不同强度火烧对杨树人工林土壤pH值的即时影响

张炅达，张水锋，金东日，张云龙

（南京森林警察学院，江苏 南京210023）

1 引言

森林不仅提供国家建设和人民生活所需的木材及林副产品，还肩负着固碳释氧、调节气候、涵养水源、保持水土、防风固沙、美化环境、净化空气、减少噪音及旅游保健等多种使命。在森林生态系统中，火扮演着一个主要而又独特的干扰因子［1］。林地上自由蔓延的火称为林火［2］。不同性质、强度、频率的火烧能够短期、长期或者永久性的影响土壤的理化性质、矿物学及其生物学特性［3］。过去人们认为林火的发生会破坏森林的结构和功能，破坏森林生态系统，不仅给人类经济建设造成重大的损失还会对动植物和人类的生命财产安全构成严重威胁。随着人类科学水平和文化素质的提高，人们开始逐渐认识到林火的发生并不仅仅意味着单纯的破坏。实际上，一定强度的火干扰是对森林有益的。它不但能促进森林生态系统的良性循环，改善森林的结构而且对生物多样性、稳定性、森林更新、群落演替和生物生产力等都起着重要作用［4］。土壤是生态系统中可持续性的重要组成部分［5］，它是植物生长发育的基础。因此，对森林土壤在火干扰后的元素变化情况研究非常有价值。火对森林土壤的影响，既有短期的直接性影响，也有长期的间接性影响。不同强度火烧能够在不同程度上改变土壤表面的物种组成、植物生长、土壤淋溶、土壤生物区系和土壤侵蚀等［6］。

目前国内已有研究小组对火烧迹地土壤的理化性质做过一些研究，而且对火烧迹地植被恢复后的土壤养分变化和火烧迹地的天然更新策略和技术方面做过一些研究，但是对不同强度火烧下土壤的酸碱变化还有欠缺。土壤pH值大小直接决定了土壤的酸碱性，土壤的pH值影响着土壤的理化性质和微生物活动，进而影响土壤肥力和植物生长。不同酸碱程度的土壤影响着土壤养分的有效性，其供肥配比和植物生长也会存在差异。本文以杨树人工林在不同强度的火烧条件下，对火烧迹地进行实地调查、土壤取样和实验分析，探讨在不同强度火烧下杨树人工林土壤pH值的变化情况，增进对土壤供肥能力和植物种植的适宜性判断的准确性，进而对不同pH值的土壤实施有效的供肥配比，改良土壤肥力，为改善火烧迹地土壤pH值和有效科学的恢复森林生态系统提供理论依据。同时也为该地区更好的开展林火评估调研工作提供基础数据。

2 研究方法

2.1 地区概况

实验地选在南京市仙林大学城南京森林警察学院校内后山旁杨树人工林，该地属北亚热带湿润气候带和季风环流的海洋性气候区，季风显著，冬冷夏热，四季分明，日照充足，水资源充沛。试验地土壤概况如表1所示。

表1 林地土壤概况

2.2 火强度划分标准

通过在杨树林下从边缘向中心逐渐并均匀增加的铺设10～40 cm的可燃物。在每个样地上插上6m长的具有刻度线且涂有红白相间油漆的铁标杆。对火烧后铁标杆的熏黑高度作为火焰高度记录。

由于火焰长度不易测准，而火焰高度易测准，则通过测量火焰高度来提高估测精度［7］。因此，这里采用卡姆特尔提出 的火强度 公式［8］：I＝273h2.17。式 中：I为火线强度（k W／m）；h为火焰高度（m）。另外，根据森林火中的地表火和树冠火的火焰高度和火线强度的资料，采用根据森林火扑救的需要将森林火强度划分为4级的分级标准（表2）［9］。

将林火点烧试验中记录的各小样地的火焰高度代入以上计算公式，经计算，样地火强度分为低、中、高3个等级，无超高强度，各样地火强度分类见表3。

表2 地表火和树冠火强度的分级标准

表3 杨树林小样地不同火烧强度分类

2.3 取样测定

本次试验是以火烧前的杨树林土壤与火烧后的杨树林土壤进行取样比样。2014年5月3日对火烧前的杨树林土壤进行取样。2014年5月5日，即点烧实验后的24 h，对火烧迹地进行取样。分别采集土层为0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm的土壤各500g。采用电位法测算样品土壤的pH值。数据的测定按照《中华人民共和国林业行业标准》和《森林土壤实验教程》［10］中相关的测定和计算方法。

2.4 数据处理

本次野外林火试验设计在雨后至少4～5d的晴朗天气进行采样以减少其它环境因素的干扰。样地的选取严格遵循代表性和典型性的原则。试验数据经Excel整理后，采用SPPS11.0软件对数据进行处理分析。

