高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

试验林火干扰下大兴安岭北部落叶松林土壤含水率的时空变化

张韫 于悦 崔晓阳 王海淇

张韫, 于悦, 崔晓阳, 王海淇. 试验林火干扰下大兴安岭北部落叶松林土壤含水率的时空变化[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(8): 94-101. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190182
引用本文: 张韫, 于悦, 崔晓阳, 王海淇. 试验林火干扰下大兴安岭北部落叶松林土壤含水率的时空变化[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(8): 94-101. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190182
Zhang Yun, Yu Yue, Cui Xiaoyang, Wang Haiqi. Spatiotemporal variations of soil moisture content in the Larix gmelinii forest under interference of experimental forest fire in northern Great Xing’an Mountains of northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(8): 94-101. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190182
Citation: Zhang Yun, Yu Yue, Cui Xiaoyang, Wang Haiqi. Spatiotemporal variations of soil moisture content in the Larix gmelinii forest under interference of experimental forest fire in northern Great Xing’an Mountains of northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(8): 94-101. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190182

试验林火干扰下大兴安岭北部落叶松林土壤含水率的时空变化

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190182
基金项目: 国家自然科学基金项目(31570597),国家重点研发计划(2016YFA0600803),中央高校基本科研业务费专项资金项目(2572017PZ05)
详细信息
    作者简介:

    张韫,博士,副教授,博士生导师。主要研究方向:森林土壤与林木营养。Email:rowena_zy@163.com 地址:150040 黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路26号东北林业大学林学院

    通讯作者:

    崔晓阳,博士,教授,博士生导师。主要研究方向:森林土壤。Email:C_xiaoyang@126.com 地址: 同上

Spatiotemporal variations of soil moisture content in the Larix gmelinii forest under interference of experimental forest fire in northern Great Xing’an Mountains of northeastern China

  • 摘要:   目的  跟踪量化轻、中、重度火干扰下兴安落叶松林土壤含水率,定点分析其时空变化规律与火烧强度干扰差异,深入探讨其形成机制;旨在清楚地认识高寒区火干扰森林生态系统恢复初期土壤水分变化对植被恢复的影响力,并为其调控提供参考。  方法  采用网格法确定固定点位并实施林火干扰试验,根据火烧强度等级划分轻、中、重度火烧区,烘干法跟踪监测火烧前、火烧后、翌年融雪季后、翌年生长季土壤含水率。  结果  林火干扰后:(1)轻、中、重度火烧区土壤含水率立即下降,春旱时段进一步大幅下降,生长季迅速回升;(2)生长季前重度火烧区土壤含水率显著低于轻、中度火烧区,生长季火烧强度干扰差异消失;(3)生长季前,土壤含水率及其相对变化率的空间格局与火烧强度空间格局极显著负相关。  结论  寒温带针叶林火干扰生态系统恢复初期,春旱时段重度火烧迹地土壤含水率可能限制植被更新和再生,应加强集水保水技术调控。
  • 图  1  样地监测点位(小黑点)布设及林火强度格局

    数字2 ~ 9为火烧强度等级赋值。引自文献[21-23]。Fire intensity classes are assigned by numbers from 2 to 9. This is cited from reference [21-23].

    Figure  1.  Distribution of monitoring points (small black dots) of sample plots and the pattern of forest fire intensity

    图  2  土壤含水率在火烧时间序列上的变化

    大写字母表示某一火烧区各时间节点之间土壤含水率差异显著性(P < 0.05),小写字母表示某一时间节点各火烧区之间土壤含水率差异显著性(P < 0.05)。T0表示火烧试验前1 d;T1表示火烧试验后1 d;T2表示翌年融雪季后;T3表示翌年生长季。下同。In the same fire intensity area, significant differences (P < 0.05) among soil moisture contents at different time points are marked with captial latters; at the same time point, significant differences (P < 0.05) in soil moisture content among varied fire areas are marked with lowercase letters. T0, the day before the burning; T1, the day after the burning; T2, after the next snowmelt season; T3, the next growing season. The same below.

    Figure  2.  Changes in soil moisture content on the fire time series

    图  3  火烧后土壤含水率的空间格局

    Figure  3.  Spatial patterns of soil moisture content after the fire

    图  4  火烧后土壤含水率变化空间格局

    Figure  4.  Spatial patterns of soil moisture content change after the fire

    表  1  兴安落叶松林野外点烧试验火强度等级

    Table  1.   Fire intensity classes of burning experiment in the Larix gmelinii forest

    火烧强度等级
    Fire intensity class
    火烧强度等级划分标准
    Classification standard of fire intensity class
    赋值
    Assigned value
    轻度(仅地上植被过火,凋落物层完好)
    Mild-intensity (only the ground vegetation is scorched or burned out, and the soil organic litter layer was not disturbed)
    地上植被过火50%以下,凋落物层完好
    Less than 50% ground vegetation is scorched, and the litter layer is intact
    2
    地上植被过火50%以上,凋落物层完好
    More than 50% ground vegetation is scorched or burned out, and the litter layer is intact
    3
    中度(地上植被全部过火或烧焦,凋落物层未完全烧尽)
    Moderate-intensity (all ground vegetation scorched or burned out, and the litter layer combusted incompletely)
    凋落物层厚度损失1/3以下
    Loss thickness of litter layer is less than 1/3
    4
    凋落物层厚度损失1/3 ~ 2/3
    Loss thickness of litter layer is between 1/3 and 2/3
    5
    凋落物层厚度损失2/3以上
    Loss thickness of litter layer is more than 2/3
    6
    重度(地上植被全部过火或烤焦,凋落物层烧尽,土壤腐殖质表层不同程度燃烧或烧焦)
    Severe-intensity (all ground vegetation is scorched or burned out, litter layer is completely burned out, and the humus surface layer of soil is burned or scorched to a certain degree)
    腐殖质层损失0.5 cm以下
    Humus layer loss is less than 0.5 cm
    7
    腐殖质层损失0.5 ~ 1.0 cm
    Humus layer loss is 0.5−1.0 cm
    8
    腐殖质层损失1.0 cm以上
    Humus layer loss is more than 1.0 cm
    9
    注:此表引自文献[21]。Note: this table is cited from reference [21].
    下载: 导出CSV

