石炳東 韓懂懂 李兆國 全先奎 于宏洲 邸雪穎 楊光

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

土壤微生物是土壤中最活躍的組分之一[1]。它們在土壤中度過它們?nèi)炕虿糠值纳鼩v程，大多數(shù)的微生物過程取決于微生物的生物量和活性[2]。土壤微生物在森林生態(tài)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用[3]，它通過維持土壤肥力[4]、減輕土壤污染、調(diào)節(jié)土壤有機質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)[5]及其土壤結(jié)構(gòu)的形成等方式，控制著許多對生態(tài)系統(tǒng)功能至關(guān)重要的生態(tài)過程。土壤微生物的生物質(zhì)量稱為微生物生物量[6]，土壤微生物生物量包括微生物生物量碳(MBC，簡稱微生物量碳)、微生物生物量氮(MBN，簡稱微生物量氮)等。土壤微生物量碳氮是土壤養(yǎng)分元素中的活性養(yǎng)分庫，可以直接參與土壤碳氮等元素的形態(tài)轉(zhuǎn)化[7]與生物地球化學(xué)循環(huán)過程，是監(jiān)測土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)[4，8-11]，也是聯(lián)系不同圈層物質(zhì)與能量交換的重要紐帶[12]。

林火是森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要干擾因子，林火干擾會改變土壤微生物的結(jié)構(gòu)和功能[6]，它影響著土壤微生物對土壤養(yǎng)分的固定[13]，同時影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[14]。林火在燃燒過程中釋放的熱量，會升高土壤溫度，導(dǎo)致微生物細(xì)胞的溶解和死亡[15]；同時，土壤微生物量碳和微生物量氮在火燒跡地中也會發(fā)生改變；根據(jù)時間的推移，林火對土壤微生物的影響，也可以按短、中、長期劃分[6]。地形因子，會通過對火燒跡地水熱條件的改變，影響土壤系統(tǒng)的恢復(fù)力[16]。林火和地形因子對土壤微生物量碳氮的影響是相互關(guān)聯(lián)的，土壤微生物對火的中長期反應(yīng)會因為地形因子的影響而發(fā)生間接變化[17]。

關(guān)于火燒跡地土壤微生物量碳氮的研究，較多集中于短期效應(yīng)[18-23]，對中長期影響的研究較少[24]。為此，本研究在大興安嶺塔河縣1990年到2018年的興安落葉松(Larixgmelinii)林火燒跡地區(qū)域，設(shè)置試驗樣地，將樣地火燒后(過火)恢復(fù)時期分為恢復(fù)初期、恢復(fù)中期、恢復(fù)后期，將樣地坡度分為平坡、緩坡、斜坡，將樣地坡向分為陰坡、半陰坡、半陽坡、陽坡；以隨機采樣法采集表層(0～10 cm)土壤樣品，測定土壤微生物量碳氮，分析林火、坡度、坡向?qū)ν寥牢⑸锪刻嫉挠绊?。旨在為深入研究長時間尺度下興安落葉松林火燒跡地土壤微生物量碳氮特征，探索火燒跡地土壤微生物恢復(fù)機制、生態(tài)恢復(fù)機制提供參考。

