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试验林火干扰下兴安落叶松林土壤有效磷的时空变化

张韫 于悦 崔晓阳

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
引用本文: 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 Yun, Yu Yue, Cui Xiaoyang. Temporal and spatial change patterns on soil available phosphorus under an experimental forest fire in Larix gmelinii forests[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(2): 12-18. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180129
Citation: Zhang Yun, Yu Yue, Cui Xiaoyang. Temporal and spatial change patterns on soil available phosphorus under an experimental forest fire in Larix gmelinii forests[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(2): 12-18. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180129

试验林火干扰下兴安落叶松林土壤有效磷的时空变化

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180129
基金项目: 

国家自然科学基金项目 31570597

国家重点研发计划 2016YFA0600803

详细信息
    作者简介:

    张韫,博士,副教授。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,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

  • 中图分类号: S714.5

Temporal and spatial change patterns on soil available phosphorus under an experimental forest fire in Larix gmelinii forests

  • 摘要: 目的研究3种强度火干扰下兴安落叶松林土壤有效磷时间与空间的变化规律及其形成机制,旨在更好地认识火烧迹地恢复初期土壤有效磷营养生境特征,为火干扰森林生态系统恢复提供矿质营养方面的参考。方法以大兴安岭北部寒温带兴安落叶松林土壤有效磷为研究对象,采用网格法布设固定样地、土钻法采集土壤样品、硫酸-盐酸浸提法测定土壤有效磷含量,连续定点观测秋季林火点烧试验前后土壤有效磷含量的时空动态。结果林火干扰后:(1)轻度火烧区土壤有效磷含量未立即发生显著变化而后逐渐升高;中、重度火烧区土壤有效磷含量立即升高而后持续增强;(2)火烧强度空间格局与土壤有效磷含量空间格局在火烧后各时段均极显著相关,而与土壤有效磷含量变化率的相关性仅表现在火烧后即时阶段,在融雪季、雨季/生长季消失。结论大兴安岭北部兴安落叶松林火烧迹地改造和生态恢复初期,土壤有效磷含量升高有利于林地植被恢复。
  • 图  1  林火强度格局与监测点位(黑点)布设

    数字2~9表示火烧强度等级,其中轻度火烧区包括2和3,中度火烧区包括4、5和6,重度火烧区包括7, 8和9。

    Figure  1.  Pattern of FI and monitoring sites (small black dots)

    Fire intensity(FI) subclass is marked by number from 2 to 9, mild burning subclass assigns 2 and 3, moderate burning subclass assigns 4, 5 and 6, and severe burning subclass assigns 7, 8 and 9.

    图  2  火烧时间序列土壤有效磷含量

    T0为林火点烧试验前1 d,T1为点烧试验后1 d,T2为次年融雪季后,T3为次年雨季/生长季后。下同。大写字母表示相同采样时间不同火烧区之间差异显著(P < 0.05),小写字母表示相同火烧区不同采样时间之间差异极显著(P < 0.01)。

    Figure  2.  Soil available phosphorus (SAP) content in fire time series

    T0 is the last day before the burning, T1 is the next day after the burning, T2 is after the snowmelt season in next year, and T3 is after the rainy season and growing season in the next year. The same as follow. Within a given sample time point, significant differences (P < 0.05) between the means at different FI are marked with capital letters. Within a given FI, very significant differences (P < 0.01) between the means at different sample time points are marked with lowercase letters.

    图  3  火烧后土壤有效磷含量的空间格局变化

    Figure  3.  Spatial changes of SAP in fire time series

    图  4  火烧后土壤有效磷含量变化率的空间格局变化

    Figure  4.  Spatial changes of SAPC in fire time series

    表  1  各火烧区土壤有效磷含量变化率点位分布率分级

    Table  1.   Classification of monitoring site distribution frequency on soil available phosphorus changes (SAPC) in burned area

    火烧区
    Burned area
    采样时间
    Sample time
    各火烧区土壤有效磷含量变化率点位分布率分级
    Classification of monitoring site distribution frequency on SAPC in burned area/%
    平均变化率与配对样本t检验结果
    Average SAPC and paired-samples t test/%
    -20~-10 -10~0 0~25 25~50 50~75 75~100 100~150 150~200 200~250

