冉益倩, 周 俊, 張茜彧, 范建容, 李孝龍, 馬月偉

(1.西南林業(yè)大學(xué)地理與生態(tài)旅游學(xué)院, 云南 昆明 650224; 2. 中國科學(xué)院、 水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 四川 成都 610299)

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地最重要的碳庫,但常受到火燒的擾動[1-2]。與1984年之前相比,近四十年來全球森林過火面積增加了一倍[3-4]。盡管林火是pH值、容重、養(yǎng)分含量及其有效性等土壤理化性質(zhì)的重要影響因素[5-9],但上述指標(biāo)隨火燒程度的變化趨勢和程度仍存在較大爭議。例如,部分研究發(fā)現(xiàn)火燒使土壤無機(jī)元素含量升高[10-12]或有機(jī)酸變性[13],從而導(dǎo)致土壤pH值升高,但是,也有研究發(fā)現(xiàn)pH值在火燒后保持不變[14]。同樣,林火干擾導(dǎo)致土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon,SOC)含量升高、不變和降低的研究結(jié)果也大量存在[15-17]。盡管多個(gè)研究發(fā)現(xiàn)火燒使土壤氮(Nitrogen,N)直接揮發(fā),導(dǎo)致土壤全氮(Total nitrogen,TN)含量顯著降低[18],但也有研究發(fā)現(xiàn)輕度和中度火燒后土壤TN含量并未顯著降低。相反,由于輕度和中度火燒導(dǎo)致養(yǎng)分隨灰分物質(zhì)進(jìn)入土壤,因此,土壤TN含量增加[19]。此外,還有研究發(fā)現(xiàn)盡管火燒未明顯改變土壤磷(Phosphorus,P)的總量,但可導(dǎo)致土壤有效P含量升高[20]。上述不一致的研究結(jié)果基于不同氣候區(qū)的火燒跡地得到,表明林火對不同氣候區(qū)土壤性質(zhì)的影響可能顯著不同,但其中的差異和機(jī)制尚待揭示。

盡管亞熱帶地區(qū)林火發(fā)生的數(shù)量是北方地區(qū)的數(shù)倍[21],但是目前大多數(shù)研究在北方林區(qū)火燒跡地展開,對亞熱帶季風(fēng)區(qū)林火影響的研究較少[20]。由于溫度和降水等氣候條件的差異,亞熱帶季風(fēng)區(qū)森林土壤的凋落物和有機(jī)質(zhì)層厚度不及北方林區(qū),火燒后未燃燒完全的有機(jī)物以及隨灰分進(jìn)入土壤的礦質(zhì)元素均相對較少,導(dǎo)致火燒后亞熱帶森林表層土壤的有機(jī)碳和礦質(zhì)元素的含量變化不顯著,而N等易因高溫而揮發(fā)的元素含量則可能會顯著降低,因此,推測林火對森林土壤性質(zhì)的影響在兩個(gè)地區(qū)可能存在顯著差異。

四川省涼山彝族自治州西昌市位于我國西南地區(qū),屬于典型亞熱帶西南季風(fēng)氣候區(qū),林分為云南松和桉樹。2020年的“3·30”火災(zāi)導(dǎo)致西昌市經(jīng)久鄉(xiāng)人工林受到不同強(qiáng)度的火燒干擾,是研究亞熱帶林火對土壤影響的理想?yún)^(qū)域。本文以西昌“3·30”火災(zāi)地區(qū)未過火、低度、中度和重度火燒跡地土壤為實(shí)驗(yàn)對象,研究不同火燒強(qiáng)度對土壤容重、pH值、有機(jī)碳和主要礦質(zhì)養(yǎng)分的影響,并與國內(nèi)外已有研究結(jié)果進(jìn)行對比分析,探究不同火燒強(qiáng)度對亞熱帶西南季風(fēng)區(qū)森林土壤有機(jī)碳庫和養(yǎng)分狀況的影響程度。研究成果不僅有助于認(rèn)清亞熱帶西南季風(fēng)林區(qū)不同火燒強(qiáng)度對森林土壤的影響,闡明林火干擾對我國森林土壤影響的空間格局,而且可為該區(qū)域火燒跡地植被恢復(fù)的養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù),具有較明確的科學(xué)意義和一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省涼山彝族自治州西昌市經(jīng)久鄉(xiāng)(27°46′51″～21°53′21″ N,102°11′55″～102°17′55″ E)。經(jīng)久鄉(xiāng)以山地為主,海拔在1 500～2 510 m之間,氣候?yàn)榈湫偷奈髂霞撅L(fēng),年均溫為17℃,年均降雨量為1 013.5 mm,日最大降雨量為199.5 mm。雨季為5月至10月,降雨主要以夜間暴雨為主,約占年全降雨量的90%。2020年“3·30”火災(zāi)前,研究區(qū)森林植被覆蓋率超過90%,優(yōu)勢物種為云南松和桉樹,土壤主要為紫色土和黃壤。樣地土壤為紫色土,屬風(fēng)化發(fā)育較淺的礦質(zhì)土壤,由中生代紫色砂頁巖風(fēng)化而成,常見于四川盆地;凋落物層厚度不超過3 cm,土壤有機(jī)質(zhì)含量較低、結(jié)構(gòu)性差、蓄保水能力較弱。

