许 舟，刘发林

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

马尾松林植物及土壤养分对频繁火干扰的响应

许 舟，刘发林

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

以马尾松次生林为研究对象，分析了频繁火干扰后森林生态系统不同组成部分的养分变化。随火干扰次数增加，植物树叶和树干中碳和氮含量略减少，磷含量稍增加；枯枝落叶中碳含量增加而氮含量减少，磷和钾含量显著减少，C/N增加；土壤有机碳含量变化趋势与火干扰次数关系不密切，经1、2及3次火干扰后0～5 cm土壤有机质含量的影响比5～10 cm差异明显，土壤中全氮与C/N的变化趋势与土壤有机碳相似，但是5～10 cm全氮和有效磷含量随火干扰次数的增加而降低，有效钾含量随火干扰次数增加而增加，0～5 cm土壤潜在可矿化氮随火干扰次数的增加而增加。通过研究频繁火干扰对生态系统的养分影响效应，为火干扰后土壤改良和植被恢复提供理论参考。

马尾松；火干扰；周期性火灾；土壤养分

土壤是森林生态系统赖以存在的前提，火干扰对土壤环境的影响非常复杂[1-2]。目前全球气候变暖，地表温度上升，加之天然林保护及大面积封山育林使得森林火险和火干扰频率增加。大量研究报道火后短期土壤肥力和植物营养浓度增加[3-5]，国外已有些许研究分析了火灾频率和营林用火对森林土壤肥力和养分循环的影响[6-8]。在一般情况下，氮和磷受火灾的影响较大，森林土壤氮和磷恢复到火干扰前的水平分别需要10年和20年[9]，然而氮和磷的恢复对森林地表层的植被恢复与土壤养分循环非常重要[10]。一般来说，低强度营林用火烧除森林地表部分可燃物，促进上层林木生长，然而高强度的森林火灾烧除地上生物量及地表枯枝落叶、部分腐殖质[11]。已经研究表明，再生能力强的物种火干扰后容易恢复，火干扰之后，灌木林森林植物、土壤肥力和土壤养分5年左右就可恢复到火烧前水平，恢复速度远远超过地中海森林生态系统火干扰[12]。国外有学者开始研究森林火灾频繁发生对森林生态系统的影响，西班牙和地中海盆地境内火频繁发生的机率正在增加[13]；马尾松林很容易发生森林火灾，因此，连续森林火灾对生态系统的影响、严重程度及养分损失是大量专家学者面临的新挑战及研究方向，国内对火干扰对林下植物、土壤理化性质研究较多[14-17]，但几乎没有频繁火干扰对土壤生态系统的影响研究报道。频繁火灾可能减少土壤系统的养分，从而限制林地植被恢复。本研究以马尾松次生林为对象，人为控制火干扰强度及火烧区域，分析频繁火干扰对植物和森林土壤结构及养分的影响，有利于了解火干扰对森林生态系统养分供应的影响，为火后植被恢复和土壤肥力管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区设置于湖南省攸县黄丰桥林场，介于E113°04′～ 113°43′、N27°06′～ 27°04′之 间， 海拔240 m左右，成土母岩为第四纪红色粘土，年平均气温17.8℃，年降水量为1 410 mm，主要为马尾松人工林和马尾松-檵木次生林。

1.2 试验设计与指标测定

2004～2012年内先后进行3次火干扰，部分林地经过2、3次火干扰，分别设置经过1次、2次、3次火干扰的样地（林分年龄、树种组成差异很小），在火场附近选择未烧区作为对照样地。每个火烧区设置样地3块（10 m×10 m），共设置10个样地，不同样地选择地形学特征（土壤类型、沙石含量、坡度、坡向等）尽可能一致。每个样地沿对角线分别设置3个（1 m×1 m）小样方，火干扰前用砍刀把小样方中的植物全部砍倒并送往实验室烘干至恒重（80℃），试验样地火干扰历史和土壤特征如表1。使用直径为5 cm的环刀采集各个样方0～5 cm和5～10 cm土壤样品。用来分析土壤样品的各种等指标，pH值、有机质、CEC、全氮、有效磷、速效钾分别采用电位法、重铬酸钾氧化法、乙酸铵法、半微量开氏法、NH4F-HCl-钼锑抗比色法、中性NH4OAc浸提火焰光度法测定[18]，测定结果分析植物营养和土壤养分动态。把生态系统从上往下分为三个组成部分（即，P，植物枝干与叶；L，地表枯枝落叶；S，0～10 cm土壤），分别分析其养分库的变化。

