林火干扰对土壤理化性质的影响

韩钊龙 胡慧蓉 黄铄淇

(西南林业大学环境科学与工程学院，云南 昆明 650224)

土壤是生态系统可持续性的重要组成成分，它为植物生长提供各种养分和支持。通常森林土壤具有良好的物理性质，如团粒结构与通气透水性，同时具有较高的土壤肥力[1]。林火是森林生态系统最主要的干扰因素之一，全球平均每年大约有1%的森林遭受火干扰的影响[2]。火烧后，地表植被减少，同时燃烧向土壤中施加了热量、残留了灰烬，也因此而改变了土壤的理化性质。土壤密度、孔隙度和持水量等不仅决定土壤中水、气、热和生物状况，而且影响土壤中植物营养元素的有效性和供应能力，因此,常被作为评价土壤质量的重要指标[3]。云南省是保留有少量原始天然林资源的重要省份，是国家重点林区，全省现有森林面积12.87万 km2，占全国森林面积的9.6%[4]。同时，云南省也是森林火灾多发区，森林火灾是危害较大的自然灾害之一，严重影响着有林地区的经济发展。本项研究对云南省昆明市金殿林场附近云南森林自然中心的人工华山松和柏木林下表层(0～10 cm)土壤的理化性质进行测定和比较，以期为火烧后森林资源的合理经营和土壤管理等提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于云南省昆明市北郊金殿附近的云南森林自然中心,地处北纬25°08′，东经102°48′。海拔 2 230 m，年均温12 ℃，年均降水量为 1 068 mm，雨热同季且干湿季分明，属亚热带西南季风气候。植被属亚热带常绿阔叶林区域的高原亚热带北部常绿阔叶林带，其原生顶级植被应为亚热带半湿润常绿阔叶林亚型，但现存植被基本属于次生性植被，土壤为石英粉砂岩发育而成的山地红壤。2013年2月12日，位于大凹子村圆宝山的局部区域发生森林火灾，调查结果显示，林火发生地烧死木比例≤30%，属轻度火烧[5]，火烧区植被主要为华山松(Pinusarmandii)、云南松(Pinusyunnanensis)和柏木(Cupressustorulosa)。

1.2 试验地设置与样品采集

2013年5月，在过火区选择具有代表性的华山松林与柏木林为研究对象。同时采用空间代替时间法和相邻样地比较法，在相邻地区选择立地条件相似的未过火林为对照。按典型性和代表性原则，分别在各林分中设置面积为20 m×20 m的标准样地(各样地及林木基本特征见表1)，在各调查林地以环刀法多点(5个点)测定表层(0～10 cm)土壤密度，并采集混合土壤样品约1 kg，带回室内分析。

表1 华山松和柏木林地基本特征

1.3 实验室分析测定

pH测定采用电位法,自然含水量测定采用酒精燃烧法,土壤密度、饱和持水量、毛管持水量、总孔隙度及毛管孔隙度测定采用环刀法,全氮测定采用扩散法，全磷测定采用酸溶-钼锑抗显色法，全钾测定采用酸溶-火焰光度法，水解氮测定采用碱解扩散法,有效磷测定采用钼锑抗显色法,速效钾测定采用火焰光度法。各指标的测定执行《中华人民共和国林业行业标准》中相关指标的测定和计算方法。

1.4 数据处理与分析

应用Excel 2007软件对所获数据进行基本统计，结合SPSS11.5软件进行显著性统计分析。

2 结果与分析

2.1 林火对土壤物理性质的影响

土壤密度由土壤孔隙和土壤固体的数量决定，其大小反映出土壤的透水性、通气性以及根系伸展时阻力的大小，是表征土壤质量的一个重要参数[6]。土壤孔隙状况影响土壤的通气透水性和根系穿插的难易程度，并对土壤中水、肥、气、热和微生物活性等的发挥起着不同的调节作用，是土体构造的重要指标之一[7-8]。过火与未过火华山松与柏木林下土壤物理性质见表2。

