摘 要：【目的】火干擾作為森林生態(tài)系統(tǒng)中一個(gè)重要的擾動(dòng)因子，對(duì)森林土壤性質(zhì)及結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)生劇烈作用，而森林土壤又是大氣CH4最重要的匯，因此火干擾對(duì)森林土壤CH4通量的影響是不可忽視的。同時(shí)在林火發(fā)生后由于植被的不完全燃燒也會(huì)產(chǎn)生大量黑炭。黑炭是一種具有多孔結(jié)構(gòu)的芳香化合物，進(jìn)入土壤后可以影響土壤孔隙度、pH等理化性質(zhì)從而改變土壤結(jié)構(gòu)，因此常被用作土壤改良劑減少農(nóng)田土壤CH4的排放，但對(duì)于火后黑炭輸入是否可以影響森林土壤CH4通量及其影響因素尚不明確。【方法】以沈陽棋盤山地區(qū)油松林作為研究對(duì)象，探究火干擾和黑炭輸入后土壤CH4的動(dòng)態(tài)變化及其影響因素?！窘Y(jié)果】1）火干擾會(huì)增加油松林生長(zhǎng)季土壤CH4通量，其中重度火燒樣地土壤CH4通量顯著高于對(duì)照樣地及輕度火燒樣地。2）黑炭輸入會(huì)降低油松林生長(zhǎng)季土壤CH4通量，且隨著黑炭輸入量的增加，土壤CH4通量降低的幅度也會(huì)增加。3）火干擾強(qiáng)度對(duì)土壤CH4通量具有直接的極顯著正向作用，解釋了46.9%（P<0.001）；黑炭輸入對(duì)土壤CH4通量具有直接的顯著負(fù)向作用，解釋了8.8%（P<0.05）；MBC和MBN對(duì)土壤具有直接的極顯著正向作用，分別解釋了29.0%、49.3%（P<0.001）?！窘Y(jié)論】火干擾會(huì)顯著增加土壤CH4通量，黑炭輸入可以在一定程度上減緩火干擾對(duì)土壤CH4通量的影響，并且火干擾和黑炭輸入主要通過改變微生物生物量影響土壤CH4通量。研究為如何降低火后溫室氣體排放，從而改善火燒跡地的生態(tài)環(huán)境以及火后林下管理提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：甲烷；火干擾；黑炭；微生物生物量

中圖分類號(hào)：S762.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-923X（2024）07-0010-11

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（32001324）；中國(guó)科協(xié)青年托舉工程項(xiàng)目（YESS20210370）；黑龍江省自然基金優(yōu)秀青年-聯(lián)合引導(dǎo)項(xiàng)目（LH2021C012）。

Effect of fire disturbance and black carbon input on soil methane flux during growing season of Pinus tabulaeformis forest

HU Tongxin， WANG Yusong， DOU Xu， SUN Aobo， YU Cheng， HAN Yu， SUN Long

（a. College of Forestry； b. Key Laboratory of Sustainable Management of Forest Ecosystem， Ministry of Education， Northeast Forestry University， Harbin 150040， Heilongjiang， China）

Abstract：【Objective】As an important disturbance factor in forest ecosystems， fire disturbance can have drastic effects on both the nature and structure of forest soils， which are the most important sink for atmospheric CH4， so the effects of fire disturbance on CH4 fluxes from forest soils cannot be ignored. At the same time， a large amount of black carbon is produced after fire due to incomplete combustion of vegetation. Black carbon is an aromatic compound with a porous structure， which can affect soil porosity， pH and other physicochemical properties after entering the soil and thus change the soil structure， so it is often used as a soil conditioner to reduce CH4 emissions from agricultural soils， but， there is a lack of clarity as to whether post-fire black carbon inputs can affect forest soil CH4 fluxes and the factors influencing them.【Method】In this study， we investigated the dynamic changes of soil CH4 fluxes and influence factor after fire disturbance and post-fire black carbon inputs using Pinus tabulaeformis forest in Shenyang’s Checkboard Mesa as the research object.【Result】1） The fire disturbance increased soil CH4 fluxes during the growing season in P. tabulaeformis forests， with soil CH4 fluxes in the heavily burned sample plots being significantly higher than those in the control sample plots and the lightly burned sample plots. 2） Black carbon input decreased soil CH4 fluxes during the growing season in P. tabulaeformis forests， and the magnitude of the decreased in soil CH4 fluxes increase with the increase in the amount of black carbon input. 3） The fire intensity had a direct and highly significant positive effect on soil CH4 fluxes， with a direct and highly significant positive effect on soil CH4 fluxes， which explaining 46.9%（P<0.001）； Black carbon input had a direct significant negative effect on soil CH4 flux， explaining 8.8% （P<0.05）； And MBC and MBN hada direct highly significant positive effect on soil， explaining 29.0% and 49.3%， respectively （P<0.001）.【Conclusion】Fire disturbance significantly increase soil CH4 fluxes， black carbon input can mitigate the effect of fire disturbance on soil CH4 fluxes to a certain extent， and that fire disturbance and black carbon input affect soil CH4 fluxes mainly by changing microbial biomass. The study provides a theoretical basis for how to reduce post-fire greenhouse gas emissions and thus improve the ecological environment of fire sites as well as post-fire understory.

