閆志剛，王 鼎，周 梅，趙鵬武，田金龍，舒定璽

(1.內(nèi)蒙古大興安嶺航空護林局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，甘肅 蘭州 730070；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 林學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；4.內(nèi)蒙古畢拉河國家級自然保護區(qū)，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 165479)

森林土壤有機碳是土壤碳匯的重要組成部分，森林土壤碳庫占全球土壤碳庫的73%，內(nèi)部組成極為復雜，且受外界影響較大，在調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支和碳平衡過程中起著關(guān)鍵作用[1]。因此，研究土壤有機碳對森林土壤碳匯的影響有重要意義[2-3]。森林土壤有機碳庫的變化可能會引起大氣中CO2濃度發(fā)生改變，從而影響局地的氣候變化。因此，各國學者也越來越重視森林土壤碳庫的研究[4-5]。

火是森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要干擾因子，不同程度的火燒對森林生態(tài)系統(tǒng)的作用不同，對森林土壤的有機碳庫造成影響也不同[6-7]。大興安嶺林區(qū)森林火災頻繁發(fā)生，嚴重影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的服務功能及土壤碳庫[8]。土壤活性有機碳占土壤有機碳總量的比例較小，但活性有機碳能夠直接參與土壤生物化學過程，反映出土壤質(zhì)量的微小變化[9]。

大興安嶺林區(qū)林下資源豐富，是森林火災頻發(fā)區(qū)[10]。內(nèi)蒙古大興安嶺凍土分布較廣，北部地下多為連續(xù)永久凍土帶，東南部多為島狀凍土和季節(jié)性凍土分布區(qū)域?；鸶蓴_將導致部分凍土區(qū)凍土融化、土壤性質(zhì)發(fā)生改變[11-12]。本研究以內(nèi)蒙古大興安嶺凍土區(qū)不同火燒程度火燒跡地為對象，研究森林火災后土壤恢復期碳組分的變化特征，旨在為森林火災后土壤碳庫恢復提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于畢拉河林業(yè)局2017年火燒跡地(49°00′-49°54′N，122°42′-123°55′E)，與汗馬國家級自然保護區(qū)2018年火燒跡地(51°20′-51°49′N，122°23′-122°52′E)，2個研究區(qū)均隸屬于中國內(nèi)蒙古大興安嶺森林工業(yè)集團有限公司。畢拉河林區(qū)位于大興安嶺山脈的東南坡，地下為島狀凍土區(qū)，汗馬保護區(qū)位于內(nèi)蒙古大興安嶺山脈西坡北部，地下為永久凍土區(qū)。氣候均屬寒溫帶大陸性氣候，特點是夏季溫暖短促、多雨，冬季寒冷漫長。畢拉河林區(qū)年平均氣溫為-1.1 ℃，年平均降水量為480 mm，降雨期多集中在7-8月，約占全年降水量的50%～60%，無霜期130 d左右。汗馬保護區(qū)年平均氣溫-5.3 ℃，年降水量450 mm左右，集中在7-9月，約占全年總降水的70%。保護區(qū)全年有長達10個月的積雪覆蓋，局部地區(qū)積雪常年不化，無霜期只有80～100 d。

1.2 樣地布設

分別于2017年5月和2018年7月在內(nèi)蒙古大興安嶺畢拉河林區(qū)2017年火燒跡地和汗馬保護區(qū)2018年火燒跡地內(nèi)設置輕度、中度、重度3種類型火燒樣地，同時在距離輕度火燒樣地1 km范圍內(nèi)設置未火燒對照樣地。每個類型樣地設置3個重復，共24塊樣地，樣地規(guī)格均為30 m×30 m。

1.3 土壤樣品采集與實驗方法

在樣地內(nèi)進行S形取樣，每個樣地取5份土壤樣品，樣品按照0～10、10～20、20～30 cm土壤層分層取樣。取樣后用自封袋保存、冷藏，帶回實驗室風干、研磨后進行土壤有機碳(SOC)和易氧化有機碳(ROC)含量(質(zhì)量分數(shù))的測定。Elementarvario EL III(德國)自動碳氮分析儀測定土壤SOC含量。土壤ROC含量的測定采用高錳酸鉀氧化法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016對數(shù)據(jù)進行初步分析，使用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(Duncan)，顯著性水平設定為P=0.05，使用Sigmaplot 12.5軟件進行制圖。