    表  2  火烧时间序列上土壤含水率成对样本t检验

    Table  2.   Soil moisture content on the fire time series by paired-samples t test

    采样时间
    Sampling time
    火烧时间序列上土壤含水率成对样本t检验P
    P value of t test in paired samples of soil moisture content on the fire time series
    轻度火烧区
    Mild-intensity burned area
    中度火烧区
    Moderate-intensity burned area
    重度火烧区
    Severe-intensity burned area
    T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3
    T0
    T1 0.000** 0.000** 0.000**
    T2 0.000** 0.000** 0.000** 0.000** 0.000** 0.000**
    T3 0.000** 0.005** 0.006** 0.000** 0.661 0.000** 0.000** 0.000** 0.000**
    注:**表示成对样本t检验结果极显著(P < 0.01)。Note:** means extremely significant differences (P < 0.01) in t test results of paired samples.
    下载: 导出CSV

    表  3  时间序列上土壤水分特征与火烧强度相关性分析

    Table  3.   Correlation analysis between soil moisture characteristics and fire intensity on the time series

    时间序列
    Time series
    土壤含水率与火烧强度相关性
    Correlation between soil moisture content and fire intensity
    土壤含水率变化与火烧强度相关性
    Correlation between soil moisture content change and fire intensity
    相关系数 Correlation coefficient (r)P相关系数 Correlation coefficient (r)P
    T0 0.122 0.328
    T1 − 0.359 0.003** − 0.759 0.000**
    T2 − 0.552 0.000** − 0.695 0.000**
    T3 0.126 0.314 0.083 0.509
    注:**表示土壤含水率及其相对变化率与火烧强度显著相关(P < 0.01)。Note: ** means significant correlations between soil moisture content or its relative changing rate and fire intensity at P < 0.01 level.
    下载: 导出CSV
  • [1] 吕爱锋, 田汉勤, 刘永强. 火干扰与生态系统的碳循环[J]. 生态学报, 2005, 25(10):2734−2743. doi:  10.3321/j.issn:1000-0933.2005.10.040

    Lü A F, Tian H Q, Liu Y Q. State-of-the-art in quantifying fire disturbance and ecosystem carbon cycle[J]. Acta Ecologica Sinica, 2005, 25(10): 2734−2743. doi:  10.3321/j.issn:1000-0933.2005.10.040
    [2] 许鹏波, 屈明, 薛立. 火对森林土壤的影响[J]. 生态学杂志, 2013, 32(6):1596−1606.

    Xu P B, Qu M, Xue L. Effects of forest fire on forest soils[J]. Chinese Journal of Ecology, 2013, 32(6): 1596−1606.
    [3] 孔健健, 杨健. 林火对大兴安岭落叶松林土壤性质的短期与长期影响[J]. 生态学杂志, 2014, 33(6):1445−1450.

    Kong J J, Yang J. Short- and long-term effects of fire on soil properties in a Dahurian larch forest in Great Xing’ an Mountains[J]. Chinese Journal of Ecology, 2014, 33(6): 1445−1450.
    [4] Turner M G. Disturbance and landscape dynamics in a changing world[J]. Ecology, 2010, 91(10): 2833−2849. doi:  10.1890/10-0097.1
    [5] Certini G. Effects of fire on properties of forest soils: a review[J]. Oecologia, 2005, 143(1): 1−10. doi:  10.1007/s00442-004-1788-8
    [6] Robichaud P R. Fire effects on infiltration rates after prescribed fire in Northern Rocky Mountain forests, USA[J]. Journal of Hydrology, 2000, 231−232: 220−229.
    [7] González-Pérez J A, González-Vila F J, Almendros G, et al. The effect of fire on soil organic matter: a review[J]. Environment International, 2004, 30(6): 855−870. doi:  10.1016/j.envint.2004.02.003
    [8] 胡海清. 林火生态与管理[M]. 北京: 中国林业出版社, 2005: 93−103.

    Hu H Q. Forest ecology and management[M]. Beijing: China Forestry Publishing House, 2005: 93−103.
    [9] 孙铭隆. 呼中和南翁河保护区火烧迹地土壤性质及细根生物量研究[D]. 哈尔滨: 东北林业大学, 2011: 14.

    Sun M L. The reserch of the soil physic-chemical properties and fine root in burned areas of Huzhong and Nanwenghe Conservation[D]. Harbin: Northeast Forestry University, 2011:14.
    [10] 张玉红, 孙铭隆, 刘彤. 林火对大兴安岭典型植被土壤理化性质的影响[J]. 东北林业大学学报, 2012, 40(6):41−43. doi:  10.3969/j.issn.1000-5382.2012.06.011

    Zhang Y H, Sun M L, Liu T. Effect of forest fire on soil physical and chemical properties of typical forests in Daxing'an Mountains[J]. Journal of Northeast Forestry University, 2012, 40(6): 41−43. doi:  10.3969/j.issn.1000-5382.2012.06.011
    [11] 宋利臣, 何平平, 崔晓阳. 重度林火对大兴安岭土壤生境因子的影响[J]. 生态学杂志, 2015, 34(7):1809−1814.

    Song L C, He P P, Cui X Y. Effects of severe forest fire on soil habitat factors in Greater Xing’an Mountains[J]. Chinese Journal of Ecology, 2015, 34(7): 1809−1814.
    [12] 孙龙, 赵俊, 胡海清. 中度火干扰对白桦落叶松混交林土壤理化性质的影响[J]. 林业科学, 2011, 47(2):103−110.

