計劃燒除對針闊混交林地土壤化學性質(zhì)的影響

張立存，孫科輝，鐘安建，焦鴻渤，肖金香*

(1.江西省水土保持科學研究院，江西 南昌 330029;2.江西農(nóng)業(yè)大學 林學院，江西 南昌 330045;3.九江市廬山區(qū)林業(yè)局，江西 九江 332000;4.江西新余市渝水區(qū)林業(yè)局，江西 新余 338000)

土壤養(yǎng)分和土壤酸堿性是土壤化學性質(zhì)的主要特征，也是土壤肥力的重要指標，此外，土壤養(yǎng)分還是林木生長發(fā)育所必須的物質(zhì)基礎?；馃厝粚е峦寥阑瘜W性質(zhì)的變化，火燒對土壤化學性質(zhì)的影響可以是短期的，也可以是長期的，影響的大小主要取決于火燒強度、火的性質(zhì)和火燒頻率［1］?；饘ν寥阑瘜W性質(zhì)的影響有直接和間接兩個方面:直接影響是指火燒直接把復雜的有機物轉(zhuǎn)化為簡單的無機物;間接影響是指這些轉(zhuǎn)化來的簡單無機物重新與土壤發(fā)生化學反應，最終導致土壤的酸堿性和土壤養(yǎng)分狀況發(fā)生變化。

目前，國內(nèi)外關于林火對土壤化學性質(zhì)影響的研究已經(jīng)有很多報道，但是這些相關的研究基本上都是建立在發(fā)生火災后的林火跡地的基礎上，而建立在人為火干擾基礎上的研究相對較少［2－3］。計劃燒除是指在人為控制下為達到預期目的而在指定地點進行安全用火的一種技術手段。研究計劃燒除對土壤化學性質(zhì)的影響，分析計劃燒除后土壤養(yǎng)分和土壤酸堿性的動態(tài)變化過程，了解林火利、害兩方面的作用，有利于提高人類對火的認識，對林業(yè)經(jīng)營管理有一定的指導意義。

本研究選擇亞熱帶針闊混交林地，進行不同間隔期不同燃燒持續(xù)時間的試驗，探討不同火燒持續(xù)時間及火燒后不同時間間隔對森林土壤化學性質(zhì)的影響。研究不同火燒持續(xù)時間及火燒后不同時間間隔下土壤酸堿度、有機質(zhì)、全氮、有效氮、速效鉀、速效磷含量的變化規(guī)律，可以直接或間接地反映計劃燒除對土壤的改良狀況，為營林用火方法的選擇提供科學依據(jù)。

1 試驗設計與方法

1.1 研究區(qū)概況

樣地選擇在梅嶺國家森林公園外圍。梅嶺國家森林公園位于江西省南昌市西北郊的灣里區(qū)境內(nèi)，地處東經(jīng) 115°37'～115°49'、北緯 28°40'～28°50';平均海拔 50～841.4 m，總面積達150 km2［2－4］。屬中亞熱帶溫濕東南季風氣候區(qū)。公園內(nèi)年均溫14～17℃，日照少，降水多，空氣濕度大，氣候垂直變化大，四季分明，冬暖夏涼。

梅嶺地區(qū)森林植被資源豐富，種屬繁多。森林植被以次生林為主，主要植被類型為:①亞熱帶毛竹林:主要分布北部地區(qū);②亞熱帶針葉林:以馬尾松、杉木為主要代表樹種;③亞熱帶常綠和落葉闊葉林:分布零散，優(yōu)勢樹種是樟科、殼斗科和山茶科樹種;④亞熱帶經(jīng)濟林:以油茶為主;⑤山地灌木:主要有茅栗、算盤子、胡枝子、烏飯、杜鵑、鹽膚木、小山竹、烏藥、山楂、化香、瑞香、白櫟等。

研究區(qū)主要的森林土壤類型為紅壤，土層深厚，多偏酸性，質(zhì)地相對較粘。在南昌市梅嶺國家森林公園外圍，設置3處25 m×25 m的針闊混交林標準樣地，海拔為150 m，坡向東南，坡度約為5°，土壤類型為紅壤，土層深厚。

1.2 計劃燒除

分別于2011年3月、5月、7月、9月、11月選擇陰涼天氣在每個樣地內(nèi)選取不同樣點進行堆燒試驗，堆燒樣點的選取按S型布點，燒完之后及時在堆燒位置做好標記。每次堆燒時設置3個不同的燃燒時間和一個對照(未燒林地，用“CK”表示)，分別為10，30，60min和CK，共4個處理，在3個樣地內(nèi)，每個處理均設3個重復，最后一次堆燒結束后隔一天對全部5次堆燒實驗進行統(tǒng)一取樣。堆燒時間至取樣時間之間的時間間隔期則表示不同的恢復期，3月、5月、7月、9月、11月進行的堆燒分別代表恢復期為8個月、6個月、4個月、2個月和1 d。

