林业论文

林火对大兴安岭森林土壤微生物的影响

2021-04-30 09:21:51 xueshulunwen 0

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摘 要以大兴安岭 2010 和 2000 年火烧迹地为研究对象,并选择附近未过火区为对照区,分析林火对土壤微生物生物量和细菌群落结构的影响。 结果表明:火后 1 a,土壤微生物生物量显著减少;林火显著影响细菌群落多样性,α-变形菌、酸杆菌、浮霉状菌的相对丰度降低,β-变形菌、拟杆菌、变形菌的相对丰度增加。 火后 11 a,土壤微生物生物量碳氮质量分数显著低于对照区;细菌群落结构指标( 除了 α-变形菌) 与对照差异不显著。 火烧强度与土壤微生物生物量、细菌群落多样性不相关,但与细菌优势种的相对丰度密切相关。 林火对微生物生物量的影响较为持久,火后细菌群落具有较高的恢复能力。


  关键词大兴安岭;土壤微生物;火烧强度;兴安落叶松


  分类号S153.6


浙江农林大学学报


  《浙江农林大学学报》(原《浙江林学院学报》)是浙江农林大学主办的学术期刊,办刊宗旨是坚持四项基本原则和科学发展观,贯彻执行党的方针政策,报道科研成果,开展学术交流,活跃学术空气,促进科技成果向生产力转化,为社会主义现代化建设培养和发现人才服务。


  林火是森林生态系统最为重要的自然干扰方式之一,每年有数百万公顷的森林不同程度受到林火干扰的影响[1-2] 。 国内外的研究表明,林火对森林生态系统的影响与林火类型、地表燃烧物积累量、气候、地形等因素密切相关。 目前研究多关注火后土壤物理化学性质的变化[3-6] ,较少考虑土壤微生物对林火的响应。 土壤微生物是森林生态系统重要的组成部分,微生物的数量与活动影响土壤养分和植物生长,是维持土壤肥力的重要部分[7-8] 。 土壤微生物易于遭受火的影响,燃烧可明显减少土壤微生物生物量,土壤微生物的功能和多样性也同样受到野火的影响[9-10] 。 微生物对热的敏感度取决于微生物种类,如细菌则较真菌更能忍受林火的影响[8] 。


  大兴安岭 70%的面积覆盖着兴安落叶松,为全国提供 30% 的木材, 林火是该区域的主要自然干扰。 1990—2010 年,大兴安岭呼中林区共发生 167 次林火(多为雷击火),平均火烧面积约 200 hm2 ,严重破坏了森林生态系统的结构与服务功能。 选择大兴安岭呼中国家级自然保护区 2000 年和 2010 年火场为研究区,综合分析林火对矿物层土壤微生物生物量和细菌群落结构的影响,为火后土壤环境恢复提供重要科学依据。


  1 研究区概况


  研究区位于大兴安岭呼中国家自然保护区,伊勒呼里山北坡、呼玛河中上游的呼中林区,地理坐标为 122°39′30″ ~ 124°21′E,51°14′40″ ~ 52°25′N。 保护区的面积约 1. 94 × 105 hm2 , 有林地面积为 1. 4 × 105 hm2 。 该区域处于高纬度寒温带地区,属大陆性季风气候, 为寒冷湿润气候区, 年平均气温为 4. 7℃,年降水量为 350 ~ 500 mm,多集中在夏季 7—8月。 研究区海拔为 420 ~ 1 404 m,地形起伏变化小、坡度小于 15°,地势相对平缓。 该区域土壤属于棕色针叶林土,土层厚度 10 ~ 30 cm,养分较为贫乏。本区域为我国唯一的寒温带针叶林区。


  2 研究方法


  2000 年 6 月和 2010 年 6 月大兴安岭呼中自然保护区发生了两次雷击火,中科院沈阳应用生态研究所干扰生态组课题组成员于 2011 年 7 月对这两个火烧迹地进行了现场调研。 在 2010 年火烧区,发现高强度火烧区地表枯落物与有机层几乎完全被消耗,地表乔木、灌木、草本等植被完全被烧死;而低强度火烧区仅有部分植被被烧死,地表枯落物和有机层部分被消耗。 在 2000 年火烧区,低强度火烧区域植被恢复程度明显高于高强度区域。林火在景观上创造了高低烈度相间的火烧区斑块及不同的植被景观,有利于我们探讨火烧强度对土壤环境的影响。


