張水鋒，張思玉，張金池，彭徐劍，田 野，李廣元，李衛(wèi)正

（1. 南京森林警察學院，江蘇 南京 210023；2. 南京林業(yè)大學 江蘇省水土保持與生態(tài)修復重點實驗室，江蘇 南京 210037；3. 南京林業(yè)大學 現(xiàn)代分析測試中心，江蘇 南京 210037）

火燒對楊樹人工林土壤有機碳及速效養(yǎng)分的影響

張水鋒1,2，張思玉1*，張金池2，彭徐劍1，田 野2，李廣元1，李衛(wèi)正3

（1. 南京森林警察學院，江蘇 南京 210023；2. 南京林業(yè)大學 江蘇省水土保持與生態(tài)修復重點實驗室，江蘇 南京 210037；3. 南京林業(yè)大學 現(xiàn)代分析測試中心，江蘇 南京 210037）

2014年5月4日對江蘇省南京市一楊樹人工林進行不同火強度點燒試驗，5月3日和4日在試驗前后分別采取土樣，研究火燒后樣地土壤有機碳與速效養(yǎng)分含量的即時變異。結(jié)果表明：火燒后24 h，土壤pH、速效磷和速效鉀含量隨著土壤深度的增加而減少，卻隨著火強度的增強而增加；土壤有機碳含量則降低，且隨著土壤深度的增加其降幅減小，隨著火強度的增加其降幅增大；土壤水解氮含量在高強度火燒下的0 ～ 5、5 ～ 10 cm土層以及中強度火燒下的0 ～ 5 cm土層是降低的，其他土層的水解氮含量是增加的；林火強度與土壤pH、速效磷和速效鉀含量呈正相關，而與土壤有機碳含量則呈負相關。

楊樹；點燒；土壤養(yǎng)分；有機碳；速效養(yǎng)分

森林火災導致森林資源的嚴重破壞，水土流失和病蟲害等次生災害的加劇，森林生產(chǎn)力降低，野生動物減少或消失，生態(tài)環(huán)境嚴重惡化[1～5]。林火對土壤性質(zhì)的影響除與土壤自身特性有關以外，還與火燒強度、火燒后的時間間隔以及可燃物類型等因子有關[6]。森林土壤是植物生長的基質(zhì)，土壤物理性質(zhì)影響土壤中養(yǎng)分的有效性和供應能力，土壤養(yǎng)分則直接與土壤肥力相關。

國內(nèi)外相關學者對火后土壤物理性質(zhì)、養(yǎng)分元素以及微生物性質(zhì)等方面做了許多研究，從時間序列上看，火燒對森林土壤有機碳有短期的直接性影響和長期的間接性影響。大興安嶺北部寒溫帶針葉林區(qū)點燒后土壤表層（0～10 cm）有機碳和微生物量碳平均下降了4.1%、16.6%，輕、中度火燒經(jīng)過第2年融雪季和雨季后，土壤有機碳含量有小幅遞增，平均增幅3.5%～4.2%；至火燒后第3年秋季顯著回降，而高強度火燒土壤有機碳在經(jīng)過第2年的融雪季和雨季后，平均降幅為25.4%，至火燒第3年秋季，平均降幅增至39.9%，個別點甚至達到107.2%[7～8]。Eckmeier等[9]研究發(fā)現(xiàn)，歐洲中部的溫帶落葉松林土壤表層0～5 cm有機碳含量在皆伐火燒1 a后下降了5%。另外，韓釗龍等[10]分析了過火3個月后昆明近郊華山松和柏木人工林林地土壤理化性質(zhì)的變化，研究表明火燒后的林地土壤更加板結(jié)，土壤養(yǎng)分含量降低，不利于土壤肥力的改善；谷會巖[11]等比較了20 a后不同火燒強度下興安落葉松的土壤pH值、土壤養(yǎng)分的差異，表明隨著火燒強度的增加，土壤pH值逐漸升高，C、N含量都呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，K、P含量隨著火燒強度的增加而逐漸降低，并且土壤表層和土壤深層的K、P含量差異微??；Carter等[12]研究發(fā)現(xiàn)，N、S、P和B主要以非微粒（氣體）形式損失，而其他元素以微粒（固體）形式流失。

林火作為森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要干擾因子影響著土壤系統(tǒng)。關于林火對土壤性質(zhì)影響的研究不少，但大多是在火后較長一段時間展開的，且利用空間代替時間作為對照，其中下墊面的差異不免導致研究結(jié)論的不準確。而本研究則能有效避免此誤差，主要分析了林火對土壤有機碳和速效養(yǎng)分的即時影響，旨在揭示林火對土壤性質(zhì)的即時干擾機制，為探討火后土壤侵蝕機理和防控技術研究提供理論依據(jù)，這對林火生態(tài)因子的管理和運用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地設置

