火燒和刈割耙除對草原土壤理化性質的影響

原 燁，張 釗，趙 寧，張永娟，粱 虹，戎郁萍

(中國農業大學草業科學系，北京 100193)

火燒作為草原管理的重要措施一直被許多國家使用[1-5]，其影響植物種群的形成過程、控制群落的組成和外貌[6]，以及火燒的附灰與去枯作用可顯著增加物種均勻度[7]，并提高地上部生物量，有效控制草原灌叢化的不斷擴展[8]。但火燒過程中，草地大量的生物物質以及腐殖質層被燃燒，釋放大量的碳，造成草地生態系統有機碳的凈損失，并通過改變草地生態系統的土壤溫度、土壤團粒結構等理化性質，對土壤有機碳的收支產生影響[9]。隨著對全球碳循環的廣泛關注，持續火燒所導致的有機碳大量減少也引起重視[10]，尤其要關注火燒對我國北方溫帶草原有機碳的影響，因為北方溫帶草原生態系統碳循環過程及其影響因素對于正確評估我國整個陸地生態系統碳源/匯貢獻具有十分重要的作用[11]。刈割耙除成為火燒的替代措施被應用于草原管理中。Tester[12]的研究表明，刈割耙除可以增加地面溫度，減少遮陰，促進種子萌發等。另外，適度刈割不會破壞物種的多樣性[13-14]，許多研究者已經就火燒對草地土壤的影響作了大量的研究，但關于火燒和刈割耙除這兩種管理措施對草原土壤理化性質影響的比較研究較少，本研究比較兩種管理措施對草原土壤理化性質的影響，以探索草原管理的有利措施。

1 材料與方法

1.1試驗區域 本研究在中國農業大學沽源野外科學研究站(以下簡稱野外站)的天然草地上進行。野外站位于河北省張家口市塞北管理區，地處內蒙古高原的東南緣，屬典型草原，41°45′～41°57′ N、115°39′～115°51′ E。海拔1 400 m。年均氣溫1.4 ℃，≥10 ℃的年積溫1 513.1 ℃·d，無霜期100 d左右，年均降水量297 mm，主要集中在7-9月。年均風速4.3 m/s，年均大風日數49 d，年日照時數2 930.9 h，土壤以栗鈣土、草甸土為主。試驗區土壤為暗栗鈣土(pH值7.7)。

試驗區植被以羊草(Leymuschinensis)、冷蒿(Artemisiafrigida)、二裂葉委陵菜(Potentillabifurca)為建群種，伴生種有鵝絨委陵菜(P.sericea)、菊葉委陵菜(P.tanacetifolia)、火絨草(Leontopodiumleontopodiodes)、茵陳蒿(A.capillaries)、艾蒿(A.viridissima)、叉枝蓼(Polygonumtortuosum)、扁蓿豆(Medicagoruthenica)和華北巖黃芪(Hedysarumgmelinii)。

1.2試驗設計 試驗設置4個處理，處理1：連續火燒2年(B1)；處理2：連續火燒2年后間隔1年(B2)；處理3：連續刈割耙除2年(M1)；處理4：連續刈割耙除3年(M2)。不做任何處理為對照。在春季牧草返青前進行火燒處理，5月底之前進行刈割耙除處理。刈割使用甩繩式割草機在試驗地來回刈割兩次，留茬控制在5 cm左右；耙除使用齒距4 cm的耙子從4個方向各單向耙除一次。試驗采用完全隨機區組設計，每個處理4個重復，每個小區為面積12 m×12 m的正方形。

1.3研究方法 2008年、2009年6月至8月采用“S”取樣法，在試驗處理的各個小區采集土樣，用土鉆按0～10 cm和10～20 cm分層取樣，用四分法取足樣品。將樣品部分裝入自封袋，于4 ℃保存用于實驗室指標測定，另一部分風干用于土壤團聚體的測定。用于實驗室指標測定的土壤風干后，通過0.15 mm篩用于測定土壤全氮和土壤有機碳。

