張揚(yáng)，鐵牛，2*，劉洋，張晨

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

火是大興安嶺森林主要干擾之一。近年來受到火干擾的影響，大興安嶺森林土壤溫度隨之發(fā)生變化，土壤碳氮比與碳儲(chǔ)量也相應(yīng)改變[1]，土壤當(dāng)中的有機(jī)質(zhì)受到干擾。土壤有機(jī)質(zhì)是植物生長(zhǎng)發(fā)育和土壤保肥中必不可少的營(yíng)養(yǎng)成分，因此，研究火干擾對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響具有重要意義。

目前對(duì)于火燒后的大興安嶺森林的研究主要是火燒對(duì)植物的影響，有火燒對(duì)植物分類組成的改變[2]，樹木的生長(zhǎng)恢復(fù)[3]，提高木材經(jīng)濟(jì)效益[4]等。研究土壤有機(jī)質(zhì)的文章也主要是通過試驗(yàn)的方法，但各研究結(jié)果得出的結(jié)論有所差異，因此，要想得出大興安嶺地區(qū)火后土壤有機(jī)質(zhì)含量變化的一般規(guī)律，需整合分析大興安嶺地區(qū)相關(guān)研究的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用Meta分析方法,用定量評(píng)估火干擾對(duì)森林土壤有機(jī)質(zhì)的影響,并通過亞組分析進(jìn)一步探討土壤有機(jī)質(zhì)含量在不同火燒恢復(fù)年限，不同火燒強(qiáng)度影響下的變化情況。解決各單項(xiàng)研究對(duì)同一個(gè)目的研究結(jié)果不一致的問題，提高相關(guān)研究結(jié)果的可信度[5]。為受到火災(zāi)影響的森林土壤肥力恢復(fù)及對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境恢復(fù)的相關(guān)研究提供參考依據(jù)[6]。

1 材料與方法

1.1 文獻(xiàn)納入和剔除

以“大興安嶺地區(qū)”、“火燒跡地”、“不同火燒強(qiáng)度”為關(guān)鍵詞在中國(guó)知網(wǎng)和Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行檢索，篩選大興安嶺地區(qū)不同火燒強(qiáng)度對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)影響的相關(guān)研究論文。

所收集的文章必須符合以下標(biāo)準(zhǔn):(1)文獻(xiàn)必須有對(duì)照(未火燒)和實(shí)驗(yàn)組(火燒)的包括土壤有機(jī)質(zhì)指標(biāo)(2)研究樣地林型為興安落葉松林,土壤類型為棕色針葉林土，火燒強(qiáng)度根據(jù)林木受損情況分為輕、中、重度火燒3種[7]。土樣在0～20cm范圍土層采集。文獻(xiàn)數(shù)據(jù)需包括具體的數(shù)值或圖表,數(shù)據(jù)必須包括平均值和樣本量(處理重復(fù)數(shù))。通過Meta分析處理的數(shù)據(jù)可信度高，利用正態(tài)分位數(shù)圖檢驗(yàn)發(fā)表偏倚性，y-軸代表均值，斜率表示SD若樣本來自同一總體，且樣本量足夠大斜率應(yīng)為1.如圖1所示，數(shù)據(jù)基本呈現(xiàn)線性，落在置信區(qū)間內(nèi)，說明不存在發(fā)表偏倚性。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)以表格形式呈現(xiàn)的直接獲取，以圖形呈現(xiàn)的，用GetData 軟件進(jìn)行圖形數(shù)字化轉(zhuǎn)換。并將所有土壤有機(jī)質(zhì)含量的單位統(tǒng)一為有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)。

圖1 文獻(xiàn)發(fā)表偏倚性檢驗(yàn)

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

本研究采用MetaWin2.0進(jìn)行meta分析，利用響應(yīng)比1nR反映不同火燒強(qiáng)度，不同火燒年限對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響。公式如下：

式中S2,SC,NE,NC代表一個(gè)獨(dú)立研究當(dāng)中實(shí)驗(yàn)組以及對(duì)照組方差和樣本量。

式中:CI代表累計(jì)效應(yīng)值的95%置信區(qū)間；Sem代表綜合效應(yīng)值的標(biāo)準(zhǔn)誤。選用隨機(jī)效應(yīng)模型分析計(jì)算火燒后土壤有機(jī)質(zhì)的效應(yīng)值和方差。在某一指標(biāo)平均效應(yīng)值的95%置信區(qū)間不與零重疊時(shí),就認(rèn)為火燒強(qiáng)度對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響達(dá)到顯著水平;反之則不顯著。