Keywords： CH4； fire disturbance； black carbon； microbial biomass

黑炭是由生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的木炭，在減少溫室氣體排放具有較大前景[1]。由于黑炭具有一定的抗分解能力，黑炭的產(chǎn)生可以額外添加到地下惰性碳庫中，從而增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)存[2]。此外，黑炭還可作為一種改良劑提高土壤對(duì)氮肥的吸收，并且廣泛應(yīng)用于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[3]。然而，黑炭輸入也可能通過影響土壤和植物生長(zhǎng)進(jìn)而改變溫室氣體的排放，比如CO2、CH4和N2O等[4]。因此，溫室氣體排放對(duì)黑炭輸入的響應(yīng)對(duì)于黑炭作為緩解氣候變化的工具具有關(guān)鍵作用[5]。

甲烷（CH4）是由人類活動(dòng)造成的僅次于二氧化碳（CO2）的第二大溫室氣體，占全球溫室效應(yīng)的20%，其在百年尺度的增溫潛勢(shì)是CO2的28倍[6]，是破壞臭氧層和全球變暖的主要原因[7]。土壤是大氣CH4最大的匯，其中森林土壤的吸收量為30 Tg·a-1，約占全球土壤CH4吸收量的一半[8]，因此森林土壤CH4吸收的動(dòng)態(tài)變化是影響大氣CH4的重要原因之一。

火干擾作為森林生態(tài)系統(tǒng)中重要且特殊的影響因子對(duì)土壤有機(jī)碳循環(huán)過程具有長(zhǎng)久且深刻的影響[9]?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)土壤中的CH4會(huì)被大量排放出來[10]，造成CH4的損失?；鸷笸寥繡H4的排放主要受土壤溫濕度、土壤有機(jī)碳、植被情況、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等主要驅(qū)動(dòng)因子控制[10]。因此，火災(zāi)發(fā)生后隨著這些驅(qū)動(dòng)因子的劇烈變化，也可能會(huì)導(dǎo)致土壤CH4匯的強(qiáng)度下降，甚至在短期的一段時(shí)間內(nèi)火燒跡地的土壤會(huì)由CH4的匯轉(zhuǎn)換成CH4的源[11]。重度火干擾后土壤CH4通量變化所導(dǎo)致的溫室效應(yīng)甚至可能高于土壤CO2通量變化所導(dǎo)致的溫室效應(yīng)[12]。也有部分研究中發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)后土壤CH4的吸收會(huì)迅速增加，在一年后恢復(fù)到未火燒狀態(tài)，研究認(rèn)為這可能是由于微生物群落的迅速恢復(fù)所導(dǎo)致的[13]。

目前關(guān)于火后黑炭輸入對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)CH4排放的影響研究相對(duì)較少，近期發(fā)表的大量綜述也強(qiáng)調(diào)了不同生態(tài)系統(tǒng)中黑炭效應(yīng)的差別[14-15]。黑炭具有孔隙結(jié)構(gòu)多、吸附能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高等特點(diǎn)[16]，可以改變土壤孔隙度、pH值等理化性質(zhì)從而改善土壤結(jié)構(gòu)[17]。此外，黑炭還可以通過改變土壤微生物的生境進(jìn)而對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。目前為止大多數(shù)有關(guān)黑炭輸入對(duì)土壤CH4通量影響的研究都集中在農(nóng)田和沼澤等土壤類型，關(guān)于火后黑炭輸入對(duì)森林土壤CH4通量的影響仍缺乏統(tǒng)一結(jié)論。這也限制了有關(guān)黑炭對(duì)CH4排放影響的理解。