表1 樣地基本特征

2 結(jié)果與分析

2.1 不同火燒程度土壤SOC變化特征分析

由圖1可以看出，在畢拉河與汗馬研究區(qū)，4種類型樣地土壤SOC含量在0～30 cm土壤層中隨著土壤層的加深而降低。在畢拉河研究區(qū)，火干擾會使得0～20 cm土壤層SOC含量增加，3種程度火燒樣地0～10 cm土壤層SOC含量均顯著高于對照樣地(P<0.05)，其中，重度火燒程度干擾下土壤SOC含量升高最多。輕度和中度火燒樣地10～20 cm土壤層SOC含量均顯著高于對照樣地(P<0.05)。輕度和重度火干擾會使20～30 cm土壤層SOC含量增加，中度火干擾會使20～30 cm土壤層SOC含量降低，但與對照樣地相比，3種程度火燒樣地20～30 cm土壤層SOC含量無顯著性差異(P>0.05)。在汗馬研究區(qū)中，較對照樣地相比，輕度和中度火干擾會使0～30 cm土壤層SOC含量增加，中度火燒樣地0～30 cm土壤層中SOC含量顯著高于對照樣地(P<0.05)，輕度火燒樣地10～30 cm土壤層中SOC含量顯著高于對照樣地(P<0.05)重度火干擾會使0～30 cm土壤層SOC含量降低，但重度火燒樣地0～30 cm土壤層SOC含量與對照樣差異不顯著(P>0.05)。可見，在畢拉河島狀凍土區(qū)火干擾會顯著增加0～10 cm土壤層有機碳含量；在汗馬永久凍土區(qū)輕度和中度火干擾會顯著增加0～20 cm土壤層有機碳含量(P<0.05)。

注：不同小寫字母表示相同土壤層不同火燒程度間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 不同火燒程度土壤ROC變化特征分析

由圖2可見，除畢拉河輕度火燒樣地外，2個研究區(qū)各類型樣地土壤ROC含量在0～30 cm土壤層中隨著土壤層的加深而降低。在畢拉河研究區(qū)，中度和重度火干擾會增加0～20 cm土壤層中ROC含量。其中，重度火燒樣地0～10 cm土壤層中ROC含量顯著高于對照樣地(P<0.05)。而輕度火干擾會降低0～10 cm土壤層中ROC的含量，增加10～30 cm土壤層中ROC含量，但輕度火燒樣地與對照樣地相比，0～30 cm土壤層中ROC含量差異不顯著(P>0.05)。在汗馬研究區(qū)，輕度和中度火干擾會增加土壤ROC的含量，而重度火干擾會降低土壤ROC的含量。其中，輕度和中度火燒跡地20～30 cm土壤層ROC的含量顯著高于對照樣地(P>0.05)。

圖2 不同火燒程度樣地土壤ROC含量

2.3 不同火燒程度土壤SOC與ROC關(guān)系

ROC含量在SOC含量中的比例是衡量土壤碳庫活性和穩(wěn)定性的重要指標，該比值越大土壤有機碳活性越高，更易被分解礦化。本研究發(fā)現(xiàn)，林火干擾會對ROC含量在SOC含量的占比產(chǎn)生影響，不同火燒程度干擾對ROC/SOC的值影響也不同。在畢拉河研究區(qū)，輕度和重度火燒樣地ROC/SOC的值隨著土壤層的加深而升高，對照樣地ROC/SOC的值隨著土壤層的加深而降低?；鸶蓴_顯著降低了0～20 cm土壤層中ROC/SOC的值(P>0.05)，其中輕度火燒樣地0～20 cm土壤層中ROC/SOC的值最低。在汗馬研究區(qū)，未火燒樣地ROC/SOC的值隨著土壤層加深而降低，3種火燒樣地ROC/SOC的值隨土壤深度變化無明顯規(guī)律。輕度火燒樣地ROC/SOC的值與對照樣地相比略有升高，中度樣地和重度樣地與對照樣地相比ROC/SOC的值略有降低，3種火燒樣地0～20 cm土壤層中ROC/SOC的值呈現(xiàn)輕度火燒樣地>中度火燒樣地>重度火燒樣地。輕度火干擾會增加0～30 cm土壤層中ROC/SOC的值，其中10～20 cm土壤層ROC/SOC的值顯著大于對照樣地(P>0.05)。中度和重度火干擾會降低0～20 cm土壤層ROC/SOC的值，但會增加20～30 cm土壤層ROC/SOC的值，其中20～30 cm土壤層ROC/SOC的值顯著小于對照樣地。

