林火對大興安嶺典型植被土壤理化性質的影響1)

張玉紅 孫銘隆

(森林植物生態學教育部重點實驗室(東北林業大學)，哈爾濱，150040)

劉 彤

(東北林業大學生態研究中心)

在森林生態系統中，由于人為、雷擊或者高溫干旱等多種因素引發的林火，使得林火成為森林生態系統中極為活躍的干擾因子，并對維持森林生物多樣性和森林健康起著舉足輕重的作用[1]。土壤是生態系統可持續性的重要組成成分，它為植物生長提供各種養分和支持[2]，而林火可以影響土壤的物理性質和化學性質，導致森林土壤酸堿度、土壤有機質質量分數和土壤養分質量分數等土壤理化性質的變化。火燒產生的高溫灰分，填充到土壤空隙中，可以氣化掉大部分氮元素等，使土壤中養分分配發生變化，還能夠改變枯枝落葉物的分解歸還速率，以及改變土壤表層植物和土壤內動物、微生物等的生物數量和種群結構等。

大興安嶺林區是我國最北部而且面積最大的一個林區，是我國重要的木材生產基地，又是呼倫貝爾草原和松嫩平原的天然屏障，其生態效益、社會效益都十分顯著。近些年來該地區的火災次數和面積不斷上升，并時有大火和特大火發生，不僅在經濟上造成重大損失，而且嚴重影響森林生態系統景觀格局和生態環境[3]。本研究以大興安嶺呼中國家級自然保護區2008年火燒跡地為研究對象，研究了林火干擾對大興安嶺兩種典型林型——落葉松林和白樺林土壤理化性質的影響，旨在了解林火干擾后落葉松林和白樺林生長的養分供應情況，確定合理、有效、可行的森林經營對策，為加速被破壞森林的恢復提供可靠的科學理論依據。

1 研究地概況

研究地點位于黑龍江省大興安嶺地區西部呼中國家級自然保護區，其地理坐標為東經122°42'14″～123°18'05″，北緯 51°17'42″～ 51°56'31″。保護區總面積為167213 hm2，南北長約63 km，東西寬約32 km。呼中自然保護區是我國最北部的寒溫帶針葉林生態系統自然保護區，也是我國目前保存下來的最典型、最完整、面積最大的原始寒溫帶興安落葉松林分布區。在植物地理區劃上隸屬于泛北植物區、歐亞森林植物亞區、大興安嶺地區。植被區系為典型的東西伯利亞植被區系成分。地帶性植被主要為興安落葉松(Larix gmelini)、白樺(Betula platyphylla)、樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)、山楊(Populus davidiana)、云杉(Picea asperata)、興安杜鵑(Rhododendron dauricum)、杜香(Ledum palustre)等。

2 研究方法

試驗樣地選擇:于2009年選擇坡度、坡向、海拔等立地條件基本一致，中度火燒(40% ～60%為活立木)和重度火燒(活立木＜20%)的興安落葉松林、白樺林，每種林型各6塊樣地，以未經過火干擾且與火燒跡地立地條件和林型基本一致的原始林為對照。

土壤取樣:在選擇的樣地內，以“品”字形設置3個樣點，用土鉆分兩層取土樣各100 g，裝在布袋中，風干備用。

土壤含水率的測定:在樣地中沿兩個對角線利用TDR100測量土壤含水率各10次，共20次，取平均值為樣地中土壤的平均體積含水率。土壤質量含水率(%)=[土壤體積含水率×土壤密度]/水的密度。土壤密度、土壤pH值、土壤有機質、土壤全氮和土壤有效氮的測定按照鮑士旦[4]方法測定;土壤全磷用NaOH熔融－鉬銻抗比色法進行測定;土壤全鉀采用NaOH熔融－火焰光度法進行測定。

運用Excel、Sigmaplot 9.0等軟件對上述數據進行處理和分析。

3 結果與分析

3.1 林火對土壤含水率的影響

由表1可知:中度火燒強度的白樺林土壤含水率是落葉松林的3.7倍，而原始林和重度火燒強度下落葉松林的土壤含水率分別是白樺林的1.4倍和4.1倍。不同林型及火燒強度下土壤含水量未呈現出明顯的規律性，這是由于土壤含水率受降雨、地表徑流、植被類型、郁閉度、地形條件等諸多環境因子影響而致。

