火烧对杨树人工林土壤有机碳及速效养分的影响

张水锋，张思玉，张金池，彭徐剑，田 野，李广元，李卫正

（1. 南京森林警察学院，江苏 南京 210023；2. 南京林业大学 江苏省水土保持与生态修复重点实验室，江苏 南京 210037；3. 南京林业大学 现代分析测试中心，江苏 南京 210037）

火烧对杨树人工林土壤有机碳及速效养分的影响

张水锋1,2，张思玉1*，张金池2，彭徐剑1，田 野2，李广元1，李卫正3

（1. 南京森林警察学院，江苏 南京 210023；2. 南京林业大学 江苏省水土保持与生态修复重点实验室，江苏 南京 210037；3. 南京林业大学 现代分析测试中心，江苏 南京 210037）

2014年5月4日对江苏省南京市一杨树人工林进行不同火强度点烧试验，5月3日和4日在试验前后分别采取土样，研究火烧后样地土壤有机碳与速效养分含量的即时变异。结果表明：火烧后24 h，土壤pH、速效磷和速效钾含量随着土壤深度的增加而减少，却随着火强度的增强而增加；土壤有机碳含量则降低，且随着土壤深度的增加其降幅减小，随着火强度的增加其降幅增大；土壤水解氮含量在高强度火烧下的0 ～ 5、5 ～ 10 cm土层以及中强度火烧下的0 ～ 5 cm土层是降低的，其他土层的水解氮含量是增加的；林火强度与土壤pH、速效磷和速效钾含量呈正相关，而与土壤有机碳含量则呈负相关。

杨树；点烧；土壤养分；有机碳；速效养分

森林火灾导致森林资源的严重破坏，水土流失和病虫害等次生灾害的加剧，森林生产力降低，野生动物减少或消失，生态环境严重恶化[1～5]。林火对土壤性质的影响除与土壤自身特性有关以外，还与火烧强度、火烧后的时间间隔以及可燃物类型等因子有关[6]。森林土壤是植物生长的基质，土壤物理性质影响土壤中养分的有效性和供应能力，土壤养分则直接与土壤肥力相关。

国内外相关学者对火后土壤物理性质、养分元素以及微生物性质等方面做了许多研究，从时间序列上看，火烧对森林土壤有机碳有短期的直接性影响和长期的间接性影响。大兴安岭北部寒温带针叶林区点烧后土壤表层（0～10 cm）有机碳和微生物量碳平均下降了4.1%、16.6%，轻、中度火烧经过第2年融雪季和雨季后，土壤有机碳含量有小幅递增，平均增幅3.5%～4.2%；至火烧后第3年秋季显著回降，而高强度火烧土壤有机碳在经过第2年的融雪季和雨季后，平均降幅为25.4%，至火烧第3年秋季，平均降幅增至39.9%，个别点甚至达到107.2%[7～8]。Eckmeier等[9]研究发现，欧洲中部的温带落叶松林土壤表层0～5 cm有机碳含量在皆伐火烧1 a后下降了5%。另外，韩钊龙等[10]分析了过火3个月后昆明近郊华山松和柏木人工林林地土壤理化性质的变化，研究表明火烧后的林地土壤更加板结，土壤养分含量降低，不利于土壤肥力的改善；谷会岩[11]等比较了20 a后不同火烧强度下兴安落叶松的土壤pH值、土壤养分的差异，表明随着火烧强度的增加，土壤pH值逐渐升高，C、N含量都呈现逐渐降低的趋势，K、P含量随着火烧强度的增加而逐渐降低，并且土壤表层和土壤深层的K、P含量差异微小；Carter等[12]研究发现，N、S、P和B主要以非微粒（气体）形式损失，而其他元素以微粒（固体）形式流失。

林火作为森林生态系统中的重要干扰因子影响着土壤系统。关于林火对土壤性质影响的研究不少，但大多是在火后较长一段时间展开的，且利用空间代替时间作为对照，其中下垫面的差异不免导致研究结论的不准确。而本研究则能有效避免此误差，主要分析了林火对土壤有机碳和速效养分的即时影响，旨在揭示林火对土壤性质的即时干扰机制，为探讨火后土壤侵蚀机理和防控技术研究提供理论依据，这对林火生态因子的管理和运用具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验地设置