表1 样地火干扰历史及基本特征Table 1 Fire history and general soil properties of the plots

1.3 数据分析

用Excel进行数据统计，采用数据处理系统DPS（Data Processing System） V6.85进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 火干扰对不同生态系统组成部分养分库的影响

2.1.1 火干扰对地上植被养分的影响

一般说来，火干扰后植物的碳、氮、磷和钾等养分浓度发生变化。如表2和图1，与对照样地相比，火干扰后马尾松次生林林木氮和磷的含量较低；频繁火干扰后，随火干扰次数增加，植物树叶和树干中碳和氮含量稍减少，而C/N和磷含量稍增加；除经2次火干扰样地外，树干中钾含量显著增加，树叶中钾含量显著减少，与Delitti等研究火干扰后植物各种营养物质有同样的变化趋势[19]。

表2 频繁火干扰后马尾松林植物和枯枝落叶层养分变化Table 2 Change of nutrients in Pinus massoniana forest surface litter layers and plant after fire recurrence

2.1.2 火干扰对枯枝落叶养分的影响

如表2和图1所示，频繁火干扰后，随火干扰次数增加，马尾松次生林枯枝落叶中碳含量增加，而氮的含量减少，但都不显著，枯枝落叶中氮的含量但比植物枝干与叶中变化幅度较小，C/N增加；对照样地枯枝落叶中磷的含量最高，达0.72 g/m2，火干扰后枯枝落叶中磷含量显著减少，降低到0.2 g/m2，但与火干扰次数关系不大，归因于火干扰间隔期内地表枯枝落叶积累较少，因为频繁火干扰减少了地表生物量的积累（如图1）；枯枝落叶层钾的含量变化趋势与植物枝干与树叶层一致，经1、2、3次火干扰后枯枝落叶中钾的含量没有差异，0～10 cm土壤中的钾的含量呈现随火干扰次数的增加而增加的趋势，这与DeSouza、Silka、Davis和DeBano等的研究结果一致[20-21]。

图1 频繁火干扰后不同生态系统组成部分的养分库（P：植物枝干与叶；L：地表枯枝落叶；S：0～10 cm土壤）Fig.1 Nutrient pool in different ecosystem compartments after fi re recurrence (P: includes stems plus leaves;L: surface litter; S: soil in the upper 0-10 cm)

2.1.3 火干扰对矿质土壤肥力的影响

马尾松次生林土壤有机碳含量变化趋势与火干扰次数没有太大的关系（见表3），经1次、2次及3次火干扰样地0～5 cm土壤有机质含量比5～10 cm差异明显，2次火干扰样地0～5 cm和5～10 cm层土壤有机碳含量比经1、3次火干扰低，然而3次火干扰样地的土壤有机碳含量反而增加，估计与频繁火干扰后产生的半分解可燃物向土壤输入有关[20]。全氮与C/N比的变化趋势与土壤有机碳相似，但0～5 cm土壤全氮含量随火干扰次数的增加而降低，而火干扰对5～10 cm土壤中氮的含量几乎没有影响，这与火的热量主要向上辐射而向下辐射或传导较少有关；频繁火干扰后0～5 cm土壤有效磷含量比对照样地高，特别是经1次火干扰后土壤有效磷含量是对照样地的2～4倍，但各样地有效磷含量随火干扰次数的增加而下降（见图2）；有效钾含量随火干扰次数增加而增加，但是增加数量差异不显著。

2.2 火干扰对0～5 cm土壤潜在可矿化氮的影响

图2 频繁火干扰与0～5 cm土壤有效磷含量的关系Fig.2 Relationship between soil available P concentration and fi re recurrence in the upper 0-5 cm

表3 频繁火干扰后马尾松林表层土壤养分变化Table 3 Change of soil nutrients in Pinus massoniana after fire recurrence

