测定大兴安岭林区不同火烧年限(火后4、14、40、70和120年内未火烧)、不同坡度(坡地、平地)凋落物和土壤C、N、P含量及其化学计量比,分析火烧对凋落物和土壤养分的长期影响及两者之间的关系.结果表明: 不同火烧年限凋落物和土壤C、N、P化学计量特征差异显著,凋落物C含量变化不大.凋落物N、P含量随火烧年限的增加而增加,在火后4和14年较低,在火后40年恢复到对照(未火烧)水平.凋落物C∶N和C∶P值随火烧年限增加而下降,N∶P值则呈上升趋势.土壤C、N、P含量及其比值随土层深度增加而降低.坡地土壤C含量随火烧年限增加而增加,在火后70年显著高于对照,在平地差异不显著.火烧年限和坡度的交互作用影响土壤P含量和C∶P值.坡地土壤P含量在火后4年高于对照,而平地在火后40年高于对照;坡地C∶P值在火后14年达到对照水平,而平地与对照差异不显著.冗余分析表明,有机质层土壤的坡度效应大于年限效应,矿质层土壤主要受年限效应影响.火后4和14年凋落物及土壤养分含量低于对照,随着火烧年限的增加,植被生长迅速同时凋落物分解加快,凋落物质量及土壤养分质量不断提高,在火后40年恢复到未火烧水平,趋于稳定状态.
We investigated the fire impacts on nutrients in litter and soil, and their C:N:P stoichiometry in forests of Great Xing’an Mountains. The studied sites differed in their burning year (postfire 4, 14, 40, 70 years and unburned within 120 years) and had different topographic locations (sloped land and flat land). The results showed that there were significant differences in stoichiometry characteristics of C, N, P for both litter and soil with different burning years. No significant fluctuation was observed for the litter C content, while the contents of litter N and P increased with the increasing postfire recovery years. In specific, we found the contents of litter N and P decreased at postfire 4 and 14 years and nearly recovered to the control level at 40 years after fire. Additionally, C:N and C:P ratios of litter decreased, but N:P ratio of litter increased following postfire recovery time. The contents of C, N, P and their ratios (C:N, C:P and N:P) in soil decreased with soil depth. Soil C content exhibited an increasing trend following postfire recovery time and was significantly higher than the control at postfire 70 years in sloped land, but no significant difference in the flat land. Significant interactive effects between fire history and slope were observed in soil P content and C:P ratio. Soil P content was higher than the control at postfire 4 years in sloped land, but was higher than the control at postfire 40 years in flat land. The C:P ratio recovered to the control level at postfire 14 years in sloped land, and there was no significant difference in flat land. Redundancy analysis showed that slope effect played a more vital role than fire history effect in soil organic layer, while fire history effect was the most important factor for the varia
tion of soil nutrients in soil mineral layer. In our study, nutrients of litter and soil were lower than the control level at postfire 4 and 14 years. The quality of litter and soil was improved with accelerated plant growth and litter decomposition following postfire recovery time and recovered to the prefire level at postfire 40 years, reaching a steady status.
全 文 :大兴安岭不同火烧年限森林凋落物和
土壤 C、N、P化学计量特征
杨新芳1,2 鲍雪莲1∗ 胡国庆1,2 邵 帅1,2 周 锋1,2 叶佳舒1 解宏图1 梁 超1
( 1中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110164; 2中国科学院大学, 北京 100049)
摘 要 测定大兴安岭林区不同火烧年限(火后 4、14、40、70 和 120 年内未火烧)、不同坡度
(坡地、平地)凋落物和土壤 C、N、P 含量及其化学计量比,分析火烧对凋落物和土壤养分的长
期影响及两者之间的关系.结果表明: 不同火烧年限凋落物和土壤 C、N、P 化学计量特征差异
显著,凋落物 C含量变化不大.凋落物 N、P 含量随火烧年限的增加而增加,在火后 4 和 14 年
较低,在火后 40年恢复到对照(未火烧)水平.凋落物 C ∶ N 和 C ∶ P 值随火烧年限增加而下
降,N ∶ P 值则呈上升趋势.土壤 C、N、P 含量及其比值随土层深度增加而降低.坡地土壤 C 含
量随火烧年限增加而增加,在火后 70年显著高于对照,在平地差异不显著.火烧年限和坡度的
交互作用影响土壤 P 含量和 C ∶ P 值.坡地土壤 P 含量在火后 4年高于对照,而平地在火后 40
年高于对照;坡地 C ∶ P 值在火后 14年达到对照水平,而平地与对照差异不显著.冗余分析表
明,有机质层土壤的坡度效应大于年限效应,矿质层土壤主要受年限效应影响.火后 4和 14年
凋落物及土壤养分含量低于对照,随着火烧年限的增加,植被生长迅速同时凋落物分解加快,
凋落物质量及土壤养分质量不断提高,在火后 40年恢复到未火烧水平,趋于稳定状态.
关键词 大兴安岭; 火烧年限; 坡度; 养分循环; 化学计量
本文由国家自然科学基金项目(41501282)、森林与土壤生态国家重点实验室开放基金课题项目(LFSE2015⁃15)和中国科学院战略性先导科技
专项项目(XDB15010303)资助 This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (41501282), the State Key Laboratory of
Forest and Soil Ecology (LFSE2015⁃15), and the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDB15010303).
2015⁃10⁃29 Received, 2016⁃02⁃24 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: baoxl@ iae.ac.cn
C:N:P stoichiometry characteristics of litter and soil of forests in Great Xing’an Mountains
with different fire years. YANG Xin⁃fang1,2, BAO Xue⁃lian1∗, HU Guo⁃qing1,2, SHAO Shuai1,2,
ZHOU Feng1,2, YE Jia⁃shu1, XIE Hong⁃tu1, LIANG Chao1 ( 1Institute of Applied Ecology, Chinese
Academy of Sciences, Shenyang 110164, China; 2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing
100049, China) .
