大興安嶺森林火燒恢復年限對土壤磷及其有效性的影響

陳韻如,楊 揚,張喜亭,楊艷波,王慧梅,王文杰,2,*

1 東北林業大學森林植物生態學教育部重點實驗室, 哈爾濱 150040 2 中國科學院東北地理與農業生態研究所, 長春 130102

大興安嶺地區位于我國最北端,是寒溫帶針葉林的部分區域,該區域是我國森林天然火災頻發區域,森林火災使大片森林毀滅,導致人類生存的環境受到極大威脅。森林作為重要碳庫,在穩定全球溫室氣體平衡方面起到關鍵制約作用[1]。森林火災的發生會導致生態系統的平衡遭到破壞,如何快速恢復這些火燒跡地處的植被對火災后植被恢復過程進行科學認識,已成為林業工作者面臨的重要課題,其中對土壤相關變化的認識遠遠低于地上植被的認識。

磷是植物生存必不可少的元素,土壤磷素對植物生長和繁殖起著重要的作用。土壤的pH值,凋落物的種類及土壤的結構類型等都可能影響磷在土壤中的存在形態及其有效性。磷在自然界有若干種存在形態,不是每一種形態的磷都能被植物所吸收利用。土壤全磷大部分呈復雜無機礦物態,除極少量簡單有機物中的磷可被植物直接吸收外,絕大部分有機磷在短時間內都是相對無效的磷。只有正磷酸鹽對植物有效,其含量大約在1—50 mg/kg之間,被稱為“速效磷”。由于森林土壤磷元素補給的單一性,森林生態系統土壤磷的有效性降低,再加上氮沉降增加的影響,加劇土壤速效磷供應的不足,磷可能成為森林生長發育的限制因子[2]。磷對于火后森林的演替有著不可替代的重要性,但關于火后土壤磷含量長時間持續變化的研究卻較少?；陂L期年代序列樣地,準確確定火燒后森林恢復跡地中土壤全磷、速效磷含量變化趨勢及其主要限制因子分析,將有助于科學評價預測森林生態恢復過程,基于土壤養分準確確定森林恢復干預管理時間等。

以往針對火后短期內土壤磷的變化做了部分研究,但結論并不一致并且缺乏長期有效的研究。谷會巖等人研究表明針對不同強度火燒,興安落葉松林土壤磷含量之間并沒有顯著的差別(P<0.05)[3],火燒后幾年內的土壤磷含量會低于火燒前水平[4]。孔健健和楊健則認為火后的早期階段磷的含量會迅速增加,然后隨著火災后時間的增加而逐漸減少,火災后土壤速效磷含量明顯高于對照區,并且高強度和低強度火災之間存在明顯差異[5]。國外Romanyà等人將土壤分為未燃燒,燃燒和劇烈燃燒(灰分)三類,得出火對土壤磷的影響在表土層中最大并且依賴于火強度[6]。基于這種狀況,我認為需要開展這種長期的對于土壤全磷及速效磷的統計及趨勢分析并對影響土壤磷變化的因素進行冗余排序分析,以填補長時間尺度下對土壤磷變化研究的缺乏及火后土壤磷變化影響因素的空缺。通過這樣的研究可以了解影響土壤磷變化的主要因素及其變化規律,對大興安嶺地區的植被恢復和生態評價提供數據支持。

基于此,本文提出科學假設：火燒后恢復時間長短直接影響土壤磷及其有效性特征變化,可能表現在整體或者某一段時期均值、離散程度及整體年代變化趨勢的某些方面或者全部。本試驗擬近50年來大興安嶺地區火燒后的火燒跡地按距今的火燒后恢復年限排序,采樣火燒跡地及配對未火燒對照土壤,測定其全磷和速效磷的含量變化,得出不同火燒后恢復年限對土壤全磷及速效磷的影響和規律,明確磷的消長,以期為基于土壤養分動態的林火植被恢復管理、模型模擬研究及后續科學評價提供數據支持。

