火燒對興安落葉松林土壤氮形態和含量的初期影響

左 壯,張 韞,崔曉陽

(東北林業大學林學院,森林生態系統可持續經營教育部重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150040)

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地位于黑龍江省北部大興安嶺塔河林業局沿江林場(124°25′02″E,53°06′52″N),屬淺山丘陵地帶,海拔約312 m,東坡,坡度約5°。該區為寒溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫-2.4 ℃,年均降水量約460 mm。春、秋季大風干旱,是重要火險期;夏季降雨集中,可達全年降水量的70%～90%;冬季受西伯利亞高壓影響,寒冷漫長,冰雪覆蓋約200 d。固定樣地布設于自20世紀60年代擇伐后未經林火干擾的興安落葉松林內,現為落葉松成熟林,其中間有少量白樺,林分郁閉度約0.7;林下灌木為杜香與杜鵑,蓋度達70%～90%;森林凋落物層厚5～10 cm,半泥炭化現象明顯;土壤類型為漂白暗瘠寒凍雛形土(漂灰土),腐殖質層厚8～12 cm,有機質含量約120 g/kg,地表可燃物載量達40 t/hm2,極易引燃。固定樣地呈矩形(40 m × 20 m),長邊向東坡延伸。網格法布設固定樣地,以4 m為橫縱坐標單位長度,單位長度垂線交點為采樣點(圖1)[3, 28],共采集66個混合土樣。

圖1 采樣點位(黑點)與林火強度空間格局Fig. 1 Sampling points (black spots) and forest fire intensity spatial pattern

1.2 林火點燒試驗

10月下旬,在森林消防嚴密監控下,進行以點燒地表可燃物為主要方式(重度火燒區,人為添加森林枯落物模擬高強度火燒)的野外林火試驗。試驗結束,參照Cui等[28]的林火強度劃分標準,根據地上植被、凋落物層、腐殖質層實際燒焦程度劃分輕、中、重度火燒區,并分別為其子集賦值2～9。其中,輕度火燒區僅地上植被過火(凋落物層溫度峰值186 ℃),包含子集2(燒焦不足50%)和3(燒焦超過50%),共20個點位;中度火燒區地上植被全部過火或燒焦,凋落物層有不同程度損失(該層溫度峰值549 ℃),包含子集4(損失1/3以下)、5(損失1/3～2/3)、6(損失2/3以上),共27個點位;重度火燒區地上植被全部過火或燒焦,凋落物層燒毀(該層溫度峰值826 ℃),腐殖質層有不同程度損失,包括子集7(腐殖質層損失0.5 cm以下)、8(腐殖質層損失0.5～1.0 cm);9(腐殖質層損失1.0 cm以上),共19個點位(圖1)。

1.3 土樣采集

野外林火點燒試驗前,在各采樣點插入鋼釬,以此為圓心切取半徑30 cm的圓形氈狀半泥炭化凋落物層,在鋼釬上標記凋落物層與土層的界線。用微型鋼制土鉆(半徑1 cm,高10 cm)于圓形范圍內隨機鉆取3個原狀土壤樣品,充分混合,置于0～4 ℃保存。用細河沙回填鉆孔,將此前切取的圓形凋落物層恢復原位。野外林火點燒試驗1 a后,同火前點位與方法,再次采集土壤樣品,采樣時避開回填沙孔。

1.4 土壤氮素分析

1.5 數據處理

通過SPSS 18.0進行數據統計,采用單因素方差分析與均值比較分析進行各土壤氮素指標常規分析,采用配對樣本t檢驗進行火燒前、后各采樣點位的對應分析,并做各指標與火燒強度間相關性分析。采樣點位與林火強度格局圖、火燒前后各土壤氮素指標空間分布圖均采用Arc GIS(反距離權重插值法)繪制。

2 結果與分析

2.1 火燒跡地土壤氮素量變分析

據單因素方差分析,輕、中、重度火燒區在火燒前土壤全氮含量均值分別為0.42、0.44、0.44 g/kg,各火燒區差異不顯著;火燒后各區土壤全氮含量均值表現為中度(0.48 g/kg)>輕度(0.45 g/kg)>重度(0.40 g/kg),各火燒區之間差異顯著(P<0.05)。這說明火燒強度差異驅動了該時段土壤全氮含量的空間異質性(圖2a)。