1 研究區(qū)域概況

大興安嶺地處寒溫帶的大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，北起黑龍江畔，南至西拉木倫河上游谷地；土層極薄，氣候干旱，生長季短，屬于東西伯利亞南部落葉針葉林沿山地向南的延續(xù)部分；是我國唯一的寒溫帶針葉林區(qū)，也是我國最大的林區(qū)[25]。試驗樣地位于大興安嶺塔河縣，氣候?qū)俸疁貛Т箨懶詺夂?，低溫時間漫長寒冷、高溫時間短暫濕熱；年平均氣溫-2.4 ℃,年均風(fēng)速2.9 m/s，年平均降水量463.2 mm，平均無霜期98 d，年日照時間2 015～2 865 h，≥10 ℃有效積溫1 100～2 000 ℃。興安落葉松是大興安嶺地區(qū)荒山造林和林地更新的主要樹種，屬于耐火樹種，可以在一定程度上減弱林火對森林生態(tài)系統(tǒng)的干擾，是東北的珍貴樹種。其中，該地區(qū)的優(yōu)勢灌木主要有興安杜鵑(Rhododendrondauricum)、杜香(Ledumpalustre)、越橘(Vacciniumvitis-idaeaL.)、繡線菊(SpiraeasalicifoliaL.)，優(yōu)勢草本主要有苔草(Carexappendiculata)、鈴蘭(ConvallariamajalisLinn.)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

本研究于2018年8月中上旬，在大興安嶺塔河縣林業(yè)局作業(yè)區(qū)和漠河市林業(yè)局作業(yè)區(qū)(東經(jīng)123°3′～124°56′、北緯52°19′～52°42′)，選取時間序列為1990、1994、1996、2000、2003、2006、2008、2010、2012、2015、2018年林分信息相似的重度火燒樣地，同時記錄樣地的海拔、坡度、坡向，并使用控制變量法設(shè)立附近未過火樣地作為對照樣地(見表1)。

本研究設(shè)置未過火樣地為對照組；恢復(fù)時期設(shè)置為恢復(fù)時長t≤6 a為恢復(fù)初期、6 a

2.2 土壤樣品取樣和測定

土壤樣品于2018年獲取，以隨機采樣法采集土壤；在每塊樣地內(nèi)隨機設(shè)置至少30個采樣點，用土鉆采集表層0～10 cm的土壤樣品，采樣點間最小間距為2 m；將每個樣地采集到的土壤樣品隨機均勻分成3組，每組混合成1個混合樣品，共240份土壤樣品。

將樣品放置在冷凍冰柜(-40 ℃)內(nèi)運回實驗室后，經(jīng)過冷凍干燥、過篩，采用液氯熏蒸浸提法[26]測定土壤微生物量碳氮。取20 g樣品，其中10 g土樣置于50 mL離心管中，并按60 μL/g的干土比例加入氯仿，擰緊蓋子；黑暗處理24 h，加入浸提液K2SO4(按m(土)∶V(水)=1 g∶2 mL)，經(jīng)過振蕩混勻30 min，低速離心后，過濾至50 mL的離心管；水浴加熱60 min后，將待測液倒入10 mL的離心管中，準(zhǔn)備上機。其中另外10 g土樣不加入氯仿，其他操作相同。土壤微生物量碳氮，采用德國耶拿Multi N/C 2100 S分析儀測定；土壤的含水率，采用烘干法測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 26.0和Origin Pro 2019B軟件分析處理文中數(shù)據(jù)。林火、坡度、坡向?qū)ν寥牢⑸锪刻嫉挠绊?，采用單因素方差分析法、多因素方差分析法、最小顯著性差異法(顯著性水平α為0.05)，并用斯皮爾曼(spearman)相關(guān)系數(shù)檢驗法進行分析；海拔的影響采用獨立樣本T檢驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 火干擾對土壤微生物量碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由表2可見：火后恢復(fù)時長對土壤微生物量碳、微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，產(chǎn)生一定影響。在各恢復(fù)時期內(nèi)，土壤微生物量碳、微生物量氮變化規(guī)律相似?；馃E地恢復(fù)過程中，土壤微生物量碳氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢，均為初中期降低，后期恢復(fù)。土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在恢復(fù)初期和后期，顯著高于恢復(fù)中期(P<0.05)，但均低于未過火的對照組；土壤微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，恢復(fù)中期顯著低于其他恢復(fù)期(P<0.05)，其他時間段微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨恢復(fù)時長無明顯變化。土壤微生物量碳氮比[微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(C))與微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(N))比(w(C)∶w(N))]，隨恢復(fù)時長的延長呈逐漸上升的趨勢，恢復(fù)中期和恢復(fù)后期較恢復(fù)初期有顯著提升(P<0.05)，而恢復(fù)初期與對照組相比無明顯差異。