采用曲管地溫表測定土壤以下5、10、15和20 cm溫度。在土壤中挖一個長40 cm，寬25～30 cm的坑，坑的長邊大致由東向西，坑的北面垂直，南面是傾斜的。沿坑的北壁逐漸加深，使其與地面成一定的距離(5、10、15、20 cm)，并且將溫度表的球部嵌入坑中。溫度表與地表成45°角，讀數時按著從5 cm到20 cm的順序。于每天溫度最低和最高的07：00和14：00進行測定。

土壤團聚體采用干篩法測定。將風干土樣通過0.25 mm篩(帶蓋和底)在振蕩機上振蕩10 min，當篩完后分成>0.25 mm和<0.25 mm的粒級并稱量，計算出>0.25 mm團聚體含量(R0.25)的值[15]。采用重鉻酸鉀-稀釋熱法測定土壤有機碳[16]。采用全自動凱氏定氮儀(FOSS KjeltecTM 2300 )測定土壤全氮。

碳氮比=土壤有機碳含量/土壤全氮含量。

1.4數據分析 用SPSS 17.0進行單因子方差分析(one-way ANOVA)，多重比較按照Duncan新復極差法。

2 結果與分析

2.1對土壤溫度的影響 B1、B2、M1、M2各處理中，5、10、15和20 cm的土壤溫度變化情況一致(圖1)，均為5 cm處土壤溫度最高，且土壤溫度隨土層深度的增加而逐漸降低。不同土層土壤溫度均表現為火燒地溫度最高，刈割耙除地次之，對照地最低，且火燒地、刈割耙除地與對照地相比，土壤溫度的增幅均為5、10 cm處大于15、20 cm處，其中在5、10 cm處，火燒地平均溫度較對照地約高2.26 ℃，刈割耙除樣地比對照地平均溫度約高1.48 ℃；在10、20 cm處，火燒地比對照地平均溫度約高1.74 ℃, 刈割耙除地比對照地平均溫度約高0.87 ℃，即火燒和刈割耙除均能提高土壤溫度，但刈割耙除的強度弱于火燒。B1與B2、M1與 M2各土層的平均溫度相差小于1 ℃。各處理土壤溫度隨時間的變化趨勢與對照的土壤溫度變化趨勢基本一致，各處理在不同土壤深度溫度的最高值均出現在7月末至8月初，均為B1最大，且在5 cm處最高溫度比B2高2.60 ℃，比對照高6.45 ℃。

2.2對土壤團聚體的影響 土壤團聚體通常被劃分為大團聚體(>0.25 mm)和微團聚體(<0.25 mm)[17]，R0.25反映土壤結構的優劣[18]。0～10 cm土層的R0.25值大于10～20 cm土層的R0.25值(圖2)。與對照相比，0～10 cm、10～20 cm各土層均為火燒、刈割耙除使土壤中的大團聚體數量顯著減少(P<0.05)，且B1對土壤團聚體的影響最大，R0.25值最小。在0～10 cm土層中，B1的R0.25值比對照顯著減少13.14%，M1、M2的R0.25值分別比對照顯著減少9.62%、10.57%，但火燒和刈割耙除兩者之間差異不顯著(P>0.05)；在10～20 cm土層中，B1比對照顯著減少14.83%，M2的R0.25值比對照顯著減少12.62%，連續火燒2年和刈割耙除處理之間差異顯著, 連續火燒2年后間隔1年刈割與耙除處理之間差異不顯著(圖2)。

