黃曉霖　彭曉娟　張彥玲　楊青　張偉

摘要：火災(zāi)事故會(huì)改變土壤環(huán)境的理化性質(zhì)，破壞土壤環(huán)境的固有平衡，故提出火災(zāi)事故對(duì)森林土壤微生物生物量的影響分析研究。選取研究區(qū)域，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)地火災(zāi)事故情況（輕度、中度與重度），制定土壤樣品采集程序，采用稀釋平板法測(cè)定土壤微生物數(shù)量，利用熏蒸提取一容量分析法測(cè)定土壤微生物生物量碳含量、氮含量。測(cè)定結(jié)果：隨著火災(zāi)事故程度的增加，土壤微生物數(shù)量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，碳含量、氮含量均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)；隨著土壤恢復(fù)年限的增加，微生物數(shù)量、碳含量與氮含量均呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：森林土壤環(huán)境；火災(zāi)事故；微生物影響分析；林火強(qiáng)度；微生物種類

中圖分類號(hào)：X72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

對(duì)于森林土壤環(huán)境來說，火災(zāi)事故是一種獨(dú)特的干擾因素，其會(huì)影響土壤的溫度、氧化反應(yīng)等，從而改變土壤環(huán)境的理化性質(zhì)，例如微生物生物量、有機(jī)物質(zhì)含量、無機(jī)物質(zhì)含量等，這些變化會(huì)對(duì)森林結(jié)構(gòu)、性能等造成極大的不利影響。微生物是土壤環(huán)境變化響應(yīng)最快的理化指標(biāo)，是生態(tài)體系中必不可少的組成成員之一，也是無機(jī)物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵所在。微生物在森林生態(tài)體系中主要充當(dāng)著分解者的“角色”，分解部分有機(jī)物質(zhì)與地表凋落物。當(dāng)森林發(fā)生火災(zāi)事故后，土壤微生物生物量會(huì)發(fā)生一定的改變，從而影響碳、氮元素的固持與利用，也會(huì)影響微生物的生存與繁殖。微生物主要為森林植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分，是森林穩(wěn)定發(fā)展的主要基礎(chǔ)，再加之其具有較強(qiáng)的環(huán)境因子變化敏感度，將其作為生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行深入研究具備一定的現(xiàn)實(shí)意義。

就現(xiàn)有研究成果來看，由于火災(zāi)事故強(qiáng)度、森林土壤類型、研究時(shí)期等條件差異性的存在，使得火災(zāi)事故對(duì)森林土壤微生物生物量的影響研究并沒有一個(gè)確切的定論，制約著森林領(lǐng)域的探究與治理步伐。因此，提出新的火災(zāi)事故對(duì)森林土壤微生物生物量的影響分析研究，掌握火災(zāi)事故后土壤微生物生物量的變化規(guī)律，為森林生態(tài)平衡恢復(fù)與治理提供一定的支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

選取山東省臨沂市某處森林作為研究區(qū)域，選取了3個(gè)研究樣地，具體的地理概況、自然概況、土壤特征與植被類型見表1。

需要注意的是，選取的3個(gè)研究樣地具有豐富的生物多樣性，植物種類高達(dá)1 000多種，例如闊葉樹種、針葉樹種、灌木樹種、草甸等。研究樣地植被種類垂直分布差異性較小，水平分布差異性較為顯著，優(yōu)勢(shì)群落主要為松林、喬木與灌木，符合火災(zāi)事故對(duì)土壤微生物生物量影響的研究需求。

1.2 實(shí)驗(yàn)地設(shè)計(jì)

為了提升火災(zāi)事故對(duì)森林土壤微生物生物量影響分析結(jié)果的精確性，對(duì)研究樣地實(shí)際火災(zāi)事故狀況進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。研究樣地1為輕度火災(zāi)，林木死亡率為39. 45%，樹干熏黑高度為1.45 m，林下灌木25%被燒毀。研究樣地2為中度火災(zāi)，林木死亡率為56. 23％，樹干熏黑高度為2.32 m，半腐層、枯枝落葉層被燒毀。研究樣地3為重度火災(zāi)，林木死亡率為78. 50%，樹干熏黑高度為5.86 m，林下灌木、半腐層、枯枝落葉層全部燒毀。

