长白松人工林采伐迹地火灾对土壤性质的影响

陈 博，薛 伟，张华超，，朱梦龙

（1.东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.吉林省白河林业局，吉林 延边 133000）

长白松人工林的采伐作业完成后，林木的消失使土壤表层受到较高的光照强度。而人工采伐迹地上往往会残留大量带有油脂的伐根及枝丫，在干燥、大风、高温等情况下极易发生火灾[1]。强度过高的火烧会造成土壤结构的严重破坏，形成板结。还会改变土壤性质，使土壤养分挥发侵蚀，严重时还会破坏森林土壤生态系统，甚至长时间无法恢复[2]。

宋启亮等[3]指出大兴安岭土壤火烧后20年有机质含量提升了64%，起到了稳定土壤中有机碳库的作用。李媛等[4]指出，草原火烧后3年土壤养分无显著变化，而当年火烧和火烧后11年，养分会发生一定程度的改变。Hatten 等[5]研究指出，林火产生的木炭、金属氧化物会对土壤的理化性质产生长期的影响。Hart 等[6]研究了火对土壤微生物的影响机理，指出火灾短期内升温导致微生物死亡。Grogan 等[7]研究了火灾对主教松林的土壤、微生物、氮循环的影响，并指出灰分的再分配促进了初级生产力的保留。

前人对于采伐迹地火灾研究的时间跨度较长且环境条件比较单一，火烧后10年甚至20年的土壤结构性质受非相关因素影响较大。本文通过模拟不同风速下长白松采伐迹地的火灾来研究火灾温度对土壤结构性质的即时影响，在此基础上每隔半年进行一次土壤的观测，能更详细、直观地了解不同强度火烧引起的土壤变化情况，为恢复长白松等珍贵树种的繁育地提供了科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与研究方法

试验地点设在吉林省白河林业局，在林场试验地进行，地理位置为42°01′20″～42°48′17″N，127°53′19″～128°34′12″E，全林业局年平均气温为2.2℃，全年无霜期为110 d 左右，年平均降水量为700 mm 左右且多集中于6—8月。试验地人工林面积为14 hm2，采伐树龄为45 a，采伐强度为15%，长势健康，分布规律，样地的基本情况见表1。

表1 试验地基本概况Table 1 Basic situation of the experimental sites

在试验地划取4 块长17 m、宽15 m 且结构相似的试验地，保持试验区域的表层可燃物分布情况相近且落叶均匀平铺，绘制出试验地模拟图1。为探究不同风速条件下的火灾温度对土壤结构性质的影响，利用鼓风机不同档位模拟此地区4 种常见风速，分别为1、3、5、7 m/s，在4 块试验区域中进行燃烧试验。

图1 试验地模拟Fig.1 Simulation of the experimental ground

1.2 试验内容与方法

试验区域整体结构以及伐根坐标见图2，其中X、Y轴的平面为土壤表面，Z轴坐标表示土壤深度。在土壤表层以及地表下3、6、9、12、15 cm 的土层处分别布置热电偶，黑色实心点为温度测试点。区域两侧分别布置9 根间隔为1 m 的标杆，在火焰达到似稳态时记录并计算火蔓延速度。其速度为火头顺风速度，由火头通过各标杆的时间计算，对多段速度取平均值[8]，计算公式为：

图2 试验区域结构Fig.2 The structure of the experimental area

式中：L为火头在一定时间内的蔓延距离（m）；t为蔓延时间（s）。

试验设备包括车载电源、鼓风机、电子秤、测试箱、ADAM-5018 型测温模块、热电偶、EY1-B 型风速风向仪。装置中的热电偶为K 型热电偶，可测试的温度范围为：0～1 370℃。温度测试点布置位置见图3。

图3 试验区域俯视Fig.3 Platform of the experimental area

试验后待土壤冷却进行第1 次采样测量分析，将火烧迹地在自然条件下保留，每隔半年进行1次测量。2015年5月进行试验及第1 次采样，至2020年11月共12 次采样测量。取样点设置在伐根之间的受损土壤，在试验地内随机选择2 m×2 m的区域进行五点取样法取样。取样后分别测量其理化性质[9]。