表1 被引用參考文獻(xiàn)

2 結(jié)果與分析

綜合數(shù)據(jù)顯示，輕度火燒、中度火燒、重度火燒對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加效應(yīng)不顯著，可能由于單個(gè)研究受區(qū)域氣候條件、時(shí)間等因素影響較大，不能反映大興安嶺地區(qū)的綜合情況，因此，本研究采用Meta分析方法對(duì)大興安嶺地區(qū)火燒對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量影響的獨(dú)立試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整合，綜合評(píng)價(jià)火燒強(qiáng)度和年限對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加效果。

圖2 火燒強(qiáng)度對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

2.1 輕度火燒對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的效應(yīng)分析

在輕度火燒中，不同火燒年限對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響有所差異。整體上，各研究結(jié)果之間異質(zhì)性檢驗(yàn)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),綜合各研究結(jié)果得出土壤有機(jī)質(zhì)含量輕度火燒低于未火燒(合并效應(yīng)值E=-0.0408)，但均未達(dá)到顯著(置信區(qū)間包含0)。分析輕度火燒后不同火燒年限對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的效應(yīng)，得出以下結(jié)果：

(1)火后2年內(nèi)(包含2年)，土壤有機(jī)質(zhì)含量在輕度火燒干擾下有增加趨勢(shì)，但并不顯著(置信區(qū)間包含0)。是由于輕度火燒強(qiáng)度使大量燃燒不充分的樹葉、樹皮、樹枝等物質(zhì)滲入土壤，短期內(nèi)火后土壤溫度高，加快了枯枝落葉的分解，土壤有機(jī)質(zhì)含量有所增加。

(2)火后3～5年之間，土壤有機(jī)質(zhì)含量在輕度火燒干擾下有降低趨勢(shì)，但并不顯著(置信區(qū)間包含0)。這可能是由于火燒燒毀許多地表的植被，土壤表層有機(jī)質(zhì)雖大量分解,但在火后3～5年之間，相比火后2年內(nèi)(包含2年)降水周期較長(zhǎng)，表層的有機(jī)質(zhì)會(huì)隨著降水而流失。

(3)火后6～10年之間，土壤有機(jī)質(zhì)含量在輕度火燒干擾下仍有降低趨勢(shì)，效應(yīng)顯著(置信區(qū)間不包含0)。這可能是相比火后2年內(nèi)(包含2年)，火后3～5年之間，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，降水周期變長(zhǎng)，分解在土壤表層的有機(jī)質(zhì)隨降水流失更為明顯。

(4)火后11～30年之間，土壤有機(jī)質(zhì)含量在輕度火燒干擾下有增加趨勢(shì)，但并不顯著(置信區(qū)間包含0)。這說明長(zhǎng)期火燒后，地表植被和枯落物不斷增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量大于降水的流失，土壤有機(jī)質(zhì)含量在不斷恢復(fù)。

2.2 中度火燒對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的效應(yīng)分析

在中度火燒中，不同火燒年限對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響有所差異。整體上，各研究結(jié)果之間異質(zhì)性檢驗(yàn)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),綜合各研究結(jié)果得出土壤有機(jī)質(zhì)含量中度火燒低于未火燒(合并效應(yīng)值E=-0.0333)，但均未達(dá)到顯著(置信區(qū)間包含0)。分析中度火燒后不同火燒年限對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的效應(yīng)結(jié)果如下:

(1)火后的2年內(nèi)(包含2年)，土壤有機(jī)質(zhì)含量在中度火燒干擾下有增加趨勢(shì)，但并不顯著(置信區(qū)間包含0)。可能是中度火燒在這一時(shí)間內(nèi)會(huì)使枯枝落葉燃燒不充分，滲入土壤，使土壤有機(jī)質(zhì)含量升高。

(2)火后3～5年之間，土壤有機(jī)質(zhì)含量在中度火燒干擾下有增加趨勢(shì)，但并不顯著(置信區(qū)間包含0)。如圖2所示，相比火后的2年內(nèi)(包含2年)，效應(yīng)值雖大于零，但有所減小。雖比未火燒樣地的有機(jī)質(zhì)含量高，但土壤中的有機(jī)質(zhì)含量已經(jīng)在隨降水周期的延長(zhǎng)產(chǎn)生損失。

