大興安嶺火燒跡地土壤有機質含量的Meta分析

張揚，鐵牛，2*，劉洋，張晨

(1.內蒙古農業大學林學院，內蒙古 呼和浩特 010019；2.內蒙古自治區林業科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010010)

火是大興安嶺森林主要干擾之一。近年來受到火干擾的影響，大興安嶺森林土壤溫度隨之發生變化，土壤碳氮比與碳儲量也相應改變[1]，土壤當中的有機質受到干擾。土壤有機質是植物生長發育和土壤保肥中必不可少的營養成分，因此，研究火干擾對土壤有機質含量的影響具有重要意義。

目前對于火燒后的大興安嶺森林的研究主要是火燒對植物的影響，有火燒對植物分類組成的改變[2]，樹木的生長恢復[3]，提高木材經濟效益[4]等。研究土壤有機質的文章也主要是通過試驗的方法，但各研究結果得出的結論有所差異，因此，要想得出大興安嶺地區火后土壤有機質含量變化的一般規律，需整合分析大興安嶺地區相關研究的試驗數據。采用Meta分析方法,用定量評估火干擾對森林土壤有機質的影響,并通過亞組分析進一步探討土壤有機質含量在不同火燒恢復年限，不同火燒強度影響下的變化情況。解決各單項研究對同一個目的研究結果不一致的問題，提高相關研究結果的可信度[5]。為受到火災影響的森林土壤肥力恢復及對植物生長環境恢復的相關研究提供參考依據[6]。

1 材料與方法

1.1 文獻納入和剔除

以“大興安嶺地區”、“火燒跡地”、“不同火燒強度”為關鍵詞在中國知網和Web of Science核心合集數據庫中進行檢索，篩選大興安嶺地區不同火燒強度對土壤有機質影響的相關研究論文。

所收集的文章必須符合以下標準:(1)文獻必須有對照(未火燒)和實驗組(火燒)的包括土壤有機質指標(2)研究樣地林型為興安落葉松林,土壤類型為棕色針葉林土，火燒強度根據林木受損情況分為輕、中、重度火燒3種[7]。土樣在0～20cm范圍土層采集。文獻數據需包括具體的數值或圖表,數據必須包括平均值和樣本量(處理重復數)。通過Meta分析處理的數據可信度高，利用正態分位數圖檢驗發表偏倚性，y-軸代表均值，斜率表示SD若樣本來自同一總體，且樣本量足夠大斜率應為1.如圖1所示，數據基本呈現線性，落在置信區間內，說明不存在發表偏倚性。

1.2 數據獲取

文獻中數據以表格形式呈現的直接獲取，以圖形呈現的，用GetData 軟件進行圖形數字化轉換。并將所有土壤有機質含量的單位統一為有機質質量分數(%)。

圖1 文獻發表偏倚性檢驗

1.3 數據分析方法

本研究采用MetaWin2.0進行meta分析，利用響應比1nR反映不同火燒強度，不同火燒年限對土壤有機質含量的影響。公式如下：

式中S2,SC,NE,NC代表一個獨立研究當中實驗組以及對照組方差和樣本量。

式中:CI代表累計效應值的95%置信區間；Sem代表綜合效應值的標準誤。選用隨機效應模型分析計算火燒后土壤有機質的效應值和方差。在某一指標平均效應值的95%置信區間不與零重疊時,就認為火燒強度對土壤有機質含量的影響達到顯著水平;反之則不顯著。

表1 被引用參考文獻

2 結果與分析

綜合數據顯示，輕度火燒、中度火燒、重度火燒對土壤有機質含量的增加效應不顯著，可能由于單個研究受區域氣候條件、時間等因素影響較大，不能反映大興安嶺地區的綜合情況，因此，本研究采用Meta分析方法對大興安嶺地區火燒對土壤有機質含量影響的獨立試驗結果進行整合，綜合評價火燒強度和年限對土壤有機質含量的增加效果。

圖2 火燒強度對土壤有機質含量的影響

2.1 輕度火燒對土壤有機質含量的效應分析

在輕度火燒中，不同火燒年限對土壤有機質含量的影響有所差異。整體上，各研究結果之間異質性檢驗具有統計學意義(P<0.05),綜合各研究結果得出土壤有機質含量輕度火燒低于未火燒(合并效應值E=-0.0408)，但均未達到顯著(置信區間包含0)。分析輕度火燒后不同火燒年限對土壤有機質含量的效應，得出以下結果：

(1)火后2年內(包含2年)，土壤有機質含量在輕度火燒干擾下有增加趨勢，但并不顯著(置信區間包含0)。是由于輕度火燒強度使大量燃燒不充分的樹葉、樹皮、樹枝等物質滲入土壤，短期內火后土壤溫度高，加快了枯枝落葉的分解，土壤有機質含量有所增加。

(2)火后3～5年之間，土壤有機質含量在輕度火燒干擾下有降低趨勢，但并不顯著(置信區間包含0)。這可能是由于火燒燒毀許多地表的植被，土壤表層有機質雖大量分解,但在火后3～5年之間，相比火后2年內(包含2年)降水周期較長，表層的有機質會隨著降水而流失。