1.3 外業(yè)取樣

于2011年11月12日最后一次堆燒試驗完成之后進行統(tǒng)一取樣。取樣前先把堆燒點區(qū)域的灰燼及枯落物等清理干凈，防止取樣時將上述物質(zhì)帶入土中影響實驗結果，取樣深度為0～10 cm。

取樣方法:按照火燒持續(xù)時間長短順序和火燒日期順序進行取樣，用消毒的土鉆按照“十字梅花形”在每個堆燒點取5個土樣，將3個樣地內(nèi)相同燃燒處理的土樣混合均勻后用四分法取其中500 g放入塑料袋中，在相鄰未燒地用同樣的方法取空白對照，樣品帶回實驗室風干粉碎過篩備用。

1.4 土壤化學性質(zhì)測定

本研究根據(jù)中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準—森林土壤分析方法［6］及關繼義和陳喜全主編［7］的森林土壤實驗教程，分別采用重鉻酸鉀容量法、自動凱氏定氮蒸餾法、堿解－擴散法、醋酸銨浸提－火焰光度法、碳酸氫鈉浸提－鉬銻抗比色法測定土壤中有機質(zhì)、全氮、有效氮、速效鉀、速效磷含量;采用電位法［5］測定土壤pH值。

2 結果與分析

2.1 土壤pH值的變化

對不同持續(xù)時間的火燒后針闊混交林土壤pH值分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過不同持續(xù)時間的火燒后，土壤pH值均有所增加。從圖1可以看出，火燒持續(xù)時間為10min的火燒跡地，火燒后1 d土壤pH值增加0.1;火燒持續(xù)時間為30min跡地，火燒后1 d土壤pH值略有增加，到第2個月時猛增0.26，后又有所下降，但仍高于燒前水平，再往后又開始增加;火燒持續(xù)時間為60min的跡地，火燒過后1 d土壤pH值基本沒有太多變化，之后持續(xù)增加，到第8個月時增速有所減慢。比較不同火燒持續(xù)時間跡地土壤pH值的變化情況發(fā)現(xiàn)，火燒持續(xù)時間為30和60min跡地上的土壤pH值變化幅度基本持平，且均高于火燒時間為10min的跡地，這是由于長時間的火燒產(chǎn)生了更多的陽離子造成的。

隨著火燒持續(xù)時間的延長，火后pH值增加越多。火燒持續(xù)時間為60min，呈持續(xù)增加趨勢，而60min以下的火燒時間對森林土壤pH值的影響不穩(wěn)定。通過方差分析發(fā)現(xiàn)，計劃燒除后8個月的時間內(nèi)，火燒后時間間隔期對土壤pH值的影響有極顯著差異(P=0.0038＜0.01)，火燒持續(xù)時間對土壤pH 值的影響無顯著性差異(P=0.1282＞0.05)。

圖1 火燒對土壤pH值的影響Fig.1 Fire impact on soil pH

2.2 土壤有機質(zhì)的變化

通過對不同持續(xù)時間火燒后針闊混交林土壤有機質(zhì)變化(圖2)分析發(fā)現(xiàn)，森林土壤有機質(zhì)含量均有所增加，火燒時間間隔對土壤有機質(zhì)含量的影響有顯著差異(P=0.0118＜0.05)，火燒持續(xù)時間對土壤有機質(zhì)含量影響無顯著差異(P=0.6080＞0.05)。由圖2可以看出，火燒時間為10min的火燒跡地上，8個月內(nèi)隨時間增加土壤有機質(zhì)呈明顯的增加趨勢;火燒持續(xù)時間為30和60min的火燒跡地上，土壤有機質(zhì)含量呈先增加后減少再增加的變化趨勢，但都高于火燒前水平，在火燒后第4個月時增加幅度最大。

圖2 火燒對土壤有機質(zhì)含量的影響Fig.2 Fire impact on soil organic matter

計劃燒除之后火燒跡地土壤有機質(zhì)含量增加主要有兩方面的原因:一是熏土效應的影響;二是火燒后土壤養(yǎng)分被釋放，地表生物量增加，將凋落物分解轉(zhuǎn)化成土壤有機質(zhì)，使土壤有機質(zhì)含量逐漸上升。不同火燒持續(xù)時間對土壤有機質(zhì)含量整體差別不明顯，但在火燒后6個月和8個月時，火燒持續(xù)時間為10min的跡地土壤有機質(zhì)含量要比火燒持續(xù)時間為30和60min跡地上高出5～6 g/kg，這是由于原因二造成的。