    Mild
    n=20
    T1 40 60 1.59ns
    T2 5 20 35 20 10 10 77.41**
    T3 10 20 30 15 10 10 5 77.30**

    Moderate
    n=27
    T1 3.70 29.63 66.67 2.58*
    T2 7.41 25.93 29.63 14.81 14.81 3.70 3.70 75.23**
    T3 11.11 22.22 22.22 14.81 11.11 18.52 82.34**

    Severe
    n=19
    T1 89.47 10.53 17.53**
    T2 5.26 5.26 15.79 31.58 21.05 15.79 5.26 106.27**
    T3 5.26 5.26 15.79 26.32 26.32 10.53 10.53 109.47**
    注:土壤有效磷含量变化率,SAPCTn(%)=(SAPTn-SAPT0)/SAPT0×100;点位分布率(%),某变化分级统计区间的点位数占该火烧区点位总数的百分率[17-18];经配对样本t检验分析,ns表示相对于T0时段土壤有效磷无显著差异,*表示相对于T0时段显著变化(P < 0.05),**表示相对于T0时段极显著变化(P < 0.01)。Notes: SAPCTn=(SAPTn-SAPT0)/SAPT0×100; monitoring site distribution frequency (%) means the monitoring site ratio of number in the statistics classification to the burned area; ns means no SAPC significant difference between Tn and T0, * means significant difference at P < 0.05 level, and ** means very significant difference at P < 0.01 level by paired-samples t test.
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    表  2  时间序列土壤磷有效性与火烧强度相关性

    Table  2.   Correlation between soil phosphorus availability and FI in fire time series

    采样时间
    Sample time
    土壤有效磷含量与火烧强度相关性
    Correlation between SAP and FI
    土壤有效磷含量变化率与火烧强度相关性
    Correlation between SAPC and FI
    回归方程
    Regression equation
    相关系数
    Correlation coefficient (r)
    回归方程
    Regression equation
    相关系数
    Correlation coefficient (r)
    T0 SAP=0.54FI+14.32 0.18
    T1 SAP=0.97FI+13.16 0.32** SAPC=2.49FI-6.32 0.58**
    T2 SAP=1.26FI+23.16 0.37** SAPC=2.70FI+70.87 0.12
    T3 SAP=1.29FI+23.49 0.36** SAPC=3.02FI+73.03 0.12
    注:**表示土壤有效磷含量或其相对变化率与火烧强度极显著相关(P < 0.01)。Note: ** means SAP or SAPC significantly correlated with FI (P < 0.01).
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-04-10
  • 修回日期:  2018-06-26
  • 刊出日期:  2019-02-01

试验林火干扰下兴安落叶松林土壤有效磷的时空变化

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180129
    基金项目:

    国家自然科学基金项目 31570597

    国家重点研发计划 2016YFA0600803

    作者简介:

    张韫,博士,副教授。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,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
  • 中图分类号: S714.5

摘要: 目的研究3种强度火干扰下兴安落叶松林土壤有效磷时间与空间的变化规律及其形成机制,旨在更好地认识火烧迹地恢复初期土壤有效磷营养生境特征,为火干扰森林生态系统恢复提供矿质营养方面的参考。方法以大兴安岭北部寒温带兴安落叶松林土壤有效磷为研究对象,采用网格法布设固定样地、土钻法采集土壤样品、硫酸-盐酸浸提法测定土壤有效磷含量,连续定点观测秋季林火点烧试验前后土壤有效磷含量的时空动态。结果林火干扰后:(1)轻度火烧区土壤有效磷含量未立即发生显著变化而后逐渐升高;中、重度火烧区土壤有效磷含量立即升高而后持续增强;(2)火烧强度空间格局与土壤有效磷含量空间格局在火烧后各时段均极显著相关,而与土壤有效磷含量变化率的相关性仅表现在火烧后即时阶段,在融雪季、雨季/生长季消失。结论大兴安岭北部兴安落叶松林火烧迹地改造和生态恢复初期,土壤有效磷含量升高有利于林地植被恢复。

