張立存，孫科輝，鐘安建，焦鴻渤，肖金香*

(1.江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029;2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，江西 南昌 330045;3.九江市廬山區(qū)林業(yè)局，江西 九江 332000;4.江西新余市渝水區(qū)林業(yè)局，江西 新余 338000)

土壤養(yǎng)分和土壤酸堿性是土壤化學(xué)性質(zhì)的主要特征，也是土壤肥力的重要指標(biāo)，此外，土壤養(yǎng)分還是林木生長(zhǎng)發(fā)育所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。火燒必然導(dǎo)致土壤化學(xué)性質(zhì)的變化，火燒對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響可以是短期的，也可以是長(zhǎng)期的，影響的大小主要取決于火燒強(qiáng)度、火的性質(zhì)和火燒頻率［1］?；饘?duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響有直接和間接兩個(gè)方面:直接影響是指火燒直接把復(fù)雜的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物;間接影響是指這些轉(zhuǎn)化來(lái)的簡(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)致土壤的酸堿性和土壤養(yǎng)分狀況發(fā)生變化。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于林火對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)影響的研究已經(jīng)有很多報(bào)道，但是這些相關(guān)的研究基本上都是建立在發(fā)生火災(zāi)后的林火跡地的基礎(chǔ)上，而建立在人為火干擾基礎(chǔ)上的研究相對(duì)較少［2－3］。計(jì)劃燒除是指在人為控制下為達(dá)到預(yù)期目的而在指定地點(diǎn)進(jìn)行安全用火的一種技術(shù)手段。研究計(jì)劃燒除對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，分析計(jì)劃燒除后土壤養(yǎng)分和土壤酸堿性的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，了解林火利、害兩方面的作用，有利于提高人類對(duì)火的認(rèn)識(shí)，對(duì)林業(yè)經(jīng)營(yíng)管理有一定的指導(dǎo)意義。

本研究選擇亞熱帶針闊混交林地，進(jìn)行不同間隔期不同燃燒持續(xù)時(shí)間的試驗(yàn)，探討不同火燒持續(xù)時(shí)間及火燒后不同時(shí)間間隔對(duì)森林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響。研究不同火燒持續(xù)時(shí)間及火燒后不同時(shí)間間隔下土壤酸堿度、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、速效鉀、速效磷含量的變化規(guī)律，可以直接或間接地反映計(jì)劃燒除對(duì)土壤的改良狀況，為營(yíng)林用火方法的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 研究區(qū)概況

樣地選擇在梅嶺國(guó)家森林公園外圍。梅嶺國(guó)家森林公園位于江西省南昌市西北郊的灣里區(qū)境內(nèi)，地處東經(jīng) 115°37'～115°49'、北緯 28°40'～28°50';平均海拔 50～841.4 m，總面積達(dá)150 km2［2－4］。屬中亞熱帶溫濕東南季風(fēng)氣候區(qū)。公園內(nèi)年均溫14～17℃，日照少，降水多，空氣濕度大，氣候垂直變化大，四季分明，冬暖夏涼。

梅嶺地區(qū)森林植被資源豐富，種屬繁多。森林植被以次生林為主，主要植被類型為:①亞熱帶毛竹林:主要分布北部地區(qū);②亞熱帶針葉林:以馬尾松、杉木為主要代表樹(shù)種;③亞熱帶常綠和落葉闊葉林:分布零散，優(yōu)勢(shì)樹(shù)種是樟科、殼斗科和山茶科樹(shù)種;④亞熱帶經(jīng)濟(jì)林:以油茶為主;⑤山地灌木:主要有茅栗、算盤(pán)子、胡枝子、烏飯、杜鵑、鹽膚木、小山竹、烏藥、山楂、化香、瑞香、白櫟等。

研究區(qū)主要的森林土壤類型為紅壤，土層深厚，多偏酸性，質(zhì)地相對(duì)較粘。在南昌市梅嶺國(guó)家森林公園外圍，設(shè)置3處25 m×25 m的針闊混交林標(biāo)準(zhǔn)樣地，海拔為150 m，坡向東南，坡度約為5°，土壤類型為紅壤，土層深厚。