2.3對土壤有機碳的影響 0～10 cm土層的有機碳含量高于10～20 cm土層的有機碳含量(圖3)。除0～10 cm土層的 M1處理下的有機碳含量與對照相比差異不顯著外,其他各處理在各層土壤中的有機碳含量與對照相比均有顯著差異(P<0.05)，且均為火燒處理最小，刈割耙除處理其次，對照樣地最高。在0～10 cm的表層土壤中，B1、B2的有機碳含量分別比對照顯著(P<0.05)減少11.69、8.23 g/kg，而M2比對照顯著減少3.32 g/kg，即火燒處理可以顯著減少土壤有機碳含量，作用強于刈割耙除；B1的有機碳含量顯著低于B2的，但M1與M2的差異不顯著(P>0.05)，說明連續火燒的作用對土壤有機碳含量的影響強于間隔火燒，但連續刈割在時間上對土壤有機碳的影響差異并不顯著；在10～20 cm的土層中，B1的有機碳含量顯著小于其他處理，僅為20.27 g/kg,比對照低8.00 g/kg；B2卻與M1、M2之間差異不顯著，說明連續火燒對深層土壤的有機碳作用也要強于連續刈割耙除，但間隔火燒和刈割耙除在此土層上差異卻不明顯(圖3)。

圖1 火燒和刈割耙除處理下不同深度的土壤溫度變化

2.4對土壤全氮的影響 0～10 cm土層的全氮含量高于10～20 cm土層的全氮含量，10～20 cm土層，火燒、刈割耙除均能使土壤全氮含量降低，且與對照相比差異顯著(P<0.05)，但刈割耙除的作用顯著弱于火燒(圖4)。在0～10 cm土壤中，B1、B2的全氮含量(2.243、2.570 g/kg)顯著低于對照，與對照分別低0.633、0.306 g/kg,且B1顯著低于B2；雖然M1、M2與對照相比全氮含量分別減少了0.323、0.103 g/kg，且M1顯著低于對照，但M1與M2差異不顯著，B2與刈割耙除處理的差異也不顯著(P>0.05)。在10～20 cm，B1、B2、M1、M2的全氮含量均顯著低于對照，較對照分別減少了0.752、0.681、0.346、0.283 g/kg，且火燒處理顯著低于刈割耙除處理，而B1與B2，M1與M1差異不顯著，說明連續火燒和間隔火燒之間只在表層土壤中對全氮有影響，而連續刈割在時間上對土壤全氮的影響差異并不顯著(圖4)。

圖2 火燒和刈割耙除對土壤團聚體分布的影響

圖3 火燒和刈割耙除對不同深度土層有機碳含量的影響

2.5土壤碳氮比的影響 在0～10 cm土層上，B1與 B2的土壤碳氮比分別為9.27、9.36，與對照相比顯著(P<0.05)減少了2.14、2.05，但B1與B2之間差異不顯著(P>0.05)。刈割耙除處理與對照相比差異不顯著，且M1、M2之間差異也不顯著。在10～20 cm的土層上，各處理與對照差異均不顯著(圖5)。

圖4 火燒和刈割耙除對不同深度土層全氮含量的影響

圖5 火燒和刈割耙除對不同深度土層碳氮比的影響

3 討論

3.1土壤溫度 與對照相比，對草地進行火燒和刈割耙除均提高了土壤溫度，但是火燒地土壤溫度的提高幅度較大。火燒后一定時間內，火干擾地區土壤的溫度通常會高于未干擾的地區[9,18-19]。O’Neill等[19]認為對草地進行火燒后，草地表面大量生物物質以及腐殖質層被燒掉，使土壤大面積裸露，地表顏色變深，由植被冠層帶來的遮陰效果被移除，使得表層土壤得到更多的能量是火燒地土壤溫度升高的原因。本研究中，刈割耙除地土壤溫度有所提高，但提高幅度低于火燒地的原因，可能是刈割耙除雖然去除了地表的大量枯黃生物物質，植物地表蓋度降低，但對腐殖質層的直接影響較小，而且地表顏色沒有變化，這使得土壤吸收的能量遠沒有火燒處理吸收的多。與本研究結果一致，火燒后內蒙古鄂溫克旗草原土壤的平均溫度比未火燒高出2.3 ℃[20]，加拿大北方森林火燒地區地表溫度較未火燒地區高6 ℃，而且這種情況可以持續15年[21]。

