計(jì)劃燒除對(duì)云南松林土壤理化性質(zhì)及可蝕性的影響

田 榮，陳奇伯,2*，黎建強(qiáng),2，趙雨田，楊建光，楊關(guān)呂

(1.西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650224；2.西南林業(yè)大學(xué) 石漠化研究院，云南 昆明 650224；3.新平縣縣級(jí)自然保護(hù)區(qū)管護(hù)局，云南 新平 653499)

火災(zāi)是森林最大的威脅之一，重大火災(zāi)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(yán)重?fù)p害生態(tài)系統(tǒng)功能[1]。計(jì)劃燒除是有目的、有計(jì)劃、有控制、有步驟的利用低強(qiáng)度火燒的有利方面，在規(guī)定林區(qū)內(nèi)燒除累積過(guò)多的可燃物，預(yù)防森林火災(zāi)，改善林分生長(zhǎng)條件的一項(xiàng)重要營(yíng)林措施。但計(jì)劃燒除也會(huì)使森林土壤溫度升高，導(dǎo)致土壤性質(zhì)及相關(guān)特征發(fā)生變化，包括土壤水文、土壤理化性質(zhì)、土壤抗蝕能力、土壤微生物和土壤酶等[2]。美國(guó)、加拿大和澳大利亞等國(guó)是森林火災(zāi)高發(fā)多發(fā)的國(guó)家，也是對(duì)計(jì)劃燒除技術(shù)研究最早和應(yīng)用最廣泛的國(guó)家，近年美國(guó)和澳大利亞每年森林計(jì)劃燒除面積分別都在1 500×104hm2和150×104hm2以上，我國(guó)實(shí)施計(jì)劃燒除作業(yè)也就是近20多a的事，云南林區(qū)是我國(guó)實(shí)施計(jì)劃燒除最早和面積最大的地區(qū)之一[15]。

計(jì)劃燒除對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響主要取決于林分類型、土壤類型、火燒強(qiáng)度和火燒頻率等因素[4]，影響結(jié)果表現(xiàn)在直接和間接2個(gè)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(fù)雜的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)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(jiǎn)單無(wú)機(jī)物重新與土壤發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終導(dǎo)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(guó)內(nèi)外對(duì)森林預(yù)防火災(zāi)的計(jì)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(xiǎn)和促進(jìn)森林更新、燒除的安全性、可行性等方面[3]，目前關(guān)于林火對(duì)土壤理化學(xué)性質(zhì)影響的研究已有報(bào)道，但這些相關(guān)的研究基本上都是建立在發(fā)生火災(zāi)后的林火跡地或小區(qū)模擬燒除上，而對(duì)林區(qū)計(jì)劃燒除為基礎(chǔ)的研究相對(duì)較少[7-8]。而且主要集中在一次性火干擾及不同恢復(fù)年限的影響方面，由于計(jì)劃燒除研究燒除作業(yè)操作難度大，引起森林火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)大，多次計(jì)劃燒除的重復(fù)研究及周期性連續(xù)計(jì)劃燒除的持續(xù)研究較少。由于試驗(yàn)方法的差異，目前對(duì)主要理化性質(zhì)指標(biāo)土壤容重、孔隙度、pH、有機(jī)質(zhì)、N、P、K等的影響結(jié)論不盡一致,對(duì)不同林分類型土壤理化性質(zhì)影響的研究不充分，研究的土壤理化性質(zhì)不夠全面[17]。因此，基于滇中高原多年周期性連續(xù)實(shí)施計(jì)劃燒除措施預(yù)防森林火災(zāi)的有利條件，探究計(jì)劃燒除后云南松(PinusyunnanensisFranch)林土壤理化性質(zhì)與可蝕性的變化特征，對(duì)更加科學(xué)地實(shí)施計(jì)劃燒除作業(yè)和科學(xué)評(píng)價(jià)計(jì)劃燒除后的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)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(guó)云貴高原、橫斷山地和青藏高原3大自然地理區(qū)域的結(jié)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(guò)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(shè)置與樣品采集