1 研究材料和方法

1.1 研究區概況

大興安嶺處于北緯50°11′—53°33′、東經121°12′—127°00′之間,是中國最北、緯度最高的邊境地區。其年平均氣溫漠河縣和呼中區北部零下4℃,其他地區零下2℃。其年平均降水量428.6—526.8 mm,全年無霜期80—110 d,冰封期180—200 d。大興安嶺地區屬于寒溫帶大陸性季風氣候,冬季由蒙古冷高壓控制,寒冷干燥,降水量是年降水量的10%。夏季由太平洋高壓控制,更多東南季風通過,潮濕涼爽。

大興安嶺是我國重點國有林區,主要喬木樹種為興安落葉松(Larixgmelinii)、白樺(Betulaplatyphylla)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、山楊(Populusdavidiana)等。主要灌木為興安杜鵑(Rhododendrondauricum),杜香(Ledumpalustrevar.dilatatum),越桔(Vacciniumvitis-idaea)等。主要草本為莎草科(Cyperaceae)、菊科(Compositae)、豆科(Leguminosae)、薔薇科(Rosaceae)等植物[7-8]。該地也是我國東北地區重要的生態屏障,在保護并維持呼倫貝爾草原及松嫩平原區域生態平衡方面具有重要作用[9]。

1.2 野外土壤的采集及處理

圖1 樣地示意圖Fig.1 Map of study area

本實驗于2016—2017年在大興安嶺的呼中、南甕河、雙河、圖強、塔河、加格達奇、滿歸七個地區的火燒跡地上設置30 m ×30 m的樣地采取土樣,在坡度、坡位、林型與海拔等立地條件基本一致的前提下,選擇周圍未過火區作為對照樣地(圖1)。在每個樣地中分0—20 cm 深層土進行五點(四角及中心)混合取樣,同一樣地的土樣混合成一個混合樣。取出部分土壤自然風干,用粉碎機研磨后過60目篩,裝瓶備用。

在樣地選取方面,根據1966年以來歷年火燒等級表(大興安嶺林區火警火災登記表),選擇2—50年發生火災的具體位置,盡可能保持不同火燒恢復年限的樣地數量均等原則下,在大興安嶺林區選擇過火樣地。共采集87個樣地(50°14′20″N—53°04′16″N,122°18′19″E—125°30′30″E),其中48個火燒樣地,39個對照樣地,有一些火燒樣地相距較近,與之相對的對照樣地是同一個條件相同地區,這些火燒樣地選取一個對照樣地。

1.3 土壤磷測定方法

全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色-分光光度法定量測定[10]。取0.25 mm孔徑的土樣0.25 g于鎳坩堝中,用無水乙醇完全濕潤后與2 g氫氧化鈉混合,放入馬弗爐內灼燒,于400℃暫停15 min后升溫至720℃保持15 min,關閉馬弗爐,待至稍冷取出,放在電熱板上(約100℃)。加入10 mL去離子水(約 80℃)攪拌至土壤與水混合均勻后倒入50 mL容量瓶中,并用 10 mL硫酸溶液(0.2 mol/L)多次沖洗坩堝,一并倒入容量瓶中。加入5滴1∶1 HCl和5 mL 1∶3 H2SO4,搖勻,定容,用無磷定量濾紙過濾到三角瓶中。吸取待測樣品溶液10 mL(含磷 5—25 μg)于50 mL容量瓶中,用水稀釋至約30 mL。加入二硝基酚指示劑2—3滴,并用100 g/L 碳酸鈉溶液調節溶液至微黃色。加入5 mL鉬銻抗顯色劑,搖勻、定容,在室溫(25℃)下放置30 min后通過測量700 nm處分光光度來計算全磷含量。

速效磷采用碳酸氫鈉溶液浸提-鉬銻抗比色法定量測定[10]。將0.25 mm孔徑土樣(0.25±0.001) g與(25±1)℃碳酸氫鈉浸提劑50 mL混合,在(25±1)℃溫度下于搖床(120 r/min)上震蕩(30±1) min,過濾后加入顯色劑5 mL,慢慢搖晃排出二氧化碳后加入25 mL蒸餾水,充分搖勻。顯色30 min后測量700 nm處分光光度(752N型紫外可見分光光度計)來計算速效磷含量。