  2.1 实验设计


  在 2010 和 2000 年火烧迹地及附近未过火区,依据林型、海拔、坡度等立地条件基本一致,建立火烧区和对照区的样方,其中每个火烧区设 24 个样方、对照区设 12 个样方,共 60 个样方,每个样方大小为 40 m×40 m。 2011 年 7—8 月对 60 个样方进行野外调查取样,2010 和 2000 年火烧迹地分别代表火后 1 a 和火后 11 a 的样地。 火烧强度的确定依据遥感影像进行确定,遥感光谱分析可以很好的表征火烧前后过火区实际光谱反射或亮度的变化,归一化火烧比率综合了地表光谱反射的变化,是较好的反映火烧烈度的指数。 遥感影像于 2011 年 9 月 11 日获取,用于表示火后的林下环境。


  在每个样方,按照回字形取样法采集土壤,分别在样方的4 个角和中心5 个点处采集0 ~10 cm 矿物层土壤,并将其充分混匀成 1 个样,而后放于自封袋,存于冰盒中 4 ℃ 冷藏保存运回实验室,将每个土样分为 2 份,1 份存于冰箱中冷藏保存,用于微生物生物量及其他指标的分析,另一份存于冰箱中冷冻,用于细菌群落指标的测定分析。


  3 结果与分析


  3.1 野火对土壤微生物生物量的影响


  由表 1 可知,野火显著减少了土壤微生物生物量碳和土误用同生物生物量氮。火烧前土壤微生物生物量碳质量分数为 2 852 mg / kg,火烧后 1 a 降至534 mg / kg,减少了 81%;土壤微生物生物量氮质量分数从 482 mg / kg 降至 74 mg / kg,减少了 85%,与有关学者的研究结果一致[13-15] 。 Prieto -Fernández et al.[15] 研究中发现土壤深度影响微生物对火的响应,火烧后表层 0 ~5 cm 深度土壤中的微生物生物量几乎完全消失,而 5 ~10 cm 土层中微生物生物量则减少了 50%;火后微生物数量的减少归因与火对微生物的直接热致死作用和有机物燃烧时释放的有毒有害物质对其产生的间接影响[16] ;土壤微生物生物量是影响土壤养分循环的重要因子,因为微生物数量的减少可能会影响微生物的生理代谢活动; Hernández et al.[17] 发现控制火后,伴随土壤微生物生物量和基础呼吸的减少,土壤酶的活性也减少了; Boerner et al.[18] 也发现控制火减少了酸性磷酸酶和β-葡萄糖苷酶的活性。火后 11 a,土壤微生物生物量碳和土壤微生物生物量氮质量分数分别为 1 194 mg / kg 和 148 mg /kg,仍显著低于对照区,表明林火可长期影响微生物生物量。 Dumontet et al.[14] 在地中海松树林生态系统,研究了火的时间序列对土壤微生物的影响,火后


  a,土壤微生物生物量显著低于对照,这与先前的研究结果一致。 火后土壤微生物生物量的减少主要归因于燃烧烧死了大量的微生物[16] ;火后微生物生物量增长缓慢,导致火后 11 a 仍未恢复到火前水平,原因是土壤中碳源供给不足和有机质质量下降。土壤碳为微生物的代谢活动提供必须的碳源,而林火消耗掉了林下地表生物量和有机质,减少了碳源的供给,并且导致碳源质量下降[19] 。 孔健健等[5] 研究发现,后 11 a 土壤有机层厚度仍显著低于对照区。 火后土壤微生物生物量的大量减少,影响土壤中有机质的降解[20] ,从而影响元素生物化学循环的进程和土壤肥力水平。


  4 结论


  野火显著影响了兴安落叶松林土壤的微生物,燃烧导致大量的微生物致死,同时也改变了细菌群落组成和多样性;火后土壤微生物生物量恢复缓慢,火后 11 a,仍未恢复到火前水平,表明林火对土壤微生物生物量的遗留效应具有长期性;细菌则具有较高的恢复能力,在林火发生后,能够更快地恢复到火前水平。 火后初期,土壤微生物数量的大幅减少和缓慢恢复,会降低兴安落叶松林有机质的降解速度,影响土壤养分供给和更新植被的生长;细菌群落的快速恢复,有利于土壤腐殖质的形成和矿化,对于火后土壤环境的恢复起到一定的促进作用。


  参 考 文 献


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