因此，本研究選取遼寧沈陽棋盤山火燒跡地地區(qū)典型森林類型油松林作為研究對(duì)象，并對(duì)部分樣地進(jìn)行黑炭輸入處理，以此量化黑炭輸入對(duì)土壤理化性質(zhì)及生態(tài)系統(tǒng)的影響。本研究假設(shè)：1）火干擾會(huì)增加土壤CH4通量，而黑炭輸入會(huì)降低土壤CH4通量；2）黑炭輸入主要通過改變土壤微生物生物量從而抑制火后CH4通量的增加。探究：1）火干擾和黑炭輸入是否顯著影響了土壤CH4通量；2）火干擾和黑炭輸入是否將通過改變土壤理化性質(zhì)和土壤微生物生物量進(jìn)而影響土壤CH4通量。研究火干擾和黑炭輸入對(duì)土壤CH4通量的影響因素，為降低火后溫室氣體的排放，進(jìn)而改善火燒跡地的生態(tài)環(huán)境以及北方森林火后林下管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)域位于遼寧省沈陽市東郊棋盤山地區(qū)（41°56′N，123°36′E），平均海拔約200 m，地勢(shì)較為平坦，平均坡度15°左右，屬于遼東地山丘陵地帶。棋盤山區(qū)域?qū)儆跍貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，全年平均氣溫在7.41 ℃，年平均降水量為750 mm，平均相對(duì)濕度為65%～70%。該區(qū)域于2019年4月發(fā)生火災(zāi)，過火面積高達(dá)827 hm2，形成了大片火干擾區(qū)域。

1.2 樣地設(shè)置

樣地設(shè)置于2020年9月，根據(jù)火干擾強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)[18]（表1）選取3種坡度相近、立地條件較為一致的區(qū)域作為樣地，3種類型樣地分別為重度火燒樣地（H）、輕度火燒樣地（L）、未火燒對(duì)照樣地（C）。

在每種類型樣地中建立9塊20 m×20 m的小樣地，每3塊小樣地進(jìn)行一種黑炭輸入處理，分別為未輸入黑炭（B0）、輸入5 t·hm-2黑炭（B5）和輸入10 t·hm-2黑炭（B10），累計(jì)共9種樣地處理類型，27塊小樣地。供試黑炭由油松在1 000 ℃的無氧條件下制成（圖1），黑炭輸入梯度依據(jù)基于北方森林火災(zāi)產(chǎn)生的黑炭量為4.8～12.7 t·hm-2[19]。每個(gè)小樣地中按照等腰三角形的模式隨機(jī)埋設(shè)3個(gè)直徑320 mm、環(huán)高100 mm、埋設(shè)深度為70 mm的PVC環(huán)作為采集氣體的預(yù)設(shè)點(diǎn)位（圖2）。

1.3 樣品采集與分析

2021年5—9月，逐月進(jìn)行采樣分析，共5次。甲烷氣體采集采用靜態(tài)密閉箱—?dú)庀嗌V法，采樣箱由直徑320 mm×高600 mm且頂部封閉，外圍覆蓋保溫材料的圓柱形箱體和直徑320 mm×高150 mm的圓形底座兩部分組成。在預(yù)設(shè)點(diǎn)采集氣體時(shí)，將事先預(yù)設(shè)的PVC環(huán)拿起并插入靜態(tài)箱底座，清除底座內(nèi)的植被，打開靜態(tài)箱內(nèi)置風(fēng)扇使箱內(nèi)氣體混勻，利用醫(yī)用注射器經(jīng)過三通閥連接箱頂取樣口在放置后的0、30 min分別采集氣體，并將氣體注入200 mL的氣體采集袋保存，同時(shí)記錄環(huán)境溫度及土壤5 cm溫度（T）。氣體樣品取回后一周內(nèi)用氣相色譜儀（安捷倫-7890A）對(duì)樣品中的甲烷氣體進(jìn)行分析并計(jì)算氣體通量[20]。

