火干扰对大兴安岭北方森林土壤性质和碳氮磷化学计量特征的影响

发布时间：2020-03-25 14:52

【摘要】：林火是影响北方森林土壤养分含量和异质性的一种重要自然干扰,对土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)库的影响程度不同、火后初期各元素的恢复速度也不同步。因而,土壤C/N/P化学计量比在火后演替初期过程中可能发生剧烈变动,进而影响北方森林生态系统的生物地球化学过程和火后植被更新。为阐明林火对大兴安岭土壤C/N/P化学计量特征的影响机理,本研究以野外实地调查、实验分析和统计模型为主要研究手段,系统分析不同影响因素(火烧烈度、地形、火后时间、火后土壤环境、凋落物)与土壤C/N/P化学计量特征的相关关系,探讨林火对土壤碳氮磷化学计量特征的影响,并揭示其驱动因子。本研究取得如下主要结果:1)林火与地形显著影响土壤物理、化学和生物学性质。火后1年,土壤含水量(SWC),溶解性有机碳(DOC)、土壤微生物生物量(SMB)、细菌的物种丰富度均显著减少,而pH、溶解性有机氮(DON)、有效磷(AP)含量显著增加,其他指标变化不显著。火后11年,SMB、DON、有效钾含量显著低于对照区;而其他土壤性质指标已基本恢复至火前水平。对照区,北坡土壤SWC显著高于南坡,而北坡土壤pH、DOC、DON均显著低于南坡。火烧区,土壤各性质指标南北坡间差异不显著,但火后11年的SWC除外;火后1年,北坡土壤性质指标变化大于南坡。对照区,土壤多数性质指标与坡向、坡度、海拔密切相关。火后1年,地形因子与土壤性质间的相关关系减弱;火后11年,地形因子对土壤性质的影响逐渐增强。2)火后凋落物总碳(TC)和总氮(TN)含量与对照差异不显著,但火后5年凋落物总磷(TP)含量显著减少了48%;火后16年,仍显著低于对照。火后5年,有机层土壤的TC、TN含量相较对照变化不显著。火后16年,有机层土壤TC含量显著增加了38%,但与对照差异不显著,TN含量增加了59%,显著高于对照,而TP显著减少至对照水平。林火对矿物层土壤的TC、TN含量影响不显著,但火后TP含量显著增加,直至火后16年。对照区,矿物层土壤TC、TN、TP含量与凋落物的关系密切;火后5年,有机层土壤TC、TN、TP含量与矿物层土壤的关系密切;火后16年,凋落物、有机层土壤的TC、TN、TP含量均与矿物层土壤的密切相关。3)林火显著影响了凋落物、有机层土壤的C/N/P化学计量比。火后5年,凋落物的C/P、N/P显著增加,火后16年恢复至对照水平;而C/N在火后5年与对照差异不显著;火后16年,显著高于对照区。火后5年,有机层土壤的C/N显著低于对照;火后16年,C/N恢复至对照水平,C/P、N/P仍显著高于对照。林火减弱了有机层土壤的化学计量比与凋落物的化学计量比间的相关关系,也减弱了凋落物、土壤的C/N/P化学计量比与土壤性质的相关关系。林火烈度、地形、火后时间、土壤环境对火后凋落物化学计量比的方差解释量大于45%,对有机层土壤化学计量比的方差解释量大于35%。火后时间与地形是影响凋落物C/N/P化学计量比较为重要的因子,火后时间是影响有机层土壤C/N/P化学计量比最为重要的因子。
【图文】：

图 1.1 研究林火对北方森林土壤 C/N/P 计量比影响的三个模式：（A）直接研究主要景观控制因素（林火、地形、植被类型）对土壤 C、N、P 库的影响，但是没有揭示火后土壤C、N、P 平衡的变化；（B）通过考虑各控制因素对元素 C、N、P 耦合作用的影响来直接分析林火对土壤 C/N/P 生态化学计量比动态变化的机理；（C）还考虑到林火通过改变土壤环境来间接影响土壤 C/N/P 比，综合研究林火干扰对土壤 C/N/P 生态化学计量比的直接与间接作用，，全面揭示林火干扰调控土壤 C/N/P 生态化学计量比变化的机理。林火干扰对土壤C/N/P比影响的研究还可以判断火后初期养分限制类型。养分限制理论描述了生物体（植物和微生物）和环境资源之间的关系，即生物体的生长决定于土壤中那个相对含量最少的有效养分[29]。施肥实验是检验种群和群落水平养分限制的唯一准确方法[30]，但其周期长、对样地产生干扰，寻求快捷反映养分限制的简单指标一直是生态学和植物营养学的关键问题之一。Cleveland和Liptzn[31]研究中发现土壤微生物的C/N/P比与土壤库C/N/P比间存在显著一致性，因此土壤微生物生物量C/N/P比可作为评价土壤养分限制状态的重要工具。养分限制类型与植被生长、生产力、物种优势度、稳定性存在显著相关性关系，对于

图 1.2 大兴安岭地区位置图及 2010 年 TM 影像1.2 国内外研究进展1.2.1 火干扰对北方森林土壤碳氮磷的影响国内外学者在研究林火干扰如何影响北方森林生态系统 C、N、P 循环方面做了较多的工作，这些工作主要研究的是景观尺度上的控制因素如何影响土壤 C、N、P 库的动态变化及其相对重要性。一些研究发现林火显著减少土壤表层碳氮含量[35,36]，但却增加其表层有效氮磷的含量[24,28,37-39]。有研究指出林火烈度是影响土壤 C、N、P 循环最重要的因素[8,40-42]，高强度火导致生态系统 C、N、P 损失最多。另有研究指出林型也是影响林火干扰时 C、N、P 损失的重要因子，针阔混交林的碳氮损失最多[25]，而胡海清等[43]在研究 1965-2010 年大兴安岭森林火灾10种林型碳排放时，则发现杜鹃-落叶松林的碳排放量最大。Kasischke和Hoy[44]在对阿拉斯加内部北方森林的研究中发现燃料类型和地形是决定土壤表层碳消
【学位授予单位】：沈阳师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S714

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本文编号：2600048