2.3 土壤全氮的變化

火燒時氮素極易揮發(fā)，然而火燒持續(xù)時間和火燒強度不同，氮的揮發(fā)情況有所不同，而隨著火燒后時間的推移，土壤中的氮素也會逐漸恢復。對不同持續(xù)時間火燒后森林土壤全氮含量變化(圖3)分析發(fā)現(xiàn)，不同持續(xù)時間的火燒后土壤全氮含量均有一定程度的上升，且在計劃燒除后8個月的時間內(nèi)，火燒持續(xù)時間和火燒時間間隔對土壤全氮的影響均無顯著差異(P=0.5142和0.1364均＞0.05)。

圖3 火燒對土壤全氮含量的影響Fig.3 Fire impact on soil total N

由圖3可以看出，火燒 1 d后，火燒持續(xù)時間10，30，60min跡地上土壤全氮含量分別增加0.0093%、0.0122%、0.01%，這是因為在進行堆燒時可燃物中含有的氮有一部分通過煙熏作用進入土壤中，使土壤中的全氮含量增加。在此之后不同火燒持續(xù)時間跡地上土壤全氮含量隨著時間間隔的增加也有不同程度的增加，其中火燒持續(xù)時間為30和60min跡地上，土壤全氮的含量分別在火燒后第4個月和第6個月又開始下降，這是因為火燒之后，土壤中的生物量增加，分解補充到土壤中的氮增加，而長時間的火燒將土壤表面的枯枝落葉層全部焚燒，使土壤表層受到雨水侵蝕較嚴重，從而導致土壤全氮含量又開始下降。不同火燒持續(xù)時間跡地上土壤全氮含量的差別不明顯。

2.4 土壤有效氮的變化

土壤有效性氮的含量與土壤有機質(zhì)含量有關，分析土壤有效氮的含量能了解近期內(nèi)土壤氮的供應狀況和氮的釋放速率。通過對梅嶺森林公園針闊混交林持續(xù)不同時間的計劃燒除后土壤有效氮的含量變化(圖4)分析發(fā)現(xiàn)，不同持續(xù)時間的火燒后樣地土壤中有效氮含量均有明顯增加，火燒后時間間隔對土壤有效氮影響具有極顯著差異(P=0.0046＜0.01)，火燒持續(xù)時間對土壤含水率的影響無顯著差異(P=0.0944＞0.05)。

圖4 火燒對土壤有效氮含量的影響Fig.4 Fire impact on soil available N

由圖4可以看出，火燒持續(xù)時間為10和30min的火燒跡地土壤有效氮含量在火燒后兩個月增加緩慢，與火燒CK相比，分別只增加了10.5和11.75 mg/kg，在火燒后第4個月時增加迅猛，分別比CK增加了47.25和42 mg/kg，之后開始逐漸下降?；馃掷m(xù)時間為60min的火燒跡地，土壤有效氮含量在火燒后迅速增加，在火燒后2個月時增加量就達到了40.25 mg/kg，之后又有略微的增加，到第6個月時開始下降。火燒后土壤有效氮含量之所以出現(xiàn)先增后降的變化趨勢，主要有以下幾個方面的原因:首先在燃燒的過程中有部分氮通過煙熏作用進入到土壤中，再就是火燒之后土壤pH值增加，土壤固氮能力提高，從而使土壤中有效氮的含量明顯增加，最后隨著時間的推移，煙熏效應逐漸消失，氮的礦化加速，補充到土壤中的有效氮減少，所以土壤中的有效氮含量又開始下降。不同火燒持續(xù)時間間隔比較，從整體來看火燒持續(xù)時間為10和60min跡地上的土壤有效氮含量略高于30min跡地。

2.5 土壤速效磷的變化

對不同持續(xù)時間的火燒后，通過森林土壤速效磷含量的變化分析(圖5)，不同火燒持續(xù)時間土壤速效磷含量差別較大(P=0.0009＜0.01)，火燒持續(xù)時間越長，速效磷含量越少;火燒后時間間隔對不同火燒持續(xù)時間土壤速效磷含量的影響不一樣。

圖5 火燒對土壤速效磷含量的影響Fig.5 Fire impact on soil available P

從圖5可以看出，火燒之后火燒持續(xù)時間為10min的跡地上，與火燒CK相比土壤速效磷的含量有明顯的增加，火燒后 1，60，120，180，240 d 分別增加了 7.44，11.17，18.61，19.78，38.51 mg/kg，呈持續(xù)遞增趨勢，這主要是因為火燒之后一方面土壤pH值升高有利于無機磷的釋放，另一方面土溫升高提高了微生物的活性，加快了有機磷礦化速度;火燒持續(xù)時間為30和60min的跡地上土壤速效磷的含量有不同程度的下降，火燒1d后分別下降3.73和7.45 mg/kg，之后有一個慢慢恢復的趨勢，火燒持續(xù)時間為30min的跡地上，在火燒后第4個月時基本恢復到燒前水平，火燒持續(xù)時間為60min的跡地上，在火燒后第8個月依然未恢復到燒前水平，這是因為較長時間的火燒對土壤破壞比較大，使速效磷轉(zhuǎn)化為遲效磷。

