计划烧除对云南松林土壤理化性质及可蚀性的影响

田 荣，陈奇伯,2*，黎建强,2，赵雨田，杨建光，杨关吕

(1.西南林业大学 生态与环境学院，云南 昆明 650224；2.西南林业大学 石漠化研究院，云南 昆明 650224；3.新平县县级自然保护区管护局，云南 新平 653499)

火灾是森林最大的威胁之一，重大火灾将摧毁森林生态系统，将林地变为裸地，甚至引起逆行演替，破坏森林生态系统平衡，严重损害生态系统功能[1]。计划烧除是有目的、有计划、有控制、有步骤的利用低强度火烧的有利方面，在规定林区内烧除累积过多的可燃物，预防森林火灾，改善林分生长条件的一项重要营林措施。但计划烧除也会使森林土壤温度升高，导致土壤性质及相关特征发生变化，包括土壤水文、土壤理化性质、土壤抗蚀能力、土壤微生物和土壤酶等[2]。美国、加拿大和澳大利亚等国是森林火灾高发多发的国家，也是对计划烧除技术研究最早和应用最广泛的国家，近年美国和澳大利亚每年森林计划烧除面积分别都在1 500×104hm2和150×104hm2以上，我国实施计划烧除作业也就是近20多a的事，云南林区是我国实施计划烧除最早和面积最大的地区之一[15]。

计划烧除对土壤理化性质的影响主要取决于林分类型、土壤类型、火烧强度和火烧频率等因素[4]，影响结果表现在直接和间接2个方面，直接影响是火烧直接烧除枯落物，降低枯落物拦蓄截留作用，把地表复杂的有机物转化为简单的无机物；间接影响主要是火烧后土壤裸露、降低土壤保水、入渗、抗蚀能力，简单无机物重新与土壤发生化学反应，最终导致土壤的物理特性、酸碱性和土壤养分状况发生变化[5-6]。国内外对森林预防火灾的计划烧除研究主要集中在作为生态系统管理手段，清理地面杂物，降低火险和促进森林更新、烧除的安全性、可行性等方面[3]，目前关于林火对土壤理化学性质影响的研究已有报道，但这些相关的研究基本上都是建立在发生火灾后的林火迹地或小区模拟烧除上，而对林区计划烧除为基础的研究相对较少[7-8]。而且主要集中在一次性火干扰及不同恢复年限的影响方面，由于计划烧除研究烧除作业操作难度大，引起森林火灾的风险大，多次计划烧除的重复研究及周期性连续计划烧除的持续研究较少。由于试验方法的差异，目前对主要理化性质指标土壤容重、孔隙度、pH、有机质、N、P、K等的影响结论不尽一致,对不同林分类型土壤理化性质影响的研究不充分，研究的土壤理化性质不够全面[17]。因此，基于滇中高原多年周期性连续实施计划烧除措施预防森林火灾的有利条件，探究计划烧除后云南松(PinusyunnanensisFranch)林土壤理化性质与可蚀性的变化特征，对更加科学地实施计划烧除作业和科学评价计划烧除后的生态环境效应有重要理论支撑作用。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域地处滇中高原云南省玉溪市新平县南部的照壁山，位于102°0′7″-102°0′8″E，24°2′38″-24°2′41″N，是我国云贵高原、横断山地和青藏高原3大自然地理区域的结合部，典型高原山地丘陵地貌，海拔1 990～2 050 m，是云南省亚热带北部与亚热带南部的过渡地带，代表性土壤为红壤。多年平均降水量1 050 mm，年平均气温15℃。