    Sun L, Zhao J, Hu H Q. Prediction on the changes of forest fire danger rating in Great Xing’an Mountain region of Northeast China in the 21st century under effects of climate change[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2011, 47(2): 103−110.
    [13] Muqaddas B, Chen C, Lewis T. Temporal dynamics of carbon and nitrogen in the surface soil and forest floor under different prescribed burning regimes[J]. Forest Ecology and Management, 2016, 382: 110−119. doi:  https://doi.org/10.1016/j.foreco.2016.10.010
    [14] 杨光, 舒立福, 邸雪颖. 气候变化影响下大兴安岭地区21世纪森林火险等级变化预测[J]. 应用生态学报, 2012, 23(5):3236−3242.

    Yang G, Shu L F, Di X Y. Prediction on the changes of forest fire danger rating in Great Xing’an Mountain region of Northeast China in the 21st century under effects of climate change[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(5): 3236−3242.
    [15] 李飞, 胡同欣, 赵彬清, 等. 大兴安岭火烧迹地凋落物分解动态变化研究[J]. 森林工程, 2018, 34(5):31−20.

    Li F, Hu T X, Zhao B Q, et al. The influence on forest soil’s nature and tree’s regeneration for forest fire in the big Xingan Maient[J]. Forest Engineering, 2018, 34(5): 31−20.
    [16] 宋雨, 胡海清, 孙龙, 等. 大兴安岭不同坡位地表可燃物含水率的动态变化与建模[J]. 森林工程, 2017, 33(5):1−7.

    Song Y, Hu H Q, Sun L, et al. Dynamic change and modeling of moisture content of surface fuel in different slope positions of Daxing’anling[J]. Forest Engineering, 2017, 33(5): 1−7.
    [17] 项凤武. 大兴安岭北部林火对森林土壤的性质及林木更新的影响[J]. 吉林林学院学报, 1990, 6(1):1−20.

    Xiang F W. The influence on forest soil’s nature and tree’s regeneration for forest fire in the Big Xingan Maient[J]. Journal of Jilin Forestry Institute, 1990, 6(1): 1−20.
    [18] 王海淇, 郭爱雪, 邸雪颖. 大兴安岭林火点烧对土壤有机碳和微生物量碳的即时影响[J]. 东北林业大学学报, 2011, 39(2):72−76. doi:  10.3969/j.issn.1000-5382.2011.05.023

    Wang H Q, Guo A X, Di X Y. Immediate changes in soil organic carbon and microbial biomass carbon after an experimental fire in Great Xing’an Mountains[J]. Journal of Northeast Forestry University, 2011, 39(2): 72−76. doi:  10.3969/j.issn.1000-5382.2011.05.023
    [19] 谷会岩, 金靖博, 陈祥伟, 等. 不同火烧强度林火对大兴安岭北坡兴安落叶松林土壤化学性质的长期影响[J]. 自然资源学报, 2010, 25(7):1114−1121.

    Gu H Y, Jin J B, Chen X W, et al. The long-term impacts on chemical properties of <italic>Larix gmelinii</italic> forest on the northern slope of Greater Hinggan Mountains from a forest fire of varying fire intensity[J]. Journal of Northeast Forestry University, 2010, 25(7): 1114−1121.
    [20] 孙明学, 贾炜玮, 吴瑶. 大兴安岭北部地区林火对土壤化学性质的影响[J]. 东北林业大学学报, 2009, 37(5):33−35.

    Sun M X, Jia W W, Wu Y. Effect of forest fire on soil chemical properties in northern Daxing’an Mountains[J]. Journal of Northeast Forestry University, 2009, 37(5): 33−35.
    [21] Cui X Y, Gao F, Song J F, et al. Changes in soil total organic carbon after an experimental fire in a cold temperate coniferous forest: a sequenced monitoring approach[J]. Geoderma, 2014, 226−227: 260−269.
    [22] 张韫, 李传波, 崔晓阳. 大兴安岭北部试验林火干扰下土壤密度的时空变化[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(6):48−54.

    Zhang Y, Li C B, Cui X Y. Temporal and spatial variations of soil bulk density by experimental forest fire in Daxing’an Mountains[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(6): 48−54.
    [23] 张韫, 于悦, 崔晓阳. 试验林火干扰下兴安落叶松林土壤有效磷的时空变化[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(2):12−18. doi:  10.13332/j.1000-1522.20180129

    Zhang Y, Yu Y, Cui X Y. Temporal and spatial change patterns on soil available phosphorus by an experimental forest fire in <italic>Larix gmelinii</italic> forests[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(2): 12−18. doi:  10.13332/j.1000-1522.20180129
    [24] 张万儒, 杨光滢, 屠星南, 等. 中华人民共和国林业行业标准: 森林土壤分析方法[S]. 北京: 中国标准出版社, 1999: 13−15.

    Zhang W R, Yang G Y, Tu X N, et al. The forestry industry standard of China-forest soil analysis method[S]. Beijing: Standards Press of China, 1999: 13−15.
    [25] 张韫, 李响, 张帆, 等. CO<sub>2</sub>升高对红松幼苗水分生理特征与土壤含水率变化的影响[J]. 北京林业大学学报, 2015, 37(1):37−41.

    Zhang Y, Li X, Zhang F, et al. Effects of elevated CO<sub>2</sub> on physiological characteristics of water in <italic>Pinus koraiensis</italic> seedlings and soil moisture in a controlled environment[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2015, 37(1): 37−41.
    [26] 孙向阳. 土壤学[M]. 北京: 中国林业出版社, 2005: 159.