English Abstract

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
引用本文: 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 Yun, Yu Yue, Cui Xiaoyang. Temporal and spatial change patterns on soil available phosphorus under an experimental forest fire in Larix gmelinii forests[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(2): 12-18. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180129
Citation: Zhang Yun, Yu Yue, Cui Xiaoyang. Temporal and spatial change patterns on soil available phosphorus under an experimental forest fire in Larix gmelinii forests[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(2): 12-18. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180129
  • 火干扰是森林生态系统内在生态过程之一,它强烈地影响系统内部的养分循环过程,并形成新的土壤营养资源空间格局,而其中限制性资源有效形态的空间分布格局可能成为影响火烧迹地森林生态系统恢复的关键因素[1-2]。磷是限制性土壤资源之一,由于其含量低、溶解性差、固定容量大等原因,土壤中磷的有效性往往很低。因地上部植物源含磷化合物输入与土层有机磷燃烧,土壤有效磷对火干扰响应十分敏感。相对于碳(挥发温度100 ℃)、氮(挥发温度200 ℃)、硫(挥发温度375 ℃)元素,其挥发温度较高,约为774 ℃[3];同时,由于土壤非专性吸附、专性吸附以及化学沉淀等固定因素的影响,磷在土壤中的移动性较弱[4-5]。因此,土壤磷素通过火烧过程挥发以及火烧后降水淋溶造成的直接损失很小[3, 6]。目前,关于火烧后土壤有效磷含量立即增加的研究结论较为明确,且研究发现其增加具有阶段性特征,即火烧低温阶段土壤有效磷含量高于高温阶段。Kutiel等[7]研究发现火烧温度为250 ℃时土壤有效磷含量显著高于600 ℃,Schaller等[8]也认为火烧至黑炭阶段(250~500 ℃)土壤有效磷含量显著高于灰分阶段(>550 ℃)。然而,关于火烧迹地土壤有效磷含量时空变化的阶段性跟踪研究还很少。

    大兴安岭森林火灾频发[9-11],目前,关于该林区火烧迹地土壤有效磷含量的研究结论因火烧强度、火烧类型、植被类型及恢复时间等因素而异。例如,呼中国家自然保护区兴安落叶松(Larix gmelinii)火烧迹地(火烧后1年)土壤有效磷显著增加[12];南瓮河森林生态定位研究站轻度火烧迹地(火烧后3年)土壤有效磷含量显著增加,而中、重度火烧迹地未发生显著变化[13];塔河林业局轻度(火烧后5年)、重度(火烧后3年)火烧迹地土壤有效磷含量下降[14];古源林场中度火烧迹地(火烧后1年)土壤有效磷含量下降,秀峰林场(火烧后5年)、绿水林场(火烧后7年和火烧后12年)中度火烧迹地土壤有效磷含量升高[15]。这些研究均采用以“空间代替时间”的方法,建立火烧迹地与毗邻未火烧样地的对比关系,而目前不同的研究结果(特别是轻度火烧迹地受火干扰程度弱,植被恢复迅速,有效磷因火烧产生挥发的可能性很小)可能与火烧前土壤有效磷含量的空间异质性有关。

    本文以大兴安岭北部兴安落叶松林为研究对象,通过固定点位建立火烧前后明确的对应关系,排除火烧前土壤有效磷含量空间异质性的干扰,系统研究其在不同强度火干扰下时间序列上土壤有效磷含量的变化,并通过配对样本比较获得更多土壤有效磷变化信息,分析火烧强度空间格局与土壤磷有效性空间格局的相关性,旨在更为准确地认识火烧迹地恢复初期土壤有效磷营养生境特征,为火干扰森林生态系统恢复初期磷营养调控提供科学依据。