如图3所示，对照样地0～5 cm土壤潜在可矿化氮约140 mg/kg，经1、2、3次火干扰后，样地1中土壤潜在可矿化氮分别约95、142、120 mg/kg，样地2中土壤潜在可矿化氮分别约96、122、161 mg/kg，样地3中土壤潜在可矿化氮分别约114、127、189 mg/kg，结果表明马尾松次生林0～5 cm土壤潜在可矿化氮随火干扰次数的增加而增加（样地2除外），与Covington和Sackett对杰克松林火干扰后土壤潜在可矿化氮的研究结果吻合[22]，虽然火干扰导致土壤氮损失较大，但火干扰过程产生大量燃烧产物通过土壤空隙输入，从而增加土壤潜在可矿化氮。

3 结论与讨论

图3 频繁火干扰与0～5 cm土壤潜在可矿化氮的关系Fig.3 Relationship between soil PMN and fire recurrence in the upper 0-5 cm

以马尾松次生林为对象，于2004、2009、2012年先后进行控制火烧试验（频繁火干扰），对频繁火干扰下林内植物、枯枝落叶及土壤养分进行了分析，研究表明：

（1）火干扰烧除了地上及土壤表层可燃物，单次高强度火干扰对土壤生态系统中氮和磷的损失比频繁火干扰林地更大。

（2）随火干扰次数增加，植物树叶和树干中碳和氮含量略减少、磷含量稍增加，枯枝落叶中碳含量增加、氮含量减少，但都不显著，枯枝落叶中磷含量显著减少，C/N增加，枯枝落叶和树干中钾含量显著增加，而植物树叶中钾含量显著减少。

（3）火干扰次数对马尾松次生林土壤有机碳含量变化影响不大，频繁火干扰对0～5 cm土壤有机质含量的影响比5～10 cm大，且差异明显，土壤中全氮与C/N比的变化趋势与土壤有机碳相似，但是5～10 cm全氮和有效磷含量随火干扰次数的增加而降低，1次火干扰后有效磷的含量最高，是对照样地的近3倍；对照样地有效磷的含量相对较低，随着土层深度的增加，差异越小。火干扰后0～5 cm土壤有效磷含量比对照样地高，但各样地有效磷含量随火干扰次数的增加而下降。马尾松林0～5 cm土壤潜在可矿化氮随火干扰次数的增加而增加，虽然有大量研究表明，火干扰导致土壤氮损失较大，但0～5 cm土壤潜在可矿化氮增加的原因与火干扰过程产生大量燃烧产物输入土壤空隙而增加土壤潜在可矿化氮有关。

通过探索火干扰后森林生态系统不同组成部分的养分变化，了解火干扰特别是频繁火干扰对生态系统的影响效应，研究结果为火干扰前森林可燃物控制和火干扰后土壤改良、提高林地生产力、植被恢复提供理论参考，但是因每次燃烧控制试验时的天气、可燃物等因素不一样，因此火干扰强度不可能完全相同，其次，频繁火干扰对10 cm以下土壤养分动态及持续时间有待进一步研究。

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Responses of plant and soil nutrients in Pinus massoniana with fire recurrence

XU Zhou, LIU Fa-lin
(Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Take Pinus massoniana secondary forest as research object, changes of nutrient was analyzed in different ecosystem compartments after fire recurrence. With the number of fire disturbance increasing, content of carbon and nitrogen in trunk and leaves slightly reduced, but phosphorus content was significant increased, and the C/N ratio increased too. Carbon content increased in the litter,but nitrogen content reduced, and phosphorus and potassium content were significantly reduced. Change trend of soil organic carbon was not correlated with the number of fire disturbance. Soil organic matter content in the upper 0-5 cm after 1, 2 and 3 times fire disturbance was obvious heavier than in 5-10 cm. The change trend of total nitrogen and the C/N ratio is similar to the soil organic carbon, but total nitrogen and available phosphorus of soil in the upper 5-10 cm reduced and available potassium increased, and potential mineralized nitrogen (PMN) in 5-10 cm increased with the number of fire disturbance increasing. Through studying the effects of recurrent fires on the ecosystem, it can provide a theoretical reference for soil improvement and vegetation restoration.

Pinus massoniana; fire disturbance; recurrent fires; soil nutrients

S714.2

A

1673-923X(2016)06-0046-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.06.009

2015-05-18

国家自然科学基金（31470659）

许 舟，硕士研究生

刘发林，副教授，博士；E-mail：Liu fl 680@126.com

许 舟，刘发林. 马尾松林植物及土壤养分对频繁火干扰的响应[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(6): 46-50.

[本文编校：吴 彬]