火燒對土壤團(tuán)聚體的影響

張水鋒, 張思玉

(南京森林警察學(xué)院, 江蘇 南京 210023)

火燒對土壤團(tuán)聚體的影響

張水鋒, 張思玉

(南京森林警察學(xué)院, 江蘇 南京 210023)

火燒對土壤性質(zhì)的影響具體取決于火燒烈度和土壤類型等因子。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性主要是指土壤結(jié)構(gòu)抵抗外界機(jī)械應(yīng)力破壞的能力，土壤團(tuán)聚體是反映土壤健康的一個(gè)參數(shù)，因?yàn)樗c土壤的化學(xué)、物理和生物性質(zhì)密切相關(guān)?；馃龑F(tuán)聚體的影響是復(fù)雜的，這取決于火燒對與其相關(guān)的土壤有機(jī)質(zhì)、斥水性和土壤礦物等因子的影響。許多研究者關(guān)于火燒對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響觀點(diǎn)不一，而關(guān)于火燒后土壤團(tuán)聚體性質(zhì)的改變對土壤系統(tǒng)功能的影響還需要進(jìn)一步研究。

土壤團(tuán)聚體； 穩(wěn)定性； 土壤侵蝕； 火燒

自晚泥盆世時(shí)代(Late Devonian，古生代第四紀(jì))以來，林火一直作為森林生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)自然干擾因素而存在[1]。在過去的幾十年中，森林火災(zāi)不僅改變了許多林區(qū)的植被格局，而且造成了環(huán)境問題[2]。

火燒能造成土壤物理、化學(xué)以及生物等特性的改變[3-6]?；馂?zāi)對土壤特性的具體影響可在國內(nèi)外諸多文獻(xiàn)中查找到。其影響的大小以及持續(xù)時(shí)間取決于許多因素。其中之一就是火烈度，同時(shí)也包括火強(qiáng)度?；馂?zāi)強(qiáng)度被定義為火燒時(shí)的時(shí)均能量流，而“火烈度”這一術(shù)語描述的是火災(zāi)強(qiáng)度如何影響生態(tài)系統(tǒng)，與達(dá)到最高溫度、火持續(xù)時(shí)間以及初始土壤特性有關(guān)[7]。通常有些輕度火燒是用來減少森林地表可燃物的燃料積累，并且在特定氣象條件下采用可避免后期發(fā)生重度火災(zāi)，多數(shù)情況下，這種火燒導(dǎo)致的土壤變化十分短暫，影響不大。然而通常重度火災(zāi)尤其是夏季森林火災(zāi)對土壤系統(tǒng)產(chǎn)生許多負(fù)面的影響[8]。典型的方面包括： (1)高溫下有機(jī)物和營養(yǎng)物質(zhì)的揮發(fā)流失，燃燒煙塵截留，土壤的淋溶和侵蝕；(2)微生物群落質(zhì)量和數(shù)量的改變；(3)影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性從而導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)退化[9-11]。溫度增加能造成粘土性質(zhì)的變化，且主要導(dǎo)致生物活性的改變。由于礦質(zhì)土壤導(dǎo)熱率低，火燒對其影響深度僅限于表層幾厘米，這層土壤與大氣圈、水圈和生物圈有緊密的相互作用。在火災(zāi)后時(shí)期，表層狀態(tài)對土壤水文以及生物地球化學(xué)方面的影響十分重要。另外，植被覆蓋減少將導(dǎo)致土壤熱狀況的變化及較為嚴(yán)重的水土流失。

國外有很多學(xué)者已經(jīng)開展了火災(zāi)對土壤各方面影響的研究，Raison[12]做了關(guān)于火燒對氮轉(zhuǎn)變的研究，DeBano[13-14]和Doerr等[15]研究了火燒對土壤斥水性的影響。Certini[8]詳盡地闡述了火燒對土壤物理、化學(xué)以及生物特性的影響。Mataix-Solera等[9]研究了森林火災(zāi)對土壤微生物的影響；Shakesby等[16]研究了火災(zāi)對水文和地貌的影響。Shakesby[17]分析了在南歐地中海國家內(nèi)火災(zāi)對土壤侵蝕的影響。而國內(nèi)關(guān)于火燒對土壤團(tuán)聚體的影響研究很少，迄今為止，沒有針對火燒對土壤團(tuán)聚體影響的綜述。考慮到該參數(shù)對土壤系統(tǒng)功能、森林土壤水文和土壤侵蝕等作用的重要性，本文從相關(guān)研究中做出綜述，對要點(diǎn)進(jìn)行匯總和解釋。