對磷的標準曲線進行定量。磷標準曲線設定的范圍為0.00—0.60 μg/mL,室溫(25℃)顯色30 min后以含磷量為0的標準溶液調節儀器零點測定700 nm處分光光度。以上分光光度測定均采用752N型紫外可見分光光度計進行測定(上海精科實業有限公司,上海)。計算方法為：(P, g/kg)=(ρ·V·D×1000)/(m×106)(式中ρ為查校準曲線或求回歸方程而得測定液中P的質量濃度,μg/mL；V為顯色時溶液定容的體積,mL；本試驗為50；D為分取倍數,全磷為50/10；m為風干試樣質量,g)。速效磷采用相同的標準曲線進行計算。

1.4 過火特征信息收集

利用野外信息收集軟件記錄過火地區的經緯度、海拔、坡度、坡位、坡向等地形地貌及地理位置數據。野外數據收集測定地點的海拔高度、坡位(坡上、坡中、坡下和平地)、坡度和坡向,其中坡向是以正北方向為0度,順時針方向180度為正值,表示往東北、東、東南和南方向；逆時針方向180度為負值,表示往西北、西、西南和南方向；同時使用自帶GPS測定樣地的地理位置坐標(經度和緯度)。野外信息收集軟件為野外協同工作平臺V3.0,由中國科學院沈陽應用生態研究所開發。

過火地區林分主要由興安落葉松與白樺組成。林火特征數據,包括過火面積和火燒年限,從大興安嶺林管局防火辦查詢1966年以來歷年森林火災登記表及歷史文獻查詢獲得。

1.5 數據處理與分析

為了判斷整體數據是否存在差異及變異性,對所有數據進行平均值處理及方差分析,判斷差異顯著性；并求得變異系數(即標準偏差占平均值的百分比),判斷火燒跡地與對照數據變化幅度大小是否存在差異。在此基礎上,為了進一步判斷在哪一個恢復時間段發生了變化,將數據按照恢復時間分組為1—5年、5—10年、10—20年、20—30年、3—40年、40—50年,對土壤磷指標進行配對t檢驗,找到差異最顯著區域；同時,以火燒/對照比值、差值(火燒—對照)與恢復年限進行多項式擬合回歸分析,達到統計學顯著說明存在明顯變化趨勢；為了判斷火燒恢復跡地與對照樣地土壤磷變化受地形、地理位置和火災特征影響的差異,以火燒恢復年限、經度、緯度、坡度、坡位、坡向、海拔、過火面積為解釋變量,以土壤磷相關指標全磷(TP)、速效磷(AP)及速效磷占比(AP/TP)作為響應變量,進行RDA(Redundancy analysis)分析,并以條件限制效應分析(conditional term effect)檢驗出具有顯著解釋功能的解釋因子。

以上統計分析使用SPSS 19.0完成。RDA分析使用Canoco5中Standard Analysis的Constained (species-environmental variables)進行分析,并選擇Ordination linear method并對response data進行log轉化標準化處理。為說明火燒和對照樣地之間地形特征差異,對海拔、坡度、坡位和坡向進行頻率分布,箱線圖Box-plot分布圖使用jmp10.0(SAS Institute Inc., USA)完成。箱線圖包括5 個統計量:最小值、下四分位數(Q1) 、中位數(Q2) 、上四分位數(Q3) 與最大值；上四分位數與下四分位數的差距又稱四分位間距(Inter Quartile Range, IQR)。箱線圖的上下限(異常值截斷點) 分別在比Q1低1.5倍IQR和比Q3高1.5倍IQR的位置上,上下限以外的數據認為是異常值,以散點表示；圖中紅線所標示的是最小50%測定數值的分布范圍,反映了數據最集中分布區域[11]。