1.2 研究方法

1.2.1樣地設(shè)置 本研究于2021年3月選取海拔、坡度和坡向相似的火燒跡地設(shè)置5 m×5 m的樣地。根據(jù)火燒程度將樣地分為低度火燒(L)、中度(M)、重度(H)火燒跡地,同時(shí)選擇臨近未過火區(qū)域設(shè)置對照樣地。每個(gè)強(qiáng)度設(shè)置5個(gè)重復(fù)?；鸶蓴_強(qiáng)度劃分依據(jù)為喬灌草燒傷的比例、火焰高度、植物燃燒程度、土壤有機(jī)質(zhì)層的被影響程度[22-23],詳見表1。

1.2.2樣品采集 采用五點(diǎn)取樣法在每塊樣地上采集土樣,土壤采集深度為0～20 cm。

每個(gè)樣方中的樣品混勻?yàn)橐粋€(gè)樣品,得到的土樣使用干凈的自封袋保存,儲存于0～4℃的保溫箱中。土壤樣品采集完成后立刻帶回實(shí)驗(yàn)室過2 mm篩。用于測定容重的樣品經(jīng)105℃烘干;用于測定其他理化指標(biāo)的樣品低溫(35℃)烘干。

1.3 樣品分析

分別采用環(huán)刀法和電位法(METTLER TOLEDO S210)測定土壤容重和pH值。采用元素分析儀(Elementar Trace SN cube)測定土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon,SOC)和全氮含量。對鉀(Kalium,K)、鈣(Calcium,Ca)、鎂(Magnesium,Mg)和P等養(yǎng)分元素,經(jīng)微波消解后,采用火焰光度法測定全K,Ca和Mg的含量,采用鉬銻抗比色法測定全磷(Total phosphorus,TP)含量。分別采用堿解擴(kuò)散法、乙酸銨浸提-火焰光度法和碳酸氫鈉浸提-鉬藍(lán)比色法測定堿解N、速效K和速效P含量[24]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,測試指標(biāo)采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式呈現(xiàn)。采用單因素方差法(ANOVA)分析不同火燒程度對土壤性質(zhì)的影響。采用LSD方法進(jìn)行兩兩差異檢驗(yàn)。數(shù)據(jù)的殘差滿足正態(tài)分布、方差齊性和獨(dú)立性等ANOVA分析的前提條件。對呈正態(tài)分布的土壤指標(biāo),采用Pearson系數(shù)表征各指標(biāo)之間的相關(guān)性。由于Ca和Mg進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換后仍不滿足正態(tài)分布,因此,采用Spearman法分析pH值與三種堿基離子(Ca,Mg和K)之間的相關(guān)性。除特別說明,顯著性水平設(shè)置為P=0.05。采用OriginPro2022(學(xué)生版)繪制圖件。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重和pH值

