大兴安岭重度火烧迹地植被恢复后土壤团聚体稳定性及有机碳特征.pdf
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1、为探明植被恢复对大兴安岭重度火烧迹地土壤团聚体及有机碳的影响,以重度火烧迹地上种植的不同林龄(11、21、32 a)落叶松人工林作为研究对象,通过测定土壤团聚体各粒级百分含量及团聚体有机碳含量,开展土壤团聚体稳定性以及团聚体有机碳特征研究。结果表明,1)重度火烧迹地在种植落叶松后,不同林龄落叶松人工林土壤机械稳定性团聚体与水稳性团聚体均以大于 0.25 mm 粒级含量为主,占比分别为 85.57%89.42%和 62.86%83.19%。随着林龄的增加,落叶松人工林 010 cm 层土壤机械稳定性团聚体大于 2 mm 粒级含量显著下降,0.252 mm 粒级含量显著上升,水稳性团聚体则表现为大
2、于 2 mm 粒级显著减小,0.52 mm 粒级含量显著上升的趋势(P0.25 mm 粒级)的有机碳贡献率占主导地位。研究结果为大兴安岭重度火烧迹地植被恢复提供了科学依据。关键词:大兴安岭;植被恢复;火烧迹地;土壤团聚体;有机碳中图分类号:S791.222 文献标识码:A 文章编号:1006-8023(2023)04-0019-10Soil Aggregates Stability and Organic Carbon Characteristics after Vegetation Restoration of Burned Areas in Greater Khingan Mountain
3、sWEI Ziqiang1,YI Huaihu1,REN Peng1,HOU Dianzhong2,XIN Ying1(1.School of Forestry,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China;2.Amuer Forestry Bureau,Amuer 165302,China)Abstract:In order to investigate the effects of vegetation restoration on soil aggregates and organic carbon in severe burning
4、 sites in Greater Khingan Mountains,this paper used larch plantations of different stand ages(11,21 and 32 years)planted on heavy fire sites as the research object,and conducted a study on the stability of soil aggregates and organic carbon characteristics of soil aggregates by measuring the percent
5、age content of each particle size and the organic carbon content of soil aggregates.The results showed that:1)Af-ter vegetation restoration of burned areas,the mechanical stability and water stability of soil aggregates in larch plantations of different stand ages were dominated by the content of 0.
6、25 mm particle size,accounting for 85.57%-89.42%and 62.86%-83.19%,respec-tively.With the increase of stand age,the content of soil mechanical stability aggregates 2 mm particle size in 0-10 cm layer of larch plantation decreased significantly and the content of 0.25-2 mm particle size increased sign
7、ificantly,while the water stability aggre-gates showed a trend that the content of 2 mm particle size decreased significantly and the content of 0.5-2 mm particle size increased significantly(P 0.25 mm fraction)dominated.The results could provide scientific basis for vegetation restoration of burned
8、 areas in Greater Khingan Mountains.Keywords:Greater Khingan Mountains;vegetation restoration;burned areas;soil aggregate;organic carbon 收稿日期:2023-01-14基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金项目(2572019BA11)第一作者简介:韦自强,硕士研究生。研究方向为水土保持与荒漠化防治。E-mail:wzq6661997hhh 通信作者:辛颖,博士,副教授。研究方向为水土保持与荒漠化防治。E-mail:xinying2004 引文格式:韦自强,