2 結果

2.1 全磷

整體數據分析顯示,火燒樣地全磷含量的變異系數(36.81%)明顯低于對照樣地(58.79%),說明火燒降低了土壤全磷離散變化程度(圖2a)：降低程度為22%。把數據按火燒恢復年限分為6個時間段的結果,顯示火燒前20年土壤全磷稍高于對照,之后則稍低于對照,配對t檢驗沒有發現火燒與對照樣地間存在顯著差異(圖2b)。使用火燒與對照樣地中全磷的比值和差值進行時間變化趨勢分析顯示,全磷的變化趨勢相似：即火災后全磷含量火燒樣地略高于對照樣地,呈現上升趨勢,5—10年最高,之后,隨著植被的恢復,全磷有下降趨勢,在20—30年間,火燒樣地的全磷含量減少到低于未過火樣地(圖2c,d)。

圖2 火燒樣地與對照樣地的全磷含量比較Fig.2 Comparison of total phosphorus in fired and control soils

2.2 速效磷

整體數據分析顯示,火燒樣地速效磷含量的變異系數(48.89%)略低于對照樣地(54.66%),說明火燒降低了土壤速效磷的離散變化程度(圖3a)：降低程度為6%。把數據按火燒恢復年限分為6個時間段的結果,顯示火燒前5年土壤速效磷稍低于對照,5—20年時則稍高于對照,20年后又低于對照,配對t檢驗沒有發現火燒與對照樣地間存在顯著差異(圖3b)。使用火燒與對照樣地中速效磷的比值和差值進行時間變化趨勢分析顯示：速效磷含量火災后火燒樣地略低于對照樣地,后呈現上升趨勢,10—20年最高,之后,隨著植物的利用,速效磷有下降趨勢,在20—30年間,火燒樣地的速效磷含量減少到低于未過火樣地(圖3c,d)。

圖3 火燒樣地與對照樣地的速效磷含量比較Fig.3 Comparison of available phosphorus in fired and control soils

2.3 速效磷占全磷比例

整體數據分析顯示,火燒樣地速效磷占比的變異系數(89.93%)明顯高于對照樣地(51.66%),說明火燒樣地的速效磷和全磷在火后發生了明顯變化(圖4a)：升高程度為38%。把數據按火燒恢復年限分為6個時間段的結果,顯示只有10—20年及30—40年火燒樣地的速效磷占比高于對照樣地,且沒有發現火燒與對照樣地間存在差異(圖4b)。使用火燒與對照樣地中速效磷占比的比值和差值進行時間變化趨勢分析,未發現明顯規律(圖4c,d)。

圖4 火燒樣地與對照樣地的速效磷與全磷的比值比較Fig.4 Comparison of the ratio of available phosphorus in total phosphorus in fired and control soils

2.4 火燒和配對樣地地形差異分析

圖5為火燒后恢復樣地與對照樣地間的地形分布對比圖。由圖中明顯看出火災和對照樣地之間的海拔、坡度、坡位及坡向存在高度相似性?；馃c對照樣地海拔高度多處于400—600m處(大于50%),坡度多數小于10度(大于60%),且朝向西南及西北方向坡地較少(小于5%),以平地居多。

圖5 火災恢復樣地及配對對照樣地海拔、坡度、坡向和坡位比較頻率圖Fig.5 Frequency distribution of altitude, slope degree, slope aspect, slope position of the fire rehabilitation sites and control sites

2.5 冗余排序分析(RDA分析)

RDA排序圖中,實心箭頭代表響應變量,為全磷、速效磷及其比值,空心箭頭代表解釋變量。一般來講,箭頭越長,而夾角的余弦值越小,說明兩個變量越具有緊密相關關系,也就是解釋變量對響應變量變化的解釋能力越強。

圖6可見，速效磷和經度具有明顯的負相關關系,與火燒后恢復年限和坡度具有正相關關系。全磷與火燒后恢復年限的夾角很小,呈現明顯的正相關,而與緯度負相關。將全磷、速效磷及速效磷占比當成一個整體,當不考慮因子間相互影響,確定單因素分析(Simple Term Effects,表1)發現,火燒樣地內火燒恢復年限和經度對于土壤磷解釋貢獻都達到了10%以上,并且達到統計學顯著。綜合所有因素進行條件限制分析(Conditional Term Effects,表2),也確認火燒跡地上土壤磷主要受火燒年限和經度的影響。二者均發現,其他考慮的因素如海拔、過火面積等對本研究中發現的土壤磷變化解釋能力不大,沒有統計學顯著貢獻。

