許 舟，劉發(fā)林

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

馬尾松林植物及土壤養(yǎng)分對頻繁火干擾的響應(yīng)

許 舟，劉發(fā)林

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

以馬尾松次生林為研究對象，分析了頻繁火干擾后森林生態(tài)系統(tǒng)不同組成部分的養(yǎng)分變化。隨火干擾次數(shù)增加，植物樹葉和樹干中碳和氮含量略減少，磷含量稍增加；枯枝落葉中碳含量增加而氮含量減少，磷和鉀含量顯著減少，C/N增加；土壤有機(jī)碳含量變化趨勢與火干擾次數(shù)關(guān)系不密切，經(jīng)1、2及3次火干擾后0～5 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響比5～10 cm差異明顯，土壤中全氮與C/N的變化趨勢與土壤有機(jī)碳相似，但是5～10 cm全氮和有效磷含量隨火干擾次數(shù)的增加而降低，有效鉀含量隨火干擾次數(shù)增加而增加，0～5 cm土壤潛在可礦化氮隨火干擾次數(shù)的增加而增加。通過研究頻繁火干擾對生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分影響效應(yīng)，為火干擾后土壤改良和植被恢復(fù)提供理論參考。

馬尾松；火干擾；周期性火災(zāi)；土壤養(yǎng)分

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)賴以存在的前提，火干擾對土壤環(huán)境的影響非常復(fù)雜[1-2]。目前全球氣候變暖，地表溫度上升，加之天然林保護(hù)及大面積封山育林使得森林火險和火干擾頻率增加。大量研究報道火后短期土壤肥力和植物營養(yǎng)濃度增加[3-5]，國外已有些許研究分析了火災(zāi)頻率和營林用火對森林土壤肥力和養(yǎng)分循環(huán)的影響[6-8]。在一般情況下，氮和磷受火災(zāi)的影響較大，森林土壤氮和磷恢復(fù)到火干擾前的水平分別需要10年和20年[9]，然而氮和磷的恢復(fù)對森林地表層的植被恢復(fù)與土壤養(yǎng)分循環(huán)非常重要[10]。一般來說，低強(qiáng)度營林用火燒除森林地表部分可燃物，促進(jìn)上層林木生長，然而高強(qiáng)度的森林火災(zāi)燒除地上生物量及地表枯枝落葉、部分腐殖質(zhì)[11]。已經(jīng)研究表明，再生能力強(qiáng)的物種火干擾后容易恢復(fù)，火干擾之后，灌木林森林植物、土壤肥力和土壤養(yǎng)分5年左右就可恢復(fù)到火燒前水平，恢復(fù)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地中海森林生態(tài)系統(tǒng)火干擾[12]。國外有學(xué)者開始研究森林火災(zāi)頻繁發(fā)生對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響，西班牙和地中海盆地境內(nèi)火頻繁發(fā)生的機(jī)率正在增加[13]；馬尾松林很容易發(fā)生森林火災(zāi)，因此，連續(xù)森林火災(zāi)對生態(tài)系統(tǒng)的影響、嚴(yán)重程度及養(yǎng)分損失是大量專家學(xué)者面臨的新挑戰(zhàn)及研究方向，國內(nèi)對火干擾對林下植物、土壤理化性質(zhì)研究較多[14-17]，但幾乎沒有頻繁火干擾對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響研究報道。頻繁火災(zāi)可能減少土壤系統(tǒng)的養(yǎng)分，從而限制林地植被恢復(fù)。本研究以馬尾松次生林為對象，人為控制火干擾強(qiáng)度及火燒區(qū)域，分析頻繁火干擾對植物和森林土壤結(jié)構(gòu)及養(yǎng)分的影響，有利于了解火干擾對森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分供應(yīng)的影響，為火后植被恢復(fù)和土壤肥力管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)置于湖南省攸縣黃豐橋林場，介于E113°04′～ 113°43′、N27°06′～ 27°04′之 間， 海拔240 m左右，成土母巖為第四紀(jì)紅色粘土，年平均氣溫17.8℃，年降水量為1 410 mm，主要為馬尾松人工林和馬尾松-檵木次生林。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與指標(biāo)測定

