火烧对福建三明杉木人工林迹地土壤养分的影响

雷学明， 吴建平， 冯岩， 童浩， 涂龙平， 刘文飞， 樊后保†

(1.南昌工程学院 生态与环境科学研究所 江西省退化生态系统修复与流域生态水文重点实验室，330099，南昌；2.福建省三明市郊国有林场，365000，福建三明)

火烧对福建三明杉木人工林迹地土壤养分的影响

雷学明1， 吴建平1， 冯岩2， 童浩2， 涂龙平2， 刘文飞1， 樊后保1†

(1.南昌工程学院 生态与环境科学研究所 江西省退化生态系统修复与流域生态水文重点实验室，330099，南昌；2.福建省三明市郊国有林场，365000，福建三明)

为了研究福建三明地区火烧迹地杉木人工林地的土壤速效养分变化，采用调查取样和室内分析相结合的方法，对上、中和下3个坡位的土壤，分别在火烧前、火烧2个月、1年和2年后，分析速效性养分质量分数的变化。结果表明：硝态氮质量分数在火烧2个月和1年后相比火烧前均有上升趋势，且火烧1年内，上坡位较中坡位和下坡位的硝态氮质量分数要低，在火烧2年后硝态氮质量分数略低于火烧前水平，但未达到显著差异；铵态氮质量分数与硝态氮质量分数的变化趋势相反，在火烧的第1年内持续下降，但在火烧第2年后显著升高；不同时间的速效磷质量分数，在不同坡位间无显著差异，火烧的第1年内，其质量分数变化不明显，在火烧2年后显著升高，这可能是土壤矿化速度加快造成的结果；无机氮/速效磷比值在火烧2年后显著降低，速效磷质量分数剧增是影响其比值的主要因素。火烧在短期内，加快了土壤速效性养分循环，但要注意可能造成氮素从森林生态系统中流失。研究以期为火烧对土壤养分的长期影响提供数据基础，为森林生态系统火烧迹地的人工林经营，提供科学的理论依据。

火烧； 土壤养分； 杉木人工林； 坡位

火烧一般分为计划火烧和控制火烧，是陆地生态系统中的一个影响因素，对生态系统的植物生长环境有着重要的调节作用[1-2]。在森林皆伐之后，对林地内的采伐剩余物进行火烧，能达到快速、高效清除森林内采伐剩余物和杂灌丛的效果[3]。适当频率和强度的火烧，能够改善生态系统的结构和功能，对于维持生物多样性和生态系统养分循环等方面，起着重要作用，促进了森林地力的维持和土壤养分的恢复[2,4-5]。

土壤为植物提供了生长发育场所和必需的矿质养分，而火烧是影响土壤肥力和植被组成的一个重要因素[5]。森林火烧影响了土壤的物理性质、化学性质和微生物活动等，因此，有关火烧迹地土壤养分的变化过程，受到了众多研究者的关注。例如，林火导致森林生物量损失、增加了地表的径流及减少植物的水分蒸腾等；同时，地表凋落物的损失，会降低土壤的持水和渗透能力[6]。刘乐中等[7]对福建三明27年生杉木人工林皆伐火烧后，对土壤呼吸进行了1年的定位研究。结果表明：火烧后的初期，土壤呼吸升高，但总体上火烧后的土壤呼吸较对照组显著地降低，土壤的pH值呈现上升趋势，且上升幅度随着火烧强度加大而增加；但是pH恢复时间随地区变化而不同[8-10]。

火烧对土壤养分的循环和利用有着显著影响，有机质在燃烧的同时，直接灼烧土壤，此时土壤微生物环境发生变化，使得土壤的矿化作用增强，加快了土壤中养分循环，从而增加土壤速效养分供应强度[11-12]。孙毓鑫等[13]对广东鹤山火烧迹地的研究结果表明，灌草坡火烧后，其氨化和净矿化速率加快。墨西哥热带森林高强度火烧，使得表层土壤矿化氮增加18～57 kg/hm2[14]。由于火烧后因土壤硝化、淋溶或微生物转化等作用，速效养分发生增加，但持续时间较短[15]。如马尾松采伐迹地火烧初期，土壤表层速效性养分质量分数比火烧前有较大幅度的增加，但1年后，呈大幅度下降，这与火后幼林地水土流失有关[16]。