1.2 計(jì)劃燒除

分別于2011年3月、5月、7月、9月、11月選擇陰涼天氣在每個(gè)樣地內(nèi)選取不同樣點(diǎn)進(jìn)行堆燒試驗(yàn)，堆燒樣點(diǎn)的選取按S型布點(diǎn)，燒完之后及時(shí)在堆燒位置做好標(biāo)記。每次堆燒時(shí)設(shè)置3個(gè)不同的燃燒時(shí)間和一個(gè)對(duì)照(未燒林地，用“CK”表示)，分別為10，30，60min和CK，共4個(gè)處理，在3個(gè)樣地內(nèi)，每個(gè)處理均設(shè)3個(gè)重復(fù)，最后一次堆燒結(jié)束后隔一天對(duì)全部5次堆燒實(shí)驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)一取樣。堆燒時(shí)間至取樣時(shí)間之間的時(shí)間間隔期則表示不同的恢復(fù)期，3月、5月、7月、9月、11月進(jìn)行的堆燒分別代表恢復(fù)期為8個(gè)月、6個(gè)月、4個(gè)月、2個(gè)月和1 d。

1.3 外業(yè)取樣

于2011年11月12日最后一次堆燒試驗(yàn)完成之后進(jìn)行統(tǒng)一取樣。取樣前先把堆燒點(diǎn)區(qū)域的灰燼及枯落物等清理干凈，防止取樣時(shí)將上述物質(zhì)帶入土中影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，取樣深度為0～10 cm。

取樣方法:按照火燒持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短順序和火燒日期順序進(jìn)行取樣，用消毒的土鉆按照“十字梅花形”在每個(gè)堆燒點(diǎn)取5個(gè)土樣，將3個(gè)樣地內(nèi)相同燃燒處理的土樣混合均勻后用四分法取其中500 g放入塑料袋中，在相鄰未燒地用同樣的方法取空白對(duì)照，樣品帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干粉碎過(guò)篩備用。

1.4 土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

本研究根據(jù)中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—森林土壤分析方法［6］及關(guān)繼義和陳喜全主編［7］的森林土壤實(shí)驗(yàn)教程，分別采用重鉻酸鉀容量法、自動(dòng)凱氏定氮蒸餾法、堿解－擴(kuò)散法、醋酸銨浸提－火焰光度法、碳酸氫鈉浸提－鉬銻抗比色法測(cè)定土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、速效鉀、速效磷含量;采用電位法［5］測(cè)定土壤pH值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH值的變化

對(duì)不同持續(xù)時(shí)間的火燒后針闊混交林土壤pH值分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)不同持續(xù)時(shí)間的火燒后，土壤pH值均有所增加。從圖1可以看出，火燒持續(xù)時(shí)間為10min的火燒跡地，火燒后1 d土壤pH值增加0.1;火燒持續(xù)時(shí)間為30min跡地，火燒后1 d土壤pH值略有增加，到第2個(gè)月時(shí)猛增0.26，后又有所下降，但仍高于燒前水平，再往后又開(kāi)始增加;火燒持續(xù)時(shí)間為60min的跡地，火燒過(guò)后1 d土壤pH值基本沒(méi)有太多變化，之后持續(xù)增加，到第8個(gè)月時(shí)增速有所減慢。比較不同火燒持續(xù)時(shí)間跡地土壤pH值的變化情況發(fā)現(xiàn)，火燒持續(xù)時(shí)間為30和60min跡地上的土壤pH值變化幅度基本持平，且均高于火燒時(shí)間為10min的跡地，這是由于長(zhǎng)時(shí)間的火燒產(chǎn)生了更多的陽(yáng)離子造成的。

隨著火燒持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，火后pH值增加越多?；馃掷m(xù)時(shí)間為60min，呈持續(xù)增加趨勢(shì)，而60min以下的火燒時(shí)間對(duì)森林土壤pH值的影響不穩(wěn)定。通過(guò)方差分析發(fā)現(xiàn)，計(jì)劃燒除后8個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，火燒后時(shí)間間隔期對(duì)土壤pH值的影響有極顯著差異(P=0.0038＜0.01)，火燒持續(xù)時(shí)間對(duì)土壤pH 值的影響無(wú)顯著性差異(P=0.1282＞0.05)。

圖1 火燒對(duì)土壤pH值的影響Fig.1 Fire impact on soil pH

2.2 土壤有機(jī)質(zhì)的變化

通過(guò)對(duì)不同持續(xù)時(shí)間火燒后針闊混交林土壤有機(jī)質(zhì)變化(圖2)分析發(fā)現(xiàn)，森林土壤有機(jī)質(zhì)含量均有所增加，火燒時(shí)間間隔對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響有顯著差異(P=0.0118＜0.05)，火燒持續(xù)時(shí)間對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量影響無(wú)顯著差異(P=0.6080＞0.05)。由圖2可以看出，火燒時(shí)間為10min的火燒跡地上，8個(gè)月內(nèi)隨時(shí)間增加土壤有機(jī)質(zhì)呈明顯的增加趨勢(shì);火燒持續(xù)時(shí)間為30和60min的火燒跡地上，土壤有機(jī)質(zhì)含量呈先增加后減少再增加的變化趨勢(shì)，但都高于火燒前水平，在火燒后第4個(gè)月時(shí)增加幅度最大。