1.2 样地设置与样品采集

研究对象为云南松天然次生林，计划烧除与未烧除样地中间有1条防火通道隔离，均位于坡中上部，林龄约为30 a，树高、胸径、乔木层郁闭度近似，土层厚均>1 m。近20 a来，计划烧除在每年1月底至2月中旬进行，从未间断。计划烧除样地的地被物烧除后林分郁闭度约0.55，平均胸径16.14 cm，平均树高13.00 m，计划烧除平均熏黑高度1.48 m，属低强度火烧[17]，林下无灌木和草本，地被物烧除后地面燃烧剩余物蓄积量0.50 t/hm2。未烧除样地植被总郁闭度约0.95，云南松林平均胸径16.93 cm，平均树高12.24 m，枯落物蓄积量2.44 t/hm2，灌木主要有木荷(Schimasuperba)、杜鹃(Rhododendrondecorum)等，草本主要有紫金泽兰(Chalcitesxanthorhynchus)、贯众(Cyrtomiumfortunei)、毛茛(Ranunculusjaponicus)、白茅(Imperatacylindrica)等。2019年计划烧除时间为2月12-13日，土壤样品的采集时间为2月25-26日。分别在计划烧除与未烧除2块大样地内设置20 m×20 m标准样地3块，每个标准样地内取3个土壤剖面，分别在0～10、10～20、20～40、40～60 cm土层各取3个重复土样。将新鲜土样带回实验室，剔除土壤中杂物，测定土样的理化性质与粒径。

1.3 土壤理化性质与抗蚀性测定方法

土壤含水量采用TDR法测定；容重和毛管持水量采用环刀法测定；粒径采用激光粒度分析测定；pH采用水∶土 =2.5∶1玻璃电极法；有机碳采用全碳分析仪测定；全氮和硝态氮用连续流动分析仪测定；全磷连续流动分析仪测定、速效磷采用钼锑比色法；全钾含量采用氢氧化钠熔融-火焰原子吸收分光光度法、速效钾采用火焰光度法测定。

土壤可蚀性采用1990年Williams等[9]在侵蚀-生产力影响评价模型(EPIC)中提出的土壤可蚀性因子K值计算公式：

式中，SAN-砂砾含量(%)；SIL-粉砂粒含量(%)；CLA-黏粒含量(%)；C-有机碳含量；SN1=1-SAN/100[10]；计算公式得出K值为美国制，国际制时乘以0.131 7。

1.4 数据处理和统计分析

用Excel 2007和SPSS22.0软件对各类数据进行整理和分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)检验土壤化学性质的显著性。

2 结果与分析

2.1 计划烧除对土壤化学性质影响

计划烧除使土壤表层地被物及枯枝落叶量锐减甚至燃烧殆尽，一年一度的周期性持续计划烧除使枯落物积累及腐化受限，向土壤深层输送的物质来源减少，把林地表层复杂的有机物转化为简单的无机物，与土壤进行化学反应的温湿条件发生变化，进而影响土壤养分含量和酸碱度。具体的化学性质变化特征见表1。

土壤养分含量是评价土壤肥力的重要指标，计划烧除使土壤表层枯落物数量和性质发生变化，土壤养分含量改变。由表1可知，计划烧除后土壤有机碳、全N、全P在0～20 cm土层显著低于未烧除样地，在20～60 cm土层，计划烧除影响小，烧除前后变化不大；全K在0～10 cm土层烧除样地显著高于未烧除样地，在10～60 cm土层不具差异性。有机碳、全N、全P在土壤表层的变化是由于覆盖在土壤表层的枯落物烧除，灰分中N、P含量降低，向土层的输送逐渐减少。而枯落物烧除后全K则留存于土壤表层的灰分中，使全K含量在土壤表层升高。

表1 土壤化学性质变化特征

速效P、速效K、硝态N是土壤直接能被植被利用的养分，能直接反应土壤肥力特征的物质，受环境因素变化的影响大，养分的变化直接影响植被生长环境条件。计划烧除使土壤表层枯落物烧除，速效P、速效K、硝态N、pH值发生快速改变。速效P、速效K在0～10 cm土层烧除样地显著高于未烧除样地，而速效P在10～20 cm土层烧除样地显著低于未烧除样地，20～60 cm土层受影响小，不具差异性；速效K则在10～60 cm土层不具差异性；速效P、速效K表层的增加都是由于计划烧除使含P、K物质转化为离子形式所致；硝态N在0～60 cm土层烧除样地都显著高于未烧除样地，硝态N存在土壤中同样以硝酸根离子形态，易受计划烧除影响进行消化反应，土壤中硝酸根增多；土壤pH值在0～60 cm土层烧除样地高于未烧除样地，土壤表层的腐殖质烧除，pH值增加，酸性减弱。

