岳鑫 囤興建 崔德杰 郭曉冬 宋祥云 劉蕾 王玲麗 姜超 許景偉 李士美

摘要：林火是森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要干擾因子。本試驗(yàn)以山東省威海里口山林火跡地為研究對(duì)象，分析其不同火燒程度對(duì)表層土壤（0～10 cm）養(yǎng)分的影響。結(jié)果表明，與未過(guò)火林地相比，火燒跡地內(nèi)土壤pH值升高，表現(xiàn)為重度火燒林地>輕度火燒林地>中度火燒林地；土壤有機(jī)質(zhì)與速效鉀含量顯著降低，下降幅度表現(xiàn)為重度火燒林地>輕度火燒林地>中度火燒林地；堿解氮含量顯著降低，下降幅度表現(xiàn)為輕度火燒林地>重度火燒林地>中度火燒林地；有效磷含量顯著增加，增加幅度表現(xiàn)出重度火燒林地>中度火燒林地>輕度火燒林地。重度火燒后土壤養(yǎng)分含量降低，pH值升高，不利于土壤化學(xué)性質(zhì)改善。

關(guān)鍵詞：林火；火燒強(qiáng)度；土壤養(yǎng)分

中圖分類號(hào)：S714.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2018）03-0072-05

Abstract Forest fire is a crucial disturbance factor in forest ecosystems. In this study， the impacts of fire intensity on nutrients in topsoil （0～10 cm）were studied from burned blanks in the Likou Mountain in Weihai City. The results were showed as follows. In contrast with the forest soil without fire， the soil pH value increased after forest fire， and the sequence from high to low was： heavily burned forest， slightly burned forest， moderately burned forest. Soil organic matter and available potassium content were significantly decreased， and the sequence of decrease range from high to low was： heavily burned forest， slightly burned forest， moderately burned forest. Available nitrogen content was significantly reduced， and the sequence of decrease range from high to low was： slightly burned forest， heavily burned forest， moderately burned forest. The content of available phosphorus was significantly increased， and the sequence of increase range from high to low was： heavily burned forest， moderately burned forest， slightly burned forest. The soil nutrient content decreased and pH value increased after heavy fire， which was not conducive to the improvement of soil chemical properties.

Keywords Forest fire； Fire intensity； Soil nutrients

林火是一種自然現(xiàn)象，也是森林生態(tài)系統(tǒng)主要干擾因子之一，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的演替與發(fā)展具有重要作用[1]。全球平均每年大約有1%的森林遭受火干擾的影響[2]。目前，國(guó)外對(duì)林火的研究主要集中在北方針葉林，而國(guó)內(nèi)對(duì)林火的研究主要集中于大興安嶺地區(qū)、西南林區(qū)和北京山區(qū)[3]。然而，截至目前，山東半島沿海地區(qū)林火對(duì)土壤的影響卻鮮有報(bào)道。

森林在經(jīng)歷火燒后，其生態(tài)系統(tǒng)會(huì)遭受不同程度的破壞，火燒時(shí)產(chǎn)生的高溫不僅會(huì)破壞地表植被，也會(huì)改變土壤的化學(xué)性質(zhì)。土壤化學(xué)性質(zhì)不僅受氣候、植被、地形以及成土過(guò)程等自然因素的影響，而且與耕作、土地利用方式以及經(jīng)營(yíng)措施等人為因素密切相關(guān)[4]。土壤化學(xué)性質(zhì)是衡量森林土壤質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，火后森林土壤化學(xué)性質(zhì)的變化，是評(píng)估森林火災(zāi)損失和計(jì)劃燒除效果的重要依據(jù)[5]。在土壤含有的眾多元素中，氮、磷、鉀的含量與植被、微生物及土壤動(dòng)物活動(dòng)聯(lián)系尤其緊密[6]。因此，分析土壤中堿解氮、速效磷、速效鉀等元素含量，可以反映出土壤肥力水平。土壤pH值與植物生長(zhǎng)聯(lián)系緊密，是火災(zāi)后土壤森林發(fā)育和演替的重要因子[7，8]。以往對(duì)森林土壤化學(xué)性質(zhì)方面的研究，主要著眼于土地利用方式對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，以及采伐干擾和森林經(jīng)營(yíng)對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的擾動(dòng)等方面，而關(guān)于不同強(qiáng)度火燒以及火燒后自然恢復(fù)對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的研究相對(duì)較少[9，10]。