圖2 火燒對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響Fig.2 Fire impact on soil organic matter

計(jì)劃燒除之后火燒跡地土壤有機(jī)質(zhì)含量增加主要有兩方面的原因:一是熏土效應(yīng)的影響;二是火燒后土壤養(yǎng)分被釋放，地表生物量增加，將凋落物分解轉(zhuǎn)化成土壤有機(jī)質(zhì)，使土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸上升。不同火燒持續(xù)時(shí)間對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量整體差別不明顯，但在火燒后6個(gè)月和8個(gè)月時(shí)，火燒持續(xù)時(shí)間為10min的跡地土壤有機(jī)質(zhì)含量要比火燒持續(xù)時(shí)間為30和60min跡地上高出5～6 g/kg，這是由于原因二造成的。

2.3 土壤全氮的變化

火燒時(shí)氮素極易揮發(fā)，然而火燒持續(xù)時(shí)間和火燒強(qiáng)度不同，氮的揮發(fā)情況有所不同，而隨著火燒后時(shí)間的推移，土壤中的氮素也會(huì)逐漸恢復(fù)。對(duì)不同持續(xù)時(shí)間火燒后森林土壤全氮含量變化(圖3)分析發(fā)現(xiàn)，不同持續(xù)時(shí)間的火燒后土壤全氮含量均有一定程度的上升，且在計(jì)劃燒除后8個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，火燒持續(xù)時(shí)間和火燒時(shí)間間隔對(duì)土壤全氮的影響均無(wú)顯著差異(P=0.5142和0.1364均＞0.05)。

圖3 火燒對(duì)土壤全氮含量的影響Fig.3 Fire impact on soil total N

由圖3可以看出，火燒 1 d后，火燒持續(xù)時(shí)間10，30，60min跡地上土壤全氮含量分別增加0.0093%、0.0122%、0.01%，這是因?yàn)樵谶M(jìn)行堆燒時(shí)可燃物中含有的氮有一部分通過(guò)煙熏作用進(jìn)入土壤中，使土壤中的全氮含量增加。在此之后不同火燒持續(xù)時(shí)間跡地上土壤全氮含量隨著時(shí)間間隔的增加也有不同程度的增加，其中火燒持續(xù)時(shí)間為30和60min跡地上，土壤全氮的含量分別在火燒后第4個(gè)月和第6個(gè)月又開(kāi)始下降，這是因?yàn)榛馃?，土壤中的生物量增加，分解補(bǔ)充到土壤中的氮增加，而長(zhǎng)時(shí)間的火燒將土壤表面的枯枝落葉層全部焚燒，使土壤表層受到雨水侵蝕較嚴(yán)重，從而導(dǎo)致土壤全氮含量又開(kāi)始下降。不同火燒持續(xù)時(shí)間跡地上土壤全氮含量的差別不明顯。

2.4 土壤有效氮的變化

土壤有效性氮的含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)，分析土壤有效氮的含量能了解近期內(nèi)土壤氮的供應(yīng)狀況和氮的釋放速率。通過(guò)對(duì)梅嶺森林公園針闊混交林持續(xù)不同時(shí)間的計(jì)劃燒除后土壤有效氮的含量變化(圖4)分析發(fā)現(xiàn)，不同持續(xù)時(shí)間的火燒后樣地土壤中有效氮含量均有明顯增加，火燒后時(shí)間間隔對(duì)土壤有效氮影響具有極顯著差異(P=0.0046＜0.01)，火燒持續(xù)時(shí)間對(duì)土壤含水率的影響無(wú)顯著差異(P=0.0944＞0.05)。

