計劃燒除對云南松林土壤理化性質及可蝕性的影響

田 榮，陳奇伯,2*，黎建強,2，趙雨田，楊建光，楊關呂

(1.西南林業(yè)大學 生態(tài)與環(huán)境學院，云南 昆明 650224；2.西南林業(yè)大學 石漠化研究院，云南 昆明 650224；3.新平縣縣級自然保護區(qū)管護局，云南 新平 653499)

火災是森林最大的威脅之一，重大火災將摧毀森林生態(tài)系統(tǒng)，將林地變?yōu)槁愕兀踔烈鹉嫘醒萏?，破壞森林生態(tài)系統(tǒng)平衡，嚴重損害生態(tài)系統(tǒng)功能[1]。計劃燒除是有目的、有計劃、有控制、有步驟的利用低強度火燒的有利方面，在規(guī)定林區(qū)內(nèi)燒除累積過多的可燃物，預防森林火災，改善林分生長條件的一項重要營林措施。但計劃燒除也會使森林土壤溫度升高，導致土壤性質及相關特征發(fā)生變化，包括土壤水文、土壤理化性質、土壤抗蝕能力、土壤微生物和土壤酶等[2]。美國、加拿大和澳大利亞等國是森林火災高發(fā)多發(fā)的國家，也是對計劃燒除技術研究最早和應用最廣泛的國家，近年美國和澳大利亞每年森林計劃燒除面積分別都在1 500×104hm2和150×104hm2以上，我國實施計劃燒除作業(yè)也就是近20多a的事，云南林區(qū)是我國實施計劃燒除最早和面積最大的地區(qū)之一[15]。

計劃燒除對土壤理化性質的影響主要取決于林分類型、土壤類型、火燒強度和火燒頻率等因素[4]，影響結果表現(xiàn)在直接和間接2個方面，直接影響是火燒直接燒除枯落物，降低枯落物攔蓄截留作用，把地表復雜的有機物轉化為簡單的無機物；間接影響主要是火燒后土壤裸露、降低土壤保水、入滲、抗蝕能力，簡單無機物重新與土壤發(fā)生化學反應，最終導致土壤的物理特性、酸堿性和土壤養(yǎng)分狀況發(fā)生變化[5-6]。國內(nèi)外對森林預防火災的計劃燒除研究主要集中在作為生態(tài)系統(tǒng)管理手段，清理地面雜物，降低火險和促進森林更新、燒除的安全性、可行性等方面[3]，目前關于林火對土壤理化學性質影響的研究已有報道，但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或小區(qū)模擬燒除上，而對林區(qū)計劃燒除為基礎的研究相對較少[7-8]。而且主要集中在一次性火干擾及不同恢復年限的影響方面，由于計劃燒除研究燒除作業(yè)操作難度大，引起森林火災的風險大，多次計劃燒除的重復研究及周期性連續(xù)計劃燒除的持續(xù)研究較少。由于試驗方法的差異，目前對主要理化性質指標土壤容重、孔隙度、pH、有機質、N、P、K等的影響結論不盡一致,對不同林分類型土壤理化性質影響的研究不充分，研究的土壤理化性質不夠全面[17]。因此，基于滇中高原多年周期性連續(xù)實施計劃燒除措施預防森林火災的有利條件，探究計劃燒除后云南松(PinusyunnanensisFranch)林土壤理化性質與可蝕性的變化特征，對更加科學地實施計劃燒除作業(yè)和科學評價計劃燒除后的生態(tài)環(huán)境效應有重要理論支撐作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域地處滇中高原云南省玉溪市新平縣南部的照壁山，位于102°0′7″-102°0′8″E，24°2′38″-24°2′41″N，是我國云貴高原、橫斷山地和青藏高原3大自然地理區(qū)域的結合部，典型高原山地丘陵地貌，海拔1 990～2 050 m，是云南省亞熱帶北部與亞熱帶南部的過渡地帶，代表性土壤為紅壤。多年平均降水量1 050 mm，年平均氣溫15℃。