本研究以山東省威海市里口山林火跡地為對(duì)象，分析了不同火燒強(qiáng)度對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，旨在發(fā)現(xiàn)不同火燒強(qiáng)度對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，從而為火災(zāi)后森林的恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

威海市位于山東半島東端，地處36°41′～37°35′N，121°11′～122°42′E，北、東、南三面瀕臨黃海。本區(qū)域?qū)俦睖貛Ъ撅L(fēng)型大陸性氣候，年平均氣溫12.2℃，年平均降水量737.7 mm，年平均日照時(shí)數(shù)2 480.0 h。

里口山位于威海市西南部，山體主要由花崗閃長(zhǎng)巖構(gòu)成，山基表面多為風(fēng)化殘積物形成的棕壤性土，土壤普遍存在質(zhì)地粗、結(jié)構(gòu)差、肥力低等問(wèn)題。本區(qū)域自然分布植被類型為暖溫帶落葉闊葉林區(qū)，現(xiàn)有植被以松櫟混交林為主，伴有刺槐人工林，主要木本植物有赤松（Pinus densiflora）、麻櫟（Quercus acutissima）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、黑松（Pinus thunbergii）、臭椿（Ailanthus altissima）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、扁擔(dān)木（Grewia biloba var. parviflora）、三椏烏藥（Lauraceae. obtusiloba）、鼠李（Rhamnus davurica）等。2014年5月29日，里口山發(fā)生森林火災(zāi)，火線一度達(dá)7 km，過(guò)火面積約47 hm2。

1.2 研究方法

通過(guò)對(duì)過(guò)火區(qū)域的全面調(diào)查，選擇立地條件基本一致的地段，設(shè)立不同過(guò)火程度的火燒樣地，分別為未火燒樣地、輕度火燒樣地（燒死木比例<30%）、中度火燒樣地（燒死木比例30%～70%）、重度火燒樣地（燒死木比例>70%）。土壤樣品于2015年11月采集。

在各過(guò)火樣地中分別設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，在各樣地按照梅花式取樣方法各取5個(gè)點(diǎn)的表層土壤（0～10 cm）。表1為各試驗(yàn)地的基本概況。樣品取回后，在室內(nèi)進(jìn)行自然風(fēng)干、研磨、過(guò)篩等預(yù)處理，測(cè)定土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀五項(xiàng)指標(biāo)。土壤pH值采用電位法；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；速效磷采用NaHCO3浸提-鉬藍(lán)比色法；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度計(jì)法[11]。

應(yīng)用Microsoft Excel 2016軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；結(jié)合SPSS 20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析（LSD法）；對(duì)土壤pH值及各土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 火燒后土壤pH值與養(yǎng)分含量的相關(guān)性分析

由表2可以看出，火燒后表層土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量與pH值，有機(jī)質(zhì)含量與速效磷含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤堿解氮、速效鉀含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量，土壤速效鉀含量與堿解氮含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；土壤堿解氮含量與pH值、速效鉀與速效磷含量均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，其余各組數(shù)據(jù)之間相關(guān)性均不顯著。

2.2 火燒對(duì)土壤pH值及有機(jī)質(zhì)含量的影響

由圖1可知，經(jīng)歷不同程度火燒后，土壤pH值均高于未過(guò)火土壤（pH=4.95），且重度火燒（pH=5.5）>輕度火燒（pH=5.2）>中度火燒（pH=5.12），分別較未過(guò)火土壤pH值增加11.11%、5.05%和3.43%。除重度火燒后土壤pH值與未過(guò)火土壤pH值存在顯著差異外，其余處理的土壤pH值較未過(guò)火土壤pH值均無(wú)顯著變化。

在經(jīng)歷不同程度火燒后，土壤有機(jī)質(zhì)含量均較未過(guò)火土壤有機(jī)質(zhì)含量有所降低，輕度火燒后土壤有機(jī)質(zhì)含量為20.38 g/kg；中度火燒后土壤有機(jī)質(zhì)含量為21.40 g/kg；重度火燒后土壤有機(jī)質(zhì)含量為11.33 g/kg；降低幅度依次為重度火燒（59.35%）>輕度火燒（26.87%）>中度火燒（23.21%），各過(guò)火樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量及與未過(guò)火樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量相比均存在顯著差異。