Abstract: We investigated the fire impacts on nutrients in litter and soil, and their C:N:P stoichio⁃
metry in forests of Great Xing’an Mountains. The studied sites differed in their burning year (post⁃
fire 4, 14, 40, 70 years and unburned within 120 years) and had different topographic locations
(sloped land and flat land). The results showed that there were significant differences in stoichio⁃
metry characteristics of C, N, P for both litter and soil with different burning years. No significant
fluctuation was observed for the litter C content, while the contents of litter N and P increased with
the increasing post⁃fire recovery years. In specific, we found the contents of litter N and P de⁃
creased at post⁃fire 4 and 14 years and nearly recovered to the control level at 40 years after fire.
Additionally, C:N and C:P ratios of litter decreased, but N:P ratio of litter increased following
post⁃fire recovery time. The contents of C, N, P and their ratios (C:N, C:P and N:P) in soil
decreased with soil depth. Soil C content exhibited an increasing trend following post⁃fire recovery
time and was significantly higher than the control at post⁃fire 70 years in sloped land, but no signifi⁃
cant difference in the flat land. Significant interactive effects between fire history and slope were ob⁃
served in soil P content and C:P ratio. Soil P content was higher than the control at post⁃fire 4 years
in sloped land, but was higher than the control at post⁃fire 40 years in flat land. The C:P ratio re⁃
covered to the control level at post⁃fire 14 years in sloped land, and there was no significant diffe⁃
应 用 生 态 学 报 2016年 5月 第 27卷 第 5期 http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2016, 27(5): 1359-1367 DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201605.030
rence in flat land. Redundancy analysis showed that slope effect played a more vital role than fire
history effect in soil organic layer, while fire history effect was the most important factor for the varia⁃
tion of soil nutrients in soil mineral layer. In our study, nutrients of litter and soil were lower than
the control level at post⁃fire 4 and 14 years. The quality of litter and soil was improved with accele⁃
rated plant growth and litter decomposition following post⁃fire recovery time and recovered to the
pre⁃fire level at post⁃fire 40 years, reaching a steady status.
Key words: Great Xing’an Mountains; fire history; slope; nutrient cycle; stoichiometry.
温室气体增加导致气候变暖现象日益明显,促
使全球林火呈增多趋势[1-2] .林火对森林生产力、植
被更新演替及生物地球化学循环产生了重要影
响[3-4] .碳(C)、氮(N)、磷(P)元素是养分循环和转
化的核心,调节和驱动着整个森林生态系统地上植
被生长、群落结构组成以及地下土壤过程[5-6] .生态
化学计量学为研究 C、N、P 等主要元素的地化循环
和生态学过程提供了一种新思路[7] .
生态化学计量学是依据生态学和化学计量学的
基本原理,研究生物系统能量平衡和多种化学元素
平衡的一门学科[7-8] .近年来,关于化学计量比的研
究主要关注不同生态系统[9-10],而针对森林不同演
替序列的研究还较少[11],且已有报道主要集中在植
被[12]、土壤[13]及两者化学计量特征[14]等方面的描
述,对凋落物及其与土壤化学计量特征之间联系的
研究较少.关于火烧对森林生态系统影响的研究主
要集中在地上植被变化,火烧能够影响植被群落组
成,促进演替进行[15],进而导致凋落物质量变化,即
火后凋落物养分含量及化学特性改变[16] .目前,越
来越多的学者开始关注火烧对地下生态系统的影
响,如火烧能够改变土壤理化性质,影响土壤中各元
素养分循环过程等[17] .由于影响土壤养分库的因子
比较复杂,如火烧因子(强度、频率、年限)、空间异
质性及采样深度等,关于火烧对土壤养分影响的结
论并不一致.有研究认为,火烧短期会增加、降低或
不影响土壤中 C、N、P 含量[18-20] .关于火烧长期影响
的研究也没有统一的结论.有研究表明,火后 11 年
土壤理化性质与未火烧相比无显著差异[21],但也有
研究发现,火后 24 年土壤 C、N、P 含量仍显著高于
对照[22] .关于火烧后土壤养分长期动态变化仍需进
一步研究.
大兴安岭地区是我国面积最大的一个林区,森
林覆盖率约为 62%,也是林火发生最严重的地区之
一,林火已经对该区生态系统结构和功能产生了重
要影响[23] .因此,本文对大兴安岭呼中林区不同火
烧年限的凋落物和土壤 C、N、P 含量及其化学计量
特征进行研究,探究火后恢复过程中土壤养分含量
的动态变化以及凋落物对其影响,有助于深入了解
森林生态系统养分循环规律和稳定机制,为火后恢
复及正确经营管理提供科学指导.
1 研究地区与研究方法
1 1 研究区概况
研究区位于大兴安岭伊勒呼里山北坡、呼玛河
中上游地区的呼中林区(51°14′40″—52°25′00″ N,
122°39′30″—124°21′00″ E).该区坡度陡峭,最低海
拔 420 m,最高海拔 1404 m.气候属于寒温带大陆性
季风气候,年均温 4.7 ℃,年均降水量 350~500 mm,
降水多集中在 6—8月.该区森林类型属于寒温带针
叶林,植被类型以兴安落叶松(Larix gmelinii)为主,
还有樟子松 (Pinus sylvestris var. mongolica)、云杉
(Picea koraiensis)、白桦(Betula platyghylla)、钻天柳
(Chosenia arbutifolia)、山杨(Populus davidiana)等;
灌木和草本植物主要有兴安杜鹃 ( Rhododendron
dauricum)、越桔(Vaccinium vitis⁃idaea)、杜香(Ledum
palustre)、蒿类等.地带性土壤为棕色针叶林土.
1 2 野外调查及取样
2014年 7 月对呼中林区进行野外调查及土壤
样品采集.依据海拔、坡向等条件基本相同或相似的
原则,根据火烧年限选取 4 个重度火烧恢复迹地
(火烧后 4、14、40、70年),同时选取 120年内未火烧
样地作为对照,在 5 个样地内又按坡度不同分为坡
地(20° ~25°)和平地(0°).每个样地大小为 20 m×
20 m,随机选取 6个样点,样方大小为 50 cm×50 cm.