福建地区有着山地多、坡度大等特征，而火烧是亚热带人工造林中一项常用的整地措施；因此，通过研究福建三明杉木人工林皆伐后火烧迹地土壤养分动态，探讨不同恢复时间及不同坡位的土壤速效性养分的变化，旨在揭示火烧迹地人工林在人为干扰情况下土壤养分的恢复状态，以期为火烧对土壤养分的长期影响提供数据基础，为森林生态系统火烧迹地的人工林经营，提供科学的理论依据。

1 研究区概况

试验地位于福建省三明市三元区(E116°22′ ～ 118°39′，N25°30′ ～ 27°07′)。该区地处福建武夷山东伸支脉地带，以中低山及丘陵为主，海拔为165 ～ 305 m。属于中亚热带海洋性季节风气候，有着四季分明，雨量充沛，日照充足的特点。年均气温19.2 ℃，年降水量1 687.5 mm，年蒸发量1 592.3 mm，年均相对湿度82%，无霜期为305 d。试验样地为皆伐后的杉木(Cunninghamialanceolata)人工林火烧迹地，样地土壤为山地红壤，坡向为西南坡，坡度约为26°。林下植被种类有冬青(Iiexpurpurea)、木莓(Rubusswinhoei)、大叶白纸扇(MussaendaesquiroillLevl.)、求米草(Oplismenusundulatifolius)和梵天花(Urenaprocumbens)等。

2 材料与方法

2.1 样地设置及取样

样地选取三明市郊国有林场荆东工区杉木人工林皆伐后的火烧迹地，总皆伐加火烧的林地面积为4.516 9 hm2，依照上、中和下坡位，依次设置3块土壤质地和坡向相近的样带，各设置5个重复，每个重复样带相隔大于50 m。于2012年11月对样地进行人工火烧处理，在火烧前，调查样地土壤养分状况作为本底值；其中，硝态氮、铵态氮和速效磷质量分数分别为22.32、11.52和3.94 mg/kg。

在火烧2个月后(2013年1月)、1年后(2013年12月)和2年后(2014年10月)，分别采集土样，每次采样按照坡位走向，依次从下坡位至上坡位，沿直线各选取1个样方，采样时先移除地表凋落物，取土壤深度为0～20 cm，在每个样方内，用土钻按照“S”形采集5钻土，混合为一个单独样品，分别装入有编号的样品袋中，共采集45个土壤样品(3次采样 × 3个坡位 × 5个样方)。采回的土样在实验室取出其中的凋落物、根系和石砾等杂物，置于4 ℃下冷藏保存。新鲜土壤样品以待测定。

2.2 土壤指标测定方法

2.3 数据分析

数据采用SPSS 19.0进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)，比较火烧处理下，不同坡位火烧迹地在不同恢复年限，土壤速效性养分的变化；双因素方差分析统计火烧时间、坡位及其两者的交互作用对土壤速效性养分的显著性，并对土壤速效性养分间进行Pearson相关分析。实验数据的显著水平设置为P<0.05，用Excel 2013对数据进行预处理和作图。

3 结果与分析

3.1 双因素分析

表1 火烧时间、坡位及两者的交互作用对土壤养分双因素分析Tab.1 Two-way ANOVA to test the effects of burning times, slopes locations and their interaction on soil nutrients