野外林火點燒樣地位于南京市仙林大學城南京森林警察學院校內(nèi)后山旁楊樹人工林，土壤類型為黃棕壤，林冠郁閉度為0.5 ～ 0.7，林下灌木蓋度20% ～ 30%，枯落物蓋度80%，枯落物厚度5 ～ 8 cm，表層枯落物較干燥易燃。

為實現(xiàn)火強度的分級目標，在楊樹林下增鋪了可燃物，增鋪可燃物的厚度從樣地邊緣的10 cm向中心逐漸均勻增加到40 cm?？扇嘉镏饕獮楦浇熑~林地收集的已曬干的枯枝落葉。另外，在楊樹林各個小樣地中心插上6 m長并標有紅色刻度線和白漆的鐵質(zhì)標桿，并將火燒后的熏黑高度作為火焰高度記錄。

2014年5月4日，楊樹人工林樣地在嚴密監(jiān)控下實施了點燒試驗。試驗過程中，對火行為進行了多角度監(jiān)控錄像。

1.2 樣品采集

為減少其他環(huán)境因素的干擾，本次林火試驗設計在雨后4～5 d的晴朗天氣進行采樣。以火燒前的楊樹林作為對照，土壤取樣時間為 2014 年 5月 3日和 5月 5日?；跅顦淞謽拥氐牡匦魏兔娣e，按照代表性和典型性的原則，將其劃分為 12 塊 4 m×6 m的小樣地，將其均勻劃分成4個方格，在4個方格內(nèi)分別按0 ～ 5、＞5 ～ 10和＞10 ～ 20 cm分層取樣，取樣后各層均勻混合至500 g，帶回實驗室分析。

1.3 實驗室分析測定

土壤樣品的pH值測定采用電位法，有機碳的測定采用重鉻酸鉀氧化法，水解氮測定采用堿擴散法，有效磷測定采用鉬銻抗顯色法，速效鉀測定采用火焰光度法[13～14]。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

運用Excel 2013軟件對試驗所得數(shù)據(jù)進行基本的處理和分析，采用SPSS 17.0軟件對不同火燒強度下小樣地前后的指標數(shù)據(jù)的平均值進行配對樣本T檢驗。采用單因素方差分析（One-Way ANOVA）檢驗不同火燒強度影響土壤各指標值變率的差異顯著性，多重比較采用Post-hoc LSD檢驗。

林地土壤有機碳與速效養(yǎng)分的含量變化直接關系到植物的生長，它是評價土壤供肥能力的重要指標?；馃罅值赝寥烙袡C碳與速效養(yǎng)分的變化量通過以下公式計算得出：

式中：Xi為單位面積指標含量變化量（g/m2）；ρb為樣地土壤容重平均值（t/m3）； h1、h2、h3分別為0 ～ 5、＞5 ～ 10和 ＞10 ～ 20 cm土層對應的土層厚度（m）；a、b、c分別為0 ～ 5、＞5 ～ 10和＞10 ～ 20 cm土層的指標變化量（g/t）。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣地火強度分級

通常需要根據(jù)火強度的大小評定火對地被物、林木、土壤等的危害程度，從而評價林火的生態(tài)效應。而由于火焰高度不易測準，如果火焰高度易測準，有利于提高估測精度[15]。因此，根據(jù)樹干火焰高度確定林火強度，采用1983年卡姆特爾提出用火焰高度來估測火強度的公式[16]：

式中，I為火線強度（kw/m）；h為火焰高度（m）。

根據(jù)森林火災撲救的需要，森林地表火強度被劃分為4級標準[17]：火線強度小于300 kw/m為低強度，火線強度300 ～ 2 700 kw/m為中強度，火線強度2 700 ～ 7 000 kw/m為高強度，火線強度大于7 000 kw/m為超高強度。

將點燒試驗中記錄的各小樣地的火焰高度代入卡姆特爾公式，經(jīng)計算，1、2、3、10、12號小樣地屬于低強度火燒；4、6、7、11號樣地屬于中強度火燒；5、8、9號樣地屬于高強度火燒；無超高強度火燒。