1 土壤團(tuán)聚體與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于粒度組成、土壤生物與土壤理化性質(zhì)的不同，土壤團(tuán)聚體是由有著相同或不同性質(zhì)的單個(gè)粒子團(tuán)聚與集合狀態(tài)。土壤團(tuán)聚體是土壤礦物和有機(jī)顆粒組合。土壤團(tuán)聚體與土壤性質(zhì)之間的關(guān)系已被廣泛研究[18-20]。土壤膠體的絮凝作用加強(qiáng)了膠體粒子的結(jié)合沉淀，形成了穩(wěn)定的微團(tuán)聚體(直徑<0.25 mm)，然后慢慢演變形成大團(tuán)聚體(直接>0.25 mm)，并最終形成一定的土壤結(jié)構(gòu)。在形成小的結(jié)構(gòu)單元的過程中，無機(jī)鍵是非常重要的，而有機(jī)鍵則起到更加關(guān)鍵的作用。因此，有機(jī)和無機(jī)成分共同決定著團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定。

有機(jī)質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量控制著粒子的聚合作用，這也是植物的類型影響團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和土壤性質(zhì)的原因。粘土礦物與胡敏酸復(fù)合能形成穩(wěn)定性強(qiáng)的膠結(jié)物，因而有更多的胡敏酸與粘土礦物產(chǎn)生了聚合作用。在土壤結(jié)構(gòu)中，部分陽離子引起的絮凝起著重要的作用。鈣、鋁、鐵等二價(jià)陽離子有利于穩(wěn)定團(tuán)聚體的形成[21]，而鈉離子則有利于團(tuán)聚體的分散。在石灰性土壤中，碳酸鈣可以作為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑，鐵氧化物作為粘土表面的膠結(jié)劑，也可以是高度風(fēng)化的酸性土壤中帶電荷的離散粒子。團(tuán)聚體穩(wěn)定性是指土壤在受外力尤其是來源于土壤水分、雨滴的擊濺作用和土壤的分散作用過程影響時(shí)，土壤維持自身結(jié)構(gòu)的特性。因此，團(tuán)聚體穩(wěn)定性可以作為土壤結(jié)構(gòu)和物理穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)[22]。

土壤團(tuán)聚體會(huì)隨著季節(jié)和年份的變化而改變，一般會(huì)經(jīng)歷形成、瓦解、再團(tuán)聚的過程。土壤團(tuán)聚體的瓦解是土壤板結(jié)和表面封孔的第一步，同時(shí)也是減少水的滲透，加強(qiáng)了土壤侵蝕作用。當(dāng)土壤結(jié)構(gòu)較差，土粒團(tuán)聚性低，土壤表面的團(tuán)聚體會(huì)受到雨滴擊濺而崩潰，飛濺的土壤造成土壤表面的壓實(shí)和封孔，因此就造成了土壤板結(jié)[23]。另外，小團(tuán)聚體可在沒有被水力瓦解的情況下被搬運(yùn)。土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例和大小分布是評價(jià)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抵抗外力影響能力最常用的參數(shù)。很明顯生物和非生物的因素均參與了土壤團(tuán)聚體的形成過程，這也證明了土壤結(jié)構(gòu)研究的復(fù)雜性，也使這兩個(gè)因素成為決定土壤質(zhì)量和功能的關(guān)鍵參數(shù)。因此，土壤團(tuán)聚體可以作為土壤健康的一個(gè)信息指標(biāo)[24]。此外，團(tuán)聚體穩(wěn)定性也是控制表層土壤水文狀況、土壤結(jié)皮形成和土壤侵蝕的主要因子之一。具體關(guān)于土壤團(tuán)聚體的研究方法可以參考Amezketa[25]的研究。

2 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的測定方法

用不同方法測定土壤團(tuán)聚體是在比較研究結(jié)果時(shí)需要考慮的一個(gè)問題。研究者在研究過程中運(yùn)用不同的測定方法來比較研究結(jié)果之間的差異。部分實(shí)驗(yàn)方法是測定團(tuán)聚體大小分布，而另一部分實(shí)驗(yàn)方法是測定團(tuán)聚體抵抗外力的穩(wěn)定性。 Mataix等[24]對火燒后團(tuán)聚體穩(wěn)定性研究方法作了詳細(xì)的描述和討論。

最常見的團(tuán)聚體測定方法中包括干篩法[26-27]、濕篩法[28-30]，基于超聲分散的測試[22,31]和模擬降雨試驗(yàn)[32-33]等，通過干篩法測定團(tuán)聚體的大小分布規(guī)律，最常用的參數(shù)就是平均質(zhì)量直徑(MWD)[26]。 然而，也有部分研究者研究不同組分的質(zhì)量分布和團(tuán)聚體崩潰后的質(zhì)量損失[34]。