2004～2012年內(nèi)先后進(jìn)行3次火干擾，部分林地經(jīng)過2、3次火干擾，分別設(shè)置經(jīng)過1次、2次、3次火干擾的樣地（林分年齡、樹種組成差異很?。?，在火場附近選擇未燒區(qū)作為對照樣地。每個火燒區(qū)設(shè)置樣地3塊（10 m×10 m），共設(shè)置10個樣地，不同樣地選擇地形學(xué)特征（土壤類型、沙石含量、坡度、坡向等）盡可能一致。每個樣地沿對角線分別設(shè)置3個（1 m×1 m）小樣方，火干擾前用砍刀把小樣方中的植物全部砍倒并送往實(shí)驗(yàn)室烘干至恒重（80℃），試驗(yàn)樣地火干擾歷史和土壤特征如表1。使用直徑為5 cm的環(huán)刀采集各個樣方0～5 cm和5～10 cm土壤樣品。用來分析土壤樣品的各種等指標(biāo)，pH值、有機(jī)質(zhì)、CEC、全氮、有效磷、速效鉀分別采用電位法、重鉻酸鉀氧化法、乙酸銨法、半微量開氏法、NH4F-HCl-鉬銻抗比色法、中性NH4OAc浸提火焰光度法測定[18]，測定結(jié)果分析植物營養(yǎng)和土壤養(yǎng)分動態(tài)。把生態(tài)系統(tǒng)從上往下分為三個組成部分（即，P，植物枝干與葉；L，地表枯枝落葉；S，0～10 cm土壤），分別分析其養(yǎng)分庫的變化。

表1 樣地火干擾歷史及基本特征Table 1 Fire history and general soil properties of the plots

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)DPS（Data Processing System） V6.85進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 火干擾對不同生態(tài)系統(tǒng)組成部分養(yǎng)分庫的影響

2.1.1 火干擾對地上植被養(yǎng)分的影響

一般說來，火干擾后植物的碳、氮、磷和鉀等養(yǎng)分濃度發(fā)生變化。如表2和圖1，與對照樣地相比，火干擾后馬尾松次生林林木氮和磷的含量較低；頻繁火干擾后，隨火干擾次數(shù)增加，植物樹葉和樹干中碳和氮含量稍減少，而C/N和磷含量稍增加；除經(jīng)2次火干擾樣地外，樹干中鉀含量顯著增加，樹葉中鉀含量顯著減少，與Delitti等研究火干擾后植物各種營養(yǎng)物質(zhì)有同樣的變化趨勢[19]。

表2 頻繁火干擾后馬尾松林植物和枯枝落葉層養(yǎng)分變化Table 2 Change of nutrients in Pinus massoniana forest surface litter layers and plant after fire recurrence

2.1.2 火干擾對枯枝落葉養(yǎng)分的影響

如表2和圖1所示，頻繁火干擾后，隨火干擾次數(shù)增加，馬尾松次生林枯枝落葉中碳含量增加，而氮的含量減少，但都不顯著，枯枝落葉中氮的含量但比植物枝干與葉中變化幅度較小，C/N增加；對照樣地枯枝落葉中磷的含量最高，達(dá)0.72 g/m2，火干擾后枯枝落葉中磷含量顯著減少，降低到0.2 g/m2，但與火干擾次數(shù)關(guān)系不大，歸因于火干擾間隔期內(nèi)地表枯枝落葉積累較少，因?yàn)轭l繁火干擾減少了地表生物量的積累（如圖1）；枯枝落葉層鉀的含量變化趨勢與植物枝干與樹葉層一致，經(jīng)1、2、3次火干擾后枯枝落葉中鉀的含量沒有差異，0～10 cm土壤中的鉀的含量呈現(xiàn)隨火干擾次數(shù)的增加而增加的趨勢，這與DeSouza、Silka、Davis和DeBano等的研究結(jié)果一致[20-21]。

