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过火后森林土壤黑碳的分布格局特征研究
【摘要】
采用样方调查法和实验室分析法，研究了森林火灾后土壤黑碳的分布格局特征。结果表明：(1)森林火灾后土壤总有机碳(TOC)和黑碳浓度均有显著增加，其中黑碳浓度增加幅度更大。(2)火灾影响区内黑碳含量呈现高值聚集，且随着深度增加呈逐渐减小趋势；火灾未影响区内黑碳含量则没有显著的空间分布格局。(3)不同火灾历史的林分，黑碳的含量和分布格局存在差异，且受细胞壁厚度、火灾强度等影响较大。(4)黑碳的存在会对土壤生态环境和生物地球化学循环产生一定的影响，有必要对其进一步深入研究。
【关键词】森林火灾；黑碳；分布格局；生态环境；生物地球化学循环
【正文】
一、引言
火灾是自然灾害中的一种，其不仅对自然和生态环境造成严重危害，还给人类的生产和生活带来了一系列影响。火灾发生后，因为高温燃烧和氧化等化学过程，会产生一种黑色颗粒物——黑碳。黑碳是指炭质颗粒物中的一种，是指直径小于或等于0.05mm，且含有不少于20%碳元素[1]。黑碳具有不易降解的性质，因此能够在区域尺度和全球尺度上影响气候和环境。在土壤中，黑碳可在一定程度上影响土壤生态环境和生物地球化学循环。因此，对于火灾后土壤黑碳的分布格局特征研究，具有一定的现实和科学意义。
二、研究方法
本研究采用样方调查法和实验室分析法相结合的方法，对森林火灾后的土壤黑碳分布格局特征进行研究。
(1)样方调查法
为了探明火灾对土壤黑碳含量的影响，本研究选择了两个样地：(a)火灾影响区域；(b)火灾未影响区域。在这两个样地里，选取了若干个样方进行调查和采样，以了解不同样方中土壤中的黑碳含量和分布。具体操作方法如下：
1.样方选择：选择土壤类型、海拔高度、坡度、坡向等条件相似的样方，以降低不同环境因素对结果的影响。
2.样方调查：用5m×5m的样方网格，按规定间隔沿网格线方向拉置20m长的测线，并将其定为样方的中心。调查员在3m×3m的范围内，随机选取3个点进行土样采集（0-0.05m土层），最终获得3个地下土样。
3.样品处理：土样取自不同的样方，将其混合成一个大样，经风干后研磨至0.25mm筛网，得到待测土样。
(2)实验室分析法
本研究依靠实验室分析方法，对采集到的土样进行黑碳含量的测定。具体测定方法如下：
1.TOC测定：将0.5g土样放入奥氏反应瓶中，加5mL盐酸(6mol/L)和1g硫腙，摇匀后培养1h，加入2g碳酸钠，摇匀后放入蒸发器中，加温蒸发至干燥。干燥后，将奥氏反应瓶在洗水槽中冲洗3遍，用事先烘干、质量稳定的量筒放入清水中，测出总的体积，然后取出土样，称重并计算TOC含量。
2.黑碳测定：用硝酸(HNO3)去除土样中的有机质，然后利用真空过滤设备过滤，最后用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)观察黑碳颗粒的形貌和分布。
三、研究结果与分析
(1)TOC和黑碳含量
不同样地、不同深度下的TOC和黑碳含量，如表1所示。表明，火灾后土壤中黑碳浓度明显增加。在火灾影响区中，黑碳的平均含量达到了1.82g/kg，比火灾未影响区的平均水平高出了近5倍；而随着深度的增加，黑碳含量呈逐渐减小趋势。此外，在不同深度下，黑碳的含量也存在差异，随着深度的增加，含量逐渐降低，而TOC含量则呈现先升高后下降的趋势。
（表1）不同样地和深度下土壤TOC和黑碳含量
|深度(cm)|火灾影响区TOC(g/kg)|火灾影响区黑碳(g/kg)|火灾未影响区TOC(g/kg)|火灾未影响区黑碳(g/kg)|
|---|---|---|---|---|
|0-5|8.28±1.3|1.82±0.22|9.06±1.5|0.42±0.04|
|5-10|6.84±1.1|1.45±0.12|7.92±1.2|0.36±0.03|
|10-20|4.73±0.9|1.02±0.09|6.29±1.0|0.28±0.02|
（2）黑碳的空间分布
为了探明不同样地土壤黑碳含量的分布特点，本研究采用克里格插值法对其进行插值分析。结果表明，在火灾影响区内黑碳含量呈现高值区，且随着深度的增加，黑碳含量呈逐渐减小趋势；而其他区域黑碳含量没有显著的分布格局，其插值图如图1所示。
（图1）不同样地土壤黑碳含量插值图
（3）不同火灾历史的林分中黑碳含量和分布格局
本研究还比较了不同火灾历史的林分中土壤黑碳含量和分布格局。结果表明：不同火灾历史的林分中土壤黑碳含量和分布格局存在差异；更重要的是，黑碳的含量和分布受到细胞壁厚度、火灾强度等因素影响非常大。
（4）黑碳对土壤环境和生物地球化学循环的影响
黑碳具有不易降解的性质，能够影响土壤生态环境和生物地球化学循环。一方面，黑碳可能会与土壤中的表层有机碳形成复合物，从而降低有机碳的迁移和生长；另一方面，黑碳还可影响土壤微生物、植物和水文地质循环等重