    • 研究地位于大兴安岭北部塔河林业局沿江林场,属低山丘陵区,地理坐标124°25′2″ E,53°06′52″ N[16-18]。该区属寒温带大陆性季风气候,冬季寒冷、漫长、积雪,夏季湿热、暂短、多雨,年均气温约-2.4 ℃,降水量约460.3 mm,无霜期仅98 d[16-18]。样地为兴安落叶松林地,其间混有少量白桦(Betula platyphylla),林下灌木主要为杜香(Ledum palustre)与杜鹃(Rhododendron dauricum),盖度为70%~90%,郁闭度约为0.7[16-18]。样地海拔约312 m,坡向为东坡,坡度5°~10°[16-18]。土壤类型为漂白暗瘠寒冻雏形土(漂灰土),森林凋落物层半泥炭化现象明显(5~10 cm),腐殖质层较厚(8~12 cm),表层土壤富含有机质,极易引燃。网格法布设矩形固定样地(20 m×40 m),东向延伸长边,监测点位(固定采样点位)间距4 m,共66个点位,其中轻度火烧点位20个,中度火烧点位27个,重度火烧点位19个(图 1)[16-18]

      图  1  林火强度格局与监测点位(黑点)布设

      Figure 1.  Pattern of FI and monitoring sites (small black dots)

    • 在森林消防严密地监控下,进行野外林火点烧试验。林火点烧试验前,标记并编号监测点位,插入钢钎,记录凋落物层与腐殖质层上界位置。以地表可燃物自然点烧为主,并在部分监测点位添加枝丫等森林可燃物来模拟高强度林火,以增加火烧强度多样性。野外点烧试验后,根据样地实地燃烧情况,将林火强度分为3级(数字2~9代表火烧强度等级):轻度火烧,即地上植被过火,凋落物层与土层未有损失,赋值2(地上部植物烧焦1/2以下)和3(烧焦1/2以上);中度火烧,即地上植被全部过火或烧焦,凋落物层有不同程度残留,赋值4(凋落物层2/3以上残留)、5(2/3~1/3残留)和6(1/3以下残留);重度火烧,即地上植被全部过火或烧焦,凋落物层尽毁,土壤腐殖质表层有不同程度损失,赋值7(腐殖质层损失0.5 cm以下)、8(损失0.5~1.0 cm)和9(损失1.0 cm以上)[16-18]。根据以上赋值,绘制林火强度格局图(图 1)[16-18]

    • 以林火试验前为例,土样采集过程如下:以钢钎为中心,切取圆形(30 cm×30 cm)原状毡状半泥炭化凋落物层;在此范围内,用特制微型钢制土钻(直径2 cm)随机采集3个原状土壤样品,取土深度0~10 cm,立即混合,装入尼龙拉链袋中,0~4 ℃保存;用细河沙回填取样孔,复位切取的原状凋落物层[16-18]

      进行林火点烧试验。分别于10月下旬野外林火点烧试验前1 d(T0,火烧前自然状态)、点烧试验后1 d(T1,火烧后即时状态)、次年6月中旬(T2,融雪季冻融状态)、次年8月下旬(T3,雨季/生长季淋溶与恢复状态)采集土壤样品[16-18]。各时段采样均严格控制在钢钎中心圆形范围内,以减少采样空间误差。具体方法同火烧前采样。

    • 采集的新鲜土样带回实验室后,立即剔除土样中的植物根系和杂质,充分混匀,四分法分取样品,部分低温保鲜以作他用,其余制备2 mm风干土样待用,采用硫酸-盐酸浸提-钼锑抗比色法于可见分光光度计700 nm波长测定土壤有效磷含量[19]

    • 采用SPSS17.0软件进行数据统计,分别采用单因素方差分析、均值比较分析进行土壤有效磷含量监测数据的常规比较分析,并采用配对样本t检验进行火烧后各时段固定监测点位的对应分析。利用Arc GIS软件绘制空间格局图(反距离权重插值法,Inverse Distance Weighting)[16-18]

    • 轻、中、重度火烧区及整块样地土壤有效磷含量均在时间序列上呈持续升高的变化趋势(图 2),各火烧区均表现为:T0与T1时段差异不显著,T1与T2时段差异均达极显著水平(P < 0.01),T2与T3时段无显著性差异。这说明火烧并未导致土层中有效磷含量的直接变化;而后在融雪季,地上部与凋落物层燃烧的衍生效果在土层中显现,各火烧区土壤有效磷含量显著增加;至雨季/生长季未产生进一步变化。