表2 不同火燒程度樣地土壤ROC/SOC值

ROC含量與SOC含量之間的線性回歸分析表明，畢拉河與汗馬研究區(qū)的ROC含量與SOC含量之間的存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)R分別為0.819、0.795，表明ROC含量在很大程度上取決于SOC含量。其中汗馬研究區(qū)R比畢拉河研究區(qū)高，表明ROC含量與SOC含量之間的相關(guān)性更高。

表3 不同凍土區(qū)土壤ROC與SOC相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1)在畢拉河島狀凍土區(qū)，火干擾會顯著增加0～10 cm土壤層有機碳含量；在汗馬永久凍土區(qū)，輕度和中度火干擾會顯著增加0～20 cm土壤層有機碳含量(P<0.05)。

2)大興安嶺凍土區(qū)土壤ROC含量與SOC含量之間的存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

3)在畢拉河島狀凍土區(qū)，火干擾會降低0～20 cm土壤層ROC/SOC的值，火燒程度越小ROC/SOC的值越小。在汗馬永久凍土區(qū)，輕度火干擾會增加0～30 cm土壤層ROC/SOC的值，中度和重度火干擾會降低0～20 cm土壤層ROC/SOC的值。

3.2 討論

不同火燒程度下，土壤SOC含量在垂直分布隨著土壤層的加深呈遞減趨勢，這與韓春蘭[13]等的研究結(jié)果相同，即在火燒樣地，森林土壤有機碳含量隨著土壤層的加深而降低。張宇婧等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，輕度火燒后大興安嶺森林土壤有機層碳含量與未過火對照樣地相比有小幅度升高，認為是火燒使地表植被大量燃燒分解，同時產(chǎn)生了大量灰燼；火燒跡地土壤溫度高，微生物分解速度加快，大量未被燃燒殆盡的可燃物進入土壤，對土壤有機質(zhì)進行了有益補充。在本研究中除汗馬重度火燒樣地外，不同凍土區(qū)不同火燒程度樣地0～20 cm土壤層中SOC含量也高于未火燒對照樣地。韓春蘭等[13]在火燒對興安落葉松林土壤有機碳含量影響的研究中發(fā)現(xiàn)，重度火燒后土壤表層的有機碳大量分解，這與汗馬研究區(qū)重度火燒樣地結(jié)果相同，分析可知重度火干擾后初期，森林恢復植被較少，表層有機碳補充也相對較少，導致有機碳含量較未火燒樣地相比明顯下降。

魏云敏[15]研究發(fā)現(xiàn)，輕度火燒樣地土壤總有機碳含量與碳組分含量高于未火燒樣地，而中度和重度火燒樣地，土壤總有機碳含量與碳組分含量均隨火強度增強呈下降趨勢。多數(shù)研究也表明火干擾后土壤活性有機碳含量會下降[16-17]，在本研究中只有在畢拉河輕度火燒樣地和汗馬重度火燒樣地內(nèi)發(fā)現(xiàn)該規(guī)律。在畢拉河研究區(qū)中度和重度火燒樣地與汗馬研究區(qū)輕度、中度火燒樣地內(nèi)均呈現(xiàn)火干擾后土壤活性有機碳含量增加的現(xiàn)象，這可能是因為在畢拉河研究區(qū)中、高強度的林火干擾與汗馬研究區(qū)低、中強度的林火干擾會增加土壤內(nèi)活性有機物的數(shù)量，增強了土壤活性有機碳的效應，致使土壤內(nèi)活性有機碳含量增加[18]。目前大量的研究結(jié)果表明，不同火燒程度下土壤碳組分含量的變化沒有一致的結(jié)論[19]。土壤有機碳組分變化與多種因素相關(guān)，如火燒程度、降雨、地形、林型、土壤質(zhì)地、人為干擾等都與有機碳組分的變化密切相關(guān)[12-22]。因此，不同程度火燒對森林土壤有機碳含量和碳組分含量的影響，還需要進行長時期的定位觀測才能有更為準確的結(jié)論。