火干扰对兴安落叶松林土壤养分循环的影响

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野火是北方针叶林生态系统的一种重要自然干扰方式,直接改变了森林生态系统的结构。野火还通过改变植被所需关键养分(氮、磷、钾、钙、镁)的生物地球化学循环从而影响火后森林生态系统功能。火后土壤养分的变化影响北方针叶林植被的生长,因为北方针叶林土壤养分贫瘠,其植被生长主要受元素氮的限制。虽然火和养分循环对北方针叶林特别重要,但是火后土壤养分变化的机制及其在景观尺度上的变化却没有被深入分析。中国的大兴安岭位于欧亚北方针叶林的南部边缘,处于寒温带和暖温带的过渡区,对气候变化异常敏感。兴安落叶松是该区域的优势树种,对火的耐受度较高。该区域植被的更新与养分循环对火干扰具有高度的依赖性。然而目前的研究多关注地上部分植被的更新,很少关注土壤资源对火的响应。本研究为揭示野火对我国东北部兴安落叶松林土壤生态系统的影响,选择大兴安岭的呼中国家自然保护区作为研究基地,在2010年(火后1年)和2000年(火后11年)的火烧迹地设置研究区,并选择附近未过火区为对照区,于2011年进行了野外调查与采样,通过实验测试与统计分析,得到如下初步结论:  1)野火显著改变了土壤的物理化学和生物学性质。相较于对照区,在火后1年样地,野火显著减少了兴安落叶松林土壤的水分含量、有机层厚度、C/N;但却显著增加了土壤pH值、铵氮和硝氮;同时野火也显著减少了土壤微生物生物量碳氮。在火后11年,土壤理化性质基本达到火前水平,而土壤微生物量仍显著低于对照区。火烧强度处理间,土壤各理化性质指标差异不显著,但土壤微生物除外。高强度火烧导致微生物的死亡量显著高于低强度火烧。这表明火后土壤的理化性质恢复较快,而火对微生物的影响较为持久。  2)在分析对照区和2010年火烧迹地上氮的景观分布模式时,研究结果显示地形与野火共同影响土壤有效氮在景观上的分布。野火显著增加了土壤有效氮的含量,其土壤可浸提无机氮浓度、N的矿化势及其供应速率分别较对照区增加了63%、310%和270%。而相关性分析结果则显示火烧强度与氮的有效性间仅存在较弱的相关性关系。地形也影响了有效氮在景观上的分布,在对照区,三个地形(谷底平坡、北坡、南坡)间比较,南坡土壤N有效性含量最低。在火后1年的研究区,则是南坡样点具有最高的土壤N的有效性含量,但这种差异在统计上不著,这可能是由火后立地条件空间异质性高导致氮的含量变异大所致。方差分离结果显示,火干扰和地形共同影响了土壤有效N在景观上的分布,并且火干扰改变了土壤有效氮在景观上的分布模式。这表明相较于地形而言,火干扰的影响更为剧烈。  3)火后土壤总的无机氮、硝氮供给量均显著高于对照区,而铵氮供给量则显著低于对照区;对照区大多因子的变异系数(除草本、灌木盖度)均大于火后;在对照区,林下灌木层、凋落物、粗木质残体、地衣盖度存在一定的空间结构,而其他因子空间结构不明显;在火后,大多因子(除更新苗密度外)存在一定的空间结构;对照区,土壤总的无机氮、硝氮和铵氮均不存在空间自相关关系,而在火后,这些指标的空间结构明显。皮尔森相关性分析表明,对照区,林下环境因子和土壤有效氮间不存在显著的相关性关系;火后土壤残留的有几层厚与土壤有效氮的含量间存在显著相关性关系。  4)在分析野火对土壤大量和微量元素有效含量影响时,其结果显示野火也对这些关键元素造成了显著影响。我们的研究发现,在火后1年样地,野火显著增加了土壤中的N、P、S、Fe等的有效含量,但对其他元素影响不显著;在火后11年的样地,所有元素的有效含量逐渐达到火前水平,但元素K除外。野火虽然没有导致元素K在火后立即发生改变,但是火后土壤环境的改变,却使得土壤K的量显著减少。仅元素K、Mg和B受到火烧强度的显著影响。DCA分析结果显示野火也显著改变了土壤元素的组成,三个火烧历史间土壤元素的组成存在明显差异,养分组成的改变与火后土壤的变化密切相关。进一步的分析表明,对照区,土壤水分含量是影响土壤养分组成最为重要的因子,而火后土壤pH则是影响土壤养分组成的重要因子。上述研究结果表明,火对土壤元素有效含量的直接影响是短暂的,但是火对土壤环境的改变将会长期影响土壤的养分组成。
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