王 天，張水鋒，陳鵬鵬，宮涵

（南京森林警察學院，江蘇 南京210023）

1 引言

林火是森林生態(tài)系統(tǒng)最顯著的干擾因子之一，也是影響森林植被的一個活躍生態(tài)因素，對森林生態(tài)系統(tǒng)的組成、結構和功能的影響較大。因此，林火與森林生態(tài)系統(tǒng)平衡有很大的關系，被認為是森林生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的重要組成部分［1，2］?；饘ν寥烙袡C碳的影響既有短期直接性，也有長期間接性。一方面火災過程中有機土層的燃燒造成土壤有機碳的直接損耗，另一方面，火燒通過改變碳素形態(tài)和分布，以及改變物種組成、植物生長、土壤生物區(qū)系、土壤淋溶和侵蝕等，對生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)產生潛在而深遠的長期影響。水解氮是銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白質氮的總和，是土壤氮素的重要組成部分，它的含量與土壤有機質呈正相關，能較好的反映出近期內土壤氮素的供應狀況，在衡量土壤氮素供應水平上占有重要的位置。在不同強度林火干擾下，短時間內土壤有機碳和水解氮變化方面的研究還較少。近年來，國內外學者的研究主要集中在不同類型輕組有機碳的變化［4，5］，火燒對土壤物理和化學性質的影響［3，6］，不同強度火燒對土壤有機碳組分差異及其影響因素［7，8］，不同土地利用變化對輕組和重組有機碳的影響［9～12］等長期觀察的變化方面。研究不同強度火燒在短期內對有機碳和水解氮的影響對評價森林土壤肥力、土壤碳庫平衡、碳循環(huán)具有重要的意義。該文通過測定有機碳及水解氮來探討不同強度火燒在短時間內對土壤有機碳和水解氮含量影響的差異及其相關影響因子，為揭示人造楊樹林在不同強度火燒對土壤有機碳和水解氮短時的影響提供基礎數據。

2 研究區(qū)概況

野外林火點燒樣地位于南京市仙林大學城南京森林警察學院校內后山旁楊樹人工林，土壤類型為黃棕壤，枯落物厚度5～8 cm，表層枯落物較干燥，易燃，林冠郁閉度為0.5～0.7，林下灌木蓋度20%～30%，枯落物蓋度80%。為實現不同火強度的分級目標，在楊樹林下增鋪了可燃物，主要為附近闊葉林地收集的已曬干的枯枝落葉。增鋪可燃物的厚度從樣地邊緣的10 cm向中心逐漸均勻增加到40 cm。另外，在楊樹林各個小樣地中心插上長6m且標有紅色刻度線并涂有白漆的鐵質標桿，并將火燒后標桿的熏黑高度作為火焰高度記錄。

2014年5月4日，在近百名森林防火隊員全副武裝的嚴密監(jiān)控下，楊樹人工林樣地實施了點燒試驗。試驗過程中，同時對火行為進行了多角度監(jiān)控錄像。

3 研究方法

3.1 樣地設置

本次試驗以火燒實驗前的楊樹林作為研究對照，其土壤取樣時間為林火點燒試驗實施前的2014年5月3日、試驗結束24 h后的2014年5月5日。在2014年5月4日點燒實驗火燒跡地和鄰近火燒跡地未著火區(qū)域分別選取低強度、高強度和對照樣地，基于楊樹林樣地的面積和地形，按照代表性和典型性的原則，將其劃分為12塊4m×6m的小樣地，如圖1所示。

3.2 樣品采樣

為減少其它環(huán)境因素的干擾，本次楊樹林火燒試驗設計在雨后至少4～5d的晴朗天氣進行采樣。以火燒前的楊樹林作為研究對照，其土壤取樣時間為林火點燒試驗實施前的2014年5月3日，試驗結束24 h后的2014年5月5日。采樣時，將楊樹林的各個小樣地均勻劃分成4個方格，在每個取樣點先移去土壤上面的凋落物和腐殖質后，在4個方格內分別按0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm分層取樣，取樣后各層均勻混合至500 g，低強度、高強度和對照樣地每塊3次重復，共計36份土壤樣品。將土壤樣品帶回實驗室后除去雜質，自然風干，風干后研磨，一部分過2 mm篩用于土壤有機碳的測定，一部分過0.25 mm篩用于土壤總有機碳的測定，一部分過0.149 mm篩用于水解氮的測定。

3.3 樣品測定

采用堿解－擴散法來測定土壤水解氮。土壤有機碳總量，重鉻酸鉀外加熱法。用控制變量分析法分析火燒強度與不同土壤層次對土壤有機碳和水解氮含量的影響，并進行多重比較，對不同土壤層次不同火燒強度下土壤有機碳和水解氮含量情況作多重比較分析。

另外，根據森林火中的地表火和樹冠火的火焰高度和火線強度的資料，采用根據森林火撲救的需要將森林火強度劃分為4級的分級標準（表1）［13］。

表1 地表火和樹冠火強度的分級標準

3.4 數據分析

數據分析采用Excel2013和SPSS17.0軟件完成。

4 結果與分析

4.1 不同強度火燒后土壤有機碳的含量變化

由表2可見，低、中和高強度火燒樣地中在0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm的土層土壤有機碳的含量均呈現下降的趨勢。其中，高強度火燒后土壤有機碳含量的減少幅度約是低強度下的8倍。且過火后土壤有機碳含量對不同層次土壤層的影響大小基本一致，0～5 cm土層＜5～10 cm土層＜10～20 cm土層。0～5 cm土層有機碳含量降幅在低、中和高強度火燒分別為5%、12%和46% 與5～10 cm和10～20 cm間差異顯著，但10～20 cm土層低、高強度火燒間差異不顯著，僅為1%?？梢娫诓煌瑥姸然馃笸寥烙袡C碳含量均下降，且隨著林火強度增大土壤有機碳含量減少幅度越明顯，隨著土層厚度增加火燒后土壤有機碳含量變化趨于不變。