1.2 樣地設置與樣品采集

研究對象為云南松天然次生林，計劃燒除與未燒除樣地中間有1條防火通道隔離，均位于坡中上部，林齡約為30 a，樹高、胸徑、喬木層郁閉度近似，土層厚均>1 m。近20 a來，計劃燒除在每年1月底至2月中旬進行，從未間斷。計劃燒除樣地的地被物燒除后林分郁閉度約0.55，平均胸徑16.14 cm，平均樹高13.00 m，計劃燒除平均熏黑高度1.48 m，屬低強度火燒[17]，林下無灌木和草本，地被物燒除后地面燃燒剩余物蓄積量0.50 t/hm2。未燒除樣地植被總郁閉度約0.95，云南松林平均胸徑16.93 cm，平均樹高12.24 m，枯落物蓄積量2.44 t/hm2，灌木主要有木荷(Schimasuperba)、杜鵑(Rhododendrondecorum)等，草本主要有紫金澤蘭(Chalcitesxanthorhynchus)、貫眾(Cyrtomiumfortunei)、毛茛(Ranunculusjaponicus)、白茅(Imperatacylindrica)等。2019年計劃燒除時間為2月12-13日，土壤樣品的采集時間為2月25-26日。分別在計劃燒除與未燒除2塊大樣地內(nèi)設置20 m×20 m標準樣地3塊，每個標準樣地內(nèi)取3個土壤剖面，分別在0～10、10～20、20～40、40～60 cm土層各取3個重復土樣。將新鮮土樣帶回實驗室，剔除土壤中雜物，測定土樣的理化性質與粒徑。

1.3 土壤理化性質與抗蝕性測定方法

土壤含水量采用TDR法測定；容重和毛管持水量采用環(huán)刀法測定；粒徑采用激光粒度分析測定；pH采用水∶土 =2.5∶1玻璃電極法；有機碳采用全碳分析儀測定；全氮和硝態(tài)氮用連續(xù)流動分析儀測定；全磷連續(xù)流動分析儀測定、速效磷采用鉬銻比色法；全鉀含量采用氫氧化鈉熔融-火焰原子吸收分光光度法、速效鉀采用火焰光度法測定。

土壤可蝕性采用1990年Williams等[9]在侵蝕-生產(chǎn)力影響評價模型(EPIC)中提出的土壤可蝕性因子K值計算公式：

式中，SAN-砂礫含量(%)；SIL-粉砂粒含量(%)；CLA-黏粒含量(%)；C-有機碳含量；SN1=1-SAN/100[10]；計算公式得出K值為美國制，國際制時乘以0.131 7。

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析

用Excel 2007和SPSS22.0軟件對各類數(shù)據(jù)進行整理和分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗土壤化學性質的顯著性。

2 結果與分析

2.1 計劃燒除對土壤化學性質影響

計劃燒除使土壤表層地被物及枯枝落葉量銳減甚至燃燒殆盡，一年一度的周期性持續(xù)計劃燒除使枯落物積累及腐化受限，向土壤深層輸送的物質來源減少，把林地表層復雜的有機物轉化為簡單的無機物，與土壤進行化學反應的溫濕條件發(fā)生變化，進而影響土壤養(yǎng)分含量和酸堿度。具體的化學性質變化特征見表1。

土壤養(yǎng)分含量是評價土壤肥力的重要指標，計劃燒除使土壤表層枯落物數(shù)量和性質發(fā)生變化，土壤養(yǎng)分含量改變。由表1可知，計劃燒除后土壤有機碳、全N、全P在0～20 cm土層顯著低于未燒除樣地，在20～60 cm土層，計劃燒除影響小，燒除前后變化不大；全K在0～10 cm土層燒除樣地顯著高于未燒除樣地，在10～60 cm土層不具差異性。有機碳、全N、全P在土壤表層的變化是由于覆蓋在土壤表層的枯落物燒除，灰分中N、P含量降低，向土層的輸送逐漸減少。而枯落物燒除后全K則留存于土壤表層的灰分中，使全K含量在土壤表層升高。

表1 土壤化學性質變化特征

速效P、速效K、硝態(tài)N是土壤直接能被植被利用的養(yǎng)分，能直接反應土壤肥力特征的物質，受環(huán)境因素變化的影響大，養(yǎng)分的變化直接影響植被生長環(huán)境條件。計劃燒除使土壤表層枯落物燒除，速效P、速效K、硝態(tài)N、pH值發(fā)生快速改變。速效P、速效K在0～10 cm土層燒除樣地顯著高于未燒除樣地，而速效P在10～20 cm土層燒除樣地顯著低于未燒除樣地，20～60 cm土層受影響小，不具差異性；速效K則在10～60 cm土層不具差異性；速效P、速效K表層的增加都是由于計劃燒除使含P、K物質轉化為離子形式所致；硝態(tài)N在0～60 cm土層燒除樣地都顯著高于未燒除樣地，硝態(tài)N存在土壤中同樣以硝酸根離子形態(tài)，易受計劃燒除影響進行消化反應，土壤中硝酸根增多；土壤pH值在0～60 cm土層燒除樣地高于未燒除樣地，土壤表層的腐殖質燒除，pH值增加，酸性減弱。