研究對(duì)象為云南松天然次生林，計(jì)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(shù)高、胸徑、喬木層郁閉度近似，土層厚均>1 m。近20 a來(lái)，計(jì)劃燒除在每年1月底至2月中旬進(jìn)行，從未間斷。計(jì)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(shù)高13.00 m，計(jì)劃燒除平均熏黑高度1.48 m，屬低強(qiáng)度火燒[17]，林下無(wú)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(shù)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(jì)劃燒除時(shí)間為2月12-13日，土壤樣品的采集時(shí)間為2月25-26日。分別在計(jì)劃燒除與未燒除2塊大樣地內(nèi)設(shè)置20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)樣地3塊，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)取3個(gè)土壤剖面，分別在0～10、10～20、20～40、40～60 cm土層各取3個(gè)重復(fù)土樣。將新鮮土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除土壤中雜物，測(cè)定土樣的理化性質(zhì)與粒徑。

1.3 土壤理化性質(zhì)與抗蝕性測(cè)定方法

土壤含水量采用TDR法測(cè)定；容重和毛管持水量采用環(huán)刀法測(cè)定；粒徑采用激光粒度分析測(cè)定；pH采用水∶土 =2.5∶1玻璃電極法；有機(jī)碳采用全碳分析儀測(cè)定；全氮和硝態(tài)氮用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定；全磷連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)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(cè)定。

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

式中，SAN-砂礫含量(%)；SIL-粉砂粒含量(%)；CLA-黏粒含量(%)；C-有機(jī)碳含量；SN1=1-SAN/100[10]；計(jì)算公式得出K值為美國(guó)制，國(guó)際制時(shí)乘以0.131 7。

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

用Excel 2007和SPSS22.0軟件對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗(yàn)土壤化學(xué)性質(zhì)的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 計(jì)劃燒除對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)影響

計(jì)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(jì)劃燒除使枯落物積累及腐化受限，向土壤深層輸送的物質(zhì)來(lái)源減少，把林地表層復(fù)雜的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物，與土壤進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的溫濕條件發(fā)生變化，進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分含量和酸堿度。具體的化學(xué)性質(zhì)變化特征見(jiàn)表1。

土壤養(yǎng)分含量是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，計(jì)劃燒除使土壤表層枯落物數(shù)量和性質(zhì)發(fā)生變化，土壤養(yǎng)分含量改變。由表1可知，計(jì)劃燒除后土壤有機(jī)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(jì)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(jī)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(xué)性質(zhì)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(yīng)土壤肥力特征的物質(zhì)，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(zhǎng)環(huán)境條件。計(jì)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(jì)劃燒除使含P、K物質(zhì)轉(zhuǎn)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(jì)劃燒除影響進(jìn)行消化反應(yīng)，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(zhì)燒除，pH值增加，酸性減弱。

2.2 計(jì)劃燒除對(duì)土壤物理性質(zhì)影響

計(jì)劃燒除使土壤表層枯枝落葉顯著減少并發(fā)生轉(zhuǎn)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(zhì)發(fā)生改變，具體物理性質(zhì)變化見(jiàn)圖1。

由圖1A可知，云南松林計(jì)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(jì)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(yáng)光直接照射，在燃燒剩余物的灰分作用下，土壤表層變黑，導(dǎo)致地表熱量吸收增加，土壤風(fēng)化加速，表層細(xì)粒土壤在雨水作用下會(huì)把土壤孔隙堵塞，使土壤透氣透水性降低，最終導(dǎo)致表層土壤的容重增加。

由圖1B可知，計(jì)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(tuán)粒結(jié)構(gòu)影響大，長(zhǎng)期周期性計(jì)劃燒除，使表層土壤的植物根系特別是細(xì)根系因燃燒而減少，毛管孔隙被細(xì)粒土壤堵塞，最終導(dǎo)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(jì)劃燒除對(duì)土壤可蝕性影響