圖4 火燒對(duì)土壤有效氮含量的影響Fig.4 Fire impact on soil available N

由圖4可以看出，火燒持續(xù)時(shí)間為10和30min的火燒跡地土壤有效氮含量在火燒后兩個(gè)月增加緩慢，與火燒CK相比，分別只增加了10.5和11.75 mg/kg，在火燒后第4個(gè)月時(shí)增加迅猛，分別比CK增加了47.25和42 mg/kg，之后開(kāi)始逐漸下降。火燒持續(xù)時(shí)間為60min的火燒跡地，土壤有效氮含量在火燒后迅速增加，在火燒后2個(gè)月時(shí)增加量就達(dá)到了40.25 mg/kg，之后又有略微的增加，到第6個(gè)月時(shí)開(kāi)始下降?；馃笸寥烙行У恐猿霈F(xiàn)先增后降的變化趨勢(shì)，主要有以下幾個(gè)方面的原因:首先在燃燒的過(guò)程中有部分氮通過(guò)煙熏作用進(jìn)入到土壤中，再就是火燒之后土壤pH值增加，土壤固氮能力提高，從而使土壤中有效氮的含量明顯增加，最后隨著時(shí)間的推移，煙熏效應(yīng)逐漸消失，氮的礦化加速，補(bǔ)充到土壤中的有效氮減少，所以土壤中的有效氮含量又開(kāi)始下降。不同火燒持續(xù)時(shí)間間隔比較，從整體來(lái)看火燒持續(xù)時(shí)間為10和60min跡地上的土壤有效氮含量略高于30min跡地。

2.5 土壤速效磷的變化

對(duì)不同持續(xù)時(shí)間的火燒后，通過(guò)森林土壤速效磷含量的變化分析(圖5)，不同火燒持續(xù)時(shí)間土壤速效磷含量差別較大(P=0.0009＜0.01)，火燒持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，速效磷含量越少;火燒后時(shí)間間隔對(duì)不同火燒持續(xù)時(shí)間土壤速效磷含量的影響不一樣。

圖5 火燒對(duì)土壤速效磷含量的影響Fig.5 Fire impact on soil available P

從圖5可以看出，火燒之后火燒持續(xù)時(shí)間為10min的跡地上，與火燒CK相比土壤速效磷的含量有明顯的增加，火燒后 1，60，120，180，240 d 分別增加了 7.44，11.17，18.61，19.78，38.51 mg/kg，呈持續(xù)遞增趨勢(shì)，這主要是因?yàn)榛馃笠环矫嫱寥纏H值升高有利于無(wú)機(jī)磷的釋放，另一方面土溫升高提高了微生物的活性，加快了有機(jī)磷礦化速度;火燒持續(xù)時(shí)間為30和60min的跡地上土壤速效磷的含量有不同程度的下降，火燒1d后分別下降3.73和7.45 mg/kg，之后有一個(gè)慢慢恢復(fù)的趨勢(shì)，火燒持續(xù)時(shí)間為30min的跡地上，在火燒后第4個(gè)月時(shí)基本恢復(fù)到燒前水平，火燒持續(xù)時(shí)間為60min的跡地上，在火燒后第8個(gè)月依然未恢復(fù)到燒前水平，這是因?yàn)檩^長(zhǎng)時(shí)間的火燒對(duì)土壤破壞比較大，使速效磷轉(zhuǎn)化為遲效磷。

2.6 土壤速效鉀的變化

土壤速效鉀是土壤鉀素的直接供應(yīng)指標(biāo)，因此測(cè)定土壤中速效鉀的含量可以為施肥提供依據(jù)，而研究火燒后土壤速效鉀的變化，能更好地了解火燒對(duì)土壤速效鉀含量的影響。通過(guò)對(duì)不同持續(xù)時(shí)間火燒后土壤速效鉀含量的變化(圖6)分析發(fā)現(xiàn)，不同火燒持續(xù)時(shí)間土壤速效鉀的含量有明顯的差別(P=0.0228＜0.05)，火燒持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，土壤速效鉀含量越高。而火燒后時(shí)間間隔對(duì)不同持續(xù)時(shí)間火燒后土壤速效鉀含量的影響表現(xiàn)不一，持續(xù)時(shí)間越短呈減少趨勢(shì)，持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間火燒的土壤速效鉀呈增加趨勢(shì)。

圖6 火燒對(duì)土壤速效鉀的影響Fig.6 Fire impact on soil available K

從圖6可以看出，火燒持續(xù)時(shí)間為10和30min的火燒跡地，土壤速效鉀含量在經(jīng)過(guò)短暫的升高之后，迅速開(kāi)始下降，其中火燒持續(xù)時(shí)間為10min的跡地土壤速效鉀含量最終下降到火燒前(CK)水平之下，這是因?yàn)榛馃龝r(shí)產(chǎn)生大量灰分，灰分中的鉀離子進(jìn)入到土壤中，使土壤中的鉀含量出現(xiàn)上升，但是隨著時(shí)間的推移，經(jīng)過(guò)雨水