在每个样方内按照“S”形随机 5 点混合取样法采集
有机质层(半腐及全腐)及矿质层(0 ~ 10 cm 土层)
土壤,收集凋落物层(未分解).样地植被信息见表 1.
土壤样品置于保温箱内,运回实验室.
1 3 测定项目与方法
土壤样品过 2 mm筛,剔除凋落物、根系及石砾
等杂物,取出部分土壤和凋落物自然风干,用球磨仪
(Restch MM 400, Germany)研磨后过 100 目筛,装
瓶备用.土壤含水量采用重量法测定 ( 26. 4% ~
111.9%);pH采用电极电位法测定(3.92 ~ 5.84,水
0631 应 用 生 态 学 报 27卷
表 1 样地植被概况
Table 1 General status of vegetation in sites
火烧后年限
Post⁃fire years
坡度
Slope
主要乔木
Dominant tree
主要灌木
Dominant shrub
主要草本植物
Dominant herb
郁闭度
Canopy density
4 坡地 Sloped land 落叶松(死) 兴安杜鹃、杜香 小叶章、柳兰 0.1
平地 Flat land 落叶松(死) 兴安杜鹃、杜香 小叶章、柳兰 0.1
14 坡地 Sloped land 白桦、落叶松(少) 兴安杜鹃、杜香 小叶章、柳兰、地榆 0.1
平地 Flat land 白桦、落叶松(少) 兴安杜鹃、杜香 小叶章、柳兰、地榆 0.1
40 坡地 Sloped land 落叶松、白桦 兴安杜鹃、杜香、越桔 小叶章、地榆 0.2
平地 Flat land 落叶松、白桦 兴安杜鹃、杜香、越桔 小叶章、地榆 0.3
70 坡地 Sloped land 落叶松、白桦 兴安杜鹃、杜香、越桔 小叶章、地榆 0.3
平地 Flat land 落叶松、白桦 兴安杜鹃、杜香、越桔 小叶章、地榆 0.3
120 坡地 Sloped land 落叶松、白桦 兴安杜鹃、杜香、越桔 苔草、地榆 0.4
平地 Flat land 落叶松、白桦 兴安杜鹃、杜香、越桔 苔草、地榆 0.5
小叶章: Deyeuxia angustifolia; 柳兰: Chamaenerion angustifolium; 地榆: Sanguisorba officinalis; 苔草: Carex spp.
土比为 2.5 ∶ 1);土壤和凋落物 C、N 含量利用元素
分析仪(Elementer VARIO Macro, Germany)测定;土
壤 P 含量采用硝酸+高氯酸+氢氟酸消煮⁃钼锑抗比
色法测定,凋落物 P 含量采用硝酸+高氯酸消煮⁃钼
锑抗比色法[24]测定.
1 4 数据处理
采用 Excel 2003、SPSS 16.0 和 CANOCO 4.5 软
件对数据进行统计分析.采用双因素方差分析( two⁃
way ANOVA)研究凋落物和土壤 C、N、P 含量及其
化学计量比的年限效应、坡度效应及两者交互效应.
对具有年限效应的指标在不同坡度下分别进行单因
素方差分析(one⁃way ANOVA)以研究不同火烧年限
凋落物和土壤化学计量特征差异,采用 Tukey 法进
行显著性检验(α= 0.05).利用冗余分析法(RDA)分
析凋落物环境变量对土壤化学计量特征的影响,蒙
特卡罗置换检验(Monte Carlo permutation test)来检
验约束排序模型的显著性并评估环境变量对响应变
量的解释贡献.利用 Origin 8.0 软件作图.图表中数
据为平均值±标准误.
2 结果与分析
2 1 凋落物 C、N、P 含量及其化学计量比
由图 1可以看出,凋落物 C、N、P 含量及其比值
在不同火烧年限间存在显著差异.火后 4 年凋落物
C含量显著高于对照(120 年内未火烧),除平地火
后 14年外,C 含量与对照相比差异均不显著.凋落
物 N含量在火后 4及 14年低于对照,随火烧年限增
加呈增加趋势,在火后 40 年达到对照水平.凋落物
P 含量受火烧年限和坡度交互作用影响,火后 4 及
14年时低于对照,坡地 P 含量在火后 40 年达到最
大值且高于对照,而平地火后 40年达到对照水平.
凋落物 C ∶ N 值与 N 含量呈相反的变化趋势,
在火后 40年达到对照水平.凋落物 C ∶ P 值受火烧
年限和坡度的交互作用影响,与全 P 含量的变化趋
势相反,随着火烧年限的增加 C ∶ P 值降低,平地
(火后 14年)比坡地(火后 40 年)先达到对照水平.
凋落物 N ∶ P 值仅受火烧年限影响,在坡地火后 40
年仍低于对照,在火后 70年达到对照水平.
2 2 土壤 C、N、P 含量及其化学计量比
如表 2所示,不同火烧年限土壤 C、N、P 含量及
其化学计量比间差异显著,且随土壤深度增加而降
低.有机质层土壤养分含量(除 N 含量外)均具有坡
度效应,平地 C含量和 N ∶ P 值高于坡地.坡地 C 含
量和 N ∶ P 值均随火烧年限增加呈增加趋势,C 含
量在火后 70年高于对照,N ∶ P 值在火后 14年达到
对照水平;而平地土壤 C 含量和 N ∶ P 值与对照相
比差异均不显著.火烧年限和坡度的交互作用影响
了有机质层土壤 N、P 含量和 C ∶ N、C ∶ P 值.坡地
土壤 N含量在火后 70年高于对照,而平地在火后 4
年高于对照;P 含量无论在坡地还是平地在火后 4
年均高于对照.不同火烧年限坡地土壤 C ∶ N 值与
对照相比差异不显著,C ∶ P 值在火后 14 年达到对
照水平.平地土壤 C ∶ N和 C ∶ P 值均随火烧年限增
加呈上升趋势,C ∶ N 值在火后 4 年低于对照,在火
后 70年达到最大值,高于对照;C ∶ P 值在火后 4 年
达到对照水平.