    Sun X Y. Soil science[M]. Beijing: China Forestry Publishing House, 2005: 159.
    [27] 司国佐, 毛正国, 杨文娟. 大兴安岭地区水文特征分析[J]. 黑龙江水利科技, 2006, 34(6):78−79. doi:  10.3969/j.issn.1007-7596.2006.06.038

    Si G Z, Mao Z G, Yang W J. Hydrology characteristic analysis in the Great Xing ’an Mountains[J]. Heilongjiang Science and Technology of Water Conservancy, 2006, 34(6): 78−79. doi:  10.3969/j.issn.1007-7596.2006.06.038
    [28] 张可扬, 李天权, 曲延浩, 等. 大兴安岭地区降水量和气温变化趋势分析[J]. 森林工程, 2018, 34(5):8−14. doi:  10.3969/j.issn.1006-8023.2018.05.002

    Zhang K Y, Li T Q, Qu Y H, et al. Analysis of precipitation and temperature change in the Daxing'anling area[J]. Forest Engineering, 2018, 34(5): 8−14. doi:  10.3969/j.issn.1006-8023.2018.05.002
    [29] 中国农业百科全书总编辑委员会农业气象卷编辑委员会. 中国农业百科全书·农业气象卷[M]. 北京: 中国农业出版社, 1986: 257.

    Editorial Board of the Agro-Meteorology Volume in Encyclopedia of Chinese Agriculture. The agro-meteorology volume of encyclopedia of Chinese agriculture[M]. Beijing: China Agriculture Press, 1986: 257.
    [30] 赵秀兰, 邹立尧. 黑龙江省农田土壤蓄水量盈亏值时空变化规律研究[J]. 中国农业气象, 2003, 24(3):44−47. doi:  10.3969/j.issn.1000-6362.2003.03.014

    Zhao X L, Zou L Y. Study on the temporal and spatial changes of surplus-deficit status of soil water storage capacity in farmland in Heilongjiang Province[J]. Chinese Journal of Agrometeorology, 2003, 24(3): 44−47. doi:  10.3969/j.issn.1000-6362.2003.03.014
  • [1] 詹航, 牛树奎, 王博.  北京地区8种树种枯死可燃物含水率预测模型及变化规律 . 北京林业大学学报, 2020, 42(6): 80-90. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190370
    [2] 张俪予, 张军辉, 张蕾, 陈伟, 韩士杰.  兴安落叶松和白桦细根形态对环境变化的响应 . 北京林业大学学报, 2019, 41(6): 15-23. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180396
    [3] 满子源, 胡海清, 张运林, 刘方策, 李远.  帽儿山地区典型地表可燃物含水率动态变化及预测模型 . 北京林业大学学报, 2019, 41(3): 49-57. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180326
    [4] 张韫, 于悦, 崔晓阳.  试验林火干扰下兴安落叶松林土壤有效磷的时空变化 . 北京林业大学学报, 2019, 41(2): 12-18. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180129
    [5] 李惋瑾, 王若水, 肖辉杰, 王百田, 张克斌, 刘青青, 郭冰寒.  鲜海带生物酶解有机液肥对沙木蓼生长和土壤理化性质的影响 . 北京林业大学学报, 2018, 40(7): 62-72. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170269
    [6] 林尤伟, 蔡体久, 段亮亮.  大兴安岭北部兴安落叶松林雪水文特征 . 北京林业大学学报, 2018, 40(6): 72-80. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170389
    [7] 段北星, 满秀玲, 宋浩, 刘家霖.  大兴安岭北部不同类型兴安落叶松林土壤呼吸及其组分特征 . 北京林业大学学报, 2018, 40(2): 40-50. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170215
    [8] 张韫, 李传波, 崔晓阳.  大兴安岭北部试验林火干扰下土壤密度的时空变化 . 北京林业大学学报, 2018, 40(6): 48-54. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170318
    [9] 李伟克, 刘晓东, 牛树奎, 李炳怡, 刘冠宏, 褚艳琴.  火烧对河北平泉油松林土壤微生物量的影响 . 北京林业大学学报, 2017, 39(10): 70-77. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160420
    [10] 任清胜, 辛, 颖, 赵雨森.  重度火烧对大兴安岭落叶松天然林土壤团聚体有机碳和黑碳的影响 . 北京林业大学学报, 2016, 38(2): 29-36. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150098
    [11] 谷会岩, 金屿淞, 张芸慧, 陈祥伟.  林火对大兴安岭偃松—兴安落叶松林土壤养分的影响 . 北京林业大学学报, 2016, 38(7): 48-54. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150510
    [12] 张韫, 李响, 张帆, 廖苑如.  CO2升高对红松幼苗水分生理特征与土壤含水率变化的影响 . 北京林业大学学报, 2015, 37(1): 37-47. doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2015.01.004
    [13] 刘昊, 高建民.  含水率和密度对木材应力波传播速度的影响 . 北京林业大学学报, 2014, 36(6): 154-158. doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2014.06.002
    [14] 段亮亮, 满秀玲, 刘玉杰, 刘海亮, 田野宏, 刘茜.  大兴安岭北部天然落叶松林土壤水分空间变异及影响因子分析 . 北京林业大学学报, 2014, 36(4): 36-41. doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2014.04.010
    [15] 楚旭, 邸雪颖, 杨光.  林火对兴安落叶松根生物量及碳氮养分浓度的影响 . 北京林业大学学报, 2013, 35(2): 10-16.
    [16] 周海宾, 江京辉, 王学顺, 任海青.  兴安落叶松目测等级锯材抗拉强度的宽度尺寸效应 . 北京林业大学学报, 2012, 34(1): 127-130.
    [17] 李贤军, 蔡智勇, 傅峰, 周永东.  间歇微波干燥过程中木材内含水率动态分布规律 . 北京林业大学学报, 2010, 32(4): 227-231.
    [18] 彭曾愉, 赵燕东.  基于μC/OS--Ⅱ操作系统的土壤水分实时监测系统 . 北京林业大学学报, 2010, 32(6): 114-119.
    [19] 方升佐, 汪杭军1, 王兰珍, 耿玉清, 段文霞, 吴丽娟, 周传艳, 王立海, 刘鹏举, 张冬梅, 韦艳葵, 王旭, 赵铁珍, 任强, 薛康, 李国雷, 朱小龙, HUALi_zhong, 李义良, 李生宇, 刘剑锋, 党文杰, 李雪华, 韩士杰, 周国逸, 阎秀峰, 朱波, 刘勇, 苏晓华, 杨慧敏, 黎明, 周亮, JIANGXi_dian, 宋永明, 方陆明, 何茜, 崔同林, 高岚, 周宇飞, 雷加强, 尹光彩, 余新晓, 李建章, 李振基, 刘勇, 杨娅, 徐新文, 鹿振友, 刘锐, 虞木奎, 王春林, 柯水发, 玲, 周国逸, HEXiu_bin, 徐扬, 唐小明, 赖志华, 沈熙环, 宗文君, 程云清, 喻理飞, 张冰玉, 王清文, 王新杰, 李吉跃, 孙向阳, 国庆, 3, 齐涛, 李丙文, 温亚利, , 李晓兰, 李俊清, 王伟宏, 陈培金, 宋爱琴, 茹广欣, 郭蓓, 周晓梅, 张志毅, 孙阁, 陈实, 陈峻崎, 王晓静, 姚永刚, 张可栋, 蒋德明, 周玉平, 王旭, 刘志明, 唐旭利, 王建林, 长山, 赵双荣, 陈放, 宋湛谦, 王春林, 关少华, 闫俊华, 杨伟伟, 郑凌峰.  流动沙漠地区灌溉林地盐结皮层特征的初步研究 . 北京林业大学学报, 2007, 29(2): 41-49.
    [20] 张一平, 李梅, 李景文, 
    王保平, 熊瑾, 马文辉, 李景文, 饶良懿, 殷亚方, 符韵林, 杨晓晖, 王明枝, 刘震, 黄国胜, 侯亚南, 杜华强, 龙玲, 李全发, 张秋英, 宋小双, 詹亚光, 杨海龙, 李慧, 朱金兆, 徐峰, 刘文耀, 窦军霞, 李发东, 赵敏, 朱金兆, 李吉跃, 耿晓东, 范文义, 李俊清, 尹立辉, 张克斌, 吕建雄, 王雪军, 李俊清, 梁机, 陆熙娴, 李妮亚, 王洁瑛, 秦瑶, 韩海荣, 陈晓阳, 倪春, 齐实, 唐黎明, 毕华兴, 于贵瑞, 李黎, 孙玉军, 康峰峰, 慈龙骏, 陈素文, 秦素玲, 赵宪文, 李凤兰, 乔杰, 陈晓阳, 刘桂丰, 欧国强, 刘雪梅, 李云, 沈有信, 李伟, 王雪, 王玉成, 宋献方, 任海青, 张桂芹, 黎昌琼, 魏建祥, 文瑞钧, 蒋建平, 朱国平, 赵双菊, 刘伦辉, 韦广绥, 马钦彦, 李伟, , 丁霞, 宋清海, 杨谦, 周海江, 张万军, 孙涛, 李慧, 孙晓敏, 刘莹, 孙志强, 李宗然, 
    , .  人造板含水率对游离甲醛释放量的影响 . 北京林业大学学报, 2005, 27(5): 98-102.
  • 加载中
图(4) / 表 (3)
计量
  • 文章访问数:  230
  • HTML全文浏览量:  98
  • PDF下载量:  15
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-16
  • 修回日期:  2019-10-29
  • 网络出版日期:  2020-07-15
  • 刊出日期:  2020-09-07

