原 燁，張 釗，趙 寧，張永娟，粱 虹，戎郁萍

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)系，北京 100193)

火燒作為草原管理的重要措施一直被許多國家使用[1-5]，其影響植物種群的形成過程、控制群落的組成和外貌[6]，以及火燒的附灰與去枯作用可顯著增加物種均勻度[7]，并提高地上部生物量，有效控制草原灌叢化的不斷擴(kuò)展[8]。但火燒過程中，草地大量的生物物質(zhì)以及腐殖質(zhì)層被燃燒，釋放大量的碳，造成草地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳的凈損失，并通過改變草地生態(tài)系統(tǒng)的土壤溫度、土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等理化性質(zhì)，對土壤有機(jī)碳的收支產(chǎn)生影響[9]。隨著對全球碳循環(huán)的廣泛關(guān)注，持續(xù)火燒所導(dǎo)致的有機(jī)碳大量減少也引起重視[10]，尤其要關(guān)注火燒對我國北方溫帶草原有機(jī)碳的影響，因?yàn)楸狈綔貛Р菰鷳B(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程及其影響因素對于正確評估我國整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯貢獻(xiàn)具有十分重要的作用[11]。刈割耙除成為火燒的替代措施被應(yīng)用于草原管理中。Tester[12]的研究表明，刈割耙除可以增加地面溫度，減少遮陰，促進(jìn)種子萌發(fā)等。另外，適度刈割不會破壞物種的多樣性[13-14]，許多研究者已經(jīng)就火燒對草地土壤的影響作了大量的研究，但關(guān)于火燒和刈割耙除這兩種管理措施對草原土壤理化性質(zhì)影響的比較研究較少，本研究比較兩種管理措施對草原土壤理化性質(zhì)的影響，以探索草原管理的有利措施。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)域 本研究在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)沽源野外科學(xué)研究站(以下簡稱野外站)的天然草地上進(jìn)行。野外站位于河北省張家口市塞北管理區(qū)，地處內(nèi)蒙古高原的東南緣，屬典型草原，41°45′～41°57′ N、115°39′～115°51′ E。海拔1 400 m。年均氣溫1.4 ℃，≥10 ℃的年積溫1 513.1 ℃·d，無霜期100 d左右，年均降水量297 mm，主要集中在7-9月。年均風(fēng)速4.3 m/s，年均大風(fēng)日數(shù)49 d，年日照時(shí)數(shù)2 930.9 h，土壤以栗鈣土、草甸土為主。試驗(yàn)區(qū)土壤為暗栗鈣土(pH值7.7)。

試驗(yàn)區(qū)植被以羊草(Leymuschinensis)、冷蒿(Artemisiafrigida)、二裂葉委陵菜(Potentillabifurca)為建群種，伴生種有鵝絨委陵菜(P.sericea)、菊葉委陵菜(P.tanacetifolia)、火絨草(Leontopodiumleontopodiodes)、茵陳蒿(A.capillaries)、艾蒿(A.viridissima)、叉枝蓼(Polygonumtortuosum)、扁蓿豆(Medicagoruthenica)和華北巖黃芪(Hedysarumgmelinii)。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理，處理1：連續(xù)火燒2年(B1)；處理2：連續(xù)火燒2年后間隔1年(B2)；處理3：連續(xù)刈割耙除2年(M1)；處理4：連續(xù)刈割耙除3年(M2)。不做任何處理為對照。在春季牧草返青前進(jìn)行火燒處理，5月底之前進(jìn)行刈割耙除處理。刈割使用甩繩式割草機(jī)在試驗(yàn)地來回刈割兩次，留茬控制在5 cm左右；耙除使用齒距4 cm的耙子從4個(gè)方向各單向耙除一次。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)，每個(gè)小區(qū)為面積12 m×12 m的正方形。

1.3研究方法 2008年、2009年6月至8月采用“S”取樣法，在試驗(yàn)處理的各個(gè)小區(qū)采集土樣，用土鉆按0～10 cm和10～20 cm分層取樣，用四分法取足樣品。將樣品部分裝入自封袋，于4 ℃保存用于實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)測定，另一部分風(fēng)干用于土壤團(tuán)聚體的測定。用于實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)測定的土壤風(fēng)干后，通過0.15 mm篩用于測定土壤全氮和土壤有機(jī)碳。