圖6可見,根據箭頭的長度以及與全磷及速效磷之間的夾角判斷在對照樣地中影響最大是火燒后恢復年限和緯度這兩個因素。全磷及速效磷于火燒后恢復年限呈正相關,與緯度呈負相關。單因素和綜合分析結果均發現,緯度是未過火對照樣地土壤磷變化的最主要影響因子,其次是火燒恢復年限及過火面積?？赡茈S著緯度的增加,氣溫和降水發生改變,土壤中微生物活性降低,導致土壤pH值,腐殖酸濃度發生改變而使土壤磷的含量發生變化,具體變化趨勢有待進一步討論。

表1 火燒地區單因素分析

表2 火燒地區條件限制分析

圖6 火燒樣地和配對對照樣地土壤磷變化與環境因子RDA排序分析Fig.6 Redundancy Analysis of Soil Phosphorus in Fired and Control Soils TP, 全磷Total phosphorus; AP, 速效磷Available phosphorus; AP/TP, 速效磷占比 available phosphorus/total phosphorus; Year,火燒后恢復年限 fire rehabilitation year; Longitud, 經度 longitude; Latitude, 緯度 latitude; Slope, 坡度 slope; Sp, 坡位 slope position; Aos, 坡向 aspect of slope; Altitude, 海拔 altitude; Ba, 過火面積 burned area

表3 對照地區單因素分析

表4 對照地區條件限制分析

3 討論

3.1 與已有結果的比較：支持火燒后土壤磷呈現先增后減趨勢,但是具體大小有差異

前人的研究基本可以歸納為3種觀點：(1)土壤磷在火后立即增加后隨時間增加而減少,并且與不同火強度之間存在差異[2,5,12-14]。(2)火燒并不一定導致土壤磷的增加,不同火強度之間差異并不顯著[3,15-17]。(3)火后土壤磷的含量是會顯著增加的,并且這種增加在不同火燒強度之間差異不顯著[18]。

本次試驗的結果與第三種即趙彬,孫龍,胡海清等學者的研究結果相似。其研究認為火后土壤全磷含量顯著提高,但在不同強度間沒有顯著性差異,與未火燒區相比,二者的含量均有增大的趨勢,這與本次研究結果是相同的。但值得注意的是趙彬等人研究還發現土壤速效磷含量在輕度火燒區最高,與未火燒區相比差異顯著(P<0.05),而本試驗顯示全無顯著差異。這可能由于研究的方法的差異加上取樣樣地的設立及取樣時間的長短也不完全相同,且本文是忽略了火燒強度進行了長時間尺度的研究分析,所以結果存在了一定差異。并且試驗是用空間代替了時間,用年代序列特征研究長時間土壤磷的變化,結果有趨勢變化但是差異不顯著,也可能是因為樣本數據不足導致的,假設有足夠多的樣本,可能得出不同的結論。

3.2 展望

合理發揮林火的生態效益,對生物的穩定性和多樣性、森林更新、群落演替過程都起著重要作用[19]。從科學評價的角度來看,長時間的尺度是評價林火后森林土壤養分變化動態和森林結構必須要考慮的因素。從RDA分析結果來看,火燒后恢復年限是對火后土壤磷的變化影響最大因素,因此在評價火后土壤養分變化時可著重時間對土壤養分的影響。Jin等人在對北美地區燃燒和收獲對松櫟林地的有效恢復的影響時也提到短期、立體尺度研究對長期的景觀尺度的結果提供的幫助很少。其評估對未來物種組成和森林結構的替代性恢復處理的結果時,模擬規定的燃燒和采伐對恢復短葉松櫟林地組成和結構的影響也采取了相對較長的100年來作為研究時期[20]。Liu等人利用森林景觀模型LANDIS PRO 7.0調查中國東北地區溫帶森林無商業收獲(NCH)政策對生態系統服務和生物多樣性時也強調了長期影響這一點[21]。關于森林地區地上部分的研究已經有很多了,但對于土壤的研究還待補充。森林土壤養分是如何變化的,什么因素會對其變化產生影響這些還需要探索。本文對土壤磷的研究發現,在火后地區時間是必須考慮的因素,火后的時間長短對土壤磷的影響很關鍵。除此之外,在未過火地區緯度是影響土壤磷含量的重要因素,若建立森林土壤養分變化模型,這兩點是需要考慮進去的。

