火燒對林地土壤理化性質(zhì)的影響

曹慧，白晉華＊，王建讓，郭晉平，賀薇，師愛華

（1.山西農(nóng)業(yè)大學 林學院，山西 晉中030801；2.加拿大湖首大學，加拿大P7B5E1；3.山西省晉城市林業(yè)局，山西 晉城市048000）

林火是一種自然現(xiàn)象，也是一種特殊的生態(tài)因子，它對森林生態(tài)系統(tǒng)的形成和發(fā)展起重要的作用。它通過加熱和氧化作用引起土壤理化性質(zhì)和生物環(huán)境的改變［1］。土壤性質(zhì)，尤其是土壤化學性質(zhì)，是植物生長和產(chǎn)量形成的基礎。土壤化學性質(zhì)不僅受氣候、植被、地形以及成土過程等自然因素的影響，而且與耕作、土地利用方式以及經(jīng)營措施［2］等人為因素密切相關(guān)。不同強度的火干擾在森林火災中，對土壤的理化性質(zhì)具有不同的顯著差異。國內(nèi)有關(guān)學者開展了林火對東北林區(qū)土壤理化性質(zhì)影響的大量研究［3－8］，但對華北地區(qū)還鮮有報道。本通過對山西省中條山三交林場2a后的火燒跡地土壤理化性質(zhì)影響情況進行系統(tǒng)的分析，對華北地區(qū)火燒跡地早期環(huán)境的管理具有重要意義。

1 研究地區(qū)概況與研究方法

1.1 研究地區(qū)概況

研究區(qū)地處中條山與太岳山交匯地帶，位于臨汾市浮山縣東部，中條山的北端，地理坐標為東經(jīng)112°00′～112°13′，北緯35°49′～36°03′。該林場植物資源稀少，林分以油松（Pinus tabuliformis、純林為主，且分布不均，在成片面積中主要樹種有油松（Pinus tabuliformis）、遼東櫟（Quercus wutaishanica）、刺槐（Robinia pseudoacacia L）等，少量側(cè)柏（Platycladus orientalis）、華山松（Pinus armandii）、落葉松（Larix gmelinii）等；灌木種類主要有 連 翹 （Forsythia suspensa）、黃 刺 玫 （Rosa xanthina）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、錦雞兒（Caragana sinica）、繡線菊（Spiraea salicifolia）、丁香（Syzygium aromaticum）等，還有少量沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）、荊條（Vitex negundo var.）、莢迷（Viburnum dilatatum）、鼠李（Rhamnus davurica）、胡 頹 子 （Elaeagnus pungens）、山桃（Prunus davidiana）、山杏（Prunus armeniaca）等。該林場主要以油松林為主 。

1.2 樣地選擇與設置

本研究取樣地點設在山西省中條山三交林場，并于2014年7月對三交林場火燒跡地進行實地踏察。已有研究將林火發(fā)生地燒死木的比例≤30%，屬輕度火燒；林火發(fā)生地燒死木的比例＞70%，屬重度火燒［9］。調(diào)查結(jié)果顯示：火燒跡地內(nèi)存在輕度火燒和重度火燒。在立地條件和火燒強度盡量相一致原則下，對油松林地火燒跡地進行土壤取樣。臨近火燒跡地的地區(qū)作為對照，設置平行樣地。

1.3 土壤的取樣與測定

各樣地中隨機設置3個50cm×50cm的小樣方進行土壤取樣，采用環(huán)刀法分別取2個層次土壤，采集 A表層（＜10cm）和B深層（10～20cm）樣品，測定土壤土壤含水量、容重和孔隙度。樣品在室內(nèi)經(jīng)自然風干、研磨、過篩等預處理，測定土壤pH值、全氮、全磷等指標。土壤的pH值采用電位法；全氮采用凱式定氮法；全磷采用 HClO4－H2SO4熔融－鉬銻抗比色法［10］。

