒樣地存在著顯著差異性。孫學明[18]在研究林火對不同林型土壤有機質時也發現輕度火燒后土壤有機質升高的趨勢會明顯加大。

而高強度的火燒灼傷高度可達到喬木林冠層[15]，致使大量喬木被燒死，而且會顯著降低土壤有機碳的含量?；馃母邷夭坏珪苯訉е碌乇砑巴寥罍\層的有機碳含量減少，而且還會通過影響土壤的理化性質、酶、pH值等來間接地影響土壤對有機碳的儲存能力。因此，高強度的林火對土壤有機碳的儲存起著不利的影響。如崔曉陽等[19]在研究發現，低、中強度的林火在短時間內對土壤有機碳影響是不明顯的，但在高強度的林火干擾下土壤有機碳的含量是明顯下降的，平均降幅達到14.6%。Wang等[20]總結了200多個火燒跡地土壤有機碳的變化情況，發現高強度的林火會使土壤有機碳減少約25.3%，而預定火燒(低強度火)對土壤有機碳沒有顯著影響。方東明等[21]在模擬大興安嶺火燒試驗時發現高強度火燒后土壤總碳庫減少了1.4%～5.4%，變化幅度也均高于中低強度火燒。

5林火對不同深度土壤有機碳的影響

林火會燒除林地表面的凋落物，改變土壤的溫度，并且隨著火燒強度的增強土壤有機碳受到的影響也隨之增大，但是隨著土壤深度的增加受到的影響也會隨之減小。有研究表明，地表有焰燃燒能夠在短時間內迅速放熱，產生300～1 400 ℃的高溫，嚴重時會使土壤表面的溫度達到500～700 ℃[22]，甚至超過1 500 ℃的情況都有瞬時記錄[23]，在這種情況下土壤表層有機質(碳)會隨之急劇減少。但隨著土壤深度的增加，影響程度會逐漸減小，在土壤5 cm深處的溫度通常不會超過150 ℃，對土壤20 cm深處及以下的土壤基本沒有影響。如何斌[24]等在對皆伐煉山的馬尾松林地調查時發現，煉山后0～20 cm層的土壤有機質含量明顯減少，但在20～40 cm層的土壤有機質含量卻沒有變化。這些研究表明在發生林火的短期內土壤有機碳會受到不同程度的影響。

例如有些學者對火災發生數年后土壤有機碳的變化情況進行研究，發現森林火災對土壤有機碳含量是起著積極的影響作用的。如Johnson和Curtis[25]通過對48個森林火燒跡地的土壤有機碳的研究，發現火災10年后森林土壤中有機碳的含量相比火災發生前是增加的。方東明用CENTURE模型模擬[21]了林火對興安嶺土壤碳的影響，發現在火后6～8年內，土壤碳是高于火燒前的。因此，林火對土壤有機碳的影響一般具有以下幾個特點：①林火對土壤有機碳的影響具有不確定性；②火燒強度越高、火燒時間越長，影響越大；③森林土壤有機碳的含量受著火及其它因子共同的影響。

6問題與展望

由于土壤有機碳的生成和存儲本身就受到很多因素的影響，因此，在研究土壤有機碳的過程中也存在很多的不確定性，這也使得研究結果具有一定的局限性和不確定性。因為在不同的環境下土壤有機碳的變化機理存在差異，所以研究局部地區土壤有機碳的變化是不具有代表性和廣泛性的。在今后的研究過程中，應該將研究范圍擴大化，通過對不同環境下土壤有機碳變化機理的研究來發現更多關于有機碳的活動變化規律。

林火是影響森林土壤有機碳的重要因子之一，但是還有其它因子對土壤有機碳產生著重要的影響作用，如氣候、坡位、微生物、海拔等影響因子。當前的研究主要集中在火干擾對土壤有機碳的影響，因此，在今后的研究當中，可以并分別對這些影響因子進行研究，為日后能夠合理調節碳循環打下堅實的基礎。土壤有機碳在全球碳循環過程中起著重要的作用，近年來，全球變暖問題受到各個國家的重視，研究土壤有機碳的變化機理對緩解和改變這一問題有著重要的意義，也希望研究人員能夠在今后的研究中取得突破性的進展，推動全球有機碳研究邁向一個更高的臺階。

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Research Progress on Effect of ForestFire on Forest Soil Organic Carbon

Xu Cheng, Zhang Shuifeng, Li Kelun

(NanjingForestPoliceCollege,Nanjing210023,China)

Abstract:The soil organic carbon of forest ecosystem is the important part in the global carbon cycle, which occupies the crucial position in the researchof the global ecosystem carbon cycle and global change.Fire is one of the important factors that disturb the development of forest ecosystem,which has great impact on thecarbon exchange process between soil and atmosphere in forest ecological system.Therefore,strengtheningthe research on the impact of fire disturbance on soil organic carbon in forest ecosystem and the understanding the specific impact of forest fire on soil organic carbon cycle in forest ecosystem have great significance on the discovery ofthe mechanism of forest soil carbon cycle under the fire disturbance,especially having significance on the study of dynamic change of soil organic carbon.This articlebrief reviews the research progress on the effect of forest fire on forest soil organic carbon and discusses several different methods for the determination of soil organic carbon;then the article discussesthe change of soil organic carbon under the condition of different forest fire intensitiesand different soil depths.Finally,the article summarizes the problems occurred in the previous research and proposesthe future research prospect of forest soil organic carbon.

Key words:forest fire;forest soil;organic carbon;fire intensity

文章編號：1674-9944(2016)02-0008-02

中圖分類號：S151

文獻標識碼：A

作者簡介：徐成(1993—)，男，南京森林警察學院大學生。通訊作者：張水鋒(1986—)，男，江蘇丹陽人，助教，主要從事火燒跡地土壤侵蝕機制與防控技術研究。

基金項目：大學生科技創新基金項目(編號：DKC201508)

收稿日期：2015-11-26