2 结果与分析

2.1 试验中土壤温度变化

风速对火灾土壤温度的变化有显著影响，当风速为1 m/s 时，试验区域中火势较弱，火蔓延速度为1.32 m/s，表层可燃物燃烧缓慢，3 cm 土壤层最高温度可达240℃，6 cm 层土壤最高温度上升至70～80℃之间，9 cm 土壤层温度升高至30～40℃之间，12 cm 土壤层温度略微上升。当风速为3 m/s 时，火蔓延速度为1.98 m/s，3～9 cm土壤层温度明显升高，9 cm 以下层土壤温度不受火烧影响。当风速为5及7m/s时，火蔓延速度为2.55和2.91 m/s，表层可燃物燃烧较快，虽然伐根持续燃烧，但温度向更深层次土壤需要足够长的加热时间，所以深层土壤温度变化较弱，3 cm 土壤层最高温度仍可达到200℃左右，5 cm 土壤层最高温度在50℃左右，9、12、15 cm 土壤层温度几乎无变化，故仅研究3、6、9 cm 层土壤结构与性质的改变。

2.2 火灾对土壤结构与性质的即时影响

火烧会对土壤的容重、元素含量、含水率等几个方面产生影响。火烧期间，土壤最高温度达到了200℃以上，火烧样地中形成了各种大小不一的裸露地块，使得土壤的结构发生变化。而地表的凋落物以及土壤中的有机质燃烧会改变土壤的矿物成分，高温更是影响了其中植被以及微生物的存活。在试验结束后，为了减少环境对灾后土壤的影响，待土壤冷却立即进行取样并测量。测量数据以柱状图形式呈现出来，并加入未进行火烧的土壤数据为对照，在图中以ck 表示。

2.2.1 火灾后不同风速条件下各层次土壤容重变化

将试验结果通过Origin软件整理绘制柱状图，应用SPSS20.0 软件对数据进行分析。风速为1、3、5、7 m/s 时，火烧后各层次土壤容重的变化如图4所示。

图4 火烧后土壤容重变化Fig.4 Soil bulk density after the fire

风速为1 m/s时，3 cm土壤层最高温度为219～241℃，此时3 cm 土壤层容重为1.45 g/cm³，下层土壤的容重较大，9 cm 土壤层容重可达1.55 g/cm³。风速为3 m/s 时，各层土壤容重均有所升高。风速为5 m/s 时，3 cm 土层最高温度为210℃，此时3、6 cm 层土壤容重为1.35、1.38 g/cm³，与对照组相比均有所升高（P＜0.05），但9 cm 层土壤容重与对照组相比几乎无变化。风速为7 m/s时，3 cm 层土壤最高温度为197℃，容重升高至1.25 g/cm³，其余层土壤容重均无明显变化。

2.2.2 火灾后不同风速条件下各层次土壤有机质含量变化

由图5可知，火烧产生的高温会导致3 cm 土壤层的有机质损失严重（P＜0.05）。3 cm 土层在各风速的火灾下，有机质含量损失均在70%以上且最高达到了87%。6 cm 土壤层有机质含量受火烧影响较小，风速为1、3 m/s 时，土壤最高温度在70℃左右，此时根系开始脱水变干，部分种子和微生物死亡，温度越高影响越显著。风速为5、7 m/s 时，6 cm 层土壤最高温度在50℃左右，此时仅少量根系脱水变干或死亡，种子以及各种微生物大量存活。9 cm 土层中有机质几乎不受火灾影响，风速为1、3 m/s 时，9 cm 层土壤最高温度在34～40℃之间，对蛋白质以及植物组织影响非常小。而风速为5、7 m/s 时，9 cm 层土壤温度均在30℃以下，无论持续时间多久，都不会对有机质含量产生影响。