在預(yù)設(shè)環(huán)周圍采集0～5 cm土壤樣品，每個(gè)小樣地取3份，每份樣品分取一部分鮮土用4 ℃冰箱保存，用作測(cè)定土壤含水率（SWC）、土壤微生物生物量碳（MBC）、土壤微生物生物量氮（MBN）、總無機(jī)氮（IN），另一部分風(fēng)干后磨細(xì)過0.15 mm篩，用于測(cè)定土壤pH值、土壤有機(jī)碳（SOC）、土壤全氮（TN）。

土壤SWC用烘干法測(cè)定；土壤pH值用pH測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)定；土壤有機(jī)碳（SOC）含量采用HT1300總碳分析儀（Analytik Jena AG， Jena， Germany）測(cè)定；土壤全氮（TN）采用凱氏消煮法制樣，并用全自動(dòng)連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定；土壤無機(jī)氮（IN）用0.01 mol/LCaCl2溶液浸提制樣，并用全自動(dòng)連續(xù)流動(dòng)分析儀（BRAN+LUEBBEAA3， AA3）測(cè)定； MBC和MBN采用氯仿熏蒸浸提法進(jìn)行制樣，并用Multi C/N分析儀（Multi C/N 3000，Analytik Jena，Germany）測(cè)定熏蒸和未熏蒸樣品中的可溶性有機(jī)碳。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 25.0軟件中Duncan分析法進(jìn)行單因素方差分析、雙因素方差分析，使用Origin 2019b軟件進(jìn)行圖表的繪制。使用R4.2.2的“ggcorrplot”、“corrplot”包進(jìn)行相關(guān)性分析的計(jì)算及繪圖。使用R4.2.2的“l(fā)avaan”包進(jìn)行結(jié)構(gòu)方程的構(gòu)建，使用Visio 2013軟件繪制結(jié)構(gòu)方程模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 火干擾和黑炭輸入對(duì)油松林生長(zhǎng)季土壤理化性質(zhì)的影響

土壤T隨火干擾強(qiáng)度的增加呈上升趨勢(shì)，與未火燒樣地C-B0、C-B5、C-10相比，重度火燒樣地H-B0、H-B5、H-B10的土壤T分別顯著升高26.90%、29.13%、24.31%（P<0.05，圖3a）；與未火燒樣地C-B0、C-B5、C-10相比，輕度火燒樣地L-B0、L-B5、L-B10的土壤SWC分別顯著降低25.62%、16.34%、17.67%（P<0.05）（圖3b）；與未火燒樣地C-B0、C-B10相比，輕度火燒樣地L-B0、L-B10的土壤pH值分別顯著升高5.09%（P<0.05，圖3c）。

土壤SOC隨火干擾強(qiáng)度的增加呈下降趨勢(shì)，與未火燒樣地C-B0、C-B5、C-10相比，重度火燒樣地H-B0、H-B5、H-B10的土壤SOC分別顯著降低20.46%、27.31%、25.65%（P<0.05），與未火燒樣地C-B5、C-B10相比，輕度火燒樣地L-B5、L-B10的土壤SOC分別顯著降低21.00%、13.92%（P<0.05）。與未輸入黑炭樣地C-B0相比，黑炭輸入樣地C-B5、C-B10的土壤SOC分別顯著升高15.40%、18.04%（P<0.05）。輕度火燒及重度火燒的黑炭輸入樣地亦有所升高，但并不顯著（P>0.05，圖3d）。

與未火燒樣地C-B0、C-B5、C-10相比，重度火燒樣地H-B0、H-B5、H-B10的土壤TN分別顯著降低37.21%、41.24%、37.07%（P<0.05），輕度火燒樣地L-B5的土壤TN較未火燒樣地C-B5顯著降低16.46%（P<0.05）。與未輸入黑炭樣地C-B0、H-B0相比，黑炭輸入樣地C-B5、H-B5的土壤TN分別顯著升高19.16%、11.52%（P<0.05，圖3e）。

與未火燒樣地C-B0、C-B10相比，重度火燒樣地H-B0、H-B10的土壤IN分別顯著降低26.50%、24.81%（P<0.05），輕度火燒樣地L-B5較未火燒樣地C-B5的土壤IN顯著降低21.66%（P<0.05）。黑炭輸入樣地L-B10較未輸入黑炭樣地L-B0顯著升高23.76%（P<0.05，圖3f）。