計(jì)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(jí)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(jiàn)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(qiáng)弱，K值越大，可蝕性變強(qiáng)，抗侵蝕能力越弱；反之，K值越小，抗侵蝕能力越強(qiáng)[11]，土壤可蝕性K值大小受沙粒、粉粒、黏粒及有機(jī)碳影響。由表2可知，總的趨勢(shì)是計(jì)劃燒除后土壤粉粒、黏粒、有機(jī)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(yàn)公式對(duì)云南松林計(jì)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(jì)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(jì)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(qiáng)度連續(xù)計(jì)劃燒除，使林地表層土壤部分處于裸露狀態(tài)，細(xì)顆粒土壤填充土壤孔隙和隨地表徑流流失的機(jī)會(huì)增加，使細(xì)粒含量有所降低，土壤結(jié)構(gòu)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(guān)系密切，因此，計(jì)劃燒除引起的土壤結(jié)構(gòu)的改變、土壤可蝕性變化以及最終對(duì)土壤侵蝕的影響，需要長(zhǎng)期多因素交互實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和定位觀測(cè)才能得出較為準(zhǔn)確的結(jié)論。

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

3.1.1 計(jì)劃燒除對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)影響 火燒對(duì)土壤全N、全P、全K含量的影響存在爭(zhēng)議，有研究認(rèn)為，火燒對(duì)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(qiáng)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(huì)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(jié)果顯示，一年一度的周期性持續(xù)低強(qiáng)度火燒后，有機(jī)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。火燒后土壤pH增加，速效P、速效K、速效N在土壤表層都有所升高，這一結(jié)果與多數(shù)前人研究結(jié)果相似。計(jì)劃燒除過(guò)程中地被物的燃燒使土壤化學(xué)性質(zhì)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(jī)碳的降低，影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)[12]。許多研究表明，低強(qiáng)度火燒對(duì)表層土壤有機(jī)碳含量的影響不明顯，隨著林火強(qiáng)度的升高，土壤表層有機(jī)碳損失加劇，土壤深度增加，火燒對(duì)土壤中有機(jī)碳含量的影響越來(lái)越小[13]。有機(jī)碳是土壤最主要的氮源，而地表枯落物又是土壤有機(jī)碳的重要來(lái)源，火燒引起的林地枯落物層損失，氮素?fù)]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(jī)N轉(zhuǎn)為無(wú)機(jī)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(qiáng)度火燒之后土壤全K增加，有效K含量會(huì)出現(xiàn)短暫的提高，因?yàn)殁浽谕寥乐辛鲃?dòng)性比較強(qiáng)，很容易被淋溶而流失，所以火燒過(guò)后的一定時(shí)間里土壤速效K的含量會(huì)顯著降低[16]。

3.1.2 計(jì)劃燒除對(duì)土壤物理性質(zhì)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(huì)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(jí)間的變化差異不是很大[19]。本研究得出結(jié)論，云南松林經(jīng)計(jì)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(jì)劃燒除屬于低強(qiáng)度火燒，這個(gè)研究結(jié)果與陳強(qiáng)對(duì)土壤物理性質(zhì)研究結(jié)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(cè)可能與計(jì)劃燒除后采樣時(shí)的天氣條件有關(guān)，當(dāng)?shù)卦?月下旬，晝夜溫差大，降雨量少，水平降水對(duì)計(jì)劃燒除后無(wú)地被物覆蓋的土壤含水率影響更直接。

3.1.3 計(jì)劃燒除對(duì)土壤可蝕性影響 土壤可蝕性通常用可蝕性因子K值來(lái)表征，主要受土壤內(nèi)在屬性的影響，這些屬性包括土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)和土壤有機(jī)碳含量等[20]，火燒對(duì)土壤質(zhì)地和土壤顆粒徑級(jí)結(jié)構(gòu)的影響鮮有報(bào)道。本研究結(jié)果表明，云南松林的低強(qiáng)度計(jì)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(xì)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(diǎn)[17]。

3.2 結(jié)論

云南松林經(jīng)過(guò)周期性連續(xù)低強(qiáng)度計(jì)劃燒除后，土壤有機(jī)碳、全N、全P在土壤表層降低，隨著土層加深受計(jì)劃燒除影響減?。蝗獽、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(jì)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?。煌寥篮繜龢拥卦?～60 cm土層均高于未燒除樣地，與計(jì)劃燒除后水平降水等天氣因素影響有關(guān)。

云南松林計(jì)劃燒除后，表層土壤沙粒含量增加，粉粒、黏粒及有機(jī)碳含量降低，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，可蝕性增強(qiáng)，抗蝕能力下降。