圖1 頻繁火干擾后不同生態(tài)系統(tǒng)組成部分的養(yǎng)分庫（P：植物枝干與葉；L：地表枯枝落葉；S：0～10 cm土壤）Fig.1 Nutrient pool in different ecosystem compartments after fi re recurrence (P: includes stems plus leaves;L: surface litter; S: soil in the upper 0-10 cm)

2.1.3 火干擾對礦質(zhì)土壤肥力的影響

馬尾松次生林土壤有機(jī)碳含量變化趨勢與火干擾次數(shù)沒有太大的關(guān)系（見表3），經(jīng)1次、2次及3次火干擾樣地0～5 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量比5～10 cm差異明顯，2次火干擾樣地0～5 cm和5～10 cm層土壤有機(jī)碳含量比經(jīng)1、3次火干擾低，然而3次火干擾樣地的土壤有機(jī)碳含量反而增加，估計(jì)與頻繁火干擾后產(chǎn)生的半分解可燃物向土壤輸入有關(guān)[20]。全氮與C/N比的變化趨勢與土壤有機(jī)碳相似，但0～5 cm土壤全氮含量隨火干擾次數(shù)的增加而降低，而火干擾對5～10 cm土壤中氮的含量幾乎沒有影響，這與火的熱量主要向上輻射而向下輻射或傳導(dǎo)較少有關(guān)；頻繁火干擾后0～5 cm土壤有效磷含量比對照樣地高，特別是經(jīng)1次火干擾后土壤有效磷含量是對照樣地的2～4倍，但各樣地有效磷含量隨火干擾次數(shù)的增加而下降（見圖2）；有效鉀含量隨火干擾次數(shù)增加而增加，但是增加數(shù)量差異不顯著。

2.2 火干擾對0～5 cm土壤潛在可礦化氮的影響

圖2 頻繁火干擾與0～5 cm土壤有效磷含量的關(guān)系Fig.2 Relationship between soil available P concentration and fi re recurrence in the upper 0-5 cm

表3 頻繁火干擾后馬尾松林表層土壤養(yǎng)分變化Table 3 Change of soil nutrients in Pinus massoniana after fire recurrence

如圖3所示，對照樣地0～5 cm土壤潛在可礦化氮約140 mg/kg，經(jīng)1、2、3次火干擾后，樣地1中土壤潛在可礦化氮分別約95、142、120 mg/kg，樣地2中土壤潛在可礦化氮分別約96、122、161 mg/kg，樣地3中土壤潛在可礦化氮分別約114、127、189 mg/kg，結(jié)果表明馬尾松次生林0～5 cm土壤潛在可礦化氮隨火干擾次數(shù)的增加而增加（樣地2除外），與Covington和Sackett對杰克松林火干擾后土壤潛在可礦化氮的研究結(jié)果吻合[22]，雖然火干擾導(dǎo)致土壤氮損失較大，但火干擾過程產(chǎn)生大量燃燒產(chǎn)物通過土壤空隙輸入，從而增加土壤潛在可礦化氮。

3 結(jié)論與討論

圖3 頻繁火干擾與0～5 cm土壤潛在可礦化氮的關(guān)系Fig.3 Relationship between soil PMN and fire recurrence in the upper 0-5 cm

以馬尾松次生林為對象，于2004、2009、2012年先后進(jìn)行控制火燒試驗(yàn)（頻繁火干擾），對頻繁火干擾下林內(nèi)植物、枯枝落葉及土壤養(yǎng)分進(jìn)行了分析，研究表明：