采用曲管地溫表測定土壤以下5、10、15和20 cm溫度。在土壤中挖一個(gè)長40 cm，寬25～30 cm的坑，坑的長邊大致由東向西，坑的北面垂直，南面是傾斜的。沿坑的北壁逐漸加深，使其與地面成一定的距離(5、10、15、20 cm)，并且將溫度表的球部嵌入坑中。溫度表與地表成45°角，讀數(shù)時(shí)按著從5 cm到20 cm的順序。于每天溫度最低和最高的07：00和14：00進(jìn)行測定。

土壤團(tuán)聚體采用干篩法測定。將風(fēng)干土樣通過0.25 mm篩(帶蓋和底)在振蕩機(jī)上振蕩10 min，當(dāng)篩完后分成>0.25 mm和<0.25 mm的粒級并稱量，計(jì)算出>0.25 mm團(tuán)聚體含量(R0.25)的值[15]。采用重鉻酸鉀-稀釋熱法測定土壤有機(jī)碳[16]。采用全自動凱氏定氮儀(FOSS KjeltecTM 2300 )測定土壤全氮。

碳氮比=土壤有機(jī)碳含量/土壤全氮含量。

1.4數(shù)據(jù)分析 用SPSS 17.0進(jìn)行單因子方差分析(one-way ANOVA)，多重比較按照Duncan新復(fù)極差法。

2 結(jié)果與分析

2.1對土壤溫度的影響 B1、B2、M1、M2各處理中，5、10、15和20 cm的土壤溫度變化情況一致(圖1)，均為5 cm處土壤溫度最高，且土壤溫度隨土層深度的增加而逐漸降低。不同土層土壤溫度均表現(xiàn)為火燒地溫度最高，刈割耙除地次之，對照地最低，且火燒地、刈割耙除地與對照地相比，土壤溫度的增幅均為5、10 cm處大于15、20 cm處，其中在5、10 cm處，火燒地平均溫度較對照地約高2.26 ℃，刈割耙除樣地比對照地平均溫度約高1.48 ℃；在10、20 cm處，火燒地比對照地平均溫度約高1.74 ℃, 刈割耙除地比對照地平均溫度約高0.87 ℃，即火燒和刈割耙除均能提高土壤溫度，但刈割耙除的強(qiáng)度弱于火燒。B1與B2、M1與 M2各土層的平均溫度相差小于1 ℃。各處理土壤溫度隨時(shí)間的變化趨勢與對照的土壤溫度變化趨勢基本一致，各處理在不同土壤深度溫度的最高值均出現(xiàn)在7月末至8月初，均為B1最大，且在5 cm處最高溫度比B2高2.60 ℃，比對照高6.45 ℃。

2.2對土壤團(tuán)聚體的影響 土壤團(tuán)聚體通常被劃分為大團(tuán)聚體(>0.25 mm)和微團(tuán)聚體(<0.25 mm)[17]，R0.25反映土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣[18]。0～10 cm土層的R0.25值大于10～20 cm土層的R0.25值(圖2)。與對照相比，0～10 cm、10～20 cm各土層均為火燒、刈割耙除使土壤中的大團(tuán)聚體數(shù)量顯著減少(P<0.05)，且B1對土壤團(tuán)聚體的影響最大，R0.25值最小。在0～10 cm土層中，B1的R0.25值比對照顯著減少13.14%，M1、M2的R0.25值分別比對照顯著減少9.62%、10.57%，但火燒和刈割耙除兩者之間差異不顯著(P>0.05)；在10～20 cm土層中，B1比對照顯著減少14.83%，M2的R0.25值比對照顯著減少12.62%，連續(xù)火燒2年和刈割耙除處理之間差異顯著, 連續(xù)火燒2年后間隔1年刈割與耙除處理之間差異不顯著(圖2)。