(3)火后6～10年之間，土壤有機(jī)質(zhì)含量在中度火燒干擾下有降低趨勢(shì)，但并不顯著(置信區(qū)間包含0)?？赡苁墙?jīng)中度火后的森林土壤，土壤結(jié)構(gòu)改變，土壤中水分子、氣體的運(yùn)動(dòng)加快，使土壤中土壤有機(jī)質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)化或流失。

(4)火后11～30年之間，土壤有機(jī)質(zhì)含量在中度火燒干擾下有增加趨勢(shì)，但并不顯著(置信區(qū)間包含0)。可能是土壤有機(jī)質(zhì)含量的積累經(jīng)過時(shí)間的沉淀已經(jīng)高于其正常損失的含量。

2.3 重度火燒對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的效應(yīng)分析

經(jīng)歷重度火燒的森林，土壤有機(jī)質(zhì)含量受不同火燒年限影響有較大差異。整體上,各研究結(jié)果之間異質(zhì)性檢驗(yàn)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),結(jié)果表明：重度火燒土壤有機(jī)質(zhì)含量低于未火燒土壤有機(jī)質(zhì)含量(合并效應(yīng)值E=-0.0333),但均未達(dá)到顯著(置信區(qū)間包含0)。分析重度火燒后不同火燒年限對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的效應(yīng)，得出以下結(jié)論：火后的2年內(nèi)(包含2年)，3～5年之間，6～10年之間，11～30年之間，土壤有機(jī)質(zhì)含量在重度火燒干擾下均有降低趨勢(shì)，效應(yīng)顯著(置信區(qū)間不包含0)。這說明重度火燒強(qiáng)度較大,對(duì)植被的破壞力強(qiáng),燒毀的植被主要以草木灰的形式存在,重度火燒后地上植被很難恢復(fù)生長(zhǎng)，沒有枯枝落葉的分解，土壤有機(jī)質(zhì)大量損失?；馃龔?qiáng)度對(duì)植被的破壞力的影響仍很明顯。還未達(dá)到火燒前水平，需要的時(shí)間可能比30年要長(zhǎng)。

3 結(jié)論與建議

對(duì)大興安嶺火燒跡地土壤有機(jī)質(zhì)含量的Meta分析得到以下結(jié)論：

(1)與未火燒樣地相比，輕度火燒后的3～5年之間，6～10年之間土壤有機(jī)質(zhì)含量還未恢復(fù)到未火燒水平。在火后2年(包括2年)內(nèi)和11年～30年之間輕度火燒對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加有一定促進(jìn)效應(yīng)。在此期間，對(duì)火燒跡地林木采取適當(dāng)?shù)娜斯嵊?。此時(shí)土壤當(dāng)中的有機(jī)質(zhì)含量有利于林木的生長(zhǎng)發(fā)育，相對(duì)減少人力財(cái)力在森林土壤施肥中的浪費(fèi)，既滿足火燒跡地森林的恢復(fù)又減少了不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

(2)中度火燒后6～10年間土壤有機(jī)質(zhì)含量沒有達(dá)到火燒前水平?；鸷蟮?年內(nèi)(包含2年)，3～5年之間，11～30年之間中度火燒對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加有一定促進(jìn)效應(yīng)。土壤當(dāng)中的有機(jī)質(zhì)含量在一定程度上有利于林木的生長(zhǎng)發(fā)育，建議對(duì)于中度火燒后的森林應(yīng)予以重視，利用火干擾的對(duì)土壤積極影響，適當(dāng)補(bǔ)植，可提高林木成活率。

(3)重度火燒后的2年內(nèi)(包含2年)，3～5年之間，6～10年之間，11～30年之間土壤有機(jī)質(zhì)含量均未達(dá)到火燒前水平，對(duì)森林的損毀較為嚴(yán)重。土壤中的有機(jī)質(zhì)含量較低對(duì)林木生長(zhǎng)不能起到促進(jìn)作用。對(duì)重度火燒的森林撫育可考慮在30年之后其土壤有機(jī)質(zhì)含量逐步恢復(fù)后再進(jìn)行。

在我國(guó)大興安嶺地區(qū)經(jīng)過火后的森林土壤，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)，表現(xiàn)出促進(jìn)植物生長(zhǎng)的潛力。未來，對(duì)于受到火干擾的森林，有利于充分挖掘和發(fā)揮火燒地在森林恢復(fù)中積極作用和優(yōu)勢(shì)。