3 结果与分析

3.1 低强度火烧对土壤pH值的影响

低强度火烧对杨树人工林土壤的pH值影响变化情况见图1。由图1可知，在0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm的土层，经过低强度火烧后，土壤pH值均上升。其中0～5 cm增加幅度最大，达到1.7%。5～10 cm增加幅度次之，为0.04。10～20 cm土层变化幅度则很小，略有上升，仅有1%。可见，随着土层厚度的加深，土壤中pH值的变化程度不同。0～5 cm土层pH值的增幅比5～10 cm土层高，为0.017%，是5～10 cm土层增幅的4.25倍，差异明显。火烧后0～5 cm土层的pH值大小仅次于火烧前5～10 cm土层pH。但pH值的总体趋势仍然是与火烧前一致，即0～5 cm层＜5～10 cm层＜10～20 cm层。因此，低强度火烧条件下，0～5 cm土层受到的影响最大，10～20 cm土层受到的影响最小。

3.2 中强度火烧对土壤pH值的影响

由图2可见，中强度火烧后0～5 cm至10～20 cm土层土壤的pH值与低强度火烧下的变化趋势基本一致，即，0～5 cm层＜5～10 cm层＜10～20 cm层。可见，随着土壤层的加厚，土壤pH的增幅越来越小。火烧前，5～10 cm土层的pH值与10～20 cm土层的pH值分别为7.46和7.47，两者基本一致。但经过中强度火烧后，5～10 cm土层的PH值变为7.62，变化量为0.16，10～20 cm 土层的 pH 值变为7.55，变化量为0.08。5～10 cm土层的pH增幅是10～20 cm土层两倍。火烧前pH值最低的0～5 cm土层，在火烧后反超5～10 cm和10～20 cm土层的pH值，变为最高。由此可知，火烧对土壤表层的pH影响最大，对深层土壤的影响随着土层的加厚逐渐减小。与低强度火烧相比，中强度火烧作用过的土壤，每个土层pH值的变化幅度更大。

3.3 高强度火烧对土壤pH值的影响

高强度火烧对杨树人工林土壤的pH值影响变化情况见图3。与低、中强度火烧相比较，在高强度火烧的作用下，土壤pH值的变化幅度更为显著。0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm土层的pH值的变化量分别为0.6、0.43 和 0.17，增 幅 分 别 为 0.08%、0.06% 和0.02%。可见，高强度火烧下不但土壤的pH值大幅上升，而且pH值与低、中强度火烧后的pH值比较变化量最大，中强度次之，低强度最小。可见，与低、中强度火烧相比，高强度火烧对每个土层pH值的影响更大，对深土壤的影响更加明显。结果表明，在火干扰下，土壤pH值和pH值变化量都会随土壤层的加厚而变小，而在不同强度的火干扰下，变化幅度为：高强度火烧＞中强度火烧＞高强度火烧。

4 结论与讨论

火烧后的土壤pH值呈上升趋势，包括实验室模拟研究［11］的结果，同样显示出这一结论。火强度越大pH值上升的趋势越大，土壤层越浅上升的趋势也越大。这是由于火干扰下土壤的有机物和增加的阳离子与枯落物氧化对有机碳的消耗从而造成pH值的增加［12］。不同强度的林火作用对土壤pH值的影响不同。在同一土壤层，低强度火烧对土壤pH值的影响小于中强度火烧。而中强度火烧对土壤的pH值的影响又比高强度火烧低。随着火烧强度的增加，无论哪个土层，土壤pH值变化量也在同步增加。这说明，不同强度的火烧对土壤有着不同程度的影响，火烧强度越大，土壤的pH值变化也越大。火对土壤的影响力会伴随着火强度的增大而增大。

土壤的pH值直接显示了土壤当前的酸碱状况和肥力程度。不同的酸碱度对土壤中的其他化学元素及其物理性质有着很大的影响。土壤pH值与土壤主要肥力指标有效态的关系，pH值与土壤速效磷含量呈极显著负相关，与土壤缓效钾呈显著正相关［13］。适宜的pH值对土壤中的微生物活动、枯枝落叶的分解、林木的生长都有着很大的帮助。研究表明，经过20a的恢复，火烧地土壤的pH值依然高于对照地土壤的pH值［14］。pH值变化对土壤酶活性影响巨大，从总体上看，土壤酸化对土壤酶活性主要起抑制作用，碱化主要起激活作用，pH值的变化对微生物活性的影响是造成土壤酶活性变化的主要因素［15］。已有结论表明，灌溉种植植物，能使土壤pH值有降低趋势，而且随着年限的增加，降低的程度也将随着增加［16］，然而，这需要多年不断的进行，持续时间较长。因此，当林火发生后，了解火烧迹地土壤的pH值变化趋势，人为的对火烧迹地土壤酸碱性进行干扰，合理、科学、有目的性的利用田间施肥、土地利用、作物选择、土壤成分等干预手段，使土壤pH值能够尽快恢复火烧前的状态，以更好更快的恢复火烧区林地结构，减少火灾带来的损失。然而，对于如何快速有效的对火烧迹地的土壤酸碱性进行改良，还需要进一步的深入研究。

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