9、伊怀虎,任鹏,等.大兴安岭重度火烧迹地植被恢复后土壤团聚体稳定性及有机碳特征J.森林工程,2023,39(4):19-28.WEI Z Q,YI H H,REN P,et al.Soil aggregates stability and organic carbon characteristics after vegetation restoration of burned areas in Greater Khingan MountainsJ.Forest Engineering,2023,39(4):19-28.森 林 工 程第 39 卷0 引言土壤团聚体是土壤结构的基本单元1-2,团聚体
10、各粒级含量分布的差异不仅影响着土壤的形态特征与孔隙特征,还在养分的供应、保持与转化方面有着重要作用3。土壤团聚体与有机碳之间关系密切,有机碳能够通过有机或无机等胶结作用促进团聚体的形成与稳定4-5,团聚体也能够对有机碳起到固定与保护作用,研究表明表土约 90%的碳位于团聚体内6。土壤有机碳对不同粒级团聚体的吸附与胶结能力存在差异,研究各粒级团聚体的分布特征是一种明确团聚体稳定性的途径。研究土壤团聚体组成分布及其有机碳含量,对于优化土壤结构,增加土壤肥力以及提高人工林造林质量等具有重要意义。重度火烧会影响土壤团聚体稳定性,部分研究发现重度火烧可以增大土壤大团聚体的含量以提高团聚体的稳定性7-9,
11、另有部分学者发现高强度的火烧会降低土壤团聚体的稳定性10-13。土壤团聚体的稳定性可能会因为土壤有机物与金属氧化物等胶结物质的高温燃烧而降解,也会因为足够的温度产生颗粒融合和黏土矿物的重结晶形成稳定性更强的团聚体14。火烧后进行森林生态系统的恢复与重建是十分必要的15。植被恢复被认为是对脆弱生态环境进行改良和修复退化生态系统的一项重要举措,能够在调节气候、维持生物物种多样性和水土保持等领域发挥巨大作用16-17。已有研究发现重度火烧迹地植被恢复后的土壤结构有所改善,团聚体稳定性有所上升,土壤有机物质的含量也在不断增加18-19。大兴安岭是我国寒温带针叶林唯一分布区,也是我国林火高发区。该区于
12、1987 年发生特大火灾,1.01104 km2的森林被焚烧,森林覆盖率从 76.0%下降到 61.5%,形成了大面积的重度火烧迹地20,火烧后陆续开展了火烧迹地植被恢复工作,种植了大量落叶松人工林。已有研究表明不同植被恢复方式对重度火烧迹地土壤团聚体有很大影响21,但是在重度火烧迹地上不同年份种植的落叶松人工林对土壤团聚体稳定性的影响尚不清楚。因此本研究以大兴安岭 1987 年特大森林火灾形成的重度火烧迹地上种植的不同林龄的落叶松人工林为研究对象,研究其土壤团聚体分布和稳定性特征,探寻土壤团聚体有机碳分布特征及其贡献率,揭示在重度火烧迹地植被恢复过程中落叶松人工林对土壤团聚体稳定性及其固碳能
13、力的影响,为大兴安岭地区重度火烧迹地植被恢复提供相关科学依据。1 研究区概况与研究方法1.1 研究区概况研究区位于黑龙江省大兴安岭阿木尔林业局(12238301240505E,521503533315N),平均海拔为 500800 m,地处寒温带大陆性气候,夏季短暂,冬季寒冷漫长。平均气温-5,年均降水量为429527 mm,全年无霜期 80100 d,冰封期 180200 d,主风向为西北风。土壤主要为棕色针叶林土,部分区域分布泥炭土和沼泽土等,土层薄,含有较多石砾。该地区在 1987 年 5 月 6 日发生特大森林火灾,火灾后逐步对重度火烧迹地开展植被恢复,造林树种主要以兴安落叶松(Lar
14、ix gmelinii)为主,伴有少量的樟子松(Pinus sylvestris var.mongoli-ca),天然恢复以白桦(Betula platyphylla)和山杨(Populus davidiana)为主22-23。1.2 样地设置2021 年 9 月,在大兴安岭阿木尔林业局经过踏查,选取在 1987 年特大森林火灾后重度火烧迹地上种植了 11、21、32 a 的落叶松人工林为研究对象,所选样地重度火烧前均为落叶松林,造林时均是人工穴状整地,造林密度是 3 300 株/hm2,造林后连续抚育 3 a,恢复过程中未受到干扰。每个林分内设置 3个 20 m30 m 的标准样地,并开展样
15、地调查,见表 1。表 1 落叶松人工林样地基本情况Tab.1 Basic situation of larch plantation sample sites林龄/aStand age造林年份Afforestation year火烧年份Burn year坡向Slope aspect坡度/()Gradient平均胸径/cmDBH平均树高/mMean height1120101987阳33.674.202120001987半阳55.125.933219891987阳615.2014.1302第 4 期韦自强,等:大兴安岭重度火烧迹地植被恢复后土壤团聚体稳定性及有机碳特征1.3 样品采集及测定在每个
16、标准样地内,按照“Z”字形选取 5 个取样点。由于研究区域土层较薄,每个取样点按 010 cm和1020 cm 机械分层,用取样盒采集 1.5 kg 原状土,每层 3 个重复。采集到的原状土沿着土块的纹理将其轻轻掰成直径约 10 mm 的小土块,除去植物残体以及其他杂物后置于室内阴凉处风干。运输时选用垫有气泡膜的纸箱运回实验室。将土壤分成 2 份,一部分用于团聚体筛分,重复 3 次。另一部分风干后过 0.15 mm 的筛用来测定土壤有机碳、pH、全氮和全磷指标,重复 3 次。采用沙维诺夫干筛法,用 0.25、0.5、1、2、5 mm的套筛将 200 g 的风干土样进行筛分,得到5、25、12、