1.3 土壤樣品采集

土壤樣品采集是后續(xù)微生物生物量變化分析的基礎(chǔ)與前提，采集過程涉及內(nèi)容較多，需要考慮到多種因素，制定土壤樣品采集程序，此流程采用對(duì)角線方式選取研究樣地上的5個(gè)采集點(diǎn)，清除表面雜物，將鋼管打人土壤中，保持冰盒溫度在0℃ -4℃，小心取出鋼管，在實(shí)驗(yàn)室中取出土壤樣品并放人冰盒保存，以測(cè)量土壤生物量。整個(gè)過程需確保土壤純凈、微生物活性得到保留，并記錄測(cè)量值。

1.4 土壤微生物數(shù)量測(cè)定

采用稀釋平板法對(duì)土壤微生物數(shù)量進(jìn)行測(cè)定。在無菌實(shí)驗(yàn)室中，取10 g土壤樣品，將其放入三角瓶中，其內(nèi)部還包括無菌水與玻璃珠，振蕩10 min將土壤樣品打散成土壤懸液，倒入10-2-10-5稀釋液，以此為基礎(chǔ)，對(duì)土壤微生物數(shù)量進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)定，表達(dá)式為式（1）：

式（1）中，Qtotal表示的是土壤微生物數(shù)量，每克干土中含菌數(shù)，單位為個(gè)·g-1干土；Q0表示的是每克濕土中含菌數(shù)；M1表示的是濕土質(zhì)量；M2表示的是干土質(zhì)量。

上述過程確定了土壤微生物數(shù)量對(duì)應(yīng)的測(cè)定方法與測(cè)定公式，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算提供依據(jù)。

1.5 土壤微生物生物量碳、氮測(cè)定

土壤微生物生物量碳、氮含量測(cè)定主要采用熏蒸提取-容量分析法。在無菌實(shí)驗(yàn)室中，取10 g土壤樣品，采用氯仿（無乙醇）熏蒸土壤樣品5 min，加入40 mLK2SO4溶液，振蕩30 min，采用定量濾紙對(duì)土壤懸液進(jìn)行過濾，將其放置在- 20℃冰箱中保存，以此為基礎(chǔ)，測(cè)定土壤微生物生物量碳、氮含量，表達(dá)式為式（2）：

式（2）中，Ctotal表示的是土壤微生物生物量碳含量；εmic表示的是熏蒸與未熏蒸土壤有機(jī)碳的差值；Ke表示的是有機(jī)碳轉(zhuǎn)換系數(shù)；Ntotal表示的是土壤微生物生物量氮含量；βmic表示的是熏蒸與未熏蒸土壤有機(jī)氮的差值；Le表示的是有機(jī)氮轉(zhuǎn)換系數(shù)。

上述過程確定了土壤微生物生物量碳、氮含量對(duì)應(yīng)的測(cè)定方法與測(cè)定公式，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算提供依據(jù)。

2 結(jié)果與分析

在研究火災(zāi)對(duì)土壤微生物的影響時(shí)，主要關(guān)注的是火災(zāi)后的短期內(nèi)（第1年和第2年），以及隨著時(shí)間的推移，土壤微生物生物量碳含量的長(zhǎng)期變化（第5年）。在這種情況下，主要選取了第1年和第2年及第5年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 土壤微生物數(shù)量變化分析