1.4 統(tǒng)計分析

采用單因素方差分析檢驗試驗處理是否影響土壤各理化性質(zhì)指標，顯著水平設定為p＜0.05。所有數(shù)據(jù)分析在SPASS16.0統(tǒng)計軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 火干擾對土壤物理性質(zhì)的影響

2.1.1 土壤含水量的變化

火燒2a后，對照、輕度火燒、重度火燒跡地的森林土壤 A 層的含水量（7.83%、9.68%、6.93%）普遍高于土壤深層 B層（5.86%、9.14%、5.46%）的含水量。輕度火燒后森林土壤的A層和B層的含水量分別增加了23.62%、55.97%，與對照有顯著差異（p＜0.05）。重度火燒后森林土壤的含水量A層和B層的含水量分別降低了11.49%、6.66%，與對照無顯著差異（p＞0.05）。土壤A層的含水量波動范圍低于（最高0.09）B層土壤的含水量的波動范圍（最低0.29）。說明火燒對土壤含水量影響的趨勢較明顯（表1）。

表1 土壤含水量變化方差分析結(jié)果／%Table 1 Variance analysis results of Soil moisture content change／%

2.1.2 土壤容重的變化

土壤容重大小反映土壤透水性、通氣性及根系伸展時阻力的大?。?1］。森林土壤A層容重（輕度火燒：1.31g·cm－3，重度火燒：1.17g·cm－3）低于土壤B層容重的（輕度火燒：1.40g·cm－3，重度火燒：1.21g·cm－3）。輕度火燒后土壤的容重為1.31g·cm－3、1.40g·cm－3，比對照提高0.76%、8.53%，但未達到顯著結(jié)果。重度火燒后土壤的容重與對照相比降低至1.17g·cm－3、1.21g·cm－3，它們之間的差異均不顯著?？偟膩砜?，火燒后對土壤容重影響的趨勢不明顯（表2）。

2.1.3 土壤孔隙度的變化

土壤孔隙狀況影響土壤通氣透水性和根系穿插的難易程度，并對土壤中水、肥、氣、熱和微生物活性等發(fā)揮著不同的調(diào)節(jié)作用，是土體構(gòu)造重要指標之一［12］。輕度火燒后土壤的孔隙度為0.49%、0.47%，與對照沒有明顯變化。重度火燒后土壤的孔隙度為0.52%、0.49%，比對照分別提高了6.12%、2.08%，但差異未達到顯著水平，趨勢也不明顯（表3）。

表2 土壤容重變化方差分析結(jié)果／g·cm－3Table 2 Variance analysis results of Soil bulk density／g·cm－3

表3 土壤孔隙度變化方差分析結(jié)果／%Table 3 Variance analysis results of Soil porosity change／%

2.2 火干擾對土壤化學性質(zhì)的影響

2.2.1 土壤pH值的變化

研究表明，林火發(fā)生后會迅速提高土壤的pH值，在經(jīng)過幾個月、幾年甚至幾十年的時間后逐漸下降［13］?；馃?a后的油松林地與對照相比（6.30），B層土壤pH 升高至（6.35、6.36）。在經(jīng)歷輕度火燒后土壤A層pH降低至6.22，B層pH值發(fā)生小幅度的升高變化（6.35），重度火燒后土壤發(fā)生相對程度很小的變化（6.38、6.36），但差異均未達顯著水平（p＞0.05）?？偟膩砜?，火干擾對土壤pH值的影響不顯著（表4）。

2.2.2 土壤全氮的變化

不同火燒強度土壤B層全氮的含量（0.12、0.15、0.14）普遍低于土壤 A層全氮的含量（0.18、0.16、0.20），全氮的含量主要集中在土壤的A層，盡管彼此之間并沒有達到差異明顯的程度，但仍然能看出土壤中重度火燒后呈現(xiàn)升高的趨勢（11.11%，16.67%）。輕度火燒后土壤 A 層全氮含量明顯低于對照土壤A層全氮的含量（11.11%），但土壤B層全氮的含量達到最高（見表5）。