不同火烧年限的矿质层土壤 C、N含量和 C ∶ N
值间差异显著,随火烧年限增加呈增加趋势,在火后
40年,坡地土壤 C含量和 C ∶ N值高于对照.土壤 P
含量、C ∶ P 和 N ∶ P 值受火烧年限和坡度的交互作
用影响.坡地 P 含量随火烧年限的增加呈降低趋势,
除火后 14年外,其他年限 P 含量高于对照,而 C ∶ P
和 N ∶ P 值变化趋势与 P 相反.平地土壤 P 在火后
40年高于对照,N ∶ P值在火后4年低于对照,其
16315期 杨新芳等: 大兴安岭不同火烧年限森林凋落物和土壤 C、N、P 化学计量特征
图 1 不同火烧年限凋落物 C、N、P 含量及其化学计量比
Fig.1 Stoichiometry ratio of the C, N, P contents in litter at different fire years.
∗P<0.05; ∗∗P<0.01. Y: 火烧后年限 Post⁃fire years; S: 坡度 Slope. 图中数值为 F值 F value was in Table 1. 不同字母表示同一样地不同火烧年
限间差异显著(P<0.05)Different letters in the same plot meant significant difference among different post⁃fire years at 0.05 level. 下同 The same below.
图 2 不同土层土壤化学计量特征与凋落物环境因子的冗余分析
Fig.2 Redundancy analysis (RDA) of stoichiometry characteristics of C, N, P in soil with environmental factors of litter.
Ⅰ: 有机质层 Organic layer; Ⅱ:矿质层Mineral layer. 图 A、B是土壤化学计量特征与环境因子的 RDA排序图 Figs. A and B were RDA ordination
plots of soil stoichiometry characteristics and environmental factors. 图 C、D是样本散点图,其中黑色图标表示坡地,白色图标表示平地 Figs. C and D
were scatter plots, black meant slopped land, and white meant flat land.
2631 应 用 生 态 学 报 27卷
表 2 不同火烧年限各土层 C、N、P化学计量特征及双因素统计分析
Table 2 Stoichiometry characteristics of C, N, P and two⁃way ANOVA in different soil layers at different fire years
土层
Soil
layer
坡度
Slope
火烧后
年限
Post⁃
fire
years
碳含量
C content
(g·kg-1)
氮含量
N content
(g·kg-1)
磷含量
P content
(g·kg-1)
碳氮比
C / N
碳磷比
C / P
氮磷比
N / P
有机质层 坡地 4 70.19±27.44c 2.96±0.55b 1.11±0.34a 23.26±7.23ab 77.29±54.89b 3.01±1.36b
Organic Sloped 14 94.74±24.97bc 4.81±1.19ab 0.59±0.10bc 19.76±2.48b 153.85±50.27ab 8.41±1.50a
layer land 40 118.80±7.97ab 4.38±1.04ab 0.72±0.25abc 31.39±6.16a 168.33±62.27a 6.73±2.67ab
70 157.40±34.47a 5.45±1.59a 0.80±0.24ab 28.10±4.60ab 218.05±89.44a 8.17±3.83a
120 80.50±23.29bc 2.98±0.71b 0.38±0.06c 26.92±4.12ab 211.25±33.83a 7.87±0.92a
平地 4 105.63±39.13a 4.20±0.91a 0.82±0.23a 25.15±4.15c 180.70±82.10b 6.91±2.11ab
Flat 14 119.98±23.32a 3.08±0.29b 0.34±0.08b 37.37±5.72ab 412.78±83.07a 10.09±1.56a
land 40 126.84±22.50a 4.18±1.22ab 0.82±0.19a 31.24±5.12bc 142.53±12.50b 5.31±1.87b
70 168.30±52.35a 4.12±1.04ab 0.47±0.15b 40.14±3.31a 394.42±176.36a 9.65±3.97ab
120 92.85±32.55a 2.76±0.55b 0.31±0.08b 33.03±6.44b 222.84±48.76ab 8.40±2.11ab
F值 Y 11.43∗∗ 4.72∗∗ 14.59∗∗ 3.15∗ 5.32∗∗ 5.95∗∗
F S 5.97∗ 2.25 14.54∗∗ 31.60∗∗ 27.46∗∗ 4.81∗
value Y×S 0.44 3.97∗∗ 3.50∗∗ 6.03∗∗ 5.63∗∗ 2.19
矿质层 坡地 4 27.73±5.09ab 1.56±0.06a 1.21±0.38a 15.90±0.16ab 24.46±6.82c 1.42±0.52c
Mineral Sloped 14 22.36±3.58ab 1.48±0.12a 0.26±0.02bc 15.07±1.85bc 86.65±17.77ab 5.72±0.75b
layer land 40 38.48±14.79a 1.74±0.60a 0.70±0.34b 19.79±1.96ab 64.10±28.37ab 3.36±1.63bc
70 38.44±16.48a 1.89±0.60a 0.48±0.08b 19.81±2.89a 54.45±4.99b 3.02±0.85c
120 19.13±2.89b 1.44±0.02a 0.19±0.03c 11.92±3.30c 104.52±16.20a 9.31±2.76a
平地 4 21.32±7.97a 1.37±0.05a 0.58±0.18a 14.09±2.79b 31.66±8.06a 2.32±0.31b
Flat 14 18.57±7.10a 1.38±0.03a 0.28±0.04b 13.53±2.13b 53.34±17.17a 4.34±2.20ab
land 40 42.61±11.93a 1.76±0.38a 0.68±0.29a 24.07±2.61a 70.05±26.44a 2.90±1.05ab
70 32.51±11.42a 1.73±0.32a 0.55±0.20b 19.60±7.84ab 51.70±7.41a 3.59±1.74ab
120 19.64±3.15a 1.44±0.01a 0.27±0.03b 15.42±6.37ab 75.42±27.81a 5.48±2.15a
F值 Y 11.29∗∗ 2.82∗ 13.41∗∗ 9.44∗∗ 13.75∗∗ 16.11∗∗
F S 1.36 0.82 1.86 1.07 3.57 3.81
value Y×S 0.54 0.42 5.36∗∗ 1.49 3.22∗ 3.71∗∗
∗P<0.05; ∗∗P<0.01. Y: 火烧后年限 Post⁃fire years; S: 坡度 Slope. 下同 The same below. 同列不同字母表示差异显著(P<0.05) Different let⁃
ters in the same column meant significant difference at 0.05 level.