(3)火后6～10年之間，土壤有機質含量在輕度火燒干擾下仍有降低趨勢，效應顯著(置信區間不包含0)。這可能是相比火后2年內(包含2年)，火后3～5年之間，隨時間的延長，降水周期變長，分解在土壤表層的有機質隨降水流失更為明顯。

(4)火后11～30年之間，土壤有機質含量在輕度火燒干擾下有增加趨勢，但并不顯著(置信區間包含0)。這說明長期火燒后，地表植被和枯落物不斷增加，土壤有機質含量大于降水的流失，土壤有機質含量在不斷恢復。

2.2 中度火燒對土壤有機質含量的效應分析

在中度火燒中，不同火燒年限對土壤有機質含量的影響有所差異。整體上，各研究結果之間異質性檢驗具有統計學意義(P<0.05),綜合各研究結果得出土壤有機質含量中度火燒低于未火燒(合并效應值E=-0.0333)，但均未達到顯著(置信區間包含0)。分析中度火燒后不同火燒年限對土壤有機質含量的效應結果如下:

(1)火后的2年內(包含2年)，土壤有機質含量在中度火燒干擾下有增加趨勢，但并不顯著(置信區間包含0)。可能是中度火燒在這一時間內會使枯枝落葉燃燒不充分，滲入土壤，使土壤有機質含量升高。

(2)火后3～5年之間，土壤有機質含量在中度火燒干擾下有增加趨勢，但并不顯著(置信區間包含0)。如圖2所示，相比火后的2年內(包含2年)，效應值雖大于零，但有所減小。雖比未火燒樣地的有機質含量高，但土壤中的有機質含量已經在隨降水周期的延長產生損失。

(3)火后6～10年之間，土壤有機質含量在中度火燒干擾下有降低趨勢，但并不顯著(置信區間包含0)。可能是經中度火后的森林土壤，土壤結構改變，土壤中水分子、氣體的運動加快，使土壤中土壤有機質發生轉化或流失。

(4)火后11～30年之間，土壤有機質含量在中度火燒干擾下有增加趨勢，但并不顯著(置信區間包含0)。可能是土壤有機質含量的積累經過時間的沉淀已經高于其正常損失的含量。

2.3 重度火燒對土壤有機質含量的效應分析

經歷重度火燒的森林，土壤有機質含量受不同火燒年限影響有較大差異。整體上,各研究結果之間異質性檢驗具有統計學意義(P<0.05),結果表明：重度火燒土壤有機質含量低于未火燒土壤有機質含量(合并效應值E=-0.0333),但均未達到顯著(置信區間包含0)。分析重度火燒后不同火燒年限對土壤有機質含量的效應，得出以下結論：火后的2年內(包含2年)，3～5年之間，6～10年之間，11～30年之間，土壤有機質含量在重度火燒干擾下均有降低趨勢，效應顯著(置信區間不包含0)。這說明重度火燒強度較大,對植被的破壞力強,燒毀的植被主要以草木灰的形式存在,重度火燒后地上植被很難恢復生長，沒有枯枝落葉的分解，土壤有機質大量損失。火燒強度對植被的破壞力的影響仍很明顯。還未達到火燒前水平，需要的時間可能比30年要長。

3 結論與建議

對大興安嶺火燒跡地土壤有機質含量的Meta分析得到以下結論：

(1)與未火燒樣地相比，輕度火燒后的3～5年之間，6～10年之間土壤有機質含量還未恢復到未火燒水平。在火后2年(包括2年)內和11年～30年之間輕度火燒對土壤有機質含量的增加有一定促進效應。在此期間，對火燒跡地林木采取適當的人工撫育。此時土壤當中的有機質含量有利于林木的生長發育，相對減少人力財力在森林土壤施肥中的浪費，既滿足火燒跡地森林的恢復又減少了不必要的經濟損失。

(2)中度火燒后6～10年間土壤有機質含量沒有達到火燒前水平。火后的2年內(包含2年)，3～5年之間，11～30年之間中度火燒對土壤有機質含量的增加有一定促進效應。土壤當中的有機質含量在一定程度上有利于林木的生長發育，建議對于中度火燒后的森林應予以重視，利用火干擾的對土壤積極影響，適當補植，可提高林木成活率。

(3)重度火燒后的2年內(包含2年)，3～5年之間，6～10年之間，11～30年之間土壤有機質含量均未達到火燒前水平，對森林的損毀較為嚴重。土壤中的有機質含量較低對林木生長不能起到促進作用。對重度火燒的森林撫育可考慮在30年之后其土壤有機質含量逐步恢復后再進行。

在我國大興安嶺地區經過火后的森林土壤，在適當的時間內，表現出促進植物生長的潛力。未來，對于受到火干擾的森林，有利于充分挖掘和發揮火燒地在森林恢復中積極作用和優勢。