3.2 火烧对硝态氮质量分数的影响

由图1可知：在火烧2个月后，上坡位硝态氮质量分数要显著低于下坡位(P<0.01)，且硝态氮质量分数表现为上坡位<中坡位<下坡位；在火烧1年后，中坡位的硝态氮质量分数显著高于上坡位(P<0.05)，且硝态氮质量分数表现为上坡位<下坡位<中坡位；在火烧2年后，硝态氮质量分数在下坡位要显著低于其他坡位(P<0.01)。然而，不同火烧时间，硝态氮的平均质量分数为火烧1年后(27.53±1.76 mg/kg)>火烧2个月后(26.03±1.46 mg/kg)>火烧前(22.32±2.88 mg/kg)>火烧2年后(15.33±1.99 mg/kg)，表明研究区经过火烧后的第1年内，土壤硝态氮质量分数升高，在火烧2年后，其质量分数显著性降低(P<0.05)，且下坡位的硝态氮质量分数较低。

误差棒为标准误差，不同字母表示差异达0.05显著水平，其中小写字母表示同一时间不同坡位间的差异，大写字母表示不同时间平均水平间的差异。下同。The error bar in the Figure is standard error, different letters refer to significant difference at 0.05 level, different small letters refer to significant difference among different slope locations in the same time, and different big letters refer to significant difference among different times in the same slope location. The same below.图1 不同坡位火烧迹地土壤硝态氮质量分数的变化Fig.1 Change of soil nitrate nitrogen content of burnt sites in different slope locations

3.3 火烧对铵态氮质量分数的影响

由图2可见，火烧对铵态氮质量分数影响较大。火烧短期内，铵态氮质量分数相比火烧前降低；在火烧2月后，上、中和下坡位迹地分别降低33.74%、29.87%和15.67%，此时的铵态氮和硝态氮质量分数有着相近的趋势，即上坡位<中坡位<下坡位，上坡位的硝态氮和铵态氮质量分数在不同火烧迹地中均为最低，说明无机氮是伴随着水分和坡位发生淋失和转移[18]；与火烧1年后相比，火烧前的上、中和下坡位迹地分别降低46.71%、61.01%和57.04%，达到显著差异(P<0.05)；火烧2年后，下坡位的铵态氮质量分数显著低于其他坡位(P<0.05)。

图2 不同坡位火烧迹地土壤铵态氮质量分数的变化Fig.2 Change of soil ammonium nitrogen content of burnt sites in different slope locations

从不同火烧时间的铵态氮平均质量分数水平来看：火烧前(11.52±1.11 mg/kg)>火烧2年后(8.99±1.49 mg/kg)>火烧2个月后(8.48±0.41 mg/kg)>火烧1年后(5.19±0.28 mg/kg)，即火烧1年内，铵态氮质量分数显著地降低(P<0.01)，然而在火烧2年后明显升高，说明火烧第2年后，土壤养分随着时间在逐渐恢复。

3.4 火烧对速效磷质量分数的影响

图3表明，火烧前的速效磷质量分数为3.93 mg/kg，其值相比三明市其他地区[19]低得多，说明研究区土壤供P水平有限。与火烧前相比，速效磷质量分数在火烧2个月后和火烧1年后，均表现为上坡位>中坡位>下坡位；在火烧后1年之内，不同坡位间的速效磷质量分数变化不明显，在统计上未达到显著差异(P>0.05)；在火烧2年后，不同坡位的速效磷质量分数均显著上升(P<0.01)，上、中和下坡位迹地的速效磷质量分数分别上升69.28%、76.67%和68.74%。从不同火烧时间的速效磷平均质量分数水平来看，速效磷平均质量分数在火烧前与火烧2个月后无显著差异(P>0.05)；在火烧1年后显著性降低(P<0.05)；而在火烧2年后，速效磷质量分数却发生显著性升高(P<0.01)，这是火烧第2年后土壤中残留的灰分向下淋移，土壤养分中速效磷质量分数发生升高的现象。

图3 不同坡位火烧迹地土壤速效磷质量分数的变化Fig.3 Change of soil available phosphorus content of burnt sites in different slope locations