图5 火烧后土壤有机质含量变化Fig.5 Soil organic contents after the fire

2.2.3 火灾后不同风速条件下各层次土壤氮含量的变化

由图6可知，各风速下发生的火灾都会使土壤全氮含量不同程度地减少。风速为1 和3 m/s时，3 cm 层土壤最高温度分别在219～241℃和218～221℃之间，此时3、6 cm 土层全氮含量变化显著（P＜0.05），且温度越高全氮损失量越大。风速为5 m/s 时，3 cm 层土壤温度在206～210℃之间，全氮含量与未火烧相比仍有显著变化。风速为7 m/s 时，其土壤最高温度不足200℃，3 cm层土壤全氮含量变化不显著（P＞0.05）。有效氮含量的显著变化发生在3 cm土层。风速为1 m/s时，3 cm 土层有效氮含量增加最显著，风速升高至5 m/s 时，土层最高温度低于200℃，此时土壤有效氮含量几乎无变化。

图6 火烧后土壤全氮和有效氮含量变化Fig.6 The total nitrogen and available nitrogen contents of soil after the fire

2.2.4 火灾后不同风速条件下各层次土壤磷含量的变化

由图7可知，在各风速下的火灾后土壤全磷的损失量都很少，主要发生在风速为1 m/s 时3 cm土层处（P＜0.05），而速效磷含量在各条件下均未发生显著性变化。总体而言，土壤全磷和速效磷含量受火烧的即时影响并不大，土壤温度超过220℃时，土壤全磷才开始损失。

图7 火烧后土壤全磷和速效磷含量变化Fig.7 The total phosphorus and available phosphorus contents of soil after the fire

2.2.5 火灾后不同风速条件下各层次土壤钾含量的变化

火烧后土壤中钾元素含量变化如图8所示，火烧对土壤中钾含量的即时影响较小，3 cm 层土壤的全钾含量仅在风速为1 m/s 的火烧下才有显著降低（P＜0.05），深层土壤的全钾含量几乎不受影响。且钾元素的温度阈值较高[10]，各层速效钾含量在火烧后即时变化不显著（P＞0.05）。

图8 火烧后土壤全钾和速效钾含量变化Fig.8 The total potassium and available potassium contents of soil after the fire

2.3 火灾后观测期内土壤结构与性质的变化

为了研究受灾土壤的后期影响和恢复情况，对各个风速、不同层次及火烧后不同时间的土壤容重、有机质及各种元素含量的变化规律进行探究。2015年5月进行第一次试验及采样，之后每隔半年进行一次采样，至2020年11月共12 次，下文表示为t1～t12。

2.3.1 火灾后观测期内各层土壤容重变化

火灾破坏了采伐迹地原有的面貌，使土壤发生严重的板结。观测期内各土壤层容重变化如图9所示，当风速高于5 m/s 时，采伐迹地火灾后9 cm土壤层容重几乎不受火灾影响，当风速低于5 m/s时，燃烧的持续时间增加，各层土壤容重均有一定程度的升高。表层土壤受到高温的作用会形成严重板结，土壤容重大幅升高。在风速较高火灾下，6 cm 层土壤最高温度在45～54℃，土壤容重略有升高，但在第2 至第3年即恢复至正常水平。

图9 观测期内3、6、9 cm（由下至上）土壤层容重变化Fig.9 Bulk density of the 3,6,9 cm (from bottom to top)soil layer during the observation period

2.3.2 火灾后观测期内各层土壤有机质含量变化

观测期内各土壤层的有机质含量变化如图10所示，在轻度火烧的作用下，表层土壤的部分有机质高温损失或直接燃烧损失，还有一部分有机质经淋溶作用进入土壤，增加了下层土壤有机碳含量。6 cm 土壤层在风速为1 m/s 的火灾下，有机质损失达到了11.4%，在其余风速下仅有少量损失且5年内恢复缓慢。9 cm 土壤层的有机质几乎不受火灾影响，且在灾后初期有机质含量有少许增加，第2年左右即恢复至正常水平，主要原因是火烧加速了上层有机物的枯落从而提高了下层土壤有机质含量。

图10 观测期内3、6、9 cm（由下至上）土壤层有机质含量变化Fig.10 Bulk density of the 3,6,9 cm (from bottom to top)soil layer during the observation period