      图  2  火烧时间序列土壤有效磷含量

      Figure 2.  Soil available phosphorus (SAP) content in fire time series

      火烧前,轻、中、重度火烧区土壤有效磷含量没有显著差异(图 2),这说明火烧前各强度区土壤有效磷分布没有空间异质性。

      火烧后T1时段,仅重度火烧区较中度火烧区显著升高(P < 0.05),其他火烧区之间差异不显著;T2、T3时段重度火烧区较轻、中度火烧区均极显著升高(P < 0.01),而轻、中度火烧区之间差异不显著(图 2)。

    • 本文通过固定点位,建立火烧前后明确的对应关系,获得火烧后各时段(Tn)相对于火烧前T0土壤有效磷含量的相对变化率,并进行配对样本t检验(表 1),获取更多火烧后土壤有效磷变化信息。

      表 1  各火烧区土壤有效磷含量变化率点位分布率分级

      Table 1.  Classification of monitoring site distribution frequency on soil available phosphorus changes (SAPC) in burned area

      火烧区
      Burned area
      采样时间
      Sample time
      各火烧区土壤有效磷含量变化率点位分布率分级
      Classification of monitoring site distribution frequency on SAPC in burned area/%
      平均变化率与配对样本t检验结果
      Average SAPC and paired-samples t test/%
      -20~-10 -10~0 0~25 25~50 50~75 75~100 100~150 150~200 200~250

      Mild
      n=20
      T1 40 60 1.59ns
      T2 5 20 35 20 10 10 77.41**
      T3 10 20 30 15 10 10 5 77.30**

      Moderate
      n=27
      T1 3.70 29.63 66.67 2.58*
      T2 7.41 25.93 29.63 14.81 14.81 3.70 3.70 75.23**
      T3 11.11 22.22 22.22 14.81 11.11 18.52 82.34**

      Severe
      n=19
      T1 89.47 10.53 17.53**
      T2 5.26 5.26 15.79 31.58 21.05 15.79 5.26 106.27**
      T3 5.26 5.26 15.79 26.32 26.32 10.53 10.53 109.47**
      注:土壤有效磷含量变化率,SAPCTn(%)=(SAPTn-SAPT0)/SAPT0×100;点位分布率(%),某变化分级统计区间的点位数占该火烧区点位总数的百分率[17-18];经配对样本t检验分析,ns表示相对于T0时段土壤有效磷无显著差异,*表示相对于T0时段显著变化(P < 0.05),**表示相对于T0时段极显著变化(P < 0.01)。Notes: SAPCTn=(SAPTn-SAPT0)/SAPT0×100; monitoring site distribution frequency (%) means the monitoring site ratio of number in the statistics classification to the burned area; ns means no SAPC significant difference between Tn and T0, * means significant difference at P < 0.05 level, and ** means very significant difference at P < 0.01 level by paired-samples t test.

      轻度火烧区,60%的监测点位土壤有效磷含量在T1时段移动至0~25%正向范围,其余均分布在-10%~0的负向范围,平均变化率为1.59%,且较T0差异不显著;此后,T2、T3时段分别有95%和90%的监测点位发生正向移动,平均变化率高达77.41%与77.30%,较T0差异均极显著(P < 0.01)(表 1)。

      中度火烧区,66.67%的点位土壤有效磷含量在T1时段移动至0~25%正向范围,其余均分布在-20%~0的负向范围,平均变化率为2.58%,且较T0差异显著(P < 0.05);此后,T2、T3时段分别有约92%和89%的监测点位发生正向移动,平均变化率达75.23%和82.34%,较T0差异均极显著(P < 0.01)(表 1)。

      重度火烧区,全部点位土壤有效磷含量在T1时段移动至0~50%正向范围,平均变化率为17.53%,且较T0差异极显著(P < 0.01);此后,T2、T3时段均有约89%的监测点位发生正向移动,平均变化率达106.27%与109.47%,较T0差异均极显著(P < 0.01)(表 1)。