试验林火干扰下大兴安岭北部落叶松林土壤含水率的时空变化

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190182
    基金项目:  国家自然科学基金项目(31570597),国家重点研发计划(2016YFA0600803),中央高校基本科研业务费专项资金项目(2572017PZ05)
    作者简介:

    张韫,博士,副教授,博士生导师。主要研究方向:森林土壤与林木营养。Email:rowena_zy@163.com 地址:150040 黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路26号东北林业大学林学院

    通讯作者: 崔晓阳,博士,教授,博士生导师。主要研究方向:森林土壤。Email:C_xiaoyang@126.com 地址: 同上

摘要:   目的  跟踪量化轻、中、重度火干扰下兴安落叶松林土壤含水率,定点分析其时空变化规律与火烧强度干扰差异,深入探讨其形成机制;旨在清楚地认识高寒区火干扰森林生态系统恢复初期土壤水分变化对植被恢复的影响力,并为其调控提供参考。  方法  采用网格法确定固定点位并实施林火干扰试验,根据火烧强度等级划分轻、中、重度火烧区,烘干法跟踪监测火烧前、火烧后、翌年融雪季后、翌年生长季土壤含水率。  结果  林火干扰后:(1)轻、中、重度火烧区土壤含水率立即下降,春旱时段进一步大幅下降,生长季迅速回升;(2)生长季前重度火烧区土壤含水率显著低于轻、中度火烧区,生长季火烧强度干扰差异消失;(3)生长季前,土壤含水率及其相对变化率的空间格局与火烧强度空间格局极显著负相关。  结论  寒温带针叶林火干扰生态系统恢复初期,春旱时段重度火烧迹地土壤含水率可能限制植被更新和再生,应加强集水保水技术调控。