表4 土壤pH值變化方差分析結(jié)果Table 4 Variance analysis results of Soil pH change

表5 土壤全氮變化方差分析結(jié)果／g·kg－1Table 5 Variance analysis results of Soil total nitrogen／g·kg－1

2.2.3 土壤全磷的變化

與土壤全氮在土壤中的分布趨勢基本一致，不同火燒強度后土壤A層全磷的含量差異明顯，達到顯著水平（p＜0.05）。A、B層輕度火燒后比對照降低了20.00%，41.67%，重度火燒后土壤全磷含量比對照增加了114%、100%。說明火干擾對土壤全磷的影響趨勢較明顯（表6）。

表6 土壤全磷變化方差分析結(jié)果／g·kg－1Table 6 Variance analysis results of Soil total phosphorus／g·kg－1

3 討論與結(jié)論

與對照相比，輕度火燒后的油松林地在一定程度上提高了土壤的含水量（23.62%、55.97%）以及容重（0.76%、8.53%），但這種變化只是前者達到顯著水平。這可能是由于輕度火燒會將土壤表層的枯枝落葉層燒掉，當發(fā)生降水時，水分可以更好的被土壤吸收，所以沒有造成土壤表面板結(jié)現(xiàn)象，對土壤容重無顯著影響。重度火燒降低了土壤的含水量（11.49%、6.66%），此影響結(jié)果與韓釗龍的結(jié)果一致［14］。原因可能是重度火燒破壞土壤結(jié)構(gòu)，使土壤容重（10.00%、6.20%）也降低，造成土壤板結(jié)，使土壤持水力降低，不能更好的涵養(yǎng)水分。

在經(jīng)歷火干擾后的油松林，其土壤孔隙度變化的總趨勢是升高，且變化幅度不大，這與前人的相關(guān)研究結(jié)果并不符合，但可以給出相應解釋，應該是無法確定火燒跡地內(nèi)火燒前的可燃物類型是否一致以及土壤內(nèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)含量的多少造成的。

火干擾后土壤pH一般呈上升趨勢，隨著火勢的增強而上升［15］，與本研究一致。但輕度火燒后森林土壤A層pH值降低至6.22，這可能也與A層土壤可燃物有關(guān)。

本文研究發(fā)現(xiàn)，輕度火燒后土壤A層的全氮的含量有所降低（11.11%），這與耿玉清對北京西山地區(qū)林火對土壤性質(zhì)的影響的結(jié)果一致［16］。土壤全磷的含量顯著降低（20.00%、41.67%），這也與薛立的結(jié)果一致［17］，但重度火燒后土壤全氮的含量 A、B層分別提高11.11%、16.67%，全磷的含量分別提高了114.00%和100.00%，都升高，原因可能是重度火燒跡地隨著地表凋落物增加而增加。

火燒后經(jīng)過2a的恢復，土壤中A層的含量值普遍大于B層的含量值，除了火燒后土壤容重，這可能是由于B層的土壤更為堅實。與對照相比，火燒后土壤的含水量與全磷隨著土壤深度的不同達到顯著差異。

文中對不同強度的火干擾進行了理化性質(zhì)數(shù)據(jù)分析，得出2a后火干擾對該地區(qū)土壤影響仍然有顯著差異的結(jié)果。為今后的林火生態(tài)恢復方法的選擇和實施提供相關(guān)的基礎數(shù)據(jù)，對華北火后森林環(huán)境的管理具有重要意義。本文沒有詳細的考慮火燒跡地的可燃物的類型、枯落物、微生物等因素，實驗數(shù)據(jù)可能會有一定偏差，對實驗結(jié)果可能有一定的影響。本實驗樣地設在山西省三交林場，建議對同一塊火燒跡地進行連續(xù)的定位研究，以獲取更確切的資料，得到火燒后對土壤理化性質(zhì)影響的結(jié)果會有更強的規(guī)律性。

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