他年限均不存在显著差异.
2 3 凋落物化学计量特征与土壤化学计量特征的
关系
冗余分析表明,凋落物环境因子的变化改变了
土壤 C、N、P 化学计量特征.在土壤有机质层,凋落
物环境变量解释了土壤 C、 N、 P 化学计量特征
18.3%的变化,坡度因子对变异的贡献率最大,为
16.3%,其次是凋落物 P 含量、C 含量和火烧年限
(表 3).凋落物 N、P 含量与土壤 C 含量及含水量呈
显著正相关,土壤 pH 与土壤 P 含量也呈显著正相
关(图 2).从 RDA 散点图可以看出,坡地和平地样
点分别位于第 1 轴两侧,且火后 4、14 年聚集在一
起,而 40、70 年聚集在一起(图 2).在土壤矿质层,
凋落物环境变量解释了土壤化学计量特征 26.4%的
变化,与有机质层不同之处在于矿质层主要是受火
烧年限的影响,贡献率达到 20.9%,而坡度的贡献率
只有1.1%.凋落物化学计量比(9.3%)显著解释了矿
质层土壤化学计量特征变化(表3) .另外,火后4、
表 3 凋落物环境变量对土壤 C、N、P含量及其化学计量比
变异解释的百分比
Table 3 Percentage of variance in soil stoichiometry cha⁃
racteristics of C, N, P explained by litter variables
项目
Item
有机质层
Organic layer
%
(adj R2)
P
矿质层
Mineral layer
%
(adj R2)
P
因子
Factor
火烧后年限
Post⁃fire years
3.3 0.09 20.9 0.00∗∗
坡度 Slope 16.3 0.01∗∗ 1.1 0.19
含量 C 4.0 0.07 6.9 0.01∗
Content N 2.9 0.15 7.0 0.01∗∗
P 5.1 0.04∗ 4.1 0.04∗
比值 C ∶ N 1.5 0.14 10.6 0.00∗∗
Ratio C ∶ P 2.5 0.15 7.4 0.01∗∗
N ∶ P 8.9 0.57 4.2 0.04∗
因子 Factor 20.0 0.00∗∗ 22.4 0.00∗∗
含量 Content 3.4 0.16 5.8 0.07
比值 Ratio 1.1 0.35 9.3 0.01∗∗
RDA 18.3 0.01∗∗ 26.4 0.00∗∗
36315期 杨新芳等: 大兴安岭不同火烧年限森林凋落物和土壤 C、N、P 化学计量特征
14、40年的点主要聚集在第 1 冗余轴的左侧,而火
后 70、120 年内未火烧的点主要聚集在第 1 冗余轴
的右侧(图 2),说明不同火烧年限影响矿质层土壤
化学计量特征.
3 讨 论
火烧导致植被组成改变,通过凋落物数量和质
量的变化,对凋落物分解和养分循环产生重要影
响[25] .王绪高等[26]对大兴安岭林区火后植被演替研
究发现,火烧发生初期,草本植物迅速生长,随时间
推移灌木、乔木开始占据优势地位,火后 16 年以白
桦为主的阔叶树种开始入侵形成针阔混交林,火烧
100年后形成落叶松纯林.本研究中,火后 4 年植被
主要为火后残余落叶松及大量草本植物,火后 14 年
开始出现白桦及少量的落叶松等乔木树种,植被演
替规律与前人研究基本相符.N、P 等营养元素含量
的高低与植物生长和群落动态密切相关. Wang
等[16]通过对温带草原人为控制火烧试验研究发现,
火烧能够提高不同物种凋落物 N、P 含量. Seaman
等[27]研究表明,温带雨林火后恢复过程中凋落物 P
含量增加.本研究中,凋落物 N、P 含量随火烧年限
增加呈增加趋势,火后 4、14 年植被凋落物的 N、P
含量显著低于对照,主要原因是火烧恢复初期由于
大量植被及地表凋落物被烧毁,凋落物量少且养分
含量低.随着植被演替进行,火后 40 和 70 年植被主
要是由白桦和落叶松组成的针阔混交林,其凋落物
N、P 含量显著提高[28],本研究表明,火后恢复初期
凋落物质量较低,随时间推移凋落物养分质量不断
提高.
不同火烧年限间凋落物 C 含量变化不大,这是
因为通常大多数植物体内的 C 含量较高且变异小.
因此,影响凋落物 C ∶ N、C ∶ P 值变化的关键因子分
别是 N、P 含量,这与 Reich 等[29]的研究结论一致.
王绍强等[30]认为,C ∶ N值低的植物残体较易分解,
分解速率会加快,因此凋落物分解速率的快慢可以
通过凋落物 C ∶ N值的变化来反映[31] .本研究表明,
火后 4和 14年凋落物的 C ∶ N值显著高于对照,而
火后 40年下降到对照水平且趋于稳定状态,这是因
为植被类型由火后纯针叶林向针阔混交林演替,针
阔混交林凋落物分解速率比针叶林要快[27],说明随
火烧年限增加凋落物分解速率不断提高.Aerts等[32]
指出,凋落物 N含量升高或 C ∶ N 值降低会加快凋
落物分解速率,加速养分循环,研究结果与之相符.
随着火后植被恢复的进行,植被的生长速率不断增
加,在植物生长过程中需要大量的蛋白质和核
酸[33-34],植物组织中 N、P 含量增加,因此火后 40年
植物快速生长也是导致其凋落物 N、P 含量增加的
原因,这也是导致凋落物 C ∶ N、C ∶ P 值在火后恢复
过程中降低的原因之一.N 和 P 是生态系统中限制
植物生长的主要营养元素,因此土壤养分对植物生
长的限制类型可以通过凋落物 N ∶ P 值大小来预
测,N ∶ P 值越高,说明受 P 限制越强[35] .本研究中,
凋落物的 N ∶ P 值均小于 14,表明大兴安岭林区火
后植被生长主要受 N限制,这与北方森林生产力主
要受 N 限制的结论一致[36] .Seaman 等[27]研究也发
现,在火后恢复过程中叶片的 N ∶ P 不断提高.本研
究中,火后 70 年 N ∶ P 值显著高于火后 4 年,表明
火烧恢复过程中植物生长受 P 限制作用不断增强.
