不同強度火燒對楊樹人工林土壤pH值的即時影響

張炅達，張水鋒，金東日，張云龍

（南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京210023）

1 引言

森林不僅提供國家建設(shè)和人民生活所需的木材及林副產(chǎn)品，還肩負著固碳釋氧、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土、防風(fēng)固沙、美化環(huán)境、凈化空氣、減少噪音及旅游保健等多種使命。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，火扮演著一個主要而又獨特的干擾因子［1］。林地上自由蔓延的火稱為林火［2］。不同性質(zhì)、強度、頻率的火燒能夠短期、長期或者永久性的影響土壤的理化性質(zhì)、礦物學(xué)及其生物學(xué)特性［3］。過去人們認為林火的發(fā)生會破壞森林的結(jié)構(gòu)和功能，破壞森林生態(tài)系統(tǒng)，不僅給人類經(jīng)濟建設(shè)造成重大的損失還會對動植物和人類的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴重威脅。隨著人類科學(xué)水平和文化素質(zhì)的提高，人們開始逐漸認識到林火的發(fā)生并不僅僅意味著單純的破壞。實際上，一定強度的火干擾是對森林有益的。它不但能促進森林生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，改善森林的結(jié)構(gòu)而且對生物多樣性、穩(wěn)定性、森林更新、群落演替和生物生產(chǎn)力等都起著重要作用［4］。土壤是生態(tài)系統(tǒng)中可持續(xù)性的重要組成部分［5］，它是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)。因此，對森林土壤在火干擾后的元素變化情況研究非常有價值?；饘ι滞寥赖挠绊懀扔卸唐诘闹苯有杂绊?，也有長期的間接性影響。不同強度火燒能夠在不同程度上改變土壤表面的物種組成、植物生長、土壤淋溶、土壤生物區(qū)系和土壤侵蝕等［6］。

目前國內(nèi)已有研究小組對火燒跡地土壤的理化性質(zhì)做過一些研究，而且對火燒跡地植被恢復(fù)后的土壤養(yǎng)分變化和火燒跡地的天然更新策略和技術(shù)方面做過一些研究，但是對不同強度火燒下土壤的酸堿變化還有欠缺。土壤pH值大小直接決定了土壤的酸堿性，土壤的pH值影響著土壤的理化性質(zhì)和微生物活動，進而影響土壤肥力和植物生長。不同酸堿程度的土壤影響著土壤養(yǎng)分的有效性，其供肥配比和植物生長也會存在差異。本文以楊樹人工林在不同強度的火燒條件下，對火燒跡地進行實地調(diào)查、土壤取樣和實驗分析，探討在不同強度火燒下楊樹人工林土壤pH值的變化情況，增進對土壤供肥能力和植物種植的適宜性判斷的準確性，進而對不同pH值的土壤實施有效的供肥配比，改良土壤肥力，為改善火燒跡地土壤pH值和有效科學(xué)的恢復(fù)森林生態(tài)系統(tǒng)提供理論依據(jù)。同時也為該地區(qū)更好的開展林火評估調(diào)研工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 地區(qū)概況

實驗地選在南京市仙林大學(xué)城南京森林警察學(xué)院校內(nèi)后山旁楊樹人工林，該地屬北亞熱帶濕潤氣候帶和季風(fēng)環(huán)流的海洋性氣候區(qū)，季風(fēng)顯著，冬冷夏熱，四季分明，日照充足，水資源充沛。試驗地土壤概況如表1所示。

表1 林地土壤概況

2.2 火強度劃分標準

通過在楊樹林下從邊緣向中心逐漸并均勻增加的鋪設(shè)10～40 cm的可燃物。在每個樣地上插上6m長的具有刻度線且涂有紅白相間油漆的鐵標桿。對火燒后鐵標桿的熏黑高度作為火焰高度記錄。

由于火焰長度不易測準，而火焰高度易測準，則通過測量火焰高度來提高估測精度［7］。因此，這里采用卡姆特爾提出 的火強度 公式［8］：I＝273h2.17。式 中：I為火線強度（k W／m）；h為火焰高度（m）。另外，根據(jù)森林火中的地表火和樹冠火的火焰高度和火線強度的資料，采用根據(jù)森林火撲救的需要將森林火強度劃分為4級的分級標準（表2）［9］。

將林火點燒試驗中記錄的各小樣地的火焰高度代入以上計算公式，經(jīng)計算，樣地火強度分為低、中、高3個等級，無超高強度，各樣地火強度分類見表3。

表2 地表火和樹冠火強度的分級標準

表3 楊樹林小樣地不同火燒強度分類

2.3 取樣測定

本次試驗是以火燒前的楊樹林土壤與火燒后的楊樹林土壤進行取樣比樣。2014年5月3日對火燒前的楊樹林土壤進行取樣。2014年5月5日，即點燒實驗后的24 h，對火燒跡地進行取樣。分別采集土層為0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm的土壤各500g。采用電位法測算樣品土壤的pH值。數(shù)據(jù)的測定按照《中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準》和《森林土壤實驗教程》［10］中相關(guān)的測定和計算方法。

2.4 數(shù)據(jù)處理

本次野外林火試驗設(shè)計在雨后至少4～5d的晴朗天氣進行采樣以減少其它環(huán)境因素的干擾。樣地的選取嚴格遵循代表性和典型性的原則。試驗數(shù)據(jù)經(jīng)Excel整理后，采用SPPS11.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 低強度火燒對土壤pH值的影響