2.2 計劃燒除對土壤物理性質影響

計劃燒除使土壤表層枯枝落葉顯著減少并發(fā)生轉化，枯落物覆蓋率降低，部分土壤裸露，受溫濕條件影響大，因此土壤物理性質發(fā)生改變，具體物理性質變化見圖1。

由圖1A可知，云南松林計劃燒除后土壤容重在0～20 cm土層顯著高于未燒除樣地，在20～60 cm土層基本保持一致，容重變化不大。計劃燒除使林地出現(xiàn)大小、形狀不一的裸露斑塊，這些斑塊由于受到陽光直接照射，在燃燒剩余物的灰分作用下，土壤表層變黑，導致地表熱量吸收增加，土壤風化加速，表層細粒土壤在雨水作用下會把土壤孔隙堵塞，使土壤透氣透水性降低，最終導致表層土壤的容重增加。

由圖1B可知，計劃燒除后土壤含水量在0～60 cm略高于未燒除樣地，但不明顯，土壤含水量受前期降雨、林內(nèi)水平降水等因素影響大。

由圖1C可知，在0～10 cm土層，燒除樣地的毛管持水量低于未燒除樣地，在20～60 cm土層受影響小，毛管持水量變化小。毛管持水量是毛管孔隙大小的直接反映，毛管孔隙主要受表層土壤中植物根系含量及土壤團粒結構影響大，長期周期性計劃燒除，使表層土壤的植物根系特別是細根系因燃燒而減少，毛管孔隙被細粒土壤堵塞，最終導致表層土壤毛管持水量降低。

圖1 土壤容重、含水量、毛管持水量變化特征

2.3 計劃燒除對土壤可蝕性影響

計劃燒除使土壤表層地被物燃燒，土壤溫濕條件發(fā)生變化，不同徑級土壤粒徑含量發(fā)生改變，土壤可蝕性因此改變，具體變化特征見表2。

表2 土壤可蝕性K值

K值的大小反映土壤抗侵蝕能力的強弱，K值越大，可蝕性變強，抗侵蝕能力越弱；反之，K值越小，抗侵蝕能力越強[11]，土壤可蝕性K值大小受沙粒、粉粒、黏粒及有機碳影響。由表2可知，總的趨勢是計劃燒除后土壤粉粒、黏粒、有機碳含量在0～40 cm土層有所下降，沙粒在0～40 cm土層有所升高。采用EPIC經(jīng)驗公式對云南松林計劃燒除與未燒除樣地土壤可蝕性K值比較得出，云南松林計劃燒除樣地在0～40 cm土層土壤可蝕性K值增加，土壤的抗侵蝕能力減弱，0～10、10～20、20～40 cm土層計劃燒除樣地的K值比未燒除樣地分別增加4.2%、4.1%和5.7%，變化幅度不大；在40～60 cm土層K值不變，可蝕性不受影響。周期性低強度連續(xù)計劃燒除，使林地表層土壤部分處于裸露狀態(tài)，細顆粒土壤填充土壤孔隙和隨地表徑流流失的機會增加，使細粒含量有所降低，土壤結構有所改變，土壤抗蝕能力降低，但降低幅度不明顯。土壤可蝕性變化最終影響土壤侵蝕量的大小，但林地土壤侵蝕除受到土壤本身抗蝕能力大小的影響外，主要與地被物的組成、厚度、分布特征等關系密切，因此，計劃燒除引起的土壤結構的改變、土壤可蝕性變化以及最終對土壤侵蝕的影響，需要長期多因素交互實驗驗證和定位觀測才能得出較為準確的結論。