土壤养分含量变化的影响因素比较复杂,关于
火后土壤养分含量变化的研究没有一个统一的结
论.例如,薛立等[37]研究表明,火后 3~4年土壤 C含
量仍低于火烧前水平;王丽红等[22]研究表明,火后
24年土壤 C 含量显著高于对照.本研究中,火后 4
年土壤 C含量显著低于对照,但在火后 40、70 年时
高于对照.土壤养分含量受凋落物养分含量变化的
影响较大.本研究中,土壤 C含量随火烧年限增加呈
增加趋势,一方面是因为土壤 C 主要来源于根系凋
落物,植被组成由火后落叶松林演变为针阔混交林,
其根系凋落物的分解速率增加,输入到土壤中的 C
增加,有研究认为植物生长速率加快,土壤中固定的
C也会增加[38],这与本研究中火后恢复过程中植被
生长加速导致土壤中 C 含量升高的结论一致.另一
方面是因为土壤含水量和 pH 的变化会影响土壤 C
矿化,冗余分析表明,土壤 C 含量与含水量呈显著
正相关,与 pH值呈负相关.王丹等[39]通过水分对高
寒湿地和草甸土壤碳矿化的影响研究表明,水分升
高会抑制土壤碳矿化.本研究中,土壤含水量随火烧
年限增加呈上升趋势,含水量升高会降低微生物分
解利用有机质速率,火后 40 和 70 年土壤矿化速率
下降,导致土壤 C 含量升高.白爱芹等[40]对大兴安
岭火烧迹地恢复初期土壤微生物群落特征研究发
现,火后土壤 pH 的下降有利于微生物群落结构恢
复及活性提高.本研究中,土壤 pH 随火烧年限增加
呈下降趋势,表明火后恢复过程中微生物活性不
断提高,进而加速土壤 C 的周转速率.一般认为,高
C ∶ N值的土壤具有较低的矿化速率[30] .本研究发
现,火后 40 年土壤 C ∶ N 值显著高于对照,表明火
后 40年土壤 C矿化速率降低,进一步说明土壤正处
4631 应 用 生 态 学 报 27卷
于碳积累状态.
土壤 N主要来源于地表凋落物分解,在火后恢
复进程中由于凋落物 N 含量及分解速率增加,向土
壤中归还的 N 增多,且已有研究表明,火烧能够降
低土壤 N 矿化速率[41],因此土壤表层 N 含量升高.
李媛等[42]对典型草原火烧不同恢复年限土壤化学
性质变化研究也表明,火烧能够提高土壤 N 含量,
与本研究结果一致.土壤 P 主要来源于岩石风化、淋
溶和凋落物分解[41] .冗余分析表明,土壤表层 P 含
量受凋落物 P 含量影响不大,与 pH 呈正相关.而
且,土壤中 P 含量增加也会促进受 P 限制植物的生
长[43],与凋落物 N ∶ P 值变化得出的结论一致.虽然
土壤中 N、P 含量升高,但增加幅度不同,火后恢复
过程中 N 损失减小,P 矿化和释放与 N 相比较缓
慢[44],导致 P 的可获得性降低,所以土壤中 N ∶ P
升高.土壤矿质层的养分化学计量特征变化直接受
表层土壤的影响,其变化规律与表层土壤基本一致,
且火烧对土壤养分的扰动随土壤深度增加而降低.
地形会影响凋落物及土壤养分含量的变化,当
林火发生时,坡地由于风力作用林火蔓延较快,对植
被和土壤破坏性相对较轻.蔡文华等[45]研究表明,
坡度对针叶树和阔叶树更新苗密度有很大影响,在
坡地阔叶树种更新较快,而平地针叶树种更新快.冗
余分析表明,坡度对土壤表层养分含量变化影响较
大,与平地相比坡地受雨水冲蚀严重,养分和水分更
易于流失[46],在火后 4 年表现尤为明显,而坡度对
矿质层土壤影响较小,深层土壤主要受火烧年限的
长期影响.
从长远来看,火烧改变了地上植被群落组成,以
凋落物为“媒介”,通过改变凋落物数量和质量影响
凋落物分解速率,进而影响归还到土壤中的养分质
量,最终对地下土壤生态系统的养分循环产生影响.
火烧也通过改变土壤的理化性质间接影响养分循环
过程.本研究发现,随火烧恢复年限增加,凋落物和
土壤养分质量不断提高,在火后 4和 14年凋落物和
土壤养分含量低于对照,在火后 40年恢复到未火烧
水平,且趋于稳定状态.
致谢 感谢中国科学院沈阳应用生态研究所杨健研究员、杨
元征博士在大兴安岭呼中自然保护区对样地选择、野外群落
调查中所给予的支持和帮助.
参考文献
[1] Westerling AL, Hidalgo HG, Cayan DR, et al. War⁃
ming and earlier spring increases western U. S. forest
wildfire activity. Science, 2006, 313: 940-943
[2] Liu ZH, Yang J, Chang Y, et al. Spatial patterns and
drivers of fire occurrence and its future trend under cli⁃
mate change in a boreal forest of Northeast China. Glo⁃
bal Change Biology, 2012, 18: 2041-2056
[3] Hart SC, Deluca TH, Newman GS, et al. Post⁃fire ve⁃
getative dynamics as drivers of microbial community
structure and function in forest soils. Forest Ecology and
Management, 2005, 220: 166-184
[4] Neary DG, Klopatek CC, DeBano LF, et al. Fire effects
on belowground sustainability: A review and synthesis.
Forest Ecology and Management, 1999, 122: 51-71
[5] Elser JJ, Bracken ME, Cleland EE, et al. Global analy⁃
sis of nitrogen and phosphorus limitation of primary pro⁃
ducers in freshwater, marine and terrestrial ecosystems.