盡管輕度和中度火燒對土壤容重的影響不顯著,但是重度火燒跡地的土壤容重極顯著高于對照、輕度和中度火燒樣地(P<0.01,圖1a),分別增加了12.0%,9.0%和10.0%。重度火燒后土壤容重增加的趨勢與北半球大多數(shù)火燒跡地的結(jié)果一致(圖2a)。三個(gè)火燒程度對土壤pH的影響均不顯著(圖1b),與熱帶和亞熱帶大多數(shù)樣點(diǎn)的變化趨勢一致,但與北溫帶部分火燒跡地pH升高的趨勢不一致(圖2b)。

圖1 不同火干擾下土壤容重(a)和pH值(b)

圖2 不同火干擾強(qiáng)度對土壤容重(a)和pH值(b)的影響

2.2 土壤有效養(yǎng)分

火燒顯著增加了土壤速效P和速效K的含量,顯著降低了土壤堿解N含量(圖3a,b,c)。輕度、中度和重度火燒跡地的土壤速效P含量分別比對照樣地增加了142%,197%和183%,但三種火燒跡地的速效P含量無顯著差異(圖3a)。火燒程度對土壤速效K含量具有顯著影響。隨著火燒程度的增加,土壤速效K含量呈逐漸升高的趨勢,重度火燒跡地速效K含量是對照樣地的1.9倍(圖3c)。與土壤速效P和速效K相反,火燒導(dǎo)致土壤堿解N含量顯著下降。輕度、中度和重度火燒跡地堿解N相較對照分別顯著減少了34.6%,27.7%和45.7%(圖3b),但土壤堿解N的含量在三種火燒程度間無顯著差異?；馃龑?dǎo)致西昌林地土壤速效P和速效K增加的趨勢則與北半球大多數(shù)樣點(diǎn)的趨勢一致(圖4a,c),而堿解N減少的趨勢與北半球中緯度地區(qū)大多數(shù)火燒跡地的趨勢相反(圖4b)。

圖4 不同火干擾對土壤(a)速效磷、(b)堿解氮和(c)速效鉀的影響

2.3 土壤養(yǎng)分全量

火燒顯著降低了土壤TN含量,且隨著火燒程度的增加,TN含量逐漸降低(圖5a)。重度火燒后土壤TN含量較對照減少了44.7%。三種火燒程度均未顯著改變土壤Ca,Mg,K,P和SOC的含量(圖5b,5c,5d,5e,5f)。土壤無機(jī)P和有機(jī)P含量均未受到火燒強(qiáng)度的顯著影響(圖6a,6b)。西昌火燒跡地SOC含量未顯著變化的趨勢與北半球部分火燒跡地的趨勢一致(圖7a)。目前對火燒導(dǎo)致SOC含量變化的趨勢尚未取得一致認(rèn)識(圖7a)。重度火燒跡地土壤TN含量減少的趨勢與北溫帶大多數(shù)已有研究結(jié)果基本一致,輕度和中度火燒跡地中TN不變的趨勢與亞熱帶和熱帶的研究結(jié)果一致(圖7b)。與SOC相同,火燒程度對土壤TP的影響也尚無較為一致的結(jié)論(圖7c)。

圖5 不同火干擾下瀘山土壤全氮(a)、全鈣(b)、全鎂(c)、全鉀(d)、全磷(e)和有機(jī)碳(f)含量

圖6 西昌“3·30”火燒跡地土壤無機(jī)磷(a)和有機(jī)磷(b)含量

圖7 不同火燒程度對土壤有機(jī)碳(a)、全氮(b)和全磷(c)的影響

2.4 土壤理化指標(biāo)之間的關(guān)系

土壤容重與堿解N含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與速效K含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(表2)。速效P與速效K含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,但與TP、有機(jī)P和無機(jī)P含量無顯著相關(guān)關(guān)系。TN與堿解N含量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤pH值與3種堿基離子(Ca,Mg和K)含量之間無顯著相關(guān)關(guān)系(數(shù)據(jù)未在表2中展示)。

表2 土壤理化指標(biāo)之間的Pearson相關(guān)系數(shù)