3.2土壤團聚體 >0.25 mm的團聚體是土壤中最好的結構體，其數量與土壤的肥力狀況呈正相關[22]，故R0.25(>0.25 mm的團聚體)可用以反映土壤結構的優劣，且土壤中80%的有機碳存在于大團聚體中，因此土壤中大團聚體組分的變化可以指示土壤有機碳含量的變化[23-26]。火燒和刈割耙除導致草地遮陰下降，土壤持水下降，尤其是火燒直接破壞土壤表層的凋落物，改變土壤的碳輸入，使得土壤成分發生變化從而改變了土壤團聚體結構。但目前火燒對于土壤團聚體穩定性的影響尚不明確[27]，有研究認為火燒增加土壤團聚體的穩定性[28-29], 也有研究表明火燒降低土壤團聚體的穩定性[30-32]。本研究發現，草地經火燒處理后，土壤中大團聚體含量明顯降低，顯著低于刈割耙除地和對照地，火燒后土壤大團聚體含量降低的原因可能是火燒導致土壤溫度升高，促進了土壤微生物分解更多的有機碳，從而引起大團聚體結構的瓦解。熱帶落葉林火燒后的第1年，土壤中大團聚體減少了25%，小團聚體含量基本沒有變化。而刈割耙除處理與火燒處理對于土壤溫度的影響是一樣的，只是沒有火燒那么劇烈，因此刈割耙除地土壤大團聚體的分解也少得多[31]。

3.3土壤有機碳、全氮、碳氮比 火燒去除了地表枯落物，減少了土壤有機碳的輸入，同時火燒提高了地溫，使得土壤微生物活動增強，增加土壤有機碳的分解和輸出，研究表明[33-34]，火燒可以使地表的有機物質減少21%～80%。顯然，刈割耙除也移走了本應返還到土壤中的植物生物量，而土壤有機碳的儲量是進入土壤的植物殘體量及其在土壤微生物作用下分解損失量二者之間平衡的結果[35]。隨著土壤碳輸入的減少，以及碳支出的增加，土壤有機碳含量下降。

土壤氮的輸入途徑和有機碳類似，主要通過地表枯落物的降解進入土壤，但是火燒和刈割耙除處理嚴重減少了土壤的養分供應，因此，火燒、刈割耙除處理土壤有機碳、全氮顯著低于對照，且連續火燒的有機碳含量顯著低于間隔火燒。每隔1年火燒和每隔2年火燒均使南非草原表層土壤中有機碳和全氮含量下降[36]，長期的刈割也會降低土壤易分解庫和難分解庫中碳和氮的含量[37-38]，本研究得到類似結果。本研究中刈割耙除2年和刈割耙除3年的差異不顯著，因此刈割時間對于土壤有機碳及全氮的影響有待進一步研究。一般來說，土壤碳氮比反映出土壤微生物活動強度，直接影響土壤呼吸商，隨之反映出土壤微生物呼吸的強弱。通常情況下火燒可以顯著降低土壤的碳氮比[39]，本研究與之一致，但刈割耙除對土壤碳氮比影響不大。

4 結論

對草地進行火燒和刈割耙除均提高了土壤溫度，但是火燒地土壤溫度的提高幅度較大，在5、10 cm處，火燒地平均溫度比對照地大約高2.26 ℃，刈割耙除地比對照地平均溫度高大約1.48 ℃；在10、20 cm處，火燒地比對照地平均溫度高大約1.74 ℃, 刈割耙除地比對照地平均溫度高大約0.87 ℃，且連續火燒可以提高土壤的最高溫度。與對照相比，火燒和刈割耙除均可顯著降低土壤的R0.25值(>0.25 mm團聚體含量)。火燒和刈割耙除均可顯著降低土壤有機碳和全氮含量(P<0.05)，且火燒可使土壤0～10 cm的碳氮比降低(P<0.05)，刈割耙除對其影響不大。

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