2.2 火燒前后土壤pH值的即時變化

由圖1可見，火燒前，楊樹林下土壤的pH值波動范圍在 7～8，呈弱堿性。楊樹人工林土壤pH值隨著土壤深度的增加而逐漸增大。火燒 24 h后的楊樹林土壤pH值，在不同火燒強度和不同土壤深度呈現(xiàn)不同程度的變化趨勢。表層0 ～ 5 cm土壤在3種火燒強度下的pH值波動最大（最高為0.73），差異均極為顯著；＞5 ～ 10 cm、＞10 ～ 20 cm土層在高強度火燒下差異顯著（p＜0.05）。＞10 ～ 20 cm土層的pH值波動最小（最低為0）。楊樹人工林土壤pH值經(jīng)過低、中、高強度火燒后土壤分別平均增大了0.04、0.19和0.40，增幅分別為0.91%，4.11%和6.98%。另外，高強度火燒與低、中強度火燒對0 ～ 5 cm、＞5 ～ 10 cm土層pH值變率影響的差異均顯著（p＜0.05）。因此，高強度火燒對土壤pH值的影響大于低、中強度火燒，且火燒對表層土壤的影響大于深層土壤。

圖1 火燒后土壤pH值的變化Figure 1 Soil pH before and after planned fire

2.3 火燒前后土壤有機碳的即時變化

圖2 火燒后土壤有機碳含量的變化Figure 2 Soil organic carbon content before and after planned fire

如圖2所示，楊樹人工林的土壤有機碳主要集中在0～5 cm土層，其含量明顯高于＞5 ～ 10 cm，＞10 ～ 20 cm土層含量最低?；馃昂髽拥? ～ 5 cm土層有機碳含量在3種火燒強度下的變化均極為顯著（p＜0.01），在低、中、高強度火燒下分別減少了5.37%、12.47%和46.46%，＞5 ～ 10 cm土層在高強度火燒下差異顯著（p＜0.05），＞10 ～ 20 cm土層的有機碳含量受到火燒的干擾程度最小。另外，高強度火燒與低、中強度火燒對0 ～ 5 cm土層土壤有機碳含量變率的影響在0.05的水平上差異顯著。因此，楊樹人工林土壤有機碳含量在0 ～ 5 cm土層受到火的影響最大，且高強度火燒的影響最強。

另外，通過火燒前后有機碳含量與土壤量對有機碳的損失量進行計算，低、中、高強度火燒下土壤有機碳的損失量分別為0.18、0.42、3.04 t/hm2。

圖3 火燒后土壤水解氮含量的變化Figure 3 Soil hydrolysable nitrogen content before and after planned fire

2.4 火燒前后土壤速效養(yǎng)分的即時變化

2.4.1 土壤水解氮含量的變化 由圖3可以看出，火燒后24 h，土壤水解氮含量的變化趨勢卻與土壤有機碳相異，且在不同火燒強度下的響應情況不一致。高強度火燒下的0 ～ 5和＞5 ～ 10 cm土層以及中強度火燒下的0 ～ 5 cm土層的水解氮含量是減少的，而低強度火燒后的各土層水解氮含量則均是增加的。其中，僅高強度火燒下的0～5 cm土層土壤水解氮含量在火燒后減少極顯著（p ＜0.01），在 ＞5 ～ 10 cm土層表現(xiàn)為顯著（p＜0.05）。低強度火燒下的0 ～ 5 cm土層土壤水解氮含量在火燒后增加顯著（p＜0.05）。在0 ～ 5 cm土層低強度火燒與高強度火燒對土壤水解氮含量變率影響的差異顯著（p＜0.05）。根據(jù)火燒前后土壤水解氮含量的變化與土壤量估算了單位面積的楊樹人工林土壤水解氮的變化量。其中，低強度火燒下0 ～ 20 cm土壤水解氮含量增量分別為4.56 kg/hm2，而中、高強度火燒下土壤水解氮含量損失量分別為1.15、26.35 kg/hm2。

2.4.2 土壤速效磷含量的變化 如圖4所示，火燒后24 h，由于磷的揮發(fā)和淋溶量很少，土壤磷的受擾程度比土壤氮低。0～5 cm土層速效磷含量在低、中、高強度火燒下均呈現(xiàn)增加趨勢，分別為1.08%、1.47%和11.67%，僅高強度火燒前后0～5 cm土層速效磷含量的差異顯著（p＜0.05）。而其他情況下的速效磷含量波動不大，差異不顯著（p＞0.05）。另外，0 ～ 5 cm土層高強度火燒與低、中強度火燒對土壤速效磷含量變率影響的差異顯著（P＜0.05）。經(jīng)計算，低、中、高強度火燒下速效磷的含量增加分別為0.14、0.18、2.60 kg/hm2。