3 討論

3.1 土壤容重和pH值

火燒使土壤容重增加的原因主要包括使土壤孔隙變小[12]、破壞土壤團(tuán)聚體和土壤有機(jī)質(zhì)大量流失[44]。由于本研究中三種程度的火燒均未導(dǎo)致SOC顯著降低(圖5f),因此,容重的變化很有可能是火燒對土壤物理結(jié)構(gòu)的影響造成的。輕和中度火燒尚不足以對礦質(zhì)土壤層的孔隙等物理結(jié)構(gòu)造成影響,可能是這兩種火燒強(qiáng)度下土壤容重未發(fā)生變化的主要原因。

西昌“3·30”火燒跡地土壤pH值對三種火燒強(qiáng)度的響應(yīng)都不顯著,可能與緯度導(dǎo)致的氣候和土壤理化性質(zhì)的差異有關(guān)。目前的研究認(rèn)為灰分中的Ca和Mg離子等進(jìn)入土壤中導(dǎo)致土壤堿性陽離子含量增加[12-13,39],土壤有機(jī)酸在火災(zāi)中發(fā)生變性和凋落物在燃燒過程中脂肪族化合物的釋放是火燒導(dǎo)致土壤pH值增大的主要原因[43,45]。與年均溫相對較低的北方林區(qū)相比,亞熱帶西南季風(fēng)區(qū)的森林土壤風(fēng)化程度更高,凋落物和有機(jī)質(zhì)層更薄,有機(jī)酸含量也更低,如本研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)層僅0～3 cm,使得上述三個(gè)增加pH值的機(jī)制在亞熱帶地區(qū)發(fā)揮的作用較為有限。本文發(fā)現(xiàn)火燒后三種堿基離子(Ca,Mg和K)的含量均未顯著升高(圖5b,5c,5d)也可證明火燒后隨灰分進(jìn)入土壤的堿性陽離子相對較少。此外,pH值與三種堿基離子之間無顯著相關(guān)性也說明北方林區(qū)發(fā)現(xiàn)的火干擾對土壤pH值的作用機(jī)制不適用于西南亞熱帶林區(qū)。

3.2 土壤有機(jī)碳

火燒強(qiáng)度對土壤SOC含量無顯著影響(圖2 d)也可能與緯度引起的氣候條件的不同具有一定關(guān)系。對前人研究結(jié)果的總結(jié)發(fā)現(xiàn),火燒擾動后,從赤道到南半球的樣點(diǎn),土壤SOC總體減少;而北半球的情況與之相反,隨著緯度增加,更多樣點(diǎn)的SOC趨向增加,少部分不變或減少(圖7a)。與本文緯度接近的西班牙東北部薩拉戈薩市的火燒跡地[36],其SOC含量有所降低。先前的研究認(rèn)為,火燒后未完全燃燒凋落物進(jìn)入土壤后會導(dǎo)致土壤SOC含量增加[31,40,46-47]。這可能主要由于其研究區(qū)多位于緯度較高、相對寒冷的地區(qū),凋落物層和有機(jī)質(zhì)層較厚。由于本文研究區(qū)溫度較高,凋落物分解速率較快,火燒前凋落物層較薄,火燒造成的未完全燃燒的凋落物含量較少,因此,未完全燃燒凋落物向土壤輸入的SOC較為有限。另一方面,火燒導(dǎo)致土壤完全裸露,本文采樣時(shí)間為火燒后一年,雨季時(shí)徑流還會導(dǎo)致SOC流失。綜上,較高的溫度、較薄的有機(jī)質(zhì)層和較集中的降雨可能是未觀測到火燒強(qiáng)度對土壤SOC有顯著影響的主要原因。

3.3 土壤養(yǎng)分

土壤溫度超過200℃,土壤N會直接揮發(fā)到空氣而發(fā)生損耗;當(dāng)土壤溫度超過500℃,土壤N幾乎全部消失[48]。因此,林火不僅可導(dǎo)致土壤中原有的N因高溫?fù)]發(fā),而且會引起植物和凋落物燃燒過程中N的揮發(fā),導(dǎo)致隨灰分輸入土壤的N數(shù)量較少,進(jìn)而導(dǎo)致火燒后土壤TN含量降低。強(qiáng)度越大的火燒干擾,持續(xù)時(shí)間更長,可能導(dǎo)致土壤中更多的N流失。因此,我們觀察到隨著火燒強(qiáng)度的增加,土壤TN顯著降低(圖5a)。此外,火燒常導(dǎo)致土壤有機(jī)N轉(zhuǎn)化為無機(jī)N[11,39],而無機(jī)N的溶解性較高,易隨徑流流失,導(dǎo)致土壤N含量進(jìn)一步較少[49]。盡管部分研究發(fā)現(xiàn)火干擾并未降低土壤TN和堿解N含量[29,32,34],但這些研究的數(shù)量相對較少(圖7b)。