與未火燒樣地C-B0、C-B5、C-10相比，重度火燒樣地H-B0、H-B5、H-B10的土壤MBC分別顯著降低40.61%、35.92%、16.49%（P<0.05），輕度火燒樣地L-B0、L-B5、L-B10的土壤MBC分別顯著降低32.09%、22.25%、21.15%（P<0.05）。與未輸入黑炭樣地C-B0、L-B0、H-B0相比，黑炭輸入樣地C-B5、L-B5、H-B10的土壤MBC分別顯著升高9.37%、25.22%、31.62%（P<0.05，圖3g）。

與未火燒樣地C-B0、C-B5、C-10相比，重度火燒樣地H-B0、H-B5、H-B10的土壤MBN分別顯著升高25.86%、32.57%、38.92%（P<0.05），輕度火燒樣地L-B0較未火燒樣地C-B0顯著升高41.63%（P<0.05）。黑炭輸入樣地C-B5較未輸入黑炭樣地C-B0的土壤MBN顯著升高7.08%（P<0.05），黑炭輸入樣地L-B5、L-B10較未輸入黑炭樣地L-B0的土壤MBN分別顯著降低14.26%、26.83%（P<0.05，圖3h）。

不同強(qiáng)度的火干擾對(duì)土壤各理化性質(zhì)均產(chǎn)生了顯著影響，不同程度的黑炭輸入對(duì)土壤SOC、TN、IN、MBC、MBN具有顯著影響，不同強(qiáng)度的火燒和不同程度黑炭輸入的交互作用對(duì)土壤pH值、TN、MBC、MBN具有顯著影響（表2）。

2.2 火干擾和黑炭輸入對(duì)油松林生長(zhǎng)季土壤CH4通量的影響

火干擾和黑炭輸入對(duì)油松林生長(zhǎng)季土壤CH4通量均產(chǎn)生顯著影響，但火干擾和黑炭輸入的交互作用對(duì)油松林生長(zhǎng)季土壤CH4通量并沒有顯著影響（表1）。油松林生長(zhǎng)季土壤CH4通量具有明顯的季節(jié)性變化，5—7月所有類型樣地均為CH4的匯，8月重度火燒樣地由CH4的匯轉(zhuǎn)為CH4的源，9月所有類型樣地全部變成CH4的源。各樣地CH4排放的峰值均出現(xiàn)在9月，重度火燒樣地H-B0土壤CH4排放量最大，達(dá)到0.005 15 μmol·m2·s-1（圖4a）。未火燒樣地C-B0、C-B5、C-10以及輕度火燒樣地L-B5、L-B10在生長(zhǎng)季內(nèi)平均土壤CH4通量為負(fù)值，總體呈吸收態(tài)，輕度火燒樣地L-B0以及重度火燒樣地H-B0、H-B5、H-B10在生長(zhǎng)季內(nèi)平均土壤CH4通量為正值，總體呈排放態(tài)（圖4b）。

與未火燒樣地C-B0、C-B5、C-B10相比，重度火燒樣地H-B0、H-B5、H-B10在生長(zhǎng)季內(nèi)平均土壤CH4通量均顯著升高（P<0.05），與未火燒樣地C-B5、C-B10相比，輕度火燒樣地生長(zhǎng)季內(nèi)平均土壤CH4通量均顯著升高（P<0.05）；與未輸入黑炭樣地C-B0、L-B0、H-B0相比，輸入黑炭樣地C-B5、C-B10、L-B5、L-B10、H-B5、H-B10生長(zhǎng)季內(nèi)平均土壤CH4通量均有所降低（P>0.05），且黑炭的輸入量越大，降低的幅度就越大。

2.3 油松林生長(zhǎng)季土壤CH4通量的影響因素

如圖5所示，油松林生長(zhǎng)季土壤CH4通量與火干擾、pH值、MBC、MBN呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.001），與土壤T呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），與IN呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.001），與黑炭輸入、SOC呈顯著的負(fù)相關(guān)（P<0.05）；火干擾與土壤T、MBN呈顯著的正相關(guān)，與SOC、TN、IN、MBC呈極顯著的負(fù)相關(guān)（P<0.001）；黑炭輸入與SOC、IN呈極顯著的正相關(guān)（P<0.001）。土壤SWC與火干擾、黑炭輸入、土壤CH4通量均無顯著相關(guān)關(guān)系（P>0.05）。