圖4 火燒后土壤速效磷含量的變化Figure 4 Soil available phosphorus content before and after planned fire

2.4.3 土壤速效鉀含量的變化 由圖5可見，楊樹人工林土壤速效鉀含量在0 ～ 5 cm土層的變化趨勢與速效磷含量的變化趨勢相近，火燒24 h后的增幅隨著火燒強度的增加而增大，且中、高強度火燒前后的土壤速效鉀含量差異極顯著（p＜0.01），低強度火燒前后的土壤速效鉀含量差異顯著（p＜0.05）。＞5 ～ 10 cm土層的土壤速效鉀含量波動較小，差異不顯著（p＞0.05）。＞10 ～ 20 cm土層的土壤速效鉀含量基本未變，差異也不顯著（P＞0.05）。在0 ～ 5 cm土層，3種不同強度火燒之間的差異均在0.05的水平上表現(xiàn)顯著。

通過火燒前后土壤速效鉀含量的變化與土壤量對楊樹人工林速效鉀的損失量進行了估算，低、中、高強度火燒下速效鉀的含量增加分別為3.17、12.09、31.16 kg/hm2。

3 結(jié)論與討論

（1）火燒后24 h，楊樹人工林表層土壤pH值的受擾程度高于深層土壤，且高強度火燒比低、中強度火燒對土壤pH值的干擾程度更強。在酸性土壤中，由于林火焚燒有機質(zhì)，增加了土壤中灰分物質(zhì)含量，鹽基成分被釋放，鹽基飽和度增大（如本試驗中速效鉀含量的增加），提高了表層土壤pH值，促進了土壤中養(yǎng)分元素的礦化釋放，產(chǎn)生更多能被植物直接吸收的速效養(yǎng)分。然而這可能是短期效應，薛立等[18-19]研究了馬尾松林火災4 a后的土壤性質(zhì)，其pH則略有降低，這與火后長時間土壤微氣候條件的改變有關，表層腐殖質(zhì)的分解加速，產(chǎn)生的礦質(zhì)元素離子與土壤膠體表面吸附的氫離子發(fā)生交換后進入土壤溶液中，降低了土壤pH值[20]。而在本試驗楊樹人工林的弱堿性土壤中，pH值的增大是如何影響土壤養(yǎng)分元素的變化，還有待進一步研究。

圖5 火燒后土壤速效鉀含量的變化Figure 5 Soil available potassium content before and after planned fire

（2）森林中土壤有機碳的積累是林木碳積累的繼續(xù)，它將植被無法繼續(xù)保存的碳截留到了土壤中，擴展了植被固定大氣中CO2的能力。林火通過直接燃燒損失、有機質(zhì)高溫變性和繼發(fā)性侵蝕作用，以及改變碳的輸入、輸出過程等方式對森林土壤碳庫造成顯著影響[21]?；馃?4 h，楊樹人工林的土壤表層有機質(zhì)受到的高溫和直接燃燒導致了有機碳的損失，且隨火強度的增大有機碳含量損失增大，分別為5.37%、12.47%和46.46%。有研究表明[24]，中、低強度火燒一般可以促使土壤有機碳的重新分配，而高強度火燒則幾乎破壞土壤有機碳，這與本文的研究結(jié)果類似。楊樹人工林0 ～ 20 cm土層中有機碳的儲量在27.78 ～ 61.41 t/hm2[22]，研究區(qū)楊樹人工林樣地土壤有機碳在高強度火燒下的損失量為3.04 t/hm2，最高能達到儲量的10.94%。而我國的森林資源以天然林為主體，其物種豐富度、層次結(jié)構(gòu)、林地枯落物組成遠比人工林豐富，經(jīng)歷同樣火燒后，其土壤有機碳的釋放量將遠大于此。因此，火燒對森林土壤碳庫有著不可忽視的影響。