2.6 土壤速效鉀的變化

土壤速效鉀是土壤鉀素的直接供應指標，因此測定土壤中速效鉀的含量可以為施肥提供依據(jù)，而研究火燒后土壤速效鉀的變化，能更好地了解火燒對土壤速效鉀含量的影響。通過對不同持續(xù)時間火燒后土壤速效鉀含量的變化(圖6)分析發(fā)現(xiàn)，不同火燒持續(xù)時間土壤速效鉀的含量有明顯的差別(P=0.0228＜0.05)，火燒持續(xù)時間越長，土壤速效鉀含量越高。而火燒后時間間隔對不同持續(xù)時間火燒后土壤速效鉀含量的影響表現(xiàn)不一，持續(xù)時間越短呈減少趨勢，持續(xù)長時間火燒的土壤速效鉀呈增加趨勢。

圖6 火燒對土壤速效鉀的影響Fig.6 Fire impact on soil available K

從圖6可以看出，火燒持續(xù)時間為10和30min的火燒跡地，土壤速效鉀含量在經(jīng)過短暫的升高之后，迅速開始下降，其中火燒持續(xù)時間為10min的跡地土壤速效鉀含量最終下降到火燒前(CK)水平之下，這是因為火燒時產(chǎn)生大量灰分，灰分中的鉀離子進入到土壤中，使土壤中的鉀含量出現(xiàn)上升，但是隨著時間的推移，經(jīng)過雨水的沖刷和淋洗作用，鉀離子消耗殆盡，所以土壤中速效鉀含量又開始下降;火燒持續(xù)時間為60min的跡地上，土壤速效鉀含量呈持續(xù)增加趨勢，在火燒后第8個月增加量達到了52.12 mg/kg，這是因為長時間的火燒產(chǎn)生的灰分遠多于10和30min，灰分的鉀離子持續(xù)不斷地補充到土壤中的緣故。

3 結論與討論

土壤pH值是表示土壤酸度的指標。土壤酸堿度一方面影響著土壤營養(yǎng)元素存在的狀態(tài)、釋放、轉(zhuǎn)化和有效性以及土壤有機質(zhì)的分解等，另一方面還對植物及土壤微生物有很大的影響，適宜的酸堿度能提高土壤微生物的活性和促進林木生長。大量研究表明，火燒后土壤的pH值有所增加，這種增加現(xiàn)象是由于火燒使土壤溫度升高，促使土壤有機酸分解，同時燃燒過程中釋放出大量陽離子造成的。隨著時間推移，土壤有機酸含量會逐漸增加而陽離子會不斷流失，土壤pH值又會開始下降。本文的研究結果與前人的研究結果基本一致［8－11］。

土壤有機質(zhì)是土壤形成的物質(zhì)基礎之一，也是土壤肥力的重要指標。土壤有機質(zhì)的含量以及成分直接影響到土壤的理化性質(zhì)及土壤肥力，其有機質(zhì)含量及成分根據(jù)土壤類型不同差別很大?；馃龑ν寥烙袡C質(zhì)的影響與火燒持續(xù)時間及火燒強度有關。火后土壤有機質(zhì)含量的變化沒有統(tǒng)一的結論，即有降低的報道，也有升高的報道，還有維持不變的報道［12］。大量研究表明，火燒通常促使土壤氮元素揮發(fā)，使土壤氮素的含量下降［13－15］。但是本文中土壤有機質(zhì)、土壤全氮、土壤有效氮的含量在計劃燒除之后反而是增加的，這可能與本實驗的燃燒方法有關，本實驗選用堆燒法，會產(chǎn)生較強的煙熏效應，而隨著時間的推移煙熏效應逐漸消失，這3項指標又開始下降，當然產(chǎn)生上述結果的原因還有可能與土壤類型、樣地的坡度坡向、項目區(qū)雨熱條件等有關，這些都需要進一步的實驗論證。

可燃物燃燒時釋放出自身的磷元素和鉀元素，會使土壤速效磷和速效鉀含量升高。但是較長時間火燒跡地上的土壤速效磷卻有略微的下降，這主要是因為較長時間的火燒對土壤破壞嚴重，使土壤速效磷轉(zhuǎn)化為遲效磷。計劃燒除是一項節(jié)省鋤草成本、清除林地可燃物堆積、以火攻火、降低森林火災的一項成熟技術措施，能促使林地養(yǎng)分的改變，提高地力，可以推廣到其他林型試驗。

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