表2 林火干扰对华山松和柏木林土壤物理性质的影响

由表2知，华山松林下土壤密度和自然含水量大于柏木林，总孔隙度、毛管孔隙度、饱和持水量和毛管持水量较柏木林小，且差异达显著水平(p<0.05)。未过火条件下，柏木林土壤比华山松林疏松，通气性也较好。

火烧后华山松林下土壤密度增加了11.48%，与对照有显著差异(p<0.05)；自然含水量、饱和持水量、毛管持水量、总孔隙度以及毛管孔隙度分别下降了32.38%、16.21%、18.71%、9.94%、22.44%，差异也达到了显著水平(p<0.05)。柏木林下土壤密度增加了10.38%,与对照差异显著(p<0.05);自然含水量、饱和持水量、毛管持水量、总孔隙度以及毛管孔隙度分别下降了23.55%、10.77%、23.22%、5.38%、12.91%，和对照也有显著差异(p<0.05)。

2.2 林火对土壤化学性质的影响

2.2.1林火对土壤pH和有机质的影响 由表3可知，未过火的华山松林下土壤pH量高于柏木林，但未达到显著差异(p<0.05)，有机质含量则明显低于未过火柏木林，可能是因为柏木林龄较长，有较多的枯落物经土壤中的动物和微生物分解转化成有机质进入土壤。

过火华山松林下土壤pH增加了5.81%，pH的变化差异不显著(p<0.05)。柏木林过火后，林下土壤pH增加了12.33%，差异显著(p<0.05)。过火华山松林下土壤有机质含量比未过火的低43.77%，过火柏木林下土壤的有机质含量比未过火的低46.63%。说明林火对柏木林下土壤pH和有机质的影响比对华山松林下土壤的影响大。

表3 林火干扰对华山松和柏木林土壤化学性质的影响

2.2.2林火对土壤全量养分的影响 由表3可知，未过火华山松林土壤的全氮、全磷含量高于柏木林，但未达到显著差异水平(P<0.05)；全钾的含量低于柏木林，差异也不显著。

火烧后华山松林土壤的全氮、全磷、全钾含量分别减少了53.30%、28.30%、22.60%。与对照相比全氮、全磷、全钾有显著差异(P<0.05)，柏木林过火后，土壤全氮、全磷、全钾含量分别减少了31.28%、31.25%、67.09%,差异都达到了显著水平(P<0.05)。说明林火对华山松林土壤全氮的影响大于柏木林，而对华山松土壤全磷、全钾的影响小于柏木林。

2.2.3林火对土壤速效养分的影响 未过火的华山松林下土壤的有效磷含量高于柏木林，但未达到显著差异(P<0.05)；水解氮和速效钾含量的含量低于柏木林，只有速效钾的含量差异显著(P<0.05)。

从表3得出，火烧后华山松林土壤的水解氮和速效钾含量分别减少了39.74%、25.32%。与对照相比，火烧后，华山松林土壤的水解氮含量显著降低，速效钾含量降低的不明显，有效磷的含量增加了130.25%，差异显著(P<0.05)。柏木林过火后，土壤水解氮和速效钾含量分别减少了40.66%、51.21%。，差异都达到了显著水平(P<0.05)，有效磷的含量增加了176.34%，差异显著(P<0.05)。火烧后，由于地表枯落物的减少，导致向土壤输入的有效氮含量降低[9]。田昆的研究认为,有效磷的增加可能是因为火烧使其他形态的磷转化为有效磷[10]。土壤速效钾含量水平是决定钾肥肥效的重要指标之一，很多研究认为，火烧后土壤钾含量增加，其增加受火烧程度的影响，如孙明学指出,中度火烧的土壤速效钾含量高于未烧、轻度、重度火烧地[11]。

3 结论与讨论

1) 林火干扰后，华山松和柏木林下的土壤密度升高，孔隙度和持水量下降。火烧对华山松林土壤的物理性质有较大的影响，林火干扰后，华山松林下的土壤密度、孔隙度和持水量比柏木林变化大。