表2 不同強度火燒后土壤中有機碳含量

4.2 不同強度火燒后土壤水解氮的含量變化

由表3可見，不同強度火燒后土壤水解氮的含量在0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm的土層水解氮含量的影響各不相同。其中，低強度下各土層水解氮含量變化依次增加3%、4%和0.3%，5～10 cm土層的水解氮含量增幅相對最大；中強度下各土層水解氮含量變化依次降低5%、增加4%、增加0.1%，0～5 cm與5～10 cm土層間的變化差異較大，10～20 cm土層受到的影響較?。桓邚姸认赂魍翆铀獾孔兓陆档?2%、降低11%和增加0.3%，高強度火燒對水解氮含量的影響最大，主要表現為降低的趨勢，且降幅較大。0～5 cm層低強度火燒后氮含量為增加，而且中強度和高強度火燒后土壤氮含量為降低趨勢，而且高強度火燒后降幅約是中強度降幅的4.4倍。顯然，不同強度火燒對土壤水解氮的含量變化的影響各不相同，低強度和中強度火燒使土壤水解氮含量小幅度增加，而高強度火燒后水解氮含量呈明顯減少趨勢。另一方面，隨著土壤深度的水解氮的含量趨于不變。

表3 不同強度火燒后不同土壤層數中水解氮含量

4.3 不同強度火燒后楊樹林土壤碳氮比值的變化

由表4可見，不同強度火燒后，土壤碳氮含量比呈下降趨勢，其中0～5 cm低強度、中強度和高強度火燒后土壤碳氮比降幅分別為9.3%、7.7%和30%，其中高強度火燒后降幅最大，約是低強度的3倍，中強度的3.9倍；5～10 cm低、中火燒后土壤碳氮比降幅分別為4.6%、6.5%，變化幅度差異不顯著，而高強度下則增加2%；10～20 cm低強度火燒后碳氮比降幅為3.7%，而中、高強度火燒后碳氮比則基本保持不變。

表4 不同強度火燒后不同土壤層數中碳氮比

5 結語

楊樹人工林在不同火強度影響下的土壤有機碳含量均呈現下降的趨勢，且隨著火強度的增大土壤有機碳含量減幅越明顯，隨著土層厚度的增加火燒后土壤有機碳含量變化趨于不變。造成這種差異可能與火強度干擾土壤有機質層有關，但也可能與周圍植被類型、氣候、立地條件等有關。關于火燒對土壤有機碳的影響結論不一，有些學者認為火燒降低了土壤有機碳含量［14］，有些學者認為火燒增加了土壤有機碳含量［15］，還有一些學者認為火燒只改變了土壤有機碳在不同層的量，但總量上沒有改變［16～18］。該研究中，低強度火燒對林木干擾不強，地上有機質在通過低強度火干擾的情況下，部分損失，導致低強度火燒樣地中有機碳含量減少不明顯，而高強度火燒移去了地表大部分有機質層以及高溫揮發(fā)，使土壤有機碳的來源大量減少，從而使土壤有機碳含量降低明顯，這與前人研究結果一致［19，20］。在不同土壤層次里，不同強度火燒樣地中，有機碳的動態(tài)變化規(guī)律基本一致。土壤層次越深土壤有機碳含量變化越不明顯。有機碳含量的高低變化與均值變化不同，造成這種差異可能與火強度干擾土壤有機質層分布不均勻和動態(tài)變化有關［14］，這需要進一步驗證。

隨著火燒強度的升高，土壤水解氮的含量先增加后減少。揮發(fā)是燃燒中氮損失的主要途徑。Raison等［25］認為燃燒中揮發(fā)損失的氮量是直接與被燃燒的有機質量呈比例的。預測揮發(fā)的氮中有99%是以N2的形式損失的，還有一小部分的氮并沒有在揮發(fā)中損失，而是存在于未燃燒的燃料中或是伴隨灰分以NH4＋形式返回地表，導致了火后土壤中氮有效量增加的現象。在北方針葉林，氮被認為是影響植被生長的限制性營養(yǎng)元素，對于森林生態(tài)系統(tǒng)生產力的維持具有重要意義［21～23］。大量研究表明，林火減少了土壤氮庫，但卻增加了土壤中的水解氮含量，且無機氮的釋放量與燃料負荷、消耗量及濕度等有關［24］。

土壤有機碳與土壤水解氮呈線性正相關，與Camberdella等［26～27］研究結果一致，這是因為土壤中有機質的氮含量的高低會影響到微生物對其分解速度的快慢。有機質中含氮量高的那部分易被微生物分解，吸收、轉化速度較快［27］，從而對土壤有機碳含量產生有一定程度的影響。土壤有機碳與水解氮存在著相關性，但相關性顯著度不明顯，這可能與該研究中采集數據量較少有關。

不同強度火燒對楊樹林碳、氮及其比值變化的影響是復雜的，不同強度火燒對地表植被進行干擾、影響和改變有機碳輸入源的同時，它還借助改變其他因子，如土壤結構、溫度、濕度、土壤微生物等，改變和影響著碳、氮含量及其比值，這種影響可能是暫時的，也可能是長期的，這與氣候、林型、土壤性質及火燒強度及持續(xù)的時間有關。在以后的研究中，應進一步加強不同強度火燒對楊樹林碳、氮及其比值變化的影響方面的研究。

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