17、0.51、0.25 0.5、10204.8115.540.910.35210104.3041.841.930.5910204.4618.241.100.55320104.3685.163.941.1010204.5341.062.070.781.4 数据处理本研究采用平均重量直径(Mean weight diame-ter,MWD),几何平均直径(Geometric mean diame-ter,GMD)和团聚体破坏率(Percentage of aggregate destruction,PAD)表征土壤团聚体稳定性。各粒级机械性团聚体百分含量(Pi)计算公式如下。Pi=mim 100%。(
18、1)式中:Pi为 i 粒级团聚体含量,%;mi为 i 粒级团聚体质量,g;m 为土壤总质量,g。平均重量直径(MWD,式中为 DMW)与几何平均直径(GMD,式中为 DGM)采用如下公式计算。DMW=ni=1(xiwi)ni=1wi 。(2)DGM=(ni=1wilnxi)ni=1wi。(3)式中:xi是某粒径团聚体的平均直径;wi是 i 粒级团聚体质量所占总团聚体质量的比例。团聚体破坏率(PAD,式中为 PAD)计算公式如下。PAD=R0.25-WSA0.25R0.25 100%。(4)式中:R0.25为大于 0.25 mm 机械稳定性团聚体含量,%;WSA0.25为大于 0.25 mm 水
19、稳定性团聚体含量,%。团聚体各粒级有机碳对土壤有机碳贡献率(Contribution rate of organic carbon,F)F=SOCiPiSOC。(5)式中:SOCi为 i 粒级团聚体有机碳含量,g/kg;Pi为i 粒级团聚体所占百分比,%;SOC为所测土层土壤有机碳含量,g/kg。采用 Excel 2019 和 SPSS 27.0 软件对数据进行统计分析,并采用 Origin 2022 进行绘图。通过单因素方差分析(One-Way ANOVA)和 Duncan(D)对数据进行差异显著性检验(P0.05)。图表中数据为平均值标准差表示。2 结果与分析2.1 土壤机械稳定性团聚体组
20、成特征不同林龄落叶松人工林土壤机械稳定性团聚体的分布存在显著差异(P1 mm 的大团聚体粒级为主,占比达到55.02%71.91%。其中25 mm 与12 mm 的团聚体粒级为优势粒级,二者之和占到44.14%52.86%,0.51 mm 和2 mm 粒级含量逐渐下降,0.252 mm 粒级含量逐渐升高,0.25 mm 无显著变化,其中0.51 mm 粒级的团聚体的粒级含量显著上升。在图 1(b)中,随着落叶松人工林林龄的增加,下层土壤0.252 mm 的粒级含量显著上升,0.25 mm粒级含量较大,在85.57%89.42%,除恢复21 a 外,其余林龄上层土壤 R0.25粒级含量均大于下层
21、。粒级/mmParticulate?size(a)010?cm 土层(a)010?cm?soil?layer(b)1020?cm 土层(b)1020?cm?soil?layer粒级/mmParticulate?size土壤机械稳定性团聚体含量(%)Soil?mechanical?stability?aagglomerate?content4032241680土壤机械稳定性团聚体含量(%)Soil?mechanical?stability?agglomerate?content403224168011?a21?a32?a11?a21?a32?a525120.51 0.250.5 0.25aaaa
22、aaaaaabbbbbbcbbbbbabaaaaaaaa acbc525120.51 0.250.5 0.25不同小写字母表示同一粒级土壤团聚体百分含量在不同林龄之间差异显著(P0.05)。Different lower case letters in the figure indicate significant differences in percent soil aggregates of the same grain size between different stand ages(P0.25 mm水稳性团聚体粒级含量依然占有绝对比重,占62.86%以上。图2(a)中,随着落叶松人
23、工林林龄的增加,010 cm 层中2 mm 水稳性团聚体含量逐渐下降,0.52 mm 粒级含量逐渐升高(P0.05),0.05)。相较于 11 a 落叶松人工林,21 a 落叶松人工林0.51 mm 粒级水稳性团聚体含量显著上升,25 mm 粒级含量显著下降,其余粒级差异不显著;32 a 落叶松人工林土壤水稳性团聚体12 mm 和0.51 mm 粒级含量显著上升,5 mm 的粒级含量下降显著,其余粒级粒级/mmParticulate?size(a)010?cm 土层(a)010?cm?soil?layer(b)1020?cm 土层(b)1020?cm?soil?layer粒级/mmPartic
24、ulate?size土壤水稳定性团聚体含量(%)Soil?water?stability?agglomerate?content453627189011?a21?a32?a11?a21?a32?aaaaaaaaaaabbabbbbbbabbabaaaaaaaaabcaaa土壤水稳定性团聚体含量(%)Soil?water?stability?agglomerate?content453627189052512 0.51 0.250.5 0.2552512 0.51 0.250.5 0.25图 2 落叶松人工林土壤水稳定性团聚体分布特征Fig.2 Distribution characterist
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