如圖6所示，火干擾（FIRE）、黑炭輸入、土壤T、pH值、IN、TN、SOC、MBN、MBC對(duì)土壤CH4通量的影響解釋了70.6%?；鸶蓴_對(duì)土壤CH4通量具有直接的極顯著正向作用，解釋了46.9%（P<0.001）。黑炭輸入對(duì)土壤CH4通量具有直接的顯著負(fù)向作用，解釋了8.8%（P<0.05）。MBN受到火干擾的正向作用和黑炭輸入后IN的負(fù)向作用直接影響了土壤CH4通量，對(duì)其產(chǎn)生極顯著正向作用，解釋了49.3%（P<0.001）。土壤T受到火干擾的正向作用直接影響了土壤CH4通量，對(duì)其產(chǎn)生極顯著負(fù)向作用，解釋了22.5%（P<0.001）。TN受到火干擾的負(fù)向作用、火干擾后土壤T的負(fù)向作用、火干擾后pH值的正向作用直接影響了土壤CH4通量，對(duì)其產(chǎn)生顯著正向作用，解釋了11.3%（P<0.01）。MBC受到火干擾的負(fù)向作用、黑炭輸入的正向作用、火干擾后土壤T的正向作用、火干擾后SOC的正向作用、黑炭輸入后IN的負(fù)向作用、火干擾后MBN的正向作用進(jìn)而直接影響了土壤CH4通量，對(duì)其產(chǎn)生極顯著的正向作用，解釋了29.0%（P<0.001）。整體上，火干擾、黑炭輸入、土壤T、TN、MBN、MBC對(duì)土壤CH4通量的直接效應(yīng)要強(qiáng)于間接效應(yīng)，pH值、IN、SOC對(duì)土壤CH4通量的直接效應(yīng)要弱于間接效應(yīng)。

3 討 論

3.1 火干擾和黑炭輸入對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

林火發(fā)生時(shí)會(huì)迅速燒毀地上植被和有機(jī)質(zhì)層，并引起一系列土壤理化性質(zhì)的變化。本研究中，重度火燒樣地的樹木燒毀率基本達(dá)到了100%，在林火發(fā)生后又進(jìn)行了搶救性的采伐工作，在重度火燒樣地內(nèi)僅有新生長(zhǎng)出的少量灌木和草本植物，由此導(dǎo)致重度火燒樣地地表受到的太陽輻射增加，地表土壤T也隨之升高。研究表明，表層SOC會(huì)隨著林火發(fā)生而大量分解，其分解程度受燃燒溫度和持續(xù)時(shí)間的影響，因此高強(qiáng)度火燒發(fā)生時(shí)土壤表層SOC往往會(huì)大幅減少[22]。本研究中重度火燒各樣地和輕度火燒各樣地SOC較未火燒樣地均有顯著降低，且降低幅度隨著火干擾強(qiáng)度的增加而增加。黑炭輸入樣地SOC較未輸入黑炭樣地均有所增加，但只有未火燒樣地的SOC增加較為顯著，這可能是由于火燒樣地在發(fā)生火燒時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生了一部分黑炭，因此導(dǎo)致SOC對(duì)黑炭輸入的響應(yīng)并不顯著。林火主要通過控制土壤溫度和植被覆蓋對(duì)土壤氮素產(chǎn)生影響[23]。研究表明，當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，地表的氮素幾乎完全消失，因此在林火發(fā)生時(shí)土壤表層氮素基本完全揮發(fā)[24]。且土壤主要是通過微生物對(duì)枯枝落葉的分解進(jìn)行固氮[25]，但由于火后植物覆蓋率降低，土壤微生物數(shù)量在短期內(nèi)大幅減少，所以TN、IN往往需要10年甚至更久才能恢復(fù)到火燒前的水平。本研究中，重度火燒樣地的TN、IN較未火燒樣地均有顯著降低，輕度火燒樣地亦有降低但部分樣地并不顯著。黑炭輸入樣地的TN、IN普遍升高這可能是由于黑炭的添加可以一定程度上減少氮的淋融所導(dǎo)致的[14]。土壤微生物在林火發(fā)生時(shí)會(huì)由于高溫而大量死亡，因此在火災(zāi)發(fā)生后土壤MBC、MBN在短期內(nèi)往往會(huì)顯著降低。本研究中火燒樣地的土壤MBC顯著下降，但MBN卻呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，這可能是由于火燒樣地經(jīng)過一年多恢復(fù)所形成的微生物群落結(jié)構(gòu)與未火燒樣地不同所導(dǎo)致的。