林火干扰后，华山松和柏木林下土壤密度升高，孔隙度和持水量下降，可能是因为火烧产生的灰分颗粒经过雨水冲击，进入到土壤孔隙中。土壤有机质疏松多孔，吸水能力可达自身质量的几十倍，火灾减少了土壤有机质，造成了土壤保水能力减弱，此外火灾烧毁林地的凋落物后，太阳直射提高了土壤温度，增加了水分蒸发量，使土壤水分含量下降[12]。但是也有研究表明，重度火烧后，土壤含水量上升[13]。本研究中，林火干扰后，华山松林土壤物理性质比柏木林的变化大，可能是因为华山松为针叶树种，其含有树脂松油，有助于燃烧，因此，火烧后华山松林下土壤密度、孔隙度和持水量的变化比柏木林大。

2) 火烧后，两种林型下的土壤pH升高，有效磷含量增加，有机质、全氮、全磷、全钾、水解氮和速效钾含量减少，火烧对柏木林土壤的化学性质影响较大。

火烧过后土壤pH一般呈上升趋势，随着火势的增强而上升[14]。本研究与此一致，火烧后，土壤pH值的增加，原因可能是地表枯落物被火烧之后，释放出的一些阳离子中和了土壤中的酸，也可能是加热使土壤中的有机酸变性所致[15-16]。也有研究表明，从长期来看，火烧后土壤水、热、气等微气候条件改变，光照增强，加速了表层腐殖质的分解，产生的矿质元素离子与土壤胶体表面吸附的氢离子发生交换后进入土壤溶液中，从而使土壤pH值降低[12]。

有机质含量降低可能是因为火烧后地表枯落物减少，对地表补充的有机质也进而减少，也可能是由林火引起的有机物质蒸发所致[9]。然而火烧时，地上植物燃烧的灰分及燃烧不完全的植物残体会输入土壤使土壤有机质增加，因此也有人得出相反的结论。林火干扰后土壤全氮含量降低可能是因为火烧产生的高温引起氮的挥发，也可能是因为火烧改变了土壤的酸碱度，从而影响了土壤微生物的活动，使得土壤中氮的转化受到影响，植物固氮能力降低。本研究结果显示,火烧后土壤的全氮含量降低，与孙毓鑫等[17]的研究一致，而华山松林地土壤全氮含量减少的量大于柏木林，说明林火对华山松林地土壤全氮含量影响更大。磷不易通过火烧挥发，火烧后其淋溶损失的也较少。本文研究中全磷含量明显降低，与商丽娜等[18]人研究一致。钾在土壤中的流动性比较强，但关于火烧对钾含量影响原因的研究较少，其作用机理尚不清楚，有待进一步的研究。

一般情况下，火烧后短期内火烧林地表层土壤的有效氮含量通常是提高的，因为一定程度的火烧能使土壤有机氮转为无机形式，但长期来看有效氮含量会下降[19]，因此本研究水解氮含量降低，可能是因为距林火发生时间已有3个月。火烧后，在磷缺乏的地区有效磷会出现短时间的增加，而磷的性质比较稳定，不容易出现流失，所以本研究中火烧3个月后有效磷的含量仍然呈增加趋势。而孙毓鑫等[17]关于火烧迹地的研究表明，火烧3年后有效磷含量显著降低，与本研究结果相反，可能是因为其研究距火烧发生时期较长。火烧之后土壤的有效钾含量会出现短暂的提高。谷会岩等研究认为，钾在土壤中的流动性比较强，很容易被淋溶而流失[2]，本研究中速效钾含量降低，可能是淋溶流失所致。

总之，林火干扰后，华山松和柏木林下土壤变得紧实,土壤养分含量降低，不利于土壤性质的改善。此外，国内外虽然已有较多关于火烧对土壤影响的研究，但是研究中没有统一的标准，如火烧强度、植被类型、地表枯落物覆盖程度、林火干扰后的时间等的不一致，可能会得出不同的结果。其影响机理仍不明确。尤其是对磷钾作用机理的研究更是少见报道。

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