大寫字母表示火后不同火燒強度下土壤氮素指標平均值間的差異顯著(P<0.05),小寫字母表示火前不同火燒強度區土壤氮素指標均值間的差異顯著(P<0.05)。**表示給定火強度下火燒前后土壤氮素指標平均值之間差異顯著(P<0.01)。 Upper case letters indicated the differences between the average values of soil nitrogen index under different fire intensities were significant after the fire (P<0.05), lowercase letters indicated the differences between the average values of soil nitrogen index were significant before the fire on different fire intensities area (P<0.05). ** represents that the differences of soil nitrogen index average values under given fire intensity were significant between before and after the fire (P<0.01).圖2 興安落葉松火燒跡地土壤氮含量變化Fig. 2 Changes of soil nitrogen content in burned areas of the Larix gmelinii forestry

火燒后,輕、中、重度火燒區土壤全氮含量平均變化率分別為7%、9%和-10%;經均值比較分析,輕度火燒區無顯著變化,中、重度火燒區變化顯著(P<0.05),說明該時段輕、中、重度火燒區土壤全氮含量的火響應模式迥異。采用網格法布點,建立火燒前、后各點位采集土樣的明確對應關系,據此進行更為精細的成對數據t檢驗分析。較之均值比較分析,成對樣本t檢驗發現該時段輕、中、重度火燒區土壤全氮含量均發生極顯著變化(P<0.01),說明網格定點試驗設計獲取了更多土壤全氮含量變化信息。

2.2 火燒跡地土壤氮素含量及其變化率的空間格局

1)土壤全氮量空間格局?；馃?樣地土壤全氮含量各區間分布面積差異不大,但各區間所含點位的坐標分布發生了明顯變化(圖3a、3b)?；馃笸寥廊靠臻g格局與火燒強度格局呈階段相關性(圖7a),即輕、中度火燒階段相關性不顯著,重度火燒階段極顯著負相關(P<0.01)?；馃?土壤全氮含量變化率的空間格局更加清晰地反映了該時段土壤全氮含量變化與火燒強度的關系,二者的空間格局相似(圖1、圖3c),且呈階段性極顯著相關(圖7b),即輕、中度火燒階段極顯著正相關(P<0.01),重度火燒階段極顯著負相關(P<0.01)。

a、b、c分別為火燒前、火燒后土壤全氮含量空間格局以及土壤全氮含量變化率空間格局。 a, b and c respectively represent the spatial patterns of soil total nitrogen content before and after the fire and its change rate.圖3 土壤全氮含量及其變化率空間格局Fig. 3 Soil total nitrogen content and its change rate spatial patterns

圖7 火燒后土壤氮素指標及其變化率與火燒強度相關性Fig. 7 Correlation of soil nitrogen index and its change rate with the fire intensity after the fire

3 討 論

火燒1 a后,各火燒區土壤全氮量變化因火燒強度而異。輕、中度火燒區土層未受到火干擾,地表植物與凋落物層有不同程度燃燒,其植物源燃燒產物隨融雪水和降雨淋洗轉移至土層,是兩區土壤全氮量顯著升高的主要原因。同時,此時段死亡植物根系腐爛后混入土壤也成為其全氮量增加的重要原因[22, 30]。重度火燒區地上植被與凋落物層盡毀,土層也有不同程度燃燒損失?；馃茐耐寥澜Y構,土壤密度上升[31],含水率與水滲透速率下降[3, 32],雨季集中的降雨導致一定程度裸地侵蝕[33-34],這些因素是重度火燒區土壤全氮含量下降的重要原因。根據本次研究結果,該區燃燒及其衍生過程中產生的植物源氮素輸入不足以平衡土層燃燒揮發的氮素輸出?？臻g上,相較于土壤全氮量,其變化率表現出與火燒強度更強的相關性,說明其對火干擾的響應更加敏感。