English Abstract

张韫, 于悦, 崔晓阳, 王海淇. 试验林火干扰下大兴安岭北部落叶松林土壤含水率的时空变化[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(8): 94-101. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190182
引用本文: 张韫, 于悦, 崔晓阳, 王海淇. 试验林火干扰下大兴安岭北部落叶松林土壤含水率的时空变化[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(8): 94-101. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190182
Zhang Yun, Yu Yue, Cui Xiaoyang, Wang Haiqi. Spatiotemporal variations of soil moisture content in the Larix gmelinii forest under interference of experimental forest fire in northern Great Xing’an Mountains of northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(8): 94-101. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190182
Citation: Zhang Yun, Yu Yue, Cui Xiaoyang, Wang Haiqi. Spatiotemporal variations of soil moisture content in the Larix gmelinii forest under interference of experimental forest fire in northern Great Xing’an Mountains of northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(8): 94-101. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190182
  • 火烧是森林生态系统的内在过程与干扰形式,通过加热与氧化作用影响土壤理化性质和生物环境,产生木炭、蒸馏物及金属氧化物等,释放贮于生物体内的养分且促进其循环,改变微生物活动、通气状况、水分条件等土壤特性,影响森林生态系统的组成与结构[1-2]。土壤水分是受大气降水、融雪水、地下水主导的性状。由于土壤水分物理形态受环境温度影响,其对火干扰的直接响应十分迅速;林火干扰后,森林植被破坏、林分郁闭度下降、太阳辐射吸收增加、地表温度升高、凋落物与土壤有机质等保水性物质减少等衍生因素[3-8]导致土壤含水率持续变化。目前,多采用以“空间代替时间”的方法模拟火烧时间序列土壤含水率变化规律,或对比火烧迹地与毗邻未火烧林地土壤含水率差异,至今尚无共识性的研究结论[2, 8-11]。孔健健等[3]研究发现火烧1年后,兴安落叶松(Larix gmelinii)林重度火烧迹地土壤含水率显著下降,11年后差异消失;张玉红等[10]研究发现火烧1年后,兴安落叶松林中度火烧迹地土壤含水率显著下降,重度火烧迹地显著升高;孙龙等[12]研究发现火烧20年后,白桦(Betula platyphylla)落叶松林中度火烧迹地土壤含水率仍低于对照水平。澳大利亚昆士兰东南部硬叶林,2年制计划火烧迹地土壤含水率显著低于未火烧林地,而4年制火烧迹地变化不显著[13]。火烧迹地森林植被类型、火烧强度、火烧频率、植被恢复以及火前土壤含水率空间异质性可能是导致不同研究结论的主要原因。

    进入21世纪,气候变化背景下极端天气事件增加,全球森林火灾发生频率逐年上升[14]。大兴安岭是全球气候变化敏感、森林火灾高发、难控性大的重点火险地区[14-16]。目前,关于大兴安岭林火与土壤关系的研究多为火烧后土壤理化性质调查,其间与土壤含水率相关的研究结果并不一致[3, 10, 15-20]。本文以大兴安岭北部寒温带针叶林为研究对象,在排除火前空间异质性的前提下,跟踪量化不同强度火干扰下的土壤含水率,定点分析其时空变化规律,深入探讨其形成机制;旨在清楚地认识高寒区火干扰森林生态系统恢复初期土壤水分变化对植被恢复的影响力,并为其调控提供参考。

    • 研究地行政区属黑龙江省大兴安岭地区塔河林业局,地理坐标124°25′02″E、53°06′52″N。寒温带大陆性季风气候,四季分明,春季大风少雨、夏季暂短湿热、秋季霜冻早至、冬季漫长寒冷。该区年均气温约− 2.4 ℃,年均降水量约460.3 mm,7—8月占全年降水量70% ~ 90%,全年无霜期98 d[21-23]

      典型兴安落叶松林地内布设固定样地,样地内主要乔木树种为兴安落叶松,并混有少量白桦;主要灌木为杜香(Ledum palustre)和杜鹃(Rhododendron dauricum)。林冠郁闭度约0.7,林下灌木盖度70% ~ 90%,森林枯落物盖度100%。样地所在区域属低山丘陵地貌,海拔312 m,东坡(5° ~ 10°),漂灰土(漂白暗瘠寒冻雏形土,CST),凋落物层(5 ~ 10 cm)具明显的半泥炭化特征,腐殖质层(8 ~ 12 cm)较厚且疏松,表层土壤有机质含量约11.2%[21-23]。矩形固定样地长边顺坡向延伸,面积40 m × 20 m,在固定样地内网格法布设固定监测点位(网格交点),间距4 m,共66个监测点位(图1)。

      图  1  样地监测点位(小黑点)布设及林火强度格局

      Figure 1.  Distribution of monitoring points (small black dots) of sample plots and the pattern of forest fire intensity

    • 10月下旬,进行野外林火试验。在森林消防的严密监控下,自然点烧固定样地地表可燃物(为了模拟不同强度林火干扰,在个别监测点位人为增添枝丫等森林可燃物),于各监测点位地表0、10 cm、地下5、10 cm深度布设热电偶温度探头,自动采集温度数据。根据过火迹地地上植被(含乔木)、凋落物层以及腐殖质土层的实际损失情况,划分林火强度等级(表1),并绘制林火强度格局图(图1)。

      表 1  兴安落叶松林野外点烧试验火强度等级

      Table 1.  Fire intensity classes of burning experiment in the Larix gmelinii forest

      火烧强度等级
      Fire intensity class
      火烧强度等级划分标准
      Classification standard of fire intensity class
      赋值
      Assigned value
      轻度(仅地上植被过火,凋落物层完好)
      Mild-intensity (only the ground vegetation is scorched or burned out, and the soil organic litter layer was not disturbed)
      地上植被过火50%以下,凋落物层完好
      Less than 50% ground vegetation is scorched, and the litter layer is intact
      2
      地上植被过火50%以上,凋落物层完好
      More than 50% ground vegetation is scorched or burned out, and the litter layer is intact
      3
      中度(地上植被全部过火或烧焦,凋落物层未完全烧尽)
      Moderate-intensity (all ground vegetation scorched or burned out, and the litter layer combusted incompletely)
      凋落物层厚度损失1/3以下
      Loss thickness of litter layer is less than 1/3
      4
      凋落物层厚度损失1/3 ~ 2/3
      Loss thickness of litter layer is between 1/3 and 2/3
      5
      凋落物层厚度损失2/3以上
      Loss thickness of litter layer is more than 2/3
      6
      重度(地上植被全部过火或烤焦,凋落物层烧尽,土壤腐殖质表层不同程度燃烧或烧焦)
      Severe-intensity (all ground vegetation is scorched or burned out, litter layer is completely burned out, and the humus surface layer of soil is burned or scorched to a certain degree)
      腐殖质层损失0.5 cm以下
      Humus layer loss is less than 0.5 cm
      7
      腐殖质层损失0.5 ~ 1.0 cm
      Humus layer loss is 0.5−1.0 cm
      8
      腐殖质层损失1.0 cm以上
      Humus layer loss is more than 1.0 cm
      9
      注:此表引自文献[21]。Note: this table is cited from reference [21].
    • 林火点烧试验前,将已经编号的钢钎插入对应的监测点位,标记凋落物层与土壤腐殖质层上界位置。以钢钎为中心,30 cm半径,切取圆形凋落物层,并原状保存;用特制微型钢制土钻(直径2 cm,钻孔深度0 ~ 10 cm),在圆周内随机采集3个原状土样,充分混合,于0 ~ 4 ℃保存;用细河沙回填取样孔,将切取的圆形凋落物层复位[21-23]