與N不同,高溫條件下P不易揮發(fā)。土壤對P的吸附作用較強(qiáng),使得P隨徑流流失的量也較為有限。這些可能是西昌火燒跡地土壤TP含量變化較小的主要原因。速效P含量的增加一方面是由于植物和凋落物燃燒后灰分中的無機(jī)P進(jìn)入土壤[47,50,51],另一方面則是火燒促進(jìn)土壤有機(jī)P轉(zhuǎn)化為無機(jī)P[51]。不過,由于速效P的最大增幅僅15 mg·kg-1左右(圖2a),占未過火土壤TP的比例不到6%,因此,速效P的增加并未導(dǎo)致TP含量顯著升高。此外,速效P與TP、無機(jī)P和有機(jī)P之間無顯著相關(guān)性(表2),也說明速效P的變化對TP的影響有限。

與TP的變化類似,三種強(qiáng)度的火燒均未導(dǎo)致土壤K含量發(fā)生顯著變化(圖5d),與Badía、劉冠宏等的結(jié)果一致[33,36],但緯度更高的大多數(shù)研究均發(fā)現(xiàn)各個(gè)火燒強(qiáng)度下K含量有所升高[18,31]。這種差異可能是由于北方地區(qū)凋落物更多,燃燒后向土壤輸入的K更多造成的。不過,盡管研究區(qū)的凋落物相對較少,但其完全燃燒后仍可向土壤輸入一定量的K,因此,高強(qiáng)度火燒跡地的速效K含量顯著高于未過火樣地(圖3c)。重度火燒導(dǎo)致土壤速效K含量增加的這種趨勢,與絕大多數(shù)研究的結(jié)果較為一致(圖4c)。輕度火燒樣地中速效K并未增高一方面可能是由于隨灰分輸入的K更少,另一方面可能是相較于重度火干擾,輕度火燒跡地保存著較好植被,火燒后植被生長過程中需吸收大量速效K[39]。

三種火燒程度對土壤Ca和Mg含量的影響不顯著,可能是由于亞熱帶季風(fēng)氣候?qū)е卵芯繀^(qū)土壤風(fēng)化程度較高,pH值較低,土壤Ca和Mg含量與北方地區(qū)相比較低,部分未過火樣地土壤的Ca濃度甚至低于檢測限(圖5b,5c),植物和凋落物中Ca和Mg含量也較低,因此,隨灰分返回土壤的Ca和Mg含量均較為有限。此外,由于Ca和Mg等堿基離子較易隨水流流失,而本研究是在火燒一年后采集樣品,因此,Ca和Mg未顯著變化也可能與雨季導(dǎo)致堿基離子的流失有關(guān)[52]。盡管部分研究發(fā)現(xiàn)火燒后土壤Ca和Mg含量均顯著上升[39],但這些研究均位于緯度更高、凋落物和有機(jī)質(zhì)層更厚的北方地區(qū),其更豐富的燃燒物和相對更少的降水更可能導(dǎo)致土壤Ca和Mg含量增加。

4 結(jié)論

本研究利用四川西昌“3·30”火燒跡地和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對比分析了不同緯度火燒跡地土壤理化性質(zhì)的變化,揭示了林火對亞熱帶與北方針葉林區(qū)土壤顯著不同的干擾特征。與北方針葉林相比,火燒強(qiáng)度對西南亞熱帶森林土壤SOC,Ca,Mg,K和P含量以及pH的影響不顯著,但是,與北方林區(qū)一致,林火顯著降低了易隨高溫?fù)]發(fā)的土壤TN和堿解N的含量。本文的研究結(jié)果不僅豐富了林火生態(tài)學(xué)的研究案例,而且可為亞熱帶地區(qū)森林火燒跡地植被恢復(fù)過程中的養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)。