3.5 火烧对无机氮/速效磷比值的影响

由图4可知，火烧2个月和火烧1年的无机氮/速效磷比值与硝态氮和铵态氮质量分数有着类似的趋势，其比值在火烧2个月后，表现为上坡位<中坡位<下坡位，火烧1年后表现为上坡位<下坡位<中坡位。在火烧2年后的无机氮/速效磷比值明显降低，其比值在1.98±0.24 ～ 2.63±0.12范围内波动，显著低于火烧前和火烧第1年内的无机氮/速效磷比值(P<0.01)。可能是因为火烧第2年时，硝态氮和铵态氮质量分数变化不明显，而速效磷质量分数显著增加所致，此时，研究区杉木对磷的吸收显著升高。

3.6 相关性分析

研究区火烧前后的土壤速效性养分间的Pearson相关性分析见表2。结果表明，火烧前铵态氮质量分数与速效磷质量分数呈显著正相关，其他速效性养分质量分数间未发现显著相关性。火烧后，速效磷质量分数与铵态氮质量分数呈显著正相关；同时，还发现速效磷质量分数与无机氮/速效磷的比值显著负相关。无机氮/速效磷比值与硝态氮质量分数呈显著正相关，但与铵态氮没有显著相关。基于相关系数，实验区火烧前，无机氮/速效磷比值主要受到速效磷的影响，火烧并种植植物后，无机氮/速效磷比值同时受到硝态氮和速效磷的影响，且受硝态氮素的影响要大于速效磷的影响。

图4 不同坡位火烧迹地土壤无机氮和速效磷比值变化Fig.4 Change of soil IN and A-P ratio of burnt sites in different slope locations

表2 土壤速效性养分相关分析Tab.2 Correlations between soil available nutrients

注：*表示在0.05水平(双侧)显著相关，**表示在0.01水平(双侧)显著相关。Note : * refers to significant correlation at 0.05 level (bilateral), and ** refers to significant correlation at 0.01 level (bilateral).

4 讨论与结论

土壤中氮素主要来源于有机质及其分解，许多研究报道表明，火烧后土壤地表枯枝落叶损失，即土壤有机质降低[20-21]。土壤中无机态氮主要是硝态氮和铵态氮，是植物能从土壤中直接获取氮素的主要形态。火烧2个月内，无机氮质量分数明显上升，可能由于林地砍伐后，地表枯枝落叶的燃烧增加了土壤有机氮，且轻度火烧在短期内，能使土壤有机氮大量地转化为无机氮[11,22]；但随着火烧时间的推移，无机氮质量分数在逐渐降低，与S. T. Hamman等[23]研究的混和针叶林火烧土壤养分变化趋势相类似。无机氮/速效磷比值大于1，即植物对土壤中氮的吸收要高于磷，研究区在火烧的1年内，无机氮/速效磷比值未达到显著差异(P>0.05)，但在火烧第2年，其比值达到显著差异(P<0.01)，这是速效磷质量分数升高的结果。此时，植物对磷的吸收显著升高，但植物对氮的吸收性仍然要高于磷。由Pearson相关性分析可知，火烧后的无机氮/速效磷比值与硝态氮质量分数呈显著正相关(r=0.733，P<0.01)，与速效磷质量分数表现出显著负相关(r=-0.672，P<0.01)。

硝态氮容易随着坡位和水流方向在土壤中迁移，是研究区上坡位迹地的土壤硝态氮质量分数要低于中坡位和下坡位迹地的主要原因。在火烧1年内，硝态氮质量分数明显升高，J. Bauhus等[24]认为，火烧产生的热量在短期内，减少了自养型微生物对铵的竞争吸收，火烧后的灰烬为微生物提供养分，促进土壤的硝化作用。在火烧第2年后，土壤硝态氮和铵态氮质量分数，也逐渐接近于火烧前土壤速效性养分质量分数水平，表明火烧迹地土壤养分恢复状况较好。韩雪成等[25]对大兴安岭兴安落叶松林的研究表明，在火烧初期，林分灌木和草本物种数迅速增多，也支持了笔者实验中土壤养分恢复的推论。