3 火燒過程中影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的因子

3.1火強(qiáng)度與火烈度

火強(qiáng)度是指火燒過程中物理燃燒時(shí)有機(jī)質(zhì)的能量釋放，已作為衡量單位時(shí)間內(nèi)燒失能量的重要指標(biāo)。而“火烈度”這個(gè)詞主要是為描述火強(qiáng)度對生態(tài)系統(tǒng)的影響程度[7]，火烈度的量化需要考慮地上和地下熱脈沖的即時(shí)影響。雖然這兩個(gè)概念通常直接相關(guān)，但將火強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成火烈度還需要考慮許多因素。

火烈度通常取決于與火行為相關(guān)的因子，包括傳播速度、火焰長度、強(qiáng)度持續(xù)時(shí)間等。另外，也包括溫度、相對濕度、風(fēng)和前期降雨等氣象條件，地形條件，以及可燃物的數(shù)量、大小和化學(xué)組成等特性[35]。因此，這些因素的空間變異也意味著火行為與火烈度的空間變化。

傳輸?shù)酵寥览锏臒崃慷嗌俸统掷m(xù)時(shí)間直接決定了火燒對土壤物理系統(tǒng)、化學(xué)成分和生物組成的影響程度。土壤中生物組成破壞的閾值溫度相對較低，一般在40～121 ℃，而這個(gè)溫度值在火燒中的礦質(zhì)土壤表層幾厘米中并不難達(dá)到，且其溫度各不相同，空間變異性很強(qiáng)[36]。林地土壤表層的最高溫度通常在200～300 ℃之間，而在可燃物載荷非常高的區(qū)域土壤表層溫度能達(dá)到500～700 ℃，甚至超過1500 ℃的情況都有瞬時(shí)記錄[37]。灌木林地土壤表層的最高溫度范圍一般高于森林土壤(300～700 ℃)，而草地土壤表層的最高溫度則相對最低(200～300 ℃)[36]。根據(jù)土壤表層的溫度高低及其持續(xù)時(shí)間，土壤里的特性變化呈現(xiàn)不同強(qiáng)度的反應(yīng)。此外，土壤的初始特性對這些變化也起著至關(guān)重要的作用。

3.2土壤有機(jī)質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)是決定團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要組分，兩者之間有著密切的關(guān)系。Soto等[34]發(fā)現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)作為團(tuán)聚體主要聚合劑的土壤里，在實(shí)驗(yàn)室加熱到170 ℃時(shí)提高了土壤的穩(wěn)定性，而加熱到220 ℃以上時(shí)則導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性退化。Kavdir等[38]研究野火燃燒后不同時(shí)間間隔點(diǎn)的土壤性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)中的碳水化合物含量與團(tuán)聚體穩(wěn)定性的相關(guān)性很高。

許多研究表明，在以有機(jī)質(zhì)為主要聚合劑的土壤類型中，重度火燒會(huì)導(dǎo)致團(tuán)聚體的破碎[39-41]和團(tuán)聚體穩(wěn)定性的降低[34, 42-43]。這些變化的持續(xù)時(shí)間各不相同，比如Martín等[44]發(fā)現(xiàn)火燒與未火燒的腐殖質(zhì)始成土隨時(shí)間遞減的差異性，火燒對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響在一年后仍然持續(xù)甚或在薄層土中加劇。

3.3土壤斥水性

土壤斥水性是土壤所有性質(zhì)中最易受火燒影響的因子[34]。斥水性決定了土壤水文過程的調(diào)節(jié)作用，對植物的生長也起到關(guān)鍵的作用。土壤的斥水性一般在表層附近更強(qiáng)烈，尤其在有疏水性有機(jī)物的土壤中更為常見。大多數(shù)研究表明，對森林土壤的加熱能改變土壤的潤濕性，其斥水性的改變與溫度有關(guān)[39,45-46]?；馃龑?dǎo)致的土壤斥水性改變主要是由于土壤有機(jī)質(zhì)的不完全燃燒。

土壤斥水性與團(tuán)聚體穩(wěn)定性之間的正相關(guān)關(guān)系不管是在火燒后土壤[43]，還是在未火燒土壤中均已被證實(shí)。隨著火燒釋放后凝聚在團(tuán)聚體表面的疏水性物質(zhì)可以作為一種膠結(jié)劑，因此提高了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，這是因?yàn)殡S著水分的入侵導(dǎo)致了團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)中氣孔的累積氣壓和能量釋放率減少。