2.3.3 火灾后观测期内各层土壤氮含量变化

观测期内各土壤层的氮元素含量变化如图11所示，6 cm 土壤层的全氮含量呈现出较为平缓的趋势，且观测期内无增长，这可能是由于火烧导致6 cm 土壤层的种子死亡及根系脱水变干，植物的固氮作用丧失。9 cm 土壤层的全氮含量仅在风速为1 m/s 和3 m/s 时有少量损失，在观测期内呈现小幅增长的趋势，且该土壤层各风速下的火灾后全氮含量几乎均恢复至正常水平。

图11 观测期内3、6、9 cm（由下至上）土壤层全氮及有效氮含量变化Fig.11 Total nitrogen and available nitrogen contents of the 3,6,9 cm (from bottom to top) soil layer during the observation period

火烧后3 cm 土壤层中有效氮含量在t1～t3时期会有所升高，这是由于土壤中的部分有机氮在火烧的作用下转化为无机形式留在土壤中，同时灰分中还残留了一些氨氮，沉降到地表便增加了有效氮的含量，导致无机氮含量在短期内增加[11]。t3～t7时期有效氮含量迅速下降，t7～t12变化较为平缓且未开始恢复。6 cm 土壤层中的有效氮含量在前三年左右的时间持续降低，在后续观测期间保持平稳趋势，仅有9 cm 层样地土壤的有效氮含量几乎不受火灾影响。

2.3.4 火灾后观测期内各层土壤磷含量变化

由图12可知，3 cm 及6 cm 层土壤中的磷含量在火烧后并未立即出现大量损失，而是在火烧后的两年内迅速降低，随后维持平缓的趋势。3 cm 土壤层全磷含量在t4时期最高损失达到了17.9%，6 cm 土壤层最高损失为11.7%。9 cm 土壤层的磷含量在火烧后各年略低于对照且趋势较为平稳，受火烧影响不大。总体而言，火烧后5年内土壤的磷含量会保持低于火前水平。

图12 观测期内3、6、9 cm（由下至上）土壤层全磷及速效磷含量变化Fig.12 Total phosphorus and available phosphorus contents of the 3,6,9 cm (from bottom to top) soil layer during the observation period

土壤的速效磷与全磷含量无明显的相关性，火烧会引起土壤pH 值上升，导致浅层土壤速效磷的短期富集。从试验数据得知，火烧后3 cm 和6 cm 土壤层的速效磷含量在半年内显著升高，其中3 cm 土壤层速效磷含量在t2～t5时期持续降低但仍高于对照，随后保持平缓的变化趋势，6 cm土壤层速效磷含量在t2～t8时期降低至正常水平，其恢复阶段的趋势取决于土壤中的铝和铁氧化物等众多因素[12]。9 cm 土壤层受火烧影响相对较小，其速效磷含量在火烧后平稳保持在正常水平之下且接近正常水平。

2.3.5 火灾后观测期内各层土壤钾含量变化

图13是观测期内各土壤层钾元素含量的变化，3 cm 及6 cm 层土壤中的全钾含量在t2～t5时期降低，其中一部分钾元素受淋溶作用逐渐进入下层土壤，使9 cm 层土壤中的全钾含量在火烧后始终略高于对照组。速效钾含量会在火烧后的半年内迅速上升，3 cm 层土壤最高超出对照组11.2%，6 cm 层土壤最高超出对照组11.3%，9 cm 层土壤最高超出对照组4.3%。在t3时期之后，各土壤层速效钾含量出现下降趋势。3 cm 及6 cm 层土壤速效钾含量虽然在t3时期之后出现下降趋势，但始终高于对照组。9 cm 土壤层速效钾含量在t5时期恢复至正常水平。

图13 观测期内3、6、9 cm（由下至上）土壤层全钾及速效钾含量变化Fig.13 Total potassium and available potassium contents of the 3,6,9 cm (from bottom to top) soil layer during the observation period