表1 林火對土壤理化性質的影響

3.2 林火對土壤密度的影響

由表1可知:中度火燒下落葉松林土壤密度較白樺林的低13.90%，而原始林和重度火燒下落葉松林土壤密度較原始白樺林和重度火燒下白樺林土壤密度分別高28.04%和34.02%;火燒強度對土壤密度的影響呈現一定的規律性，落葉松和白樺原始林型和重度火燒林型低于中度火燒林型，土壤密度依次為中度火燒林＞原始林＞重度火燒林。呈現這一規律的原因可能是中度火燒后，灰分顆粒填充進土壤空隙中，而中度火燒林型經過2 a雨水的沖刷，沒有枯枝落葉層保護土壤，使得土壤堅實度增加，導致土壤密度增加;重度火燒土壤密度低于中度火燒，可能是因為經過時間的推移土壤動物活動頻繁，孔隙度增加，使得土壤結構逐漸恢復，從而土壤密度減小。

3.3 林火對土壤pH值的影響

土壤有機質的分解、土壤營養元素存在的狀態、釋放、轉化與有效性以及土壤發生過程中元素的轉移等都與土壤的酸堿度有關;土壤酸堿度對植物及土壤微生物有很大的影響，適宜的酸堿性有利于土壤微生物活動，加速枯枝落葉物分解，從而促進林木的生長[5]。由表1可知:同一林地相同火燒強度的土壤A層pH值均高于B層。不同林地間，原始林和中度火燒強度的落葉松林土壤A層pH值均低于白樺林，重度火燒強度下落葉松林土壤A層pH值高于白樺林;而中度火燒和重度火燒下白樺林土壤B層pH值均高于落葉松林。不同強度火燒對兩種林型pH值的影響呈遞增趨勢，即重度火燒林＞中度火燒林＞原始林。這可能是由于火燒釋放出的一些陽離子中和了土壤中的酸性，從而使土壤pH值升高。

3.4 林火對土壤有機質質量分數的影響

有機質是土壤的重要組成部分，也是土壤形成的物質基礎。不同類型的土壤有機質質量分數差別很大，豐富的可以達到20%，而少的則低于1%。有機質的存在能夠影響土壤一系列的物理、化學和生物性質。土壤中有機質的來源主要是植物的殘體，如枝、葉、皮、根和果等，這些殘體依靠土壤中的動物和大多數微生物的作用分解改造成土壤有機質。有機質和礦物質共同構成了土壤的固體部分，一起供應著林木生長發育過程中所需要的營養元素。有機質不僅影響著土壤的理化性質，而且在土壤形成過程中，特別是在土壤肥力的發展過程中起著極其重要的作用[6]。因此，土壤有機質質量分數是判斷土壤肥力以及火燒跡地土壤恢復狀況的一項重要指標。

相同火燒強度下，落葉松林和白樺林A層土壤有機質質量分數均高于B層，這是由于A層土壤中枯枝落葉較B層多的緣故。同種火燒強度下，落葉松林土壤A層和B層有機質質量分數均低于白樺林，可能是因為白樺林是闊葉林，林下植被豐富度也高于落葉松林，導致枯枝落葉物較多，經過土壤動物和微生物的作用，將枯枝落葉物轉化成土壤有機質也較多，這與闊葉林林下土壤有機質質量分數較針葉林高的結論相一致[7－8]。

同種林型土壤A層有機質質量分數隨火燒強度呈遞減的趨勢，即原始林＞中度火燒林＞重度火燒林;而土壤B層則未呈現相似的規律性。可能是因為火燒強度越高，地表的枯枝落葉物越少，其分解產生的有機質對土壤的補充越少。

3.5 林火對土壤中全氮和有效氮質量分數的影響

土壤全氮質量分數是衡量土壤氮供應狀況的重要指標[9]。林地土壤全氮質量分數的增加或減少和土壤有機質質量分數的變化相似，都主要決定于各個地區有機質積累和分解作用的相對強弱及氣候、植被、耕作制度諸因素，特別是水熱條件，對土壤有機質和氮素質量分數有顯著的影響。