地表枯枝落叶在火烧之后形成碱性的草木灰，在被风或水的带动下发生迁移。草木灰与土壤铵态氮接触时，会造成氮素以氨气的形式挥发，且较强的硝化作用使得火烧第1年内铵态氮质量分数发生显著降低。火烧2年后，迹地土壤中微生物群落正在恢复，加快了土壤中氮的循环，解释了火烧第2年后，铵态氮质量分数逐渐接近于火烧前铵态氮质量分数的结果[26]。洪伟等[27]对三明市杉木林火烧后的研究表明，中坡位土壤微生物数量明显高于下坡位。火烧第2年后，研究区氮、磷质量分数均表现为中坡位要显著高于下坡位(P<0.05)，可能是中坡位土壤养分循环加快的主要原因。

土壤速效磷质量分数是用来衡量土壤中P素供应的重要指标，研究区火烧前的土壤速效磷平均质量分数为3.93 mg/kg，相比福建三明市[19]的土壤速效磷质量分数要低。速效磷质量分数在火烧的第1年内变化不明显，因为速效磷较为稳定，通过挥发和淋溶损失部分较少。有学者认为，在P缺乏的地区，火烧后速效磷质量分数会发生增加[4]，或者是火烧后残留的灰分向下淋移，使得土壤养分增加[12]。火烧2年后，速效磷平均质量分数显著高于火烧前，达到11.71 mg/kg，这是研究区火烧后残留的灰分进入表层矿质土壤，使得土壤养分矿质化速度加快的结果[16]。虽然火烧短期内的速效磷质量分数呈显著性升高，但是速效磷质量分数长期的变化，还有待进一步地探究。

福建三明地区以山地为主，坡位较大，雨量充沛，且较为集中，在火烧后，裸露的杉木幼林地水土流失严重。火烧后增加了大量的速效性养分和盐基离子，比如对土壤具有短期激肥效应；另外，去除林下灌草，减少对杉木幼树的养分竞争，对杉木早期生长起到一定的促进作用。但是也会极易发生水土肥流失，导致土壤物理结构的破坏等不利因素[28-29]，即土壤中的氮素极易发生转移和损失，使得火烧后无机氮质量分数较火烧前偏低，造成氮素的流失。因此，为了杉木人工林的可持续经营，建议营林部门应该采取一定的水土保持措施，预防和降低火烧后林地内土壤侵蚀。总之，从短期来看，火烧对杉木林地土壤速效性养分循环有益；同时，火烧对土壤的影响时间很长，进一步监测火烧后土壤养分循环，研究土壤微生物群落的动态，完善森林生态系统，使其更加健康发展。

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Impacts of slash burning on soil nutrients of the clear-cutting site ofCunninghamialanceolataplantation in Sanming, Fujian Province

LEI Xueming1, WU Jianping1, FENG Yan2, TONG Hao2, TU Longping2, LIU Wenfei1, FAN Houbao1

(1.Jiangxi Key Laboratory for Restoration of Degraded Ecosystems & Watershed Ecohydrology, Institute of Ecology and Environmental Science,Nanchang Institute of Technology, 330099, Nanchang, China; 2 Shijiao National Forest Farm of Sanming, 365000, Sanming, Fujian, China)

slash burning; soil nutrients;Cunninghamialanceolataplantation; slope location

2016-11-03

2017-03-13

项目名称： 国家自然科学基金项目“冠层模拟氮沉降对杉木林林下植被及其生态功能的影响”(31570444)；“赣鄱英才555工程”领军人才培养计划(赣才字[2011]1号)；江西省主要学科学术和技术带头人资助项目(20162BCB22021)；南昌工程学院大学生科研训练计划项目(2016年)；南昌工程学院研究生创新培养基金项目(YJSCX20160003)

雷学明(1993—)，男，硕士研究生。主要研究方向：土壤生态学。E-mail: leixm0505@163.com

†通信作者简介： 樊后保(1965—)，男，博士，教授。主要研究方向：森林生态学。E-mail: hbfan@nit.edu.cn

S151.9

A

2096-2673(2017)03-0043-08

10.16843/j.sswc.2017.03.006