低強度火燒對楊樹人工林土壤的pH值影響變化情況見圖1。由圖1可知，在0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm的土層，經(jīng)過低強度火燒后，土壤pH值均上升。其中0～5 cm增加幅度最大，達到1.7%。5～10 cm增加幅度次之，為0.04。10～20 cm土層變化幅度則很小，略有上升，僅有1%。可見，隨著土層厚度的加深，土壤中pH值的變化程度不同。0～5 cm土層pH值的增幅比5～10 cm土層高，為0.017%，是5～10 cm土層增幅的4.25倍，差異明顯?；馃?～5 cm土層的pH值大小僅次于火燒前5～10 cm土層pH。但pH值的總體趨勢仍然是與火燒前一致，即0～5 cm層＜5～10 cm層＜10～20 cm層。因此，低強度火燒條件下，0～5 cm土層受到的影響最大，10～20 cm土層受到的影響最小。

3.2 中強度火燒對土壤pH值的影響

由圖2可見，中強度火燒后0～5 cm至10～20 cm土層土壤的pH值與低強度火燒下的變化趨勢基本一致，即，0～5 cm層＜5～10 cm層＜10～20 cm層?？梢?，隨著土壤層的加厚，土壤pH的增幅越來越小?；馃?，5～10 cm土層的pH值與10～20 cm土層的pH值分別為7.46和7.47，兩者基本一致。但經(jīng)過中強度火燒后，5～10 cm土層的PH值變?yōu)?.62，變化量為0.16，10～20 cm 土層的 pH 值變?yōu)?.55，變化量為0.08。5～10 cm土層的pH增幅是10～20 cm土層兩倍?；馃皃H值最低的0～5 cm土層，在火燒后反超5～10 cm和10～20 cm土層的pH值，變?yōu)樽罡?。由此可知，火燒對土壤表層的pH影響最大，對深層土壤的影響隨著土層的加厚逐漸減小。與低強度火燒相比，中強度火燒作用過的土壤，每個土層pH值的變化幅度更大。

3.3 高強度火燒對土壤pH值的影響

高強度火燒對楊樹人工林土壤的pH值影響變化情況見圖3。與低、中強度火燒相比較，在高強度火燒的作用下，土壤pH值的變化幅度更為顯著。0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm土層的pH值的變化量分別為0.6、0.43 和 0.17，增 幅 分 別 為 0.08%、0.06% 和0.02%?？梢?，高強度火燒下不但土壤的pH值大幅上升，而且pH值與低、中強度火燒后的pH值比較變化量最大，中強度次之，低強度最小?？梢?，與低、中強度火燒相比，高強度火燒對每個土層pH值的影響更大，對深土壤的影響更加明顯。結(jié)果表明，在火干擾下，土壤pH值和pH值變化量都會隨土壤層的加厚而變小，而在不同強度的火干擾下，變化幅度為：高強度火燒＞中強度火燒＞高強度火燒。

4 結(jié)論與討論

火燒后的土壤pH值呈上升趨勢，包括實驗室模擬研究［11］的結(jié)果，同樣顯示出這一結(jié)論?；饛姸仍酱髉H值上升的趨勢越大，土壤層越淺上升的趨勢也越大。這是由于火干擾下土壤的有機物和增加的陽離子與枯落物氧化對有機碳的消耗從而造成pH值的增加［12］。不同強度的林火作用對土壤pH值的影響不同。在同一土壤層，低強度火燒對土壤pH值的影響小于中強度火燒。而中強度火燒對土壤的pH值的影響又比高強度火燒低。隨著火燒強度的增加，無論哪個土層，土壤pH值變化量也在同步增加。這說明，不同強度的火燒對土壤有著不同程度的影響，火燒強度越大，土壤的pH值變化也越大?；饘ν寥赖挠绊懥殡S著火強度的增大而增大。

土壤的pH值直接顯示了土壤當(dāng)前的酸堿狀況和肥力程度。不同的酸堿度對土壤中的其他化學(xué)元素及其物理性質(zhì)有著很大的影響。土壤pH值與土壤主要肥力指標有效態(tài)的關(guān)系，pH值與土壤速效磷含量呈極顯著負相關(guān)，與土壤緩效鉀呈顯著正相關(guān)［13］。適宜的pH值對土壤中的微生物活動、枯枝落葉的分解、林木的生長都有著很大的幫助。研究表明，經(jīng)過20a的恢復(fù)，火燒地土壤的pH值依然高于對照地土壤的pH值［14］。pH值變化對土壤酶活性影響巨大，從總體上看，土壤酸化對土壤酶活性主要起抑制作用，堿化主要起激活作用，pH值的變化對微生物活性的影響是造成土壤酶活性變化的主要因素［15］。已有結(jié)論表明，灌溉種植植物，能使土壤pH值有降低趨勢，而且隨著年限的增加，降低的程度也將隨著增加［16］，然而，這需要多年不斷的進行，持續(xù)時間較長。因此，當(dāng)林火發(fā)生后，了解火燒跡地土壤的pH值變化趨勢，人為的對火燒跡地土壤酸堿性進行干擾，合理、科學(xué)、有目的性的利用田間施肥、土地利用、作物選擇、土壤成分等干預(yù)手段，使土壤pH值能夠盡快恢復(fù)火燒前的狀態(tài)，以更好更快的恢復(fù)火燒區(qū)林地結(jié)構(gòu)，減少火災(zāi)帶來的損失。然而，對于如何快速有效的對火燒跡地的土壤酸堿性進行改良，還需要進一步的深入研究。

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