2.3對土壤有機(jī)碳的影響 0～10 cm土層的有機(jī)碳含量高于10～20 cm土層的有機(jī)碳含量(圖3)。除0～10 cm土層的 M1處理下的有機(jī)碳含量與對照相比差異不顯著外,其他各處理在各層土壤中的有機(jī)碳含量與對照相比均有顯著差異(P<0.05)，且均為火燒處理最小，刈割耙除處理其次，對照樣地最高。在0～10 cm的表層土壤中，B1、B2的有機(jī)碳含量分別比對照顯著(P<0.05)減少11.69、8.23 g/kg，而M2比對照顯著減少3.32 g/kg，即火燒處理可以顯著減少土壤有機(jī)碳含量，作用強(qiáng)于刈割耙除；B1的有機(jī)碳含量顯著低于B2的，但M1與M2的差異不顯著(P>0.05)，說明連續(xù)火燒的作用對土壤有機(jī)碳含量的影響強(qiáng)于間隔火燒，但連續(xù)刈割在時(shí)間上對土壤有機(jī)碳的影響差異并不顯著；在10～20 cm的土層中，B1的有機(jī)碳含量顯著小于其他處理，僅為20.27 g/kg,比對照低8.00 g/kg；B2卻與M1、M2之間差異不顯著，說明連續(xù)火燒對深層土壤的有機(jī)碳作用也要強(qiáng)于連續(xù)刈割耙除，但間隔火燒和刈割耙除在此土層上差異卻不明顯(圖3)。

圖1 火燒和刈割耙除處理下不同深度的土壤溫度變化

2.4對土壤全氮的影響 0～10 cm土層的全氮含量高于10～20 cm土層的全氮含量，10～20 cm土層，火燒、刈割耙除均能使土壤全氮含量降低，且與對照相比差異顯著(P<0.05)，但刈割耙除的作用顯著弱于火燒(圖4)。在0～10 cm土壤中，B1、B2的全氮含量(2.243、2.570 g/kg)顯著低于對照，與對照分別低0.633、0.306 g/kg,且B1顯著低于B2；雖然M1、M2與對照相比全氮含量分別減少了0.323、0.103 g/kg，且M1顯著低于對照，但M1與M2差異不顯著，B2與刈割耙除處理的差異也不顯著(P>0.05)。在10～20 cm，B1、B2、M1、M2的全氮含量均顯著低于對照，較對照分別減少了0.752、0.681、0.346、0.283 g/kg，且火燒處理顯著低于刈割耙除處理，而B1與B2，M1與M1差異不顯著，說明連續(xù)火燒和間隔火燒之間只在表層土壤中對全氮有影響，而連續(xù)刈割在時(shí)間上對土壤全氮的影響差異并不顯著(圖4)。

圖2 火燒和刈割耙除對土壤團(tuán)聚體分布的影響

圖3 火燒和刈割耙除對不同深度土層有機(jī)碳含量的影響

2.5土壤碳氮比的影響 在0～10 cm土層上，B1與 B2的土壤碳氮比分別為9.27、9.36，與對照相比顯著(P<0.05)減少了2.14、2.05，但B1與B2之間差異不顯著(P>0.05)。刈割耙除處理與對照相比差異不顯著，且M1、M2之間差異也不顯著。在10～20 cm的土層上，各處理與對照差異均不顯著(圖5)。

圖4 火燒和刈割耙除對不同深度土層全氮含量的影響

圖5 火燒和刈割耙除對不同深度土層碳氮比的影響

3 討論

3.1土壤溫度 與對照相比，對草地進(jìn)行火燒和刈割耙除均提高了土壤溫度，但是火燒地土壤溫度的提高幅度較大?；馃笠欢〞r(shí)間內(nèi)，火干擾地區(qū)土壤的溫度通常會高于未干擾的地區(qū)[9,18-19]。O’Neill等[19]認(rèn)為對草地進(jìn)行火燒后，草地表面大量生物物質(zhì)以及腐殖質(zhì)層被燒掉，使土壤大面積裸露，地表顏色變深，由植被冠層帶來的遮陰效果被移除，使得表層土壤得到更多的能量是火燒地土壤溫度升高的原因。本研究中，刈割耙除地土壤溫度有所提高，但提高幅度低于火燒地的原因，可能是刈割耙除雖然去除了地表的大量枯黃生物物質(zhì)，植物地表蓋度降低，但對腐殖質(zhì)層的直接影響較小，而且地表顏色沒有變化，這使得土壤吸收的能量遠(yuǎn)沒有火燒處理吸收的多。與本研究結(jié)果一致，火燒后內(nèi)蒙古鄂溫克旗草原土壤的平均溫度比未火燒高出2.3 ℃[20]，加拿大北方森林火燒地區(qū)地表溫度較未火燒地區(qū)高6 ℃，而且這種情況可以持續(xù)15年[21]。