2.2 计划烧除对土壤物理性质影响

计划烧除使土壤表层枯枝落叶显著减少并发生转化，枯落物覆盖率降低，部分土壤裸露，受温湿条件影响大，因此土壤物理性质发生改变，具体物理性质变化见图1。

由图1A可知，云南松林计划烧除后土壤容重在0～20 cm土层显著高于未烧除样地，在20～60 cm土层基本保持一致，容重变化不大。计划烧除使林地出现大小、形状不一的裸露斑块，这些斑块由于受到阳光直接照射，在燃烧剩余物的灰分作用下，土壤表层变黑，导致地表热量吸收增加，土壤风化加速，表层细粒土壤在雨水作用下会把土壤孔隙堵塞，使土壤透气透水性降低，最终导致表层土壤的容重增加。

由图1B可知，计划烧除后土壤含水量在0～60 cm略高于未烧除样地，但不明显，土壤含水量受前期降雨、林内水平降水等因素影响大。

由图1C可知，在0～10 cm土层，烧除样地的毛管持水量低于未烧除样地，在20～60 cm土层受影响小，毛管持水量变化小。毛管持水量是毛管孔隙大小的直接反映，毛管孔隙主要受表层土壤中植物根系含量及土壤团粒结构影响大，长期周期性计划烧除，使表层土壤的植物根系特别是细根系因燃烧而减少，毛管孔隙被细粒土壤堵塞，最终导致表层土壤毛管持水量降低。

图1 土壤容重、含水量、毛管持水量变化特征

2.3 计划烧除对土壤可蚀性影响

计划烧除使土壤表层地被物燃烧，土壤温湿条件发生变化，不同径级土壤粒径含量发生改变，土壤可蚀性因此改变，具体变化特征见表2。

表2 土壤可蚀性K值

K值的大小反映土壤抗侵蚀能力的强弱，K值越大，可蚀性变强，抗侵蚀能力越弱；反之，K值越小，抗侵蚀能力越强[11]，土壤可蚀性K值大小受沙粒、粉粒、黏粒及有机碳影响。由表2可知，总的趋势是计划烧除后土壤粉粒、黏粒、有机碳含量在0～40 cm土层有所下降，沙粒在0～40 cm土层有所升高。采用EPIC经验公式对云南松林计划烧除与未烧除样地土壤可蚀性K值比较得出，云南松林计划烧除样地在0～40 cm土层土壤可蚀性K值增加，土壤的抗侵蚀能力减弱，0～10、10～20、20～40 cm土层计划烧除样地的K值比未烧除样地分别增加4.2%、4.1%和5.7%，变化幅度不大；在40～60 cm土层K值不变，可蚀性不受影响。周期性低强度连续计划烧除，使林地表层土壤部分处于裸露状态，细颗粒土壤填充土壤孔隙和随地表径流流失的机会增加，使细粒含量有所降低，土壤结构有所改变，土壤抗蚀能力降低，但降低幅度不明显。土壤可蚀性变化最终影响土壤侵蚀量的大小，但林地土壤侵蚀除受到土壤本身抗蚀能力大小的影响外，主要与地被物的组成、厚度、分布特征等关系密切，因此，计划烧除引起的土壤结构的改变、土壤可蚀性变化以及最终对土壤侵蚀的影响，需要长期多因素交互实验验证和定位观测才能得出较为准确的结论。