表2 火燒跡地不同恢復(fù)期土壤微生物量碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)

任何生態(tài)過程的討論都離不開對時間尺度的考量，在火燒跡地內(nèi)生物和環(huán)境因素會隨著時間的推移而變化，并最終在多年后達到穩(wěn)定狀態(tài)[27]。姜睿[6]對大興安嶺火燒跡地土壤微生物量碳氮的研究表明，在不同的火后恢復(fù)年限中土壤微生物量碳氮存在顯著差異。本研究表明，火燒跡地火后恢復(fù)中期微生物量碳氮與火后恢復(fù)初期、后期、對照組差異顯著。在火燒跡地恢復(fù)過程中土壤微生物量碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢，均為恢復(fù)初期、恢復(fù)中期降低，恢復(fù)后期接近未過火水平。原因是火燒跡地內(nèi)燃燒程度不同[28]；同時林火也增大了地表徑流率，降低了土壤的含水量，并消耗了大量的森林有機質(zhì)[29]，從而對土壤微生物量在火后恢復(fù)和繁殖的過程中產(chǎn)生了影響；這說明林火對土壤微生物的影響是長期且持續(xù)的，具有不可預(yù)見性[30]。因此，今后試驗研究還可加長時間跨度，進一步確定火后土壤微生物量碳氮完全恢復(fù)所需的時間。

3.2 火燒跡地地形因子對土壤微生物量碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由表3可見：土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在平坡時，恢復(fù)初期和恢復(fù)中期，與恢復(fù)后期差異顯著(P<0.05)；在緩坡時，恢復(fù)中期與恢復(fù)后期差異顯著(P<0.05)；在斜坡時，無明顯變化規(guī)律。土壤微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在平坡時，對照組，顯著高于恢復(fù)初期、恢復(fù)中期、恢復(fù)后期(P<0.05)；在緩坡時，恢復(fù)中期，顯著低于恢復(fù)后期、對照組，在斜坡時，無明顯變化。微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))，在平坡時，恢復(fù)后期，與恢復(fù)初期、恢復(fù)中期差異顯著(P<0.05)；在其他坡度沒有明顯變化。

表3 火燒跡地各坡度不同恢復(fù)期的土壤微生物量碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)

選取陰坡、陽坡、半陰坡、半陽坡4個坡向，分析坡向?qū)ν寥牢⑸锪刻嫉挠绊?見表4。由表4可見：土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在陰坡和半陰坡時，恢復(fù)初期均顯著高于恢復(fù)中期、恢復(fù)后期(P<0.05)；在半陽坡時，恢復(fù)后期，與恢復(fù)中期、對照組差異顯著(P<0.05)；在陽坡時，恢復(fù)初期和恢復(fù)中期之間無顯著差異，但在恢復(fù)后期土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與恢復(fù)初期和恢復(fù)中期均差異顯著(P<0.05)?；謴?fù)初期，微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，陰坡和半陰坡之間差異不顯著，而半陽坡和陽坡顯著低于陰坡和半陰坡(P<0.05)；恢復(fù)中期，4個坡向不存在顯著差異；恢復(fù)后期，陽坡的土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，顯著高于陰坡、半陰坡、半陽坡的土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)。土壤微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在陽坡的恢復(fù)初期、恢復(fù)中期、恢復(fù)后期變化顯著；陰坡、半陰坡，均為初期升高、后期降低、再恢復(fù)的趨勢。土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))，在半陽坡無明顯變化；在陽坡時，火后恢復(fù)初期、中期、后期差異顯著(P<0.05)。