（1）火干擾燒除了地上及土壤表層可燃物，單次高強(qiáng)度火干擾對土壤生態(tài)系統(tǒng)中氮和磷的損失比頻繁火干擾林地更大。

（2）隨火干擾次數(shù)增加，植物樹葉和樹干中碳和氮含量略減少、磷含量稍增加，枯枝落葉中碳含量增加、氮含量減少，但都不顯著，枯枝落葉中磷含量顯著減少，C/N增加，枯枝落葉和樹干中鉀含量顯著增加，而植物樹葉中鉀含量顯著減少。

（3）火干擾次數(shù)對馬尾松次生林土壤有機(jī)碳含量變化影響不大，頻繁火干擾對0～5 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響比5～10 cm大，且差異明顯，土壤中全氮與C/N比的變化趨勢與土壤有機(jī)碳相似，但是5～10 cm全氮和有效磷含量隨火干擾次數(shù)的增加而降低，1次火干擾后有效磷的含量最高，是對照樣地的近3倍；對照樣地有效磷的含量相對較低，隨著土層深度的增加，差異越小?；鸶蓴_后0～5 cm土壤有效磷含量比對照樣地高，但各樣地有效磷含量隨火干擾次數(shù)的增加而下降。馬尾松林0～5 cm土壤潛在可礦化氮隨火干擾次數(shù)的增加而增加，雖然有大量研究表明，火干擾導(dǎo)致土壤氮損失較大，但0～5 cm土壤潛在可礦化氮增加的原因與火干擾過程產(chǎn)生大量燃燒產(chǎn)物輸入土壤空隙而增加土壤潛在可礦化氮有關(guān)。

通過探索火干擾后森林生態(tài)系統(tǒng)不同組成部分的養(yǎng)分變化，了解火干擾特別是頻繁火干擾對生態(tài)系統(tǒng)的影響效應(yīng)，研究結(jié)果為火干擾前森林可燃物控制和火干擾后土壤改良、提高林地生產(chǎn)力、植被恢復(fù)提供理論參考，但是因每次燃燒控制試驗(yàn)時的天氣、可燃物等因素不一樣，因此火干擾強(qiáng)度不可能完全相同，其次，頻繁火干擾對10 cm以下土壤養(yǎng)分動態(tài)及持續(xù)時間有待進(jìn)一步研究。

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Responses of plant and soil nutrients in Pinus massoniana with fire recurrence

XU Zhou, LIU Fa-lin
(Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Take Pinus massoniana secondary forest as research object, changes of nutrient was analyzed in different ecosystem compartments after fire recurrence. With the number of fire disturbance increasing, content of carbon and nitrogen in trunk and leaves slightly reduced, but phosphorus content was significant increased, and the C/N ratio increased too. Carbon content increased in the litter,but nitrogen content reduced, and phosphorus and potassium content were significantly reduced. Change trend of soil organic carbon was not correlated with the number of fire disturbance. Soil organic matter content in the upper 0-5 cm after 1, 2 and 3 times fire disturbance was obvious heavier than in 5-10 cm. The change trend of total nitrogen and the C/N ratio is similar to the soil organic carbon, but total nitrogen and available phosphorus of soil in the upper 5-10 cm reduced and available potassium increased, and potential mineralized nitrogen (PMN) in 5-10 cm increased with the number of fire disturbance increasing. Through studying the effects of recurrent fires on the ecosystem, it can provide a theoretical reference for soil improvement and vegetation restoration.

Pinus massoniana; fire disturbance; recurrent fires; soil nutrients

S714.2

A

1673-923X(2016)06-0046-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.06.009

2015-05-18

國家自然科學(xué)基金（31470659）

許 舟，碩士研究生

劉發(fā)林，副教授，博士；E-mail：Liu fl 680@126.com

許 舟，劉發(fā)林. 馬尾松林植物及土壤養(yǎng)分對頻繁火干擾的響應(yīng)[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2016, 36(6): 46-50.

[本文編校：吳 彬]