野外林火点烧样地位于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，土壤类型为黄棕壤，林冠郁闭度为0.5 ～ 0.7，林下灌木盖度20% ～ 30%，枯落物盖度80%，枯落物厚度5 ～ 8 cm，表层枯落物较干燥易燃。

为实现火强度的分级目标，在杨树林下增铺了可燃物，增铺可燃物的厚度从样地边缘的10 cm向中心逐渐均匀增加到40 cm。可燃物主要为附近阔叶林地收集的已晒干的枯枝落叶。另外，在杨树林各个小样地中心插上6 m长并标有红色刻度线和白漆的铁质标杆，并将火烧后的熏黑高度作为火焰高度记录。

2014年5月4日，杨树人工林样地在严密监控下实施了点烧试验。试验过程中，对火行为进行了多角度监控录像。

1.2 样品采集

为减少其他环境因素的干扰，本次林火试验设计在雨后4～5 d的晴朗天气进行采样。以火烧前的杨树林作为对照，土壤取样时间为 2014 年 5月 3日和 5月 5日。基于杨树林样地的地形和面积，按照代表性和典型性的原则，将其划分为 12 块 4 m×6 m的小样地，将其均匀划分成4个方格，在4个方格内分别按0 ～ 5、＞5 ～ 10和＞10 ～ 20 cm分层取样，取样后各层均匀混合至500 g，带回实验室分析。

1.3 实验室分析测定

土壤样品的pH值测定采用电位法，有机碳的测定采用重铬酸钾氧化法，水解氮测定采用碱扩散法，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[13～14]。

1.4 数据处理方法

运用Excel 2013软件对试验所得数据进行基本的处理和分析，采用SPSS 17.0软件对不同火烧强度下小样地前后的指标数据的平均值进行配对样本T检验。采用单因素方差分析（One-Way ANOVA）检验不同火烧强度影响土壤各指标值变率的差异显著性，多重比较采用Post-hoc LSD检验。

林地土壤有机碳与速效养分的含量变化直接关系到植物的生长，它是评价土壤供肥能力的重要指标。火烧后林地土壤有机碳与速效养分的变化量通过以下公式计算得出：

式中：Xi为单位面积指标含量变化量（g/m2）；ρb为样地土壤容重平均值（t/m3）； h1、h2、h3分别为0 ～ 5、＞5 ～ 10和 ＞10 ～ 20 cm土层对应的土层厚度（m）；a、b、c分别为0 ～ 5、＞5 ～ 10和＞10 ～ 20 cm土层的指标变化量（g/t）。

2 结果与分析

2.1 样地火强度分级

通常需要根据火强度的大小评定火对地被物、林木、土壤等的危害程度，从而评价林火的生态效应。而由于火焰高度不易测准，如果火焰高度易测准，有利于提高估测精度[15]。因此，根据树干火焰高度确定林火强度，采用1983年卡姆特尔提出用火焰高度来估测火强度的公式[16]：

式中，I为火线强度（kw/m）；h为火焰高度（m）。

根据森林火灾扑救的需要，森林地表火强度被划分为4级标准[17]：火线强度小于300 kw/m为低强度，火线强度300 ～ 2 700 kw/m为中强度，火线强度2 700 ～ 7 000 kw/m为高强度，火线强度大于7 000 kw/m为超高强度。

将点烧试验中记录的各小样地的火焰高度代入卡姆特尔公式，经计算，1、2、3、10、12号小样地属于低强度火烧；4、6、7、11号样地属于中强度火烧；5、8、9号样地属于高强度火烧；无超高强度火烧。