恢復(fù)時長土壤微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(N))/mg·kg-1陰坡半陰坡半陽坡陽坡恢復(fù)初期(28.4±1.6)aA(30.2±6.1)aA(19.9±4.1)abB(17.7±2.8)cB恢復(fù)中期(20.2±5.3)bA(17.8±4.8)bA(17.8±5.2)bA(10.6±0.2)dB恢復(fù)后期(20.6±7.3)bA(20.2±1.5)bA(21.9±7.6)aA(28.8±1.1)aA對照組(25.2±3.1)aA(26.5±1.6)abA(16.3±0.5)bB(23.6±1.4)bA

恢復(fù)時長w(C)∶w(N)陰坡半陰坡半陽坡陽坡恢復(fù)初期(10.7±0.9)bAB(11.2±1.1)aA(11.0±1.8)aA(9.3±1.4)cB恢復(fù)中期(11.1±2.5)bB(11.9±1.7)aB(11.8±2.3)aB(15.6±0.4)aA恢復(fù)后期(12.9±4.0)aA(10.4±1.1)abA(11.7±2.1)aA(11.5±0.6)bA對照組(10.6±1.2)bB(9.2±0.8)bC(11.7±0.9)aAB(12.9±0.1)bA

孔健健等[24]研究認(rèn)為，在火燒跡地恢復(fù)6 a后，土壤微生物量碳顯著高于對照樣地。本研究結(jié)果表明，在火燒跡地恢復(fù)初期，土壤微生物量碳與對照樣地差異不顯著；這是因為孔健健等[24]研究的試驗地為平地，而本文研究的試驗地為坡地有關(guān)；相關(guān)分析[31]表明，隨著時間的推移，火的影響逐漸減弱，地形因子的影響逐漸加強[32]。坡度會通過水熱條件[31，33-34]影響土壤微生物的活動，較高坡度的土壤濕度高于較低坡度[35]，坡地的養(yǎng)分和水分更容易流失，也更容易受到土壤侵蝕[31，36]的作用；而火燒跡地的燃燒剩余物[37]和釋放的黏土礦物，也會堵塞土壤孔隙[16，38]，使坡地土壤結(jié)構(gòu)變得緊湊，從而減少土壤的水分。微生物會在火燒跡地的恢復(fù)中期受到更多來自坡地的影響。平坡的火燒跡地土壤微生物量碳隨著恢復(fù)時長的改變呈逐漸上升的趨勢，而緩坡和斜坡的火燒跡地在恢復(fù)中期的微生物量碳顯著降低；這也說明，坡度是影響該區(qū)域微生物量碳的重要地形因子。

不同的坡向會通過影響環(huán)境從而影響土壤微生物。白愛芹等[31]研究認(rèn)為，在重度火燒跡地中，西坡土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))高于南坡，但差異不顯著。本研究表明，火燒跡地土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))，在恢復(fù)初期、中期、后期中，除陽坡外，半陰坡、半陽坡、陰坡3個坡向無顯著差異。這說明本研究的火燒跡地內(nèi)，半陰坡、半陽坡、陰坡3個坡向的土壤質(zhì)量水平相似。吳然等[39]研究認(rèn)為，在灌木林和華北落葉松人工林下，土壤微生物量碳氮在陽坡顯著高于陰坡。Kong et al.[40]研究表明，受地形因子的影響，未燃燒場地和火后11 a的場地土壤特性差異很大，在火后11 a的場地中，靠北的斜坡比靠南的斜坡具有更多的土壤微生物量碳和生物量氮。本研究表明，在火燒跡地恢復(fù)中期與對照組相比，除半陽坡外，其他坡向恢復(fù)中期的微生物量碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照組的微生物量碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著，并且在火后恢復(fù)中期，陰坡的土壤微生物量碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，比陽坡的土壤微生物量碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，這與Kong et al.[40]研究結(jié)果不同。這一結(jié)果表明，在火燒跡地中，不同坡向?qū)謴?fù)期間的土壤特性產(chǎn)生了不同的影響；陽坡光照條件充足，而陰坡光照水平低于陽坡，土壤水分蒸發(fā)量小，含水量相對較高。水分是原生質(zhì)的主要組成部分，控制著微生物的代謝活動，也是微生物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)素[41]，在潮濕的環(huán)境下，土壤微生物可以加速有機物的分解[42]；但另一方面，表層土壤的微生物，更容易受到林火的影響[32]，林火會使水分大量蒸發(fā)，使土壤含水量降低，影響微生物的活動。陰坡中，微生物量碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在火后恢復(fù)中期、后期和對照組中呈現(xiàn)緩慢恢復(fù)上升的規(guī)律；而在陽坡中，火后恢復(fù)后期已經(jīng)達到并超過了對照組的含量，這說明，火燒跡地中陽坡較高的土壤溫度更適宜土壤微生物的快速繁衍發(fā)育，使該區(qū)域能更快地恢復(fù)至火燒前水平。