由表1可以看出，不同火燒強度的落葉松林和白樺林A層土壤全氮和有效氮質量分數均高于B層，這是由于A層土壤枯枝落葉物較B層多的緣故。

同種火燒強度下，落葉松林土壤A層全氮和有效氮質量分數均低于白樺林，B層土壤無規律。可能是因為白樺林下枯枝落葉物較多且郁閉度較高，中度和重度火燒強度下白樺林林下植物也多于落葉松林，由于大部分土壤微生物的作用，將枯枝落葉物轉化成土壤全氮和有效氮也較多。

同種林型土壤A層全氮和有效氮質量分數隨火燒強度呈遞減的趨勢，即原始林＞中度火燒林＞重度火燒林;而土壤B層則未呈現相似的規律性。火燒以后，土壤受到侵蝕使得土壤全氮質量分數減少，另外由于火燒以后，植被尚未恢復，郁閉度小，光照使得地表土壤溫度升高，加速了氮的礦化，使得土壤有機氮下降，而土壤有機氮占土壤全氮的95%，從而導致土壤全氮質量分數的下降;而火燒后，地表枯枝落葉物較少，補充給土壤的有效性氮質量分數也較少。

3.6 林火對土壤中全磷和全鉀的影響

除中度火燒的白樺林外，其它兩種火燒強度的落葉松林和白樺林A層土壤全磷質量分數均高于B層，A層土壤全鉀質量分數均比B層低。落葉松林土壤A層全磷質量分數高于同等火燒強度白樺林土壤A層全磷質量分數，同種火燒強度落葉松林型土壤B層全鉀質量分數均高于白樺林土壤B層全鉀質量分數。

同種火燒強度下同種林型土壤A層全磷質量分數為原始林＞中度火燒林＞重度火燒林;而B層未呈現相似的規律。這與已有的研究結果基本一致，即火燒對森林地表覆蓋物和表層礦質土壤中全磷質量分數一般沒有明顯影響，只有火燒強度很大時會有一定的影響[10]。

對于全鉀質量分數，落葉松林型土壤A、B層基本一致，呈現出原始林＞重度火燒林＞中度火燒林;而白樺林土壤A層全鉀質量分數為中度火燒林＞原始林＞重度火燒林，土壤B層全鉀質量分數呈現出原始林＞重度火燒林＞中度火燒林。

4 結論與討論

火燒對生態系統的作用不僅范圍廣，而且影響也很復雜，可減少地上部分的生物量，還可影響土壤理化性質、微生物降解和細根的生長[11]。火燒對土壤的影響既有利又有害，主要是取決于火燒的強弱。通常高強度火能夠引起植物群落演替頻率的變化，使土壤結構退化、水文功能改變，改變土壤有機質質量分數和C/N比值，加劇侵蝕、林溶和反硝化作用，導致土壤養分流失，使微生物及地下動物數量以及相關生命活動過程發生改變[10]。

對于大興安嶺不同火燒強度下的兩種林型，落葉松林土壤A層全磷質量分數、B層全鉀質量分數均大于相同火燒強度的白樺林;落葉松林土壤A層的有機質、全氮和有效氮質量分數小于相同火燒強度的白樺林，除重度火燒林外，其它兩種火燒強度的土壤A層pH值均呈現出白樺林大于落葉松林，而B層無明顯規律;落葉松林和白樺林pH值、有機質、全氮和有效氮質量分數均大于土壤B層;除中度火燒強度的白樺林外，土壤全磷質量分數都是A層高于B層，土壤全鉀質量分數則是A層低于B層。

不同火燒強度對土壤理化性質影響也較大，火燒通常易使土壤的酸性增強，經過火燒的樣地有機質質量分數低于未經過火燒的樣地。土壤密度表現為中度火燒林＞原始林＞重度火燒林;pH值隨火燒強度增加而增加，呈現出重度火燒林＞中度火燒林＞原始林;兩種林型的土壤A層有機質、全氮、有效氮和全磷質量分數隨火燒強度的增加而減少，即原始林＞中度火燒林＞重度火燒林;而火燒強度對于土壤B層的上述指標和土壤全鉀質量分數的影響無明顯規律性。

不同火燒強度下兩種不同林型中土壤含水量未呈現明顯的規律性變化，這是由于土壤含水率受降雨、植被類型、郁閉度、地形條件等諸多環境因子的影響。

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