（3）在楊樹人工林土壤速效養(yǎng)分中，氮的揮發(fā)溫度低，火燒時最易損失，而在不同火燒強度下，氮的揮發(fā)狀況各不相同。Goivanni等[23]的試驗表明，當溫度達到220 ℃時，氮的揮發(fā)導致土壤全氮含量下降，而NH4-N含量在220℃下增加，高于220℃則快速下降。高強度的火燒能使土壤有機質(zhì)幾乎全部破壞，而低強度的火燒使有機質(zhì)發(fā)生了再次分配[24]。因此，高強度火燒直接導致了土壤表層有機質(zhì)的焚燒和有機氮損失，伴著的高溫烘烤也導致表層氮素的揮發(fā)減少，而低強度火燒則可能使土壤中的礦質(zhì)氮（NH4+和NO3-）濃度增加。Wan等[25]在研究火燒對陸地生態(tài)系統(tǒng)氮庫及其變化的影響時有類似的發(fā)現(xiàn)。在低強度火燒下土壤水解氮含量增量分別為4.56 kg/hm2，而中、高強度火燒下土壤水解氮含量損失量分別為1.15和26.35 kg/hm2，即中、高強度火燒導致了土壤水解氮量的損失，而低強度的火燒則增加了土壤的水解氮含量。而長期來看，有些研究[18,26]得出土壤水解氮含量減少的結(jié)論，這與火災后的土壤氮含量和微生物數(shù)量的減少，引起脲酶活性下降，不利于土壤有機氮的分解有關。

（4）楊樹人工林土壤表層速效磷含量在低、中、高強度火燒下分別增加0.14、0.18、2.60 kg/hm2，可能是由于林火焚燒有機質(zhì)，增加了土壤中灰分物質(zhì)含量，導致鹽基成分的釋放，鹽基飽和度增大提高了土壤pH值，促使土壤中無機磷的釋放?；馃a(chǎn)生的灰分顆粒中含有磷素，這些灰分顆?；馃髸M入土壤的表層，導致表層土壤速效磷的增大。另外，也會有一部分磷素在火燒與高溫作用下轉(zhuǎn)化成氣體流失，但量不多。因此，土壤速效磷含量總體是增加的，且在0 ～ 5 cm表土層增加最顯著，這與Carter[27]對南方松林所做的研究類似。然而，火災后存在于灰分中的磷以顆粒狀形式沉淀地表，其含量大大超過了土壤的交換能力，隨著降雨和地表徑流的產(chǎn)生，地表的這部分灰分就會遷移流失[28]，甚至導致下游河流水質(zhì)的變化。

（5）楊樹人工林土壤表層速效鉀含量在低、中、高強度火燒下分別增加了3.17、12.09、31.16 kg/hm2。由于火燒后土壤交換性鉀和水溶性鉀濃度升高原因主要與礦物鉀的釋放有關，經(jīng)過 100℃以上的溫度灼燒處理，土壤中的交換性鉀和水溶性鉀含量將成倍增加，一部分由土壤中緩效鉀轉(zhuǎn)化而來，還有一部分是由封閉在長石等難風化礦物中的無效鉀轉(zhuǎn)化而來[27]。另外，土壤速效鉀含量的增加也與土壤表層枯落物和有機質(zhì)燃燒產(chǎn)生的灰分顆粒有關，灰分顆粒進入土壤表層是導致表層速效鉀含量增加的主要因素。從長遠來看，灰分顆粒進入表層土壤中容易堵塞土壤的孔隙，當火燒后發(fā)生較大強度降雨和徑流，則會導致鉀的大量流失。因此，為了充分利用土壤中的有效養(yǎng)分，應盡快在火燒跡地上植苗造林或采取其它有效管理措施。

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Effect of Planned Fire on Soil Organic Carbon and Available Nutrients of Pop lar Plantation

ZHANG Shui-feng1,2，ZHANG Si-yu1*，ZHANG Jin-chi2，PENG Xu-jian1，TIAN Ye2，LI Guang-yuan1，LI Wei-zheng3
（1. Nanjing Forest Police College, Nanjing 210023, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Ecological Restoration, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 3. Modern Forecasting and Analysis Center, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China）

Planned fire was implemented on May 4, 2014 at poplar plantation in Nanjing, Jiangsu province. On May 3 and May 5 of the same year, soil samples were collected in the same place to analyze instant variation of soil organic carbon and available nutrients before and after planned fire. The result showed that 24 hours later of planned fire, soil pH value, available phosphorus and potassium contents decreased with the deepness of soil layer, but increased with the intensity of fire. Soil organic carbon content decreased with deepness of soil layer. Soil hydrolysable nitrogen content decreased at 0-5cm and 5-10cm layers under the high-intensity fire, as well as at 0-5cm layer under the moderate-intensity fire. The experiment demonstrated that fire intensity had positive relation with pH value, available phosphorus and potassium, and negative one with organic carbon content.

poplar plantation；planned fire; soil nutrient; organic carbon; available nutrient

S714.2

：A

1001-3776（2016）02-0009-06

2015-10-14；

：2016-02-21

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目（No: LGYB201514）和948項目（No:2013-4-65）聯(lián)合資助

張水鋒（1986－），男，助教，主要從事火燒跡地土壤侵蝕與控制研究；*通訊作者。