2.3 火燒對(duì)土壤速效養(yǎng)分含量的影響

由圖2可知，經(jīng)歷不同程度火燒后，土壤堿解氮含量均較未過(guò)火樣地土壤顯著降低，其中輕度火燒后土壤堿解氮含量降低31.86%，中度火燒后降低19.9%，重度火燒后降低24.99%。經(jīng)歷不同程度火燒后土壤速效磷含量均較未過(guò)火樣地顯著增加，輕度火燒后土壤速效磷含量增加11.31%，中度火燒后增加102.55%，重度火燒后增加169.34%。各處理土壤速效鉀含量分別為輕度火燒45.18 mg/kg，中度火燒51.79 mg/kg，重度火燒38.58 mg/kg，分別較未過(guò)火樣地土壤速效鉀含量降低24.75%、13.74%和35.74%。

3 討論

研究表明，林火發(fā)生后會(huì)迅速提高土壤pH值，在經(jīng)過(guò)幾個(gè)月、幾年、甚至幾十年的時(shí)間后逐漸下降[12]。這是由土壤腐殖質(zhì)氧化并導(dǎo)致陽(yáng)離子交換量下降造成，同時(shí)，還取決于火燒后灰燼沉積的組成和數(shù)量以及土壤的緩沖能力[13]。有研究顯示，不同火燒強(qiáng)度對(duì)森林土壤pH值的影響呈遞增趨勢(shì)。這可能是由于火燒后釋放出的一些金屬陽(yáng)離子中和了土壤中的酸性，從而使得土壤pH值升高[14]。也可能是加熱使土壤中的有機(jī)酸變性所致[15]。本研究中，重度火燒土壤pH值顯著高于未過(guò)火、輕度火燒和中度火燒林地土壤pH值，與前人研究結(jié)果一致。

有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分之一，也是土壤形成的重要物質(zhì)基礎(chǔ)?；馃笸寥烙袡C(jī)質(zhì)的變化不僅影響土壤的理化性質(zhì)，而且對(duì)土壤肥力的發(fā)展起著極為重要的作用[16，17]。本研究中，經(jīng)過(guò)不同程度火燒后土壤有機(jī)質(zhì)含量均較未過(guò)火土壤顯著減少。有機(jī)質(zhì)含量降低可能是因?yàn)榛馃蟮乇砜萋湮餃p少，進(jìn)而對(duì)地表補(bǔ)充的有機(jī)質(zhì)減少，也可能是由林火引起的有機(jī)物質(zhì)蒸發(fā)所致[18]。測(cè)定火燒后土壤有機(jī)質(zhì)的含量是研究土壤、判斷土壤肥力狀況以及恢復(fù)情況的一項(xiàng)重要工作[19]。

土壤中的速效養(yǎng)分可以直接被植物利用，火燒可以提高土壤養(yǎng)分的可用性[20]。一般情況下，火燒后短期內(nèi)林地表層土壤的有效氮含量通常是提高的，因?yàn)橐欢ǔ潭鹊幕馃苁雇寥烙袡C(jī)氮轉(zhuǎn)為無(wú)機(jī)形式，但長(zhǎng)期來(lái)看有效氮含量會(huì)下降[21]。本研究中過(guò)火土壤堿解氮含量降低，可能原因?yàn)樵谠囼?yàn)測(cè)定時(shí)距林火發(fā)生已有一段時(shí)間。有研究表明土壤氮含量的降低或許與土壤有機(jī)物的消釋有關(guān)[22]。本研究中土壤堿解氮含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，符合這一結(jié)論。土壤速效磷含量變化較大，不同程度火燒后土壤速效磷含量均顯著增加。速效磷的增加可能是由于火燒使其他形態(tài)磷轉(zhuǎn)化為有效磷[23]。森林過(guò)火后土壤速效鉀含量均顯著減少，可能是雨后水土流失導(dǎo)致的。由于重度火燒對(duì)森林破壞較嚴(yán)重，導(dǎo)致地表大面積裸露，所以，水土流失問(wèn)題較輕度火燒嚴(yán)重[2]。這與本研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

本研究對(duì)山東半島沿海地區(qū)林火對(duì)土壤的影響進(jìn)行了分析比較，結(jié)果表明輕度火燒和中度火燒后表層土壤pH值無(wú)顯著變化，重度火燒后土壤pH值顯著升高；火燒后表層土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量均顯著降低；而土壤有效磷含量則顯著升高，這都不利于土壤化學(xué)性質(zhì)的改善。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 朱教君，劉足根. 森林干擾生態(tài)研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，15（10）：1703-1710.