3 结论与讨论

1）高强度火烧导致土壤容重升高，不利于灰分的分解，使土壤养分降低，影响微生物自身合成与代谢[13]。随着风速的增加，火烧地的可燃物燃烧时间变短，使得土壤没有足够的燃烧时间和强度达到高温，对土壤容重影响减小。3 cm 层土壤容重在各风速火烧后与对照相比，差异均达到了显著性水平。当风速大于5 m/s 且土壤深度大于9 cm 时，土壤容重无显著性差异。这与耿玉清等[14]的研究结果相似，中度火烧会使土壤容重显著增加，而轻度火烧后的土壤容重未有明显变化。

2）火烧时土壤温度低于100℃，则土壤中有机质含量的变化不显著，然而随着温度的升高，土壤有机质的损失会大幅上升，当土壤温度达到200℃时，有机质含量严重损失。在各风速的火灾下，3 cm 层的最高温度均达到195℃以上，有机质的损失最高达到了87%且在5年内无明显恢复，较高强度的火烧下腐殖质以及林地枯落物被严重烧毁导致矿质土壤裸露、土壤侵蚀严重，土壤损失的有机质难以恢复，其恢复情况受气候、植被、地形等多个因素影响[15]，需要人工恢复或者人工促进天然恢复。

3）表层可燃物的消失导致土壤暴露在阳光下，土壤的日间温度急剧升高，大量的氮元素转化为气态形式。且经过各风速条件下火烧后的3 cm 土壤层全氮含量在各年持续减少，至第5年降低25%～36.7%，这与孙明学等[16]的研究结果相似，在天然恢复的情况下，氮含量的损失可以持续长达15～20年，直至林分的郁闭度增加、植被与微生物恢复，补充土壤中的氮且促进土壤中的氮循环。有效氮含量的变化主要发生在3 cm土层，土壤中的一部分有机氮经过火烧作用转化为了无机形式，使土壤有效氮含量在一年内增加，随后持续降低并低于对照水平。

4）火烧后土壤中的磷并不像氮对于土壤温度差异性显著，各风速下火烧后的土壤全磷含量即时变化不明显（P＞0.05），这是因为土壤磷通过挥发和淋溶的损失较小，且地表凋落物的燃烧为土壤增加了少量的营养元素。但由于地表植被和凋落物的燃烧改变了磷的化学循环、火烧后土壤裸露易发生水土流失、雨水流失多下渗少，全磷含量在5年内持续降低，速效磷含量在短期富集后也开始逐年减少。这与薛立等[17]的研究结果相同。磷的挥发性很高，随机性也很强，土壤中的磷元素可以促进根系发育、增加幼苗的成活率[18]，因此应在土壤中磷含量高时，及时对火烧迹地进行人工恢复。

5）钾元素不存在气体形式，可燃物燃烧后的灰分中含有大量钙、钾等离子[19]，其中一些钾以颗粒状形式沉淀地表，经过雨水淋洗后进一步输入土壤。因此火烧后土壤全钾含量在短期内不会有明显下降，甚至会有少量增加。李媛等[4]指出新烧地0～10 cm 土层的速效钾含量显著高于对照，火烧后3年略有降低但仍高于对照，这与本研究结论相同。谷会岩等[20]指出，钾在土壤中流动性很强，属于易淋溶物质，火灾过后地表的植被、枯落物的减少甚至消失，使地表侵蚀增强，土壤中的钾很容易被淋溶而流失。

综上所述，在考虑对火烧后的迹地进行人工恢复时，应尽量选择在火烧后的第一年，此时土壤中有效营养元素含量较高，土壤容重以及深层土壤的有机质含量开始恢复，否则土壤增加的有效营养元素将流失掉，最终造成土壤瘠薄。同时，通过5年观测期内的试验数据可以看出，大部分营养元素变化的转折点均在火烧后的两年内，但本文只就火烧对土壤的即时影响做了显著性分析。因此，为了更详细地了解不同风速下的火烧导致土壤的理化性质改变以及差异，对各项理化性质每次测量数据的显著性分析有待进一步研究。