通過測(cè)定獲得土壤微生物數(shù)量變化情況見圖1。

如圖1所示，無論是在土壤上層（0 -10 cm）、土壤下層（10 -20 cm）或者整個(gè)土壤層（0-20 cm）背景下，土壤微生物數(shù)量隨著火災(zāi)事故程度的增加而下降，主要是因?yàn)榛馂?zāi)事故程度越重，對(duì)于森林土壤環(huán)境的破壞程度較高，土壤內(nèi)部微生物生存環(huán)境變化愈加顯著，微生物數(shù)量也會(huì)相應(yīng)的減少越多。相較于土壤微生物標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量來看，隨著土壤恢復(fù)年限的增加，微生物數(shù)量呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢(shì)。上述變化情況主要是因?yàn)榛馂?zāi)事故后1年，森林土壤環(huán)境遭到明顯破壞，微生物數(shù)量直線下降，無法得到有效的恢復(fù)；火災(zāi)事故后2年，由于火災(zāi)殘余的腐爛，再加之土壤環(huán)境的自身凈化，土壤中養(yǎng)分含量逐漸增加，為微生物提供了生長(zhǎng)條件，微生物數(shù)量隨之上升；火災(zāi)事故后5年，土壤環(huán)境逐漸恢復(fù)，尤其是輕度火災(zāi)事故研究樣地，已經(jīng)恢復(fù)到無火災(zāi)事故狀態(tài)（中度、重度火災(zāi)事故研究樣地未恢復(fù)到無火災(zāi)事故狀態(tài)），相應(yīng)的土壤微生物數(shù)量越來越接近標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量。

2.2 土壤微生物生物量變化分析

微生物碳氮含量變化分析，通過測(cè)定獲得土壤微生物生物量碳、氮含量變化情況見圖2。

如圖2所示，無論是在土壤上層（0 -10 cm）、土壤下層（10 -20 cm）或者整個(gè)土壤層（0-20 cm）背景下，土壤微生物生物量碳含量隨著火災(zāi)事故程度的增加而增加。在土壤上層（0 -10 cm）背景下，隨著土壤恢復(fù)年限的增加，土壤微生物生物量碳含量呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢(shì)；在土壤下層（10 -20 cm）背景下，隨著土壤恢復(fù)年限的增加，土壤微生物生物量碳含量呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)；在整個(gè)土壤層（0 -20 cm）背景下，隨著土壤恢復(fù)年限的增加，土壤微生物生物量碳含量呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢(shì)。造成上述土壤微生物生物量碳含量變化規(guī)律的主要原因是：火災(zāi)事故對(duì)于土壤環(huán)境的影響持續(xù)時(shí)間大約為2年，2年之后土壤環(huán)境逐漸開始恢復(fù)，碳含量逐漸上升。

無論是在土壤上層（0 - 10 cm）、土壤下層（10-20 cm）或者整個(gè)土壤層（0- 20 cm）背景下，土壤微生物生物量氮含量隨著火災(zāi)事故程度的增加而增加，主要是因?yàn)榛馂?zāi)事故程度越重，殘留在土壤表面的灰燼越多，致使土壤中可利用性養(yǎng)分增加，為土壤中存活微生物提供生長(zhǎng)養(yǎng)分。另外，火災(zāi)事故會(huì)提升土壤的pH值，促進(jìn)了微生物的繁殖。

從恢復(fù)年限角度出發(fā)，隨著土壤恢復(fù)年限的增加，土壤微生物生物量氮含量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)榛馂?zāi)事故后2年土壤環(huán)境經(jīng)過長(zhǎng)期高溫高熱的灼燒，使得土壤成分發(fā)生顯著變化，氮含量明顯下降，后續(xù)土壤環(huán)境逐漸恢復(fù)，氮含量也逐步增加。

3 結(jié)論

研究通過實(shí)地考察和實(shí)驗(yàn)分析，探討了火災(zāi)事故對(duì)森林土壤微生物生物量的影響。通過上述的測(cè)定結(jié)果，可以得出火災(zāi)對(duì)森林土壤微生物生物量的影響的幾個(gè)結(jié)論：首先，土壤下層（10 -20 cm）的微生物數(shù)量、碳含量和氮含量都明顯低于土壤上層（0 - 10 cm）。這是因?yàn)榛馂?zāi)后，上層土壤的有機(jī)物質(zhì)散落到了下層，增加了下層的碳和氮含量，但同時(shí)也抑制了下層土壤微生物的生長(zhǎng)。隨著土壤恢復(fù)年限的增加，微生物數(shù)量、碳含量和氮含量都呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢(shì)。這是因?yàn)榛馂?zāi)后，土壤環(huán)境經(jīng)歷了一段時(shí)間的惡化，隨著時(shí)間的推移，土壤環(huán)境逐漸恢復(fù)，微生物數(shù)量和營養(yǎng)含量也隨之恢復(fù)。研究成果對(duì)如何進(jìn)行有效的森林恢復(fù)和管理具有重要的指導(dǎo)意義。