3.4土壤礦物質(zhì)

一般來說，只有中度、重度火燒才有可能造成土壤礦物質(zhì)明顯的轉(zhuǎn)化，因?yàn)樵斐傻V物質(zhì)羥基的斷裂通常需要達(dá)到500 ℃以上[47]。石灰性土壤中的主要成分碳酸鹽的分解溫度要達(dá)到1000 ℃[48]，因此很少會(huì)在火燒中變化。

通過對加州火燒跡地土壤團(tuán)聚體的化學(xué)分析研究表明，團(tuán)聚體的聚合作用部分是因?yàn)榛馃陂g低結(jié)晶硅鋁酸鹽的形成和高嶺石受熱分解產(chǎn)生的非晶態(tài)硅和鋁[49]。Giovannini等[50]也研究了火燒中團(tuán)聚體聚合機(jī)制改變對土壤結(jié)構(gòu)的影響，并觀察到火燒后鐵和鋁硅酸鹽的變化導(dǎo)致了微團(tuán)聚體結(jié)合形成大團(tuán)聚體，且其穩(wěn)定性高于未火燒對照。

Terefe等[42]研究發(fā)現(xiàn)，礦質(zhì)土壤溫度處于5～200 ℃之間時(shí)，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的增加歸因于部分有機(jī)質(zhì)的揮發(fā)損失，這導(dǎo)致了團(tuán)聚體疏水性和抗崩解性能的增強(qiáng)。然而，粘質(zhì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的增加主要是由熱力和脫水過程對鐵的氫氧化物的影響而造成[51]。

4 結(jié)論與展望

受火燒影響的土壤中存在著不同模式的團(tuán)聚體穩(wěn)定性?；鹆叶仁菍F(tuán)聚體影響中的重要因素，然而火燒過程中火烈度類似的情況下，火行為卻各不相同，這取決于土壤類型和團(tuán)聚體穩(wěn)定機(jī)制等因素。一般來說，低烈度火燒對團(tuán)聚體的穩(wěn)定性影響不大，而高烈度火燒常引起團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著的改變，但具體的變化趨勢還取決于土壤類型。團(tuán)聚體穩(wěn)定性變化的原因包括有機(jī)質(zhì)的破壞損失導(dǎo)致的團(tuán)聚體崩潰，高溫下足夠量的鐵和鋁氫氧化物等土壤礦物的再結(jié)晶能增強(qiáng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性。由于導(dǎo)致火燒后土壤團(tuán)聚體的潛在影響因子的復(fù)雜性和差異性，研究中的其它參數(shù)也需要綜合考慮來理解研究結(jié)果。需要綜合考慮的因子包括有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量和數(shù)量、土壤微生物量、土壤斥水性、土壤質(zhì)地、團(tuán)聚體大小粒徑分布以及估測火烈度的精確參數(shù)。

未來的研究可以探索火燒后土壤團(tuán)聚體與土壤系統(tǒng)功能之間的關(guān)系問題。比如高溫下粘土的融合變化、土壤有機(jī)質(zhì)組分的損失和土壤礦物的高溫變化對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，土壤系統(tǒng)的肥力和水文功能對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，火燒后的土壤需要經(jīng)過多長時(shí)間才能形成類似于火燒前土壤的團(tuán)聚體，這些問題至今仍然沒有明確的答案。

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Researchadvancesontheeffectoffireonsoilaggregation

ZHANG Shuifeng, ZHANG Siyu

(Nanjing Forest Police College,Nanjing 210023， China)

Fire can affect soil properties depending on factors including fire intensity, soil type, etc.Soil aggregate stability is mainly refers to the ability to resist external mechanical stress damage of soil structure, soil aggregate is a parameters of reflecting soil health, because it is closely related to the chemical, physical and biological properties of soil.Fire effects on aggregate is complicated, because it depends on the effects of fire on the related properties such as soil organic matter, water repellency and soil minerals, etc.Many researchers have different views on the influence of fire on soil aggregate stability, further research is needed on what influences there are for soil system functioning with the changes suffered by aggregates after fire.

soil aggregate; stability; soil erosion; burning

2015-10-21

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(No: LGYB201514)；國家林業(yè)局948項(xiàng)目(2013-4-65)。

張水鋒(1986-)，男，江蘇省丹陽市人，助教，主要從事火燒跡地土壤侵蝕與控制研究。

S 762.1

A

1003-5710(2016)01-0033-05

10.3969/j.issn.1003-5710.2016.01.000

(文字編校：龔玉子)