3.2 火干擾和黑炭輸入對(duì)土壤CH4的影響

土壤CH4通量受土壤溫度、濕度、土壤化學(xué)性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)等多個(gè)因素控制，而這些因素在火燒后往往都會(huì)發(fā)生不同程度的變化，從而對(duì)土壤CH4的通量產(chǎn)生不同程度的影響[26]。在過去的多數(shù)研究中，火燒后土壤CH4的吸收率會(huì)增高[27-28]，也有部分關(guān)于北方森林以及北方多年凍土區(qū)域的研究中發(fā)現(xiàn)，火燒前原本是CH4匯的區(qū)域在火后土壤CH4吸收率降低甚至轉(zhuǎn)化成CH4的源[29-31]。但火燒對(duì)于土壤CH4的影響也不是絕對(duì)的，Xu等[30]在火災(zāi)對(duì)于北極苔原土壤溫室氣體通量的影響研究中發(fā)現(xiàn)，盡管火燒改變了該地區(qū)的土壤溫濕度條件，但該地區(qū)的土壤CH4吸收量仍基本保持不變。在本研究中，未火燒區(qū)域的土壤在整個(gè)生長(zhǎng)季大部分時(shí)間都是CH4的匯，在經(jīng)歷火干擾后，火燒區(qū)域生長(zhǎng)季前期（6月）土壤CH4的吸收量顯著降低了49.30%～77.77%，生長(zhǎng)季末期（9月）土壤CH4的排放量顯著升高了96.45%～316.16%，這種變化隨著火干擾強(qiáng)度的增加而變大（圖4a）。這可能是由于CH4的氧化過程大多發(fā)生在表層土壤中，產(chǎn)生CH4的反應(yīng)一般發(fā)生在深層土壤中[32]?；鸶蓴_對(duì)表層土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)造成的破壞較為直接且劇烈，對(duì)深層土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)影響相對(duì)較小[33]，反而可能由于火燒熱量的傳遞，導(dǎo)致深層土壤的溫度有所升高，從而提高了產(chǎn)甲烷菌的活性[34]。因此火干擾顯著降低了生長(zhǎng)季前中期土壤CH4的吸收量，也顯著提高了生長(zhǎng)季末期土壤CH4的排放量。

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，森林野火不僅在發(fā)生時(shí)會(huì)釋放大量CH4，在火后還會(huì)對(duì)土壤CH4通量產(chǎn)生長(zhǎng)期影響，同時(shí)森林野火的不完全燃燒也會(huì)產(chǎn)生大量的黑炭[35]，而黑炭則可以影響土壤CH4通量。本研究中，黑炭輸入在輕、重度火燒樣地中均可以有效抑制火干擾引起的土壤CH4通量，并且隨著施加黑炭量的增加這種抑制作用也出現(xiàn)一個(gè)增強(qiáng)的趨勢(shì)。這與在亞熱帶毛竹林地區(qū)研究黑炭對(duì)輸入氮肥后土壤CH4通量影響的結(jié)果相似[3]，但也有研究發(fā)現(xiàn)黑炭的輸入并不會(huì)影響土壤CH4通量[36]，其原因可能是研究對(duì)象的不同：森林生態(tài)系統(tǒng)的立地條件、植被類型較為多樣，導(dǎo)致黑炭輸入對(duì)土壤CH4通量的影響不盡相同，而水稻農(nóng)田集約經(jīng)營(yíng)，空間異質(zhì)性差，對(duì)黑炭輸入的響應(yīng)趨同。同時(shí)，有研究表明，土壤持水量[37]、孔隙度[38]、地上植被類型[39]等都會(huì)對(duì)黑炭輸入下土壤CH4通量的變化產(chǎn)生影響。除此之外，黑炭的粒徑大小和施用量的不同也會(huì)一定程度上影響土壤CH4的響應(yīng)效果[40]。

3.3 火干擾和黑炭輸入對(duì)土壤CH4的影響因素

土壤CH4通量與土壤T、pH值、MBC、MBN、IN等因子顯著相關(guān)，SWC與火干擾強(qiáng)度和土壤CH4通量都不顯著相關(guān)（圖5）。該地區(qū)土壤孔隙度較低，土壤質(zhì)地緊密，降雨后形成的地表徑流很難下滲到下層土壤影響地下水位，因此對(duì)土壤CH4通量影響較小[41-42]。