2.2 火烧前后土壤pH值的即时变化

由图1可见，火烧前，杨树林下土壤的pH值波动范围在 7～8，呈弱碱性。杨树人工林土壤pH值随着土壤深度的增加而逐渐增大。火烧 24 h后的杨树林土壤pH值，在不同火烧强度和不同土壤深度呈现不同程度的变化趋势。表层0 ～ 5 cm土壤在3种火烧强度下的pH值波动最大（最高为0.73），差异均极为显著；＞5 ～ 10 cm、＞10 ～ 20 cm土层在高强度火烧下差异显著（p＜0.05）。＞10 ～ 20 cm土层的pH值波动最小（最低为0）。杨树人工林土壤pH值经过低、中、高强度火烧后土壤分别平均增大了0.04、0.19和0.40，增幅分别为0.91%，4.11%和6.98%。另外，高强度火烧与低、中强度火烧对0 ～ 5 cm、＞5 ～ 10 cm土层pH值变率影响的差异均显著（p＜0.05）。因此，高强度火烧对土壤pH值的影响大于低、中强度火烧，且火烧对表层土壤的影响大于深层土壤。

图1 火烧后土壤pH值的变化Figure 1 Soil pH before and after planned fire

2.3 火烧前后土壤有机碳的即时变化

图2 火烧后土壤有机碳含量的变化Figure 2 Soil organic carbon content before and after planned fire

如图2所示，杨树人工林的土壤有机碳主要集中在0～5 cm土层，其含量明显高于＞5 ～ 10 cm，＞10 ～ 20 cm土层含量最低。火烧前后样地0 ～ 5 cm土层有机碳含量在3种火烧强度下的变化均极为显著（p＜0.01），在低、中、高强度火烧下分别减少了5.37%、12.47%和46.46%，＞5 ～ 10 cm土层在高强度火烧下差异显著（p＜0.05），＞10 ～ 20 cm土层的有机碳含量受到火烧的干扰程度最小。另外，高强度火烧与低、中强度火烧对0 ～ 5 cm土层土壤有机碳含量变率的影响在0.05的水平上差异显著。因此，杨树人工林土壤有机碳含量在0 ～ 5 cm土层受到火的影响最大，且高强度火烧的影响最强。

另外，通过火烧前后有机碳含量与土壤量对有机碳的损失量进行计算，低、中、高强度火烧下土壤有机碳的损失量分别为0.18、0.42、3.04 t/hm2。

图3 火烧后土壤水解氮含量的变化Figure 3 Soil hydrolysable nitrogen content before and after planned fire

2.4 火烧前后土壤速效养分的即时变化

2.4.1 土壤水解氮含量的变化 由图3可以看出，火烧后24 h，土壤水解氮含量的变化趋势却与土壤有机碳相异，且在不同火烧强度下的响应情况不一致。高强度火烧下的0 ～ 5和＞5 ～ 10 cm土层以及中强度火烧下的0 ～ 5 cm土层的水解氮含量是减少的，而低强度火烧后的各土层水解氮含量则均是增加的。其中，仅高强度火烧下的0～5 cm土层土壤水解氮含量在火烧后减少极显著（p ＜0.01），在 ＞5 ～ 10 cm土层表现为显著（p＜0.05）。低强度火烧下的0 ～ 5 cm土层土壤水解氮含量在火烧后增加显著（p＜0.05）。在0 ～ 5 cm土层低强度火烧与高强度火烧对土壤水解氮含量变率影响的差异显著（p＜0.05）。根据火烧前后土壤水解氮含量的变化与土壤量估算了单位面积的杨树人工林土壤水解氮的变化量。其中，低强度火烧下0 ～ 20 cm土壤水解氮含量增量分别为4.56 kg/hm2，而中、高强度火烧下土壤水解氮含量损失量分别为1.15、26.35 kg/hm2。

2.4.2 土壤速效磷含量的变化 如图4所示，火烧后24 h，由于磷的挥发和淋溶量很少，土壤磷的受扰程度比土壤氮低。0～5 cm土层速效磷含量在低、中、高强度火烧下均呈现增加趋势，分别为1.08%、1.47%和11.67%，仅高强度火烧前后0～5 cm土层速效磷含量的差异显著（p＜0.05）。而其他情况下的速效磷含量波动不大，差异不显著（p＞0.05）。另外，0 ～ 5 cm土层高强度火烧与低、中强度火烧对土壤速效磷含量变率影响的差异显著（P＜0.05）。经计算，低、中、高强度火烧下速效磷的含量增加分别为0.14、0.18、2.60 kg/hm2。