從林分管理的方面來講,無論林火對森林生態環境產生的是正面還是負面影響,火燒后的植被恢復都是人們面臨的一個重要問題[22]。根據土壤磷的特性及火后的發展趨勢,火后15年以內是決定火后植被結構與功能恢復的關鍵時期[2]。因為大興安嶺土壤呈酸性,在酸性土壤中磷的含量極低,火燒后增加了土壤的pH值[19],使磷含量有所增加,但隨著時間推移,增加的磷不斷淋失[12],時間的長短取決于土壤中鋁和鐵氧化物等眾多因素[15],所以在磷含量水平高的時候要盡快利用起來,火后速效磷供給速率的增加將使種子的萌發率、幼苗的成活與定植幾率增大[23]。

3.3 不確定性分析

用空間代替時間是研究森林長期變化的重要手段[22]。本研究使用這一方法,研究了火燒后50年恢復土壤磷的變化特征,前人在大興安嶺地區沒有進行這么長時間尺度的研究[2-3,5,12-17]。結果發現,無論是整體數據、分階段分析還是基于火燒對照差值和比值的變化趨勢分析,區分和鑒別土壤磷顯著變化的能力較弱。針對火災研究,很難在同一個地區發現大量的不同年代火燒跡地。而當大面積尋找樣地時,將會出現這種數據誤差較大的問題,這使得相關研究結果存在較大的不確定性。彌補這種不確定最好的方法是開展固定樣地長期定位研究[24]。

作為一種數據處理方法,通過RDA等數學排序方法,也能夠甄別出更為細致的因素,比如本研究發現的火燒改變了影響土壤磷的主要控制因素。具體地理位置對于土壤磷變化影響最大,這為后期在大范圍開展類似研究提供了新的思路。比如,根據RDA分析的結果將采集的數據根據影響的高低排序,按照具有顯著性影響的因素進行細分,建立一個綜合性的函數來分析不同影響因素下的全磷及速效磷變化。目前這些分析沒有考慮到經緯度等自然因子在土壤磷上起到變化的重要作用,也使得在統計分析中,過多的已知誤差并入組內誤差,降低了火燒和對照處理間的組間差異,這使得可靠分析火燒影響變得困難。未來在開展定位研究的同時,也應該加強數據的統計方法學研究,提升空間代替時間研究方法的可靠性。

此外,一般來看火燒強度往往對于土壤物質循環(如碳氮)具有最重要的影響,本研究發現其在解釋有關磷變化中的作用遠小于火燒恢復年限與地理位置。其原因可能與磷元素的特征有關,比如,磷是生態系統中比較穩定的元素,不像碳氮易隨著火燒轉化或揮發到空氣中。但是磷可以通過火燒改變其形態,如從有機磷轉換為無機磷,甚至儲存在黑炭中。未來的研究重點將探討磷形態的變化,比如無機磷、有機磷以及與土壤結合狀態的變化。

4 結論

大興安嶺地區發生森林火燒影響了土壤中磷含量的變化,主要表現在：(1)土壤全磷含量在火后呈現先增加后降低的趨勢。土壤速效磷含量在剛過火的林地上是減少的,后隨時間增加也呈現先升高后下降的變化趨勢。二者開始低于對照的時間多在恢復20—30年。(2)整體數據分析和分時間段分析均未發現火燒樣地相對于配對樣地存在顯著的全磷及速效磷含量的差異,但是火燒使得土壤磷離散程度變小。(3)火燒改變了影響土壤磷含量變化的主導因子,即火燒后恢復年限是影響火燒恢復跡地上土壤磷含量的最主要因素,而對照樣地中則是緯度。上述研究結果為大興安嶺森林火災恢復土壤磷變化研究和評價提供了基礎數據支撐。