火干擾強(qiáng)度對(duì)土壤CH4通量的直接效應(yīng)解釋率高達(dá)46.9%，對(duì)土壤CH4通量起到強(qiáng)烈的正向作用?；鸶蓴_強(qiáng)度主要通過影響土壤T、TN、MBC、MBN間接作用于土壤CH4通量。其中土壤T隨火干擾強(qiáng)度的增加而升高，對(duì)土壤CH4通量產(chǎn)生了負(fù)向作用從而使其降低。TN隨火干擾強(qiáng)度的增加而降低，對(duì)土壤CH4通量正向作用使其降低，這與此前K？ster等[41]和Priano等[42]的研究結(jié)果一致。MBC隨火干擾強(qiáng)度的增加而降低，對(duì)土壤CH4通量產(chǎn)生正向作用從而使其降低，MBN隨火干擾強(qiáng)度的增加而升高，對(duì)土壤CH4通量產(chǎn)生正向作用從而使其升高[43]。在這些土壤因子的間接作用下，火干擾對(duì)土壤CH4排放起到抑制作用，但在本研究中火干擾對(duì)土壤CH4通量的直接促進(jìn)作用遠(yuǎn)大于間接抑制作用，火干擾對(duì)于土壤CH4通量在總體上仍產(chǎn)生了正向作用而使其升高。

黑炭對(duì)土壤CH4通量的直接效應(yīng)解釋率為8.8%，對(duì)土壤CH4通量起到負(fù)向作用。黑炭輸入主要通過影響MBC間接作用于土壤CH4通量。MBC在黑炭輸入后升高，對(duì)土壤CH4通量產(chǎn)生了正向作用促使其增大，但這種促進(jìn)作用被黑炭輸入后升高的IN對(duì)MBC、MBN產(chǎn)生的負(fù)向作用進(jìn)而對(duì)土壤CH4通量產(chǎn)生的抑制作用基本抵消，且黑炭輸入對(duì)土壤CH4通量的直接抑制作用大于間接促進(jìn)作用，黑炭輸入對(duì)土壤CH4通量在總體上產(chǎn)生了負(fù)向作用而使其降低。

本研究中無論是火干擾還是黑炭輸入對(duì)土壤CH4通量的直接效應(yīng)都大于間接效應(yīng)，其原因可能是火干擾和黑炭輸入通過改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)CH4通量產(chǎn)生的影響較通過土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤CH4通量產(chǎn)生的影響更加強(qiáng)烈。有研究發(fā)現(xiàn)，黑炭輸入通過提高甲烷氧化菌的數(shù)量和活性來促進(jìn)甲烷氧化從而促進(jìn)土壤CH4的吸收[44]，也有研究發(fā)現(xiàn)，黑炭輸入不僅提高了甲烷氧化菌的數(shù)量和活性也會(huì)刺激產(chǎn)甲烷菌并為其提供更多的碳源，只是對(duì)甲烷氧化菌的刺激作用更大從而對(duì)土壤CH4通量產(chǎn)生了抑制作用[36]。至于本研究中火干擾和黑炭輸入具體是如何改變微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響土壤CH4通量仍需要對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)測(cè)序等開展進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

火干擾顯著增加了油松林生長(zhǎng)季土壤CH4通量，黑炭輸入能夠降低油松林生長(zhǎng)季土壤CH4通量。火干擾、pH值、TN、SOC、MBC、MBN對(duì)土壤CH4通量起正向作用，黑炭輸入、土壤T、IN對(duì)土壤CH4通量起負(fù)向作用。火干擾主要通過土壤T、TN、MBC、MBN間接作用于土壤CH4通量，黑炭輸入主要通過MBC間接作用于土壤CH4通量?；鸶蓴_和黑炭輸入對(duì)土壤CH4通量的直接影響都大于間接影響。本研究結(jié)果量化了火后黑炭輸入對(duì)土壤理化性質(zhì)和CH4通量的影響，為未來如何改善火燒跡地生態(tài)環(huán)境以及北方森林的火后林下管理提供了一定的理論依據(jù)。

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[本文編校：吳 毅]