3 結論與討論

3.1 討論

3.1.1 計劃燒除對土壤化學性質影響 火燒對土壤全N、全P、全K含量的影響存在爭議，有研究認為，火燒對土壤養(yǎng)分有效性有一定的影響，土壤 N、 P、 K 的含量隨林火強度增加而增加[21]，而也有研究發(fā)現(xiàn)火燒后土壤的全氮含量會降低[22]。大部分研究發(fā)現(xiàn)火燒后全P、全K含量增大[23]，中度火燒后土壤全P含量顯著高于未火燒區(qū)[24]，也有研究顯示，火燒后全P、全K稍有降低的[17]。本研究結果顯示，一年一度的周期性持續(xù)低強度火燒后，有機碳、全N、全P在土壤表層都有所降低，全K在土壤表層高于未燒燒除樣地，土層深度增加，變化逐漸減小?；馃笸寥纏H增加，速效P、速效K、速效N在土壤表層都有所升高，這一結果與多數(shù)前人研究結果相似。計劃燒除過程中地被物的燃燒使土壤化學性質從輕微的揮發(fā)到炭化或者完全的氧化等不同程度的損失，造成有機碳的降低，影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)[12]。許多研究表明，低強度火燒對表層土壤有機碳含量的影響不明顯，隨著林火強度的升高，土壤表層有機碳損失加劇，土壤深度增加，火燒對土壤中有機碳含量的影響越來越小[13]。有機碳是土壤最主要的氮源，而地表枯落物又是土壤有機碳的重要來源，火燒引起的林地枯落物層損失，氮素揮發(fā)，致使林地總氮量減少[14]，一定程度的火燒能使土壤有機N轉為無機形式，短期內(nèi)火燒林地表層土壤的有效N含量通常是提高；低強度火燒之后土壤全K增加，有效K含量會出現(xiàn)短暫的提高，因為鉀在土壤中流動性比較強，很容易被淋溶而流失，所以火燒過后的一定時間里土壤速效K的含量會顯著降低[16]。

3.1.2 計劃燒除對土壤物理性質影響 土壤含水量是土壤肥力的主要影響因素，土壤熱量傳遞直接受土壤含水量制約[18]。有研究表明，一定火燒會使土壤含水量急劇下降，持水能力下降，容重升高，不同火燒等級間的變化差異不是很大[19]。本研究得出結論，云南松林經(jīng)計劃燒除后，容重在土壤表層增加，毛管持水量在土壤表層降低，在土壤深層容重、毛管持水量不改變，計劃燒除屬于低強度火燒，這個研究結果與陳強對土壤物理性質研究結論相似[19]；土壤含水量在燒除樣地與未燒除樣地間變化不大，推測可能與計劃燒除后采樣時的天氣條件有關，當?shù)卦?月下旬，晝夜溫差大，降雨量少，水平降水對計劃燒除后無地被物覆蓋的土壤含水率影響更直接。

3.1.3 計劃燒除對土壤可蝕性影響 土壤可蝕性通常用可蝕性因子K值來表征，主要受土壤內(nèi)在屬性的影響，這些屬性包括土壤質地、土壤結構和土壤有機碳含量等[20]，火燒對土壤質地和土壤顆粒徑級結構的影響鮮有報道。本研究結果表明，云南松林的低強度計劃燒除，使短期內(nèi)地表覆蓋物急劇降低，土壤表層斑塊狀裸露，土壤細顆粒經(jīng)降雨沖刷，隨地表徑流的流失的幾率增加，土壤表層沙粒含量增加，粉粒、黏粒含量有所降低，但越往土層深處，變化越不明顯。火燒后林地地表徑流和土壤流失量增加，也間接證明了這一點[17]。

3.2 結論

云南松林經(jīng)過周期性連續(xù)低強度計劃燒除后，土壤有機碳、全N、全P在土壤表層降低，隨著土層加深受計劃燒除影響減小；全K、pH值、速效P、速效K、硝態(tài)N在土壤表層有所升高，在土壤較深層都基本保持一致。

云南松林計劃燒除后土壤容重在土壤表層有所升高，毛管持水量下降，土層深度增加，影響程度減??；土壤含水量燒除樣地在0～60 cm土層均高于未燒除樣地，與計劃燒除后水平降水等天氣因素影響有關。

云南松林計劃燒除后，表層土壤沙粒含量增加，粉粒、黏粒及有機碳含量降低，土壤結構發(fā)生改變，可蝕性增強，抗蝕能力下降。