图4 火烧后土壤速效磷含量的变化Figure 4 Soil available phosphorus content before and after planned fire

2.4.3 土壤速效钾含量的变化 由图5可见，杨树人工林土壤速效钾含量在0 ～ 5 cm土层的变化趋势与速效磷含量的变化趋势相近，火烧24 h后的增幅随着火烧强度的增加而增大，且中、高强度火烧前后的土壤速效钾含量差异极显著（p＜0.01），低强度火烧前后的土壤速效钾含量差异显著（p＜0.05）。＞5 ～ 10 cm土层的土壤速效钾含量波动较小，差异不显著（p＞0.05）。＞10 ～ 20 cm土层的土壤速效钾含量基本未变，差异也不显著（P＞0.05）。在0 ～ 5 cm土层，3种不同强度火烧之间的差异均在0.05的水平上表现显著。

通过火烧前后土壤速效钾含量的变化与土壤量对杨树人工林速效钾的损失量进行了估算，低、中、高强度火烧下速效钾的含量增加分别为3.17、12.09、31.16 kg/hm2。

3 结论与讨论

（1）火烧后24 h，杨树人工林表层土壤pH值的受扰程度高于深层土壤，且高强度火烧比低、中强度火烧对土壤pH值的干扰程度更强。在酸性土壤中，由于林火焚烧有机质，增加了土壤中灰分物质含量，盐基成分被释放，盐基饱和度增大（如本试验中速效钾含量的增加），提高了表层土壤pH值，促进了土壤中养分元素的矿化释放，产生更多能被植物直接吸收的速效养分。然而这可能是短期效应，薛立等[18-19]研究了马尾松林火灾4 a后的土壤性质，其pH则略有降低，这与火后长时间土壤微气候条件的改变有关，表层腐殖质的分解加速，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，降低了土壤pH值[20]。而在本试验杨树人工林的弱碱性土壤中，pH值的增大是如何影响土壤养分元素的变化，还有待进一步研究。

图5 火烧后土壤速效钾含量的变化Figure 5 Soil available potassium content before and after planned fire

（2）森林中土壤有机碳的积累是林木碳积累的继续，它将植被无法继续保存的碳截留到了土壤中，扩展了植被固定大气中CO2的能力。林火通过直接燃烧损失、有机质高温变性和继发性侵蚀作用，以及改变碳的输入、输出过程等方式对森林土壤碳库造成显著影响[21]。火烧后24 h，杨树人工林的土壤表层有机质受到的高温和直接燃烧导致了有机碳的损失，且随火强度的增大有机碳含量损失增大，分别为5.37%、12.47%和46.46%。有研究表明[24]，中、低强度火烧一般可以促使土壤有机碳的重新分配，而高强度火烧则几乎破坏土壤有机碳，这与本文的研究结果类似。杨树人工林0 ～ 20 cm土层中有机碳的储量在27.78 ～ 61.41 t/hm2[22]，研究区杨树人工林样地土壤有机碳在高强度火烧下的损失量为3.04 t/hm2，最高能达到储量的10.94%。而我国的森林资源以天然林为主体，其物种丰富度、层次结构、林地枯落物组成远比人工林丰富，经历同样火烧后，其土壤有机碳的释放量将远大于此。因此，火烧对森林土壤碳库有着不可忽视的影响。

（3）在杨树人工林土壤速效养分中，氮的挥发温度低，火烧时最易损失，而在不同火烧强度下，氮的挥发状况各不相同。Goivanni等[23]的试验表明，当温度达到220 ℃时，氮的挥发导致土壤全氮含量下降，而NH4-N含量在220℃下增加，高于220℃则快速下降。高强度的火烧能使土壤有机质几乎全部破坏，而低强度的火烧使有机质发生了再次分配[24]。因此，高强度火烧直接导致了土壤表层有机质的焚烧和有机氮损失，伴着的高温烘烤也导致表层氮素的挥发减少，而低强度火烧则可能使土壤中的矿质氮（NH4+和NO3-）浓度增加。Wan等[25]在研究火烧对陆地生态系统氮库及其变化的影响时有类似的发现。在低强度火烧下土壤水解氮含量增量分别为4.56 kg/hm2，而中、高强度火烧下土壤水解氮含量损失量分别为1.15和26.35 kg/hm2，即中、高强度火烧导致了土壤水解氮量的损失，而低强度的火烧则增加了土壤的水解氮含量。而长期来看，有些研究[18,26]得出土壤水解氮含量减少的结论，这与火灾后的土壤氮含量和微生物数量的减少，引起脲酶活性下降，不利于土壤有机氮的分解有关。