Ecology Letters, 2007, 10: 1135-1142
[6] Barot S, Ugolini A, Brikci FB. Nutrient cycling efficien⁃
cy explains the longterm effect of ecosystem engineers on
primary production. Functional Ecology, 2007, 21: 1-
10
[7] Sterner RW, Elser JJ. Ecological Stoichiometry: The
Biology of Elements from Moleculesto the Biosphere.
Princeton, NJ: Princeton University Press, 2002
[8] He J⁃S (贺金生), Han X⁃G (韩兴国). Ecological
stoichiometry: Searching for unifying principles from in⁃
dividuals to ecosystems. Chinese Journal of Plant Ecolo⁃
gy (植物生态学报), 2010, 34(1): 2 - 6 ( in Chi⁃
nese)
[9] He JS, Wang L, Flynn DFB, et al. Leaf nitrogen: phos⁃
phorus stoichiometry across Chinese grassland biomes.
Oecologia, 2008, 155: 301-310
[10] Ren S⁃J (任书杰), Yu G⁃R (于贵瑞), Jiang C⁃M
(姜春明), et al. Stoichiometric characteristics of leaf
carbon, nitrogen, and phosphorus of 102 dominant spe⁃
cies in forest ecosystems along the North⁃South Transect
of East China. Chinese Journal of Applied Ecology (应用
生态学报), 2012, 23(3): 581-586 (in Chinese)
[11] Liu W⁃D (刘万德), Su J⁃R (苏建荣), Li S⁃F (李帅
锋), et al. Stoichiometry study of C, N and P in plant
and soil at different successional stages of monsoon ever⁃
green broad⁃leaved forest in Pu’ er, Yunnan Province.
Acta Ecologica Sinica (生态学报), 2010, 30(23):
6581-6590 (in Chinese)
[12] Yan E⁃R (阎恩荣), Wang X⁃H (王希华), Zhou W
(周 武). N:P stoichiometry in secondary succession
in evergreen broad⁃leaved forest, Tiantong, east China.
Chinese Journal of Plant Ecology (植物生态学报),
2008, 32(1): 13-22 (in Chinese)
[13] Pang S⁃J (庞圣江), Zhang P (张 培), Jia H⁃Y (贾
宏炎), et al. Research on soil ecological stoichiometry
under different forest types in Northwest Guangxi. Chi⁃
nese Agricultural Science Bulletin (中国农学通报),
2015, 31(1): 17-23 (in Chinese)
[14] Liu X⁃S (刘兴诏), Zhou G⁃Y (周国逸), Zhang D⁃Q
(张德强), et al. N and P stoichiometry of plant and
soil in lower subtropical forest successional series in
southern China. Chinese Journal of Plant Ecology (植物
56315期 杨新芳等: 大兴安岭不同火烧年限森林凋落物和土壤 C、N、P 化学计量特征
生态学报), 2010, 34(1): 64-71 (in Chinese)
[15] Yang J (杨 健), Kong J⁃J (孔健健), Liu B (刘
波). A review of effects of fire disturbance on understory
vegetation in boreal coniferous forest. Chinese Journal of
Plant Ecology (植物生态学报), 2013, 37(5): 474-
480 (in Chinese)
[16] Wang XG, Lü XT, Han XG. Responses of nutrient con⁃
centrations and stoichiometry of senesced leaves in domi⁃
nant plants to nitrogen addition and prescribed burning
in a temperate steppe. Ecological Engineering, 2014,
70: 154-161
[17] Certini G. Effects of fire on properties of forest soils: A
review. Oecologia, 2005, 143: 1-10
[18] Hamman ST, Burke IC, Knapp EE. Soil nutrients and
microbial activity after early and late season prescribed
burns in a Sierra Nevada mixed conifer forest. Forest
Ecology and Management, 2008, 256: 367-374
[19] Johnson DW, Curtis PS. Effects of forest management on
soil C and N storage: Meta analysis. Forest Ecology and
Management, 2001, 140: 227-238
[20] Moghaddas EEY, Stephens SL. Thinning, burning, and
thin⁃burn fuel treatment effects on soil properties in a Si⁃
erra Nevada mixed conifer forests. Forest Ecology and
Management, 2007, 250: 156-166
[21] Kong J⁃J (孔健健), Yang J (杨 健). Effects of fire
on soil properties and nutrient availability in a Dahurian
larch forest in Great Xing’ an Mountains of Northeast
China. Chinese Journal of Ecology (生态学杂志),
2013, 32(11): 2837-2843 (in Chinese)
[22] Wang L⁃H (王丽红), Xin Y (辛 颖), Zhao Y⁃S
(赵雨森), et al. Soil microbial biomass and enzyme ac⁃
tivity in the process of vegetation restoration in burned
area of Great Xing’ an Mountains. Journal of Soil and
Water Conservation (水土保持学报), 2015, 29(3):
185-189 (in Chinese)
[23] Wang X⁃G (王绪高), Li X⁃Z (李秀珍), He H⁃S (贺
红士). Long⁃term effects of different management strate⁃
gies on Larix gmelini forests in Great Xing’an Mountains
after the catastrophic fire in 1987. Chinese Journal of
Applied Ecology (应用生态学报), 2008, 19 ( 4):
915-921 (in Chinese)
[24] Lu R⁃K (鲁如坤). Soil and Agricultural Chemical
Analysis Method. Beijing: China Agriculture Press,
2000 (in Chinese)
[25] Toberman H, Chen CR, Lewis T, et al. High⁃frequency
fire alters C:N:P stoichiometry in forest litter. Global
Change Biology, 2014, 20: 2321-2331
[26] Wang X⁃G (王绪高), Li X⁃Z (李秀珍), He H⁃S (贺
红士), et al. Postfire succession of larch forest in the
northern slope of Daxinganling. Chinese Journal of Eco⁃
logy (生态学杂志), 2004, 23(5): 35-41 ( in Chi⁃
nese)