      配对样本t检验分析发现(表 1):相对于T0,T1时段中度火烧区土壤有效磷含量显著变化(P < 0.05),重度火烧区土壤有效磷含量极显著变化(P < 0.01),而单因素方差分析及均值比较分析的结果差异均不显著;其他分析结果与常规统计分析一致。这说明,T1时段中、重度火烧区土层有效磷数量已经发生变化,火烧即时效应显著;这与常规统计分析所获结果不同。

    • 采用反距离权重插值法,绘制火烧时间序列上土壤有效磷含量(图 3)与土壤有效磷相对变化率(图 4)的空间格局图,以进一步阐明其时空特征。

      图  3  火烧后土壤有效磷含量的空间格局变化

      Figure 3.  Spatial changes of SAP in fire time series

      图  4  火烧后土壤有效磷含量变化率的空间格局变化

      Figure 4.  Spatial changes of SAPC in fire time series

      双变量相关分析表明:火烧前,土壤有效磷含量格局与火烧强度空间格局不相关;火烧后各时段均与火烧强度格局极显著正相关(P < 0.01),各时段相关系数(r)变化不大(图 13表 2)。这说明,火烧强度格局即时作用于土壤有效磷空间格局,并在观测期内持续作用。

      表 2  时间序列土壤磷有效性与火烧强度相关性

      Table 2.  Correlation between soil phosphorus availability and FI in fire time series

      采样时间
      Sample time
      土壤有效磷含量与火烧强度相关性
      Correlation between SAP and FI
      土壤有效磷含量变化率与火烧强度相关性
      Correlation between SAPC and FI
      回归方程
      Regression equation
      相关系数
      Correlation coefficient (r)
      回归方程
      Regression equation
      相关系数
      Correlation coefficient (r)
      T0 SAP=0.54FI+14.32 0.18
      T1 SAP=0.97FI+13.16 0.32** SAPC=2.49FI-6.32 0.58**
      T2 SAP=1.26FI+23.16 0.37** SAPC=2.70FI+70.87 0.12
      T3 SAP=1.29FI+23.49 0.36** SAPC=3.02FI+73.03 0.12
      注:**表示土壤有效磷含量或其相对变化率与火烧强度极显著相关(P < 0.01)。Note: ** means SAP or SAPC significantly correlated with FI (P < 0.01).

      经双变量相关分析(图 14表 2),火烧后,仅T1时段土壤有效磷含量变化率的空间格局与火烧强度空间格局极显著正相关(P < 0.01),其他时段均无相关性。这说明,火烧强度格局立即作用于土壤有效磷含量变化率的空间格局;而后,其空间格局的进一步变化与火烧强度无关。

    • 土壤有效磷含量取决于土壤生态系统内有效磷输入与输出的消长关系。本文轻、中、重度火烧区降水与温度等气候背景一致;且经单因素方差分析发现火烧前各火烧强度区土壤有效磷含量没有显著差异,故排除其空间异质性;因此推测火烧强度可能是导致各时段轻、中、重度火烧区土壤有效磷含量差异的直接原因。

    • T1时段较T0时段,轻度火烧区土壤有效磷含量变化不显著,中度火烧区显著升高(P < 0.05),重度火烧区极显著升高(P < 0.01)。由于此时轻度火烧区土层、凋落物层均未发生强烈的火干扰,因此土层产生强烈的土壤磷挥发效应与凋落物层燃烧产生熏土效应[20]的可能性很小,土壤有效磷含量1.59%的平均变化率可能是随机误差造成的结果。中度火烧区,土层完好、凋落物层有不同程度损失但并未燃尽,且未有降水过程,故可排除火烧过程植物源灰分输入及淋溶作用产生的影响,土壤有效磷含量显著升高(升幅较小,仅2.58%)可能是凋落物层燃烧产生熏土作用的直接结果,随机误差可能产生一定程度干扰。重度火烧区火干扰最为严重,凋落物层全部烧毁,腐殖质层也有不同程度损失且产生灰分,此时导致土壤有效磷含量极显著增加的原因可能是:(1)地上部及凋落物层植物源燃烧灰分进入采样层;(2)燃烧过程中腐殖质层土壤有机磷转变为有效磷形态[6, 20]。这与Kutiel等[7]和Schaller等[8]火烧后土壤有效磷显著增加的研究结果一致。在这个过程中,燃烧可能产生部分磷吸附位,磷吸附增加[20]