[2] 谷會(huì)巖，金靖博，陳祥偉，等.不同火燒強(qiáng)度林火對(duì)大興安嶺北坡興安落葉松林土壤化學(xué)性質(zhì)的長(zhǎng)期影響[J].自然資源學(xué)報(bào)，2010，25（7）：1114-1121.

[3] 李士美，囤興建. 青島市三標(biāo)山林火跡地早期恢復(fù)植被特征研究[J]. 林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2015，40（5）：67-71.

[4] Schoenholtz S H， Miegroet H V， Burger J A， et al. A review of chemical and physical properties as indicators of forest soil quality： challenges and opportunities.[J]. Forest Ecology & Management， 2000， 138（1/2/3）：335-356.

[5] Certini G. Effects of fire on properties of forest soils： a review[J]. Oecologia， 2005， 143（1）：1-10.

[6] Monty K R， Amiya K P.Quantifying the contribution of different soil properties on microbial，biomass carbon，nitrogen and phosphorous in dry tropical ecosystem[J].International Journal of Environmental Sciences，2012，2（3）：2272-2284.

[7] Abril A， Barttfeld P， Bucher E H. The effect of fire and overgrazing disturbes on soil carbon balance in the Dry Chaco forest[J]. Forest Ecology & Management， 2005， 206（1/2/3）：399-405.

[8] 陶玉柱.火干擾對(duì)塔河白樺落葉松林土壤化學(xué)性質(zhì)的短期影響[J]. 遼寧林業(yè)科技，2016（3）：1-4，18.

[9] Goodale C L， Aber J D. The long-term effects of land-use history on nitrogen cycling in northern hardwood forests[J]. Ecological Applications， 2001， 11（1）：253-267.

[10]張猛，張健，徐雄，等.土壤管理方式對(duì)果草人工生態(tài)系統(tǒng)土壤性質(zhì)影響[J].林業(yè)科學(xué)，2006，42（8）：44-49.

[11]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M]. 第三版.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2000：39-78.

[12]Fisher R F，Binkley D.Ecology and management of forest：soils[M].New York：John Wiley & Sons，2000：241-261.

[13]Raison R J. Modification of the soil environment by vegetation fires， with particular reference to nitrogen transformations： a review[J]. Plant and Soil， 1979， 51（1）：73-108.

[14]張玉紅，孫銘隆，劉彤.林火對(duì)大興安嶺典型植被土壤理化性質(zhì)的影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，40（6）：41-43.

[15]李媛，程積民，魏琳，等.云霧山典型草原火燒不同恢復(fù)年限土壤化學(xué)性質(zhì)變化[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2013，33（7）：2131-2138.

[16]王樹(shù)力.不同經(jīng)營(yíng)類型紅松林對(duì)湯旺河流域土壤性質(zhì)的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2006，20（2）：90-93.

[17]游秀花，蔣爾可.不同森林類型土壤化學(xué)性質(zhì)的比較研究[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（3）：357-360.

[18]唐季林，歐國(guó)菁.林火對(duì)云南松林土壤性質(zhì)的影響[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，17（2）：44-49.

[19]孫明學(xué)，賈煒瑋，吳瑤.大興安嶺北部地區(qū)林火對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，37（5）：33-35.

[20]Scharenbroch B C， Nix B， Jacobs K A， et al. Two decades of low-severity prescribed fire increases soil nutrient availability in a Midwestern， USA oak （Quercus） forest[J]. Geoderma，2012，s183/184（3）：80-91.

[21]許鵬波，屈明，薛立.火對(duì)森林土壤的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志，2013，32（6）：1596-1606.

[22]Kennard D K， Gholz H L. Effects of high- and low-intensity fires on soil properties and plant growth in a Bolivian dry forest[J]. Plant and Soil， 2001， 234（1）：119-129.

[23]田昆.火燒跡地土壤磷含量變化的研究[J].西南林學(xué)院報(bào)，1997，17（2）：21-25.