      分别设置T0(10月下旬,林火点烧试验前1天)、T1(林火点烧试验后1天)、T2(翌年6月中旬,融雪季结束)、T3(翌年8月底,生长季),共4个取样时间。采集方法同林火试验前采样,且土样均分布于火烧前切取的圆形范围内[21-23]

    • 充分混匀新鲜土样,立即剔除其中的杂质和植物根系,采用烘干法测定土壤含水率[24]

    • 数据统计采用SPSS17.0软件进行分析,土壤含水率的常规统计分析采用单因素方差分析,火烧后的定点跟踪比较采用成对数据t检验分析。采用Arc GIS软件,根据反距离权重插值法绘制固定样地的空间格局图。

    • 经单因素方差统计分析,T0时段轻、中、重度火烧区土壤含水率没有显著差异,均值为37.49%(图2)。据此排除林火点烧试验前各火烧强度区土壤含水率的空间异质性。

      图  2  土壤含水率在火烧时间序列上的变化

      Figure 2.  Changes in soil moisture content on the fire time series

      火烧后,T1、T2时段重度火烧区土壤含水率较轻、中度火烧区显著下降(P < 0.01),轻、中度火烧区之间差异不显著;T3时段各火烧区之间土壤含水率差异不显著(图2)。这说明因火烧强度导致的土壤含水率差异迅速显现,并持续至春旱阶段,进入生长季差异消失。

      大气降水是土壤含水率变化的主导性因素。因此,随降水节律,各火烧区土壤含水率总体上表现为火烧后持续下降(至T2)而后升高的变化模式(图2)。各时间节点中,T1时段土壤含水率受火干扰影响最为直接,其中轻度火烧区土壤含水率较火烧前未发生明显变化,中度火烧区土壤含水率显著下降(P < 0.05),重度火烧区极显著下降(P < 0.01);这说明轻度火烧未能对土壤含水率产生实质性作用。T2与T3时段,各火烧区土壤含水率则分别因春旱和降雨显著下降而后明显回升。

      本研究依据固定监测点位建立的明确对应关系,进行土壤含水率的定点跟踪监测,并进行更为精确的成对样本t检验(表2)。结果表明,仅中度火烧区T1时段与T3时段差异不显著,轻、中、重度火烧区其他时段比较结果均差异极显著(P < 0.01)。

      表 2  火烧时间序列上土壤含水率成对样本t检验

      Table 2.  Soil moisture content on the fire time series by paired-samples t test

      采样时间
      Sampling time
      火烧时间序列上土壤含水率成对样本t检验P
      P value of t test in paired samples of soil moisture content on the fire time series
      轻度火烧区
      Mild-intensity burned area
      中度火烧区
      Moderate-intensity burned area
      重度火烧区
      Severe-intensity burned area
      T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3
      T0
      T1 0.000** 0.000** 0.000**
      T2 0.000** 0.000** 0.000** 0.000** 0.000** 0.000**
      T3 0.000** 0.005** 0.006** 0.000** 0.661 0.000** 0.000** 0.000** 0.000**
      注:**表示成对样本t检验结果极显著(P < 0.01)。Note:** means extremely significant differences (P < 0.01) in t test results of paired samples.

      相比单因素方差分析,成对样本t检验获得了更多土壤变化信息,即分析结果中,轻度火烧区T0与T1、T0与T3、T1与T3、T2与T3的检验结果与常规统计结果不同,其他分析结果一致。这说明T1时段轻度火烧区土壤含水率已经发生变化,火烧即时效应显著,这与常规统计分析所获结果迥异;同时,轻度火烧区土壤含水率对气候变化的响应也十分敏感。

    • 基于时间序列上明确的点位对应关系,采用反距离权重法进行空间插值,绘制火烧时间序列土壤含水率空间格局图。

      火烧后,T1时段,土壤含水率集中分布在25.01% ~ 37.00%,约占样地面积73%;T2时段,土壤含水率集中分布在22.01% ~ 34.00%,约占样地面积63%;T3时期,土壤含水率集中分布在25.01% ~ 40.00%,约占样地面积85%(图3)。

      图  3  火烧后土壤含水率的空间格局

      Figure 3.  Spatial patterns of soil moisture content after the fire

      生长季前,火烧强度空间格局影响土壤含水率空间格局(图13表3)。双变量相关分析结果说明:火烧前,土壤含水率空间格局与火烧强度空间格局无关;火烧后,T1、T2时段二者均呈现极显著负相关(P < 0.01)且T2相关系数大于T1相关系数,T3时段不相关。这说明,火烧强度格局即时作用于土壤含水率空间格局,春旱时段相关性增强,生长季相关性消失。

      表 3  时间序列上土壤水分特征与火烧强度相关性分析

      Table 3.  Correlation analysis between soil moisture characteristics and fire intensity on the time series

      时间序列
      Time series
      土壤含水率与火烧强度相关性
      Correlation between soil moisture content and fire intensity
      土壤含水率变化与火烧强度相关性
      Correlation between soil moisture content change and fire intensity
      相关系数 Correlation coefficient (r)P相关系数 Correlation coefficient (r)P
      T0 0.122 0.328
      T1 − 0.359 0.003** − 0.759 0.000**
      T2 − 0.552 0.000** − 0.695 0.000**
      T3 0.126 0.314 0.083 0.509
      注:**表示土壤含水率及其相对变化率与火烧强度显著相关(P < 0.01)。Note: ** means significant correlations between soil moisture content or its relative changing rate and fire intensity at P < 0.01 level.