    • T2时段较T0及T1时段,轻、中、重度火烧区土壤有效磷含量极显著升高(P < 0.01),升幅高达75.23%~106.27%。研究发现,季节性冻融后土壤有效磷因团聚体破碎而释放,同时又因与金属离子结合而使其有效性下降[21],并且土壤含水率、冻融循环次数、有效磷背景值等因素也影响有效磷含量[22],因此冻融循环初期土壤有效磷含量极不稳定[21]。就不同研究背景下高寒草甸土[23]、黑土[22]、棕壤[21]冻融处理后的297个测定结果分析,75%的测定数据显示有效磷含量下降,而25%的升高测定结果其平均升幅也仅有1.82% [21-23]。由此推测,T2时段仅因冻融效应导致土壤有效磷含量显著升高的可能性较小。同时,冻融过程中各火烧区均有不同数量生物炭输入,研究发现在冻融过程中生物炭的输入会保护土壤团聚体的稳定性,降低土壤有效磷释放,较好地固持土壤磷素[21]。不仅如此,本文研究的土壤样品属暗瘠寒冻雏形土,冻结后,由于土层间存在温差,下移的可溶性铁、铝化合物随上升水流重返地表,冻结脱水后析出,形成稳定的铁、铝化合物聚集在土壤表层[24],有利于表层土壤有效磷固定。因此,季节性冻融可能是导致此时段火烧迹地土壤有效磷含量变化的重要下调性因素。同时,此时段植物与微生物对土壤有效磷的少量吸收利用[4]也是其输出性下调因素。此外,随着时间推移,此前产生的土壤有效磷吸附逐渐变得牢固,沉淀逐渐老化[4]。但是,这些下调性因素尚不足以平衡植物源有效磷的输入效果。此时,大量植物源磷素(包括灰分、自然凋落物、植物燃烧残体与死亡根系)输入,气候转暖加快矿化进程是导致各火烧区土壤有效磷激增的主要原因,其可能的途径有:(1)融雪水与少量初期降雨将植物源燃烧灰分直接淋溶转移至土层;(2)各火烧强度区自然凋落物与燃烧有机残体的矿化产物经水分机械淋移作用转移至土层;(3)火烧后死亡植物的根系(特别是重度火烧区植物受损严重)在土层中的半腐烂化也提供了更多的有机磷矿化底物。

    • 本研究T3时段较T0、T1时段各火烧区土壤有效磷含量极显著升高(P < 0.01),而较T2时段各火烧区土壤有效磷含量均差异不显著。这似乎说明雨季/生长季阶段各火烧区土壤有效磷收支相当,进入相对稳定阶段。此时段,研究地降雨频繁,土壤养分淋溶突显,但由于土壤对有效磷的固定容量大,其通过淋溶作用的直接损失很小[6],更多的是在淋溶路径上被吸附固定;同时,此时段动植物、微生物快速生长,养分需求量激增。这些下调性因素平衡了植物源磷素机械淋洗转移加剧、温度升高有机磷矿化速率加快、植物根系周转加速以及分泌物增加等上调性因素,表现为T2时段与T3时段土壤有效磷含量差异不显著。

      综上分析,时间序列上兴安落叶松林土壤有效磷含量变化模式因火烧强度而异,其中轻度火烧区火烧后未发生实质变化而后持续升高,而中、重度火烧区火烧后立即升高并持续增强,其空间格局与火烧强度格局呈极显著正相关。火烧迹地改造和生态恢复初期,应充分考虑到土壤有效磷含量升高有利于林地植被恢复,但也应关注其变化可能导致的铁、锌等微量元素吸收不良等问题。

参考文献 (24)

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