3.3 火干擾及地形因子對土壤微生物量碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互影響

由表5可見：土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，與恢復(fù)時長、坡度呈顯著相關(guān)，說明恢復(fù)時長、坡度均影響著土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而火燒跡地坡度是影響該地區(qū)生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的主要因子。土壤微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，與坡向呈顯著相關(guān)，與坡度呈極顯著相關(guān)，說明火燒跡地微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)受坡度的影響較大。土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))，與恢復(fù)時長呈極顯著正相關(guān)，與坡度、坡向呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明該研究區(qū)域土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))受恢復(fù)時長、坡度、坡向的影響較大。

表5 土壤微生物量碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與火干擾、地形因子間的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)

為進一步探索火干擾及地形因子對土壤微生物量碳氮的交互影響，將火后恢復(fù)時長、坡度、坡向3個影響較為明顯的因素，與微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))進行多因素方差分析(見表6)。由表6可見：恢復(fù)時長、坡度、坡向的交互作用，對土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))無顯著影響；恢復(fù)時長與坡度，對土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)生極顯著影響(P<0.01)；恢復(fù)時長與坡度的交互作用，對土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響顯著(P<0.05)；恢復(fù)時長與坡向的交互作用，對土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響極顯著(P<0.01)；恢復(fù)時長，對微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響極顯著(P<0.01)。該研究區(qū)域內(nèi)，興安落葉松林火燒跡地，恢復(fù)時長對土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響最強；恢復(fù)時長對土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))的影響較弱；地形因子，對火燒跡地土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較強，對火燒跡地土壤微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響適中，對火燒跡地土壤微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))的影響較弱。

多因素方差分析結(jié)果表明，火后恢復(fù)時長會顯著影響土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)；而坡度對土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響顯著，且表現(xiàn)在恢復(fù)中期。坡向在火燒跡地對微生物量碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)都影響顯著，土壤微生物量碳受坡度和坡向交互作用的影響；這一結(jié)果表明，地形是一個緩慢的影響過程[40]，也是大興安嶺興安落葉松林火燒跡地恢復(fù)的一個重要的影響因素。

4 結(jié)論

林火對土壤微生物的影響是一個長期且持續(xù)的過程，火后恢復(fù)時長會顯著影響土壤微生物量碳氮，火燒跡地恢復(fù)28 a后，興安落葉松林土壤微生物量碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近但仍低于未過火的對照樣地。

火干擾也會影響不同坡度、不同坡向間土壤微生物量碳氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中恢復(fù)時長、恢復(fù)時長與坡向的交互作用，對土壤微生物量碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有極顯著影響。隨著火燒跡地的恢復(fù)，坡度對微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響開始加深，而對微生物量碳氮比(w(C)∶w(N))的影響不明顯。

在火燒跡地，坡向影響著土壤微生物量碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，陽坡的土壤微生物比陰坡的更活躍，陽坡相比陰坡能更快地恢復(fù)至火燒前水平。