[27] Seaman BJ, Albornoz FE, Armesto JJ, et al. Phospho⁃
rus conservation during post⁃fire regeneration in a
Chilean temperate rainforest. Austral Ecology, 2015,
40: 709-717
[28] Wang S⁃L (汪思龙), Chen C⁃Y (陈楚莹). Forest Lit⁃
ter Ecology. Beijing: Science Press, 2010 (in Chinese)
[29] Reich PB, Oleksyn J. Global patterns of plant leaf N
and P in relation to temperature and latitude. Procee⁃
dings of the National Academy of Sciences of the United
States of America, 2004, 101: 11001-11006
[30] Wang S⁃Q (王绍强), Yu G⁃R (于贵瑞). Ecological
stoichiometry characteristics of ecosystem carbon, nitro⁃
gen, phosphorus elements. Acta Ecologica Sinica (生态
学报), 2008, 28(8): 3938-3947 (in Chinese)
[31] Yuste JC, Baldocchi DD, Gershenson A, et al. Micro⁃
bial soil respiration and its dependency on carbon in⁃
puts, soil temperature and moisture. Global Change Bio⁃
logy, 2007, 13: 2018-2035
[32] Aerts R, Chapin FS Ⅲ. The mineral nutrition of wild
plants revisited: A re⁃evaluation of processes and pat⁃
terns. Advance in Ecological Research, 2000, 30: 1-67
[33] Güsewell S. N:P ratios in terrestrial plants: Variation
and functional significance. New Phytologist, 2004,
164: 243-266
[34] Elser JJ, Acharya K, Kyle M, et al. Growth rate⁃
stoichiometry couplings in diverse biota. Ecology Letters,
2003, 6: 936-943
[35] Güsewell S, Verhoeven JTA. Litter N ∶ P ratios indicate
whether N or P limits the decomposability of graminoid
leaf litter. Plant and Soil, 2006, 287: 131-143
[36] Wardle DA, Walker LR, Bardett RD. Ecosystem pro⁃
perties and forest decline in contrasting long⁃term chro⁃
nosequences. Science, 2004, 305: 509-513
[37] Xue L (薛 立), Chen H⁃Y (陈红跃), Yang Z⁃Y
(杨振意), et al. The effect of fire on soil properties in
a Pinus massoniana stand. Acta Ecologica Sinica (生态
学报), 2011, 31(22): 6824-6831 (in Chinese)
[38] Wang W⁃Q (王维奇), Xu L⁃L (徐玲琳), Zeng C⁃S
(曾从盛), et al. Carbon, nitrogen and phosphorus
ecological stoichiometric ratios among live plant⁃litter⁃
soil systems in estuarine wetland. Acta Ecologica Sinica
(生态学报), 2011, 31(23): 7119 - 7124 ( in Chi⁃
nese)
[39] Wang D (王 丹), Lyu Y⁃L (吕瑜良), Xu L (徐
丽), et al. The effect of moisture and temperature on
soil C mineralization in wetland and steppe of the Zoige
region, China. Acta Ecologica Sinica (生态学报),
2013, 33(20): 6436-6443 (in Chinese)
[40] Bai A⁃Q (白爱芹), Fu B⁃J (傅伯杰), Qu L⁃Y (曲来
叶), et al. The characteristics of soil microbial commu⁃
nities at burned forest sites for the Great Xing ’ an
Mountains. Acta Ecologica Sinica (生态学报), 2012,
32(15): 4762-4771 (in Chinese)
[41] Liu X⁃S (刘兴诏), Zhou G⁃Y (周国逸), Zhang D⁃Q
(张德强), et al. N and P stoichiometry of plant and
soil in lower subtropical forest successional series in
southern China. Chinese Journal of Plant Ecology (植物
生态学报), 2010, 34(1): 64-71 (in Chinese)
[42] Li Y (李 媛), Cheng J⁃M (程积民), Wei L (魏
琳), et al. Changes of soil chemical properties after dif⁃
ferent burning years in typical steppe of Yunwun
Mountains. Acta Ecologica Sinica (生态学报), 2013,
6631 应 用 生 态 学 报 27卷
33(7): 2131-2138 (in Chinese)
[43] Perring MP, Hedin LO, Levin SA, et al. Increased
plant growth from nitrogen addition should conserve
phosphorus in terrestrial ecosystems. Proceedings of the
National Academy of Sciences of the United States of
America, 2008, 105: 1971-1976
[44] Kong J⁃J (孔健健), Yang J (杨 健). Short⁃ and
long⁃term effects of fire on soil properties in a Dahurian
larch forest in Great Xing’ an Mountains. Chinese Jour⁃
nal of Ecology (生态学杂志), 2014, 33(6): 1445-
1450 (in Chinese)
[45] Cai W⁃H (蔡文华), Yang J (杨 健), Liu Z⁃H (刘
志华), et al. Controls of post⁃fire tree recruitment in
Great Xing’an Mountains in Heilongjiang Province. Acta
Ecologica Sinica (生态学报), 2012, 32(11): 3303-
3312 (in Chinese)
[46] Bai A⁃Q (白爱芹), Fu B⁃J (傅伯杰), Qu L⁃Y (曲来
叶), et al. The study of characteristics of soil microbial
communities at high severity burned forest sites for the
Great Xing’ an Mountains: An example of slope and
aspect. Acta Ecologica Sinica (生态学报), 2013, 33
(17): 5201-5209 (in Chinese)
作者简介 杨新芳,女,1990年生,硕士研究生. 主要从事土
壤微生物生态研究. E⁃mail: yangxinfang123@ 126.com
责任编辑 孙 菊
杨新芳, 鲍雪莲, 胡国庆, 等. 大兴安岭不同火烧年限森林凋落物和土壤 C、N、P 化学计量特征. 应用生态学报, 2016, 27
(5): 1359-1367
Yang X⁃F, Bao X⁃L, Hu G⁃Q, et al. C:N:P stoichiometry characteristics of litter and soil of forests in Great Xing’an Mountains with
different fire years. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(5): 1359-1367 (in Chinese)
76315期 杨新芳等: 大兴安岭不同火烧年限森林凋落物和土壤 C、N、P 化学计量特征