      基于点位对应关系,分别计算各监测点位火烧后各时间节点相对于火烧前土壤含水率的相对变化率,即某点位Tn时含水率变化(%)=(Tn含水率 − T0含水率)/T0含水率 × 100%,绘制火烧时间序列上土壤含水率变化的空间格局图。

      火烧后,T1时段,土壤含水率变化范围集中在− 21.00% ~ − 0.01%,约占样地面积83%;T2时段,土壤含水率变化范围集中在− 42.00% ~ − 14.01%,约占样地面积63%;T3时期,样地内所有点位土壤含水率变化均分布在− 14.00% ~ − 7.01%(图4)。

      图  4  火烧后土壤含水率变化空间格局

      Figure 4.  Spatial patterns of soil moisture content change after the fire

      经双变量相关分析(图14表3),火烧后,T1、T2时段火烧强度空间格局与土壤含水率变化格局极显著负相关(P < 0.01)且其相关系数均大于火烧强度格局与土壤含水率格局的相关系数,T3时段不相关。这说明,相对于土壤含水率,土壤含水率变化格局对火烧强度格局的响应更为敏感;同时,火烧强度对土壤含水率变化的影响因充沛的降雨基本消失。

    • 土壤水分是受大气降水、融雪水、地下水主导的性状,其含量直接取决于土壤生态系统水分输入与输出的消长关系[25]。本研究40 m × 20 m固定样地中监测点位均匀分布,因此认为轻、中、重度火烧区水分输入背景(降雨、融雪等)与水分输出相关因素(气温、太阳辐射等)一致,故而推测火烧强度是导致各火烧区土壤含水率差异的直接原因。

    • T0时段,晚秋大气干旱,且采样前多日未有降雨,但由于植物蒸腾作用弱,土壤相对湿润。

      T1时段,各火烧区土壤含水率下降是燃烧过程中强烈的加热导致土壤水分蒸发的直接结果。此外,地表温度升高使土壤层位之间的温度梯度增大,导致表层土壤水汽向下层扩散[26]。相对于轻、中度火烧区,重度火烧区地面温度高、地表凋落物层尽毁、土层保水性有机质含量下降[7]、土壤结构破坏[7]、土层温度梯度增大,可能是导致该区土壤含水率下降更为显著的原因。

      T2时段,轻、中、重度火烧区土壤含水率进一步下降(P < 0.01)。5—6月,大兴安岭地区水面蒸发量最大[27-28],故此时干旱的气候是导致火烧区所有监测点位土壤含水率极显著下降的主要原因;同时,尚不旺盛的植物蒸腾也产生一定程度影响。此外,火干扰的即时效应与火后衍生效应(如:林冠郁闭度下降、碳屑辐射热吸收增加、林地气温升高[7-8]等)在此时段仍然显著影响土壤含水率,这也是导致重度火烧区土壤含水率显著低于轻、中度火烧区的主要原因。

      T3时段,轻、中、重度火烧区土壤含水率均显著升高(P < 0.01),且差异消失。集中的大气降雨、较强的土面蒸发与强烈的植物蒸腾共同协调土壤含水率,其中输入性降雨因素主导了土壤含水率的变化,不同火烧强度导致的含水率差异在此时段消失。

    • 火烧后,即时含水率(或含水率变化)的空间分布与火烧强度空间分布立即呈显著负相关(P < 0.01),此时火烧强度是导致土壤含水率分布空间格局变化的直接原因。

      融雪季结束后,正值大兴安岭地区春旱时段,强烈的地表蒸发是导致土壤含水率分布变化的主要原因;此时土壤含水率(或含水率变化)的空间分布仍与火烧强度分布显著负相关(P < 0.01)且相关系数增大,说明火烧即时效应与衍生效应对土壤含水率格局产生叠加作用。值得关注的是:这种叠加作用可能影响火烧迹地植被更新或再生格局。此时段,轻、中度火烧区土壤含水率约为T0时段含水率的85%和79%,重度火烧区不足T0时段土壤含水率60%,重度火烧区土壤含水率已经降至植物生长阻等)对土壤含水率格局产生叠加作用。值得关注的是:这种叠加作用可能影响火烧迹地植被更新或再生格局。此时段,轻、中度火烧区土壤含水率约为T0时段含水率的85%和79%,重度火烧区不足T0时段土壤含水率60%,重度火烧区土壤含水率已经降至植物生长阻滞含水率(约为田间持水量的65% ~ 70%)以下[29-30],且经土壤水分特征曲线拟合其中约1/3点位的含水率接近或突破凋萎系数。由此推测:春旱时段,重度林火干扰导致的土壤含水率响应反映在景观尺度上将呈现大面积马赛克分布,影响重度火烧迹地植被更新与再生格局。

      生长季,土壤含水率(或含水率变化)的空间格局与火烧强度格局无关。此时充沛的降雨主导了土壤含水率的变化,从空间图像上观察,轻、中、重度火烧区土壤含水率变化的差异基本消失,各火烧区土壤含水率数据统计分析的差异也不显著。然而,并不能据此判断火烧继发效应就此结束,随着主导性降水因素逐步退出,火干扰导致的土壤含水率变化可能在数年或更长时间尺度上持续作用[11-12]

      综上分析,秋季林火点烧试验后,兴安落叶松林重度火烧区土壤含水率显著低于轻、中度区,并在春旱时段可能成为影响植物更新与再生的重要因素,而后随集中降水各火烧区土壤含水率差异消失。因此,在大兴安岭北部寒温带针叶林火烧迹地植被恢复初期,应充分考虑春旱时段重度火烧迹地土壤含水率对植被更新和再生的影响,加强迹地集水保水技术调控。

参考文献 (30)

目录

    /

    返回文章
    返回