3 结论与讨论

3.1 讨论

3.1.1 计划烧除对土壤化学性质影响 火烧对土壤全N、全P、全K含量的影响存在争议，有研究认为，火烧对土壤养分有效性有一定的影响，土壤 N、 P、 K 的含量随林火强度增加而增加[21]，而也有研究发现火烧后土壤的全氮含量会降低[22]。大部分研究发现火烧后全P、全K含量增大[23]，中度火烧后土壤全P含量显著高于未火烧区[24]，也有研究显示，火烧后全P、全K稍有降低的[17]。本研究结果显示，一年一度的周期性持续低强度火烧后，有机碳、全N、全P在土壤表层都有所降低，全K在土壤表层高于未烧烧除样地，土层深度增加，变化逐渐减小。火烧后土壤pH增加，速效P、速效K、速效N在土壤表层都有所升高，这一结果与多数前人研究结果相似。计划烧除过程中地被物的燃烧使土壤化学性质从轻微的挥发到炭化或者完全的氧化等不同程度的损失，造成有机碳的降低，影响着森林生态系统的物质循环[12]。许多研究表明，低强度火烧对表层土壤有机碳含量的影响不明显，随着林火强度的升高，土壤表层有机碳损失加剧，土壤深度增加，火烧对土壤中有机碳含量的影响越来越小[13]。有机碳是土壤最主要的氮源，而地表枯落物又是土壤有机碳的重要来源，火烧引起的林地枯落物层损失，氮素挥发，致使林地总氮量减少[14]，一定程度的火烧能使土壤有机N转为无机形式，短期内火烧林地表层土壤的有效N含量通常是提高；低强度火烧之后土壤全K增加，有效K含量会出现短暂的提高，因为钾在土壤中流动性比较强，很容易被淋溶而流失，所以火烧过后的一定时间里土壤速效K的含量会显著降低[16]。

3.1.2 计划烧除对土壤物理性质影响 土壤含水量是土壤肥力的主要影响因素，土壤热量传递直接受土壤含水量制约[18]。有研究表明，一定火烧会使土壤含水量急剧下降，持水能力下降，容重升高，不同火烧等级间的变化差异不是很大[19]。本研究得出结论，云南松林经计划烧除后，容重在土壤表层增加，毛管持水量在土壤表层降低，在土壤深层容重、毛管持水量不改变，计划烧除属于低强度火烧，这个研究结果与陈强对土壤物理性质研究结论相似[19]；土壤含水量在烧除样地与未烧除样地间变化不大，推测可能与计划烧除后采样时的天气条件有关，当地在2月下旬，昼夜温差大，降雨量少，水平降水对计划烧除后无地被物覆盖的土壤含水率影响更直接。

3.1.3 计划烧除对土壤可蚀性影响 土壤可蚀性通常用可蚀性因子K值来表征，主要受土壤内在属性的影响，这些属性包括土壤质地、土壤结构和土壤有机碳含量等[20]，火烧对土壤质地和土壤颗粒径级结构的影响鲜有报道。本研究结果表明，云南松林的低强度计划烧除，使短期内地表覆盖物急剧降低，土壤表层斑块状裸露，土壤细颗粒经降雨冲刷，随地表径流的流失的几率增加，土壤表层沙粒含量增加，粉粒、黏粒含量有所降低，但越往土层深处，变化越不明显。火烧后林地地表径流和土壤流失量增加，也间接证明了这一点[17]。

3.2 结论

云南松林经过周期性连续低强度计划烧除后，土壤有机碳、全N、全P在土壤表层降低，随着土层加深受计划烧除影响减小；全K、pH值、速效P、速效K、硝态N在土壤表层有所升高，在土壤较深层都基本保持一致。

云南松林计划烧除后土壤容重在土壤表层有所升高，毛管持水量下降，土层深度增加，影响程度减小；土壤含水量烧除样地在0～60 cm土层均高于未烧除样地，与计划烧除后水平降水等天气因素影响有关。

云南松林计划烧除后，表层土壤沙粒含量增加，粉粒、黏粒及有机碳含量降低，土壤结构发生改变，可蚀性增强，抗蚀能力下降。