3.2土壤團(tuán)聚體 >0.25 mm的團(tuán)聚體是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，其數(shù)量與土壤的肥力狀況呈正相關(guān)[22]，故R0.25(>0.25 mm的團(tuán)聚體)可用以反映土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，且土壤中80%的有機(jī)碳存在于大團(tuán)聚體中，因此土壤中大團(tuán)聚體組分的變化可以指示土壤有機(jī)碳含量的變化[23-26]。火燒和刈割耙除導(dǎo)致草地遮陰下降，土壤持水下降，尤其是火燒直接破壞土壤表層的凋落物，改變土壤的碳輸入，使得土壤成分發(fā)生變化從而改變了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)。但目前火燒對于土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響尚不明確[27]，有研究認(rèn)為火燒增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[28-29], 也有研究表明火燒降低土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[30-32]。本研究發(fā)現(xiàn)，草地經(jīng)火燒處理后，土壤中大團(tuán)聚體含量明顯降低，顯著低于刈割耙除地和對照地，火燒后土壤大團(tuán)聚體含量降低的原因可能是火燒導(dǎo)致土壤溫度升高，促進(jìn)了土壤微生物分解更多的有機(jī)碳，從而引起大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的瓦解。熱帶落葉林火燒后的第1年，土壤中大團(tuán)聚體減少了25%，小團(tuán)聚體含量基本沒有變化。而刈割耙除處理與火燒處理對于土壤溫度的影響是一樣的，只是沒有火燒那么劇烈，因此刈割耙除地土壤大團(tuán)聚體的分解也少得多[31]。

3.3土壤有機(jī)碳、全氮、碳氮比 火燒去除了地表枯落物，減少了土壤有機(jī)碳的輸入，同時(shí)火燒提高了地溫，使得土壤微生物活動增強(qiáng)，增加土壤有機(jī)碳的分解和輸出，研究表明[33-34]，火燒可以使地表的有機(jī)物質(zhì)減少21%～80%。顯然，刈割耙除也移走了本應(yīng)返還到土壤中的植物生物量，而土壤有機(jī)碳的儲量是進(jìn)入土壤的植物殘?bào)w量及其在土壤微生物作用下分解損失量二者之間平衡的結(jié)果[35]。隨著土壤碳輸入的減少，以及碳支出的增加，土壤有機(jī)碳含量下降。

土壤氮的輸入途徑和有機(jī)碳類似，主要通過地表枯落物的降解進(jìn)入土壤，但是火燒和刈割耙除處理嚴(yán)重減少了土壤的養(yǎng)分供應(yīng)，因此，火燒、刈割耙除處理土壤有機(jī)碳、全氮顯著低于對照，且連續(xù)火燒的有機(jī)碳含量顯著低于間隔火燒。每隔1年火燒和每隔2年火燒均使南非草原表層土壤中有機(jī)碳和全氮含量下降[36]，長期的刈割也會降低土壤易分解庫和難分解庫中碳和氮的含量[37-38]，本研究得到類似結(jié)果。本研究中刈割耙除2年和刈割耙除3年的差異不顯著，因此刈割時(shí)間對于土壤有機(jī)碳及全氮的影響有待進(jìn)一步研究。一般來說，土壤碳氮比反映出土壤微生物活動強(qiáng)度，直接影響土壤呼吸商，隨之反映出土壤微生物呼吸的強(qiáng)弱。通常情況下火燒可以顯著降低土壤的碳氮比[39]，本研究與之一致，但刈割耙除對土壤碳氮比影響不大。

4 結(jié)論

對草地進(jìn)行火燒和刈割耙除均提高了土壤溫度，但是火燒地土壤溫度的提高幅度較大，在5、10 cm處，火燒地平均溫度比對照地大約高2.26 ℃，刈割耙除地比對照地平均溫度高大約1.48 ℃；在10、20 cm處，火燒地比對照地平均溫度高大約1.74 ℃, 刈割耙除地比對照地平均溫度高大約0.87 ℃，且連續(xù)火燒可以提高土壤的最高溫度。與對照相比，火燒和刈割耙除均可顯著降低土壤的R0.25值(>0.25 mm團(tuán)聚體含量)。火燒和刈割耙除均可顯著降低土壤有機(jī)碳和全氮含量(P<0.05)，且火燒可使土壤0～10 cm的碳氮比降低(P<0.05)，刈割耙除對其影響不大。

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