（4）杨树人工林土壤表层速效磷含量在低、中、高强度火烧下分别增加0.14、0.18、2.60 kg/hm2，可能是由于林火焚烧有机质，增加了土壤中灰分物质含量，导致盐基成分的释放，盐基饱和度增大提高了土壤pH值，促使土壤中无机磷的释放。火烧产生的灰分颗粒中含有磷素，这些灰分颗粒火烧后会进入土壤的表层，导致表层土壤速效磷的增大。另外，也会有一部分磷素在火烧与高温作用下转化成气体流失，但量不多。因此，土壤速效磷含量总体是增加的，且在0 ～ 5 cm表土层增加最显著，这与Carter[27]对南方松林所做的研究类似。然而，火灾后存在于灰分中的磷以颗粒状形式沉淀地表，其含量大大超过了土壤的交换能力，随着降雨和地表径流的产生，地表的这部分灰分就会迁移流失[28]，甚至导致下游河流水质的变化。

（5）杨树人工林土壤表层速效钾含量在低、中、高强度火烧下分别增加了3.17、12.09、31.16 kg/hm2。由于火烧后土壤交换性钾和水溶性钾浓度升高原因主要与矿物钾的释放有关，经过 100℃以上的温度灼烧处理，土壤中的交换性钾和水溶性钾含量将成倍增加，一部分由土壤中缓效钾转化而来，还有一部分是由封闭在长石等难风化矿物中的无效钾转化而来[27]。另外，土壤速效钾含量的增加也与土壤表层枯落物和有机质燃烧产生的灰分颗粒有关，灰分颗粒进入土壤表层是导致表层速效钾含量增加的主要因素。从长远来看，灰分颗粒进入表层土壤中容易堵塞土壤的孔隙，当火烧后发生较大强度降雨和径流，则会导致钾的大量流失。因此，为了充分利用土壤中的有效养分，应尽快在火烧迹地上植苗造林或采取其它有效管理措施。

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Effect of Planned Fire on Soil Organic Carbon and Available Nutrients of Pop lar Plantation

ZHANG Shui-feng1,2，ZHANG Si-yu1*，ZHANG Jin-chi2，PENG Xu-jian1，TIAN Ye2，LI Guang-yuan1，LI Wei-zheng3
（1. Nanjing Forest Police College, Nanjing 210023, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Ecological Restoration, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 3. Modern Forecasting and Analysis Center, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China）

Planned fire was implemented on May 4, 2014 at poplar plantation in Nanjing, Jiangsu province. On May 3 and May 5 of the same year, soil samples were collected in the same place to analyze instant variation of soil organic carbon and available nutrients before and after planned fire. The result showed that 24 hours later of planned fire, soil pH value, available phosphorus and potassium contents decreased with the deepness of soil layer, but increased with the intensity of fire. Soil organic carbon content decreased with deepness of soil layer. Soil hydrolysable nitrogen content decreased at 0-5cm and 5-10cm layers under the high-intensity fire, as well as at 0-5cm layer under the moderate-intensity fire. The experiment demonstrated that fire intensity had positive relation with pH value, available phosphorus and potassium, and negative one with organic carbon content.

poplar plantation；planned fire; soil nutrient; organic carbon; available nutrient

S714.2

：A

1001-3776（2016）02-0009-06

2015-10-14；

：2016-02-21

中央高校基本科研业务费专项资金项目（No: LGYB201514）和948项目（No:2013-4-65）联合资助

张水锋（1986－），男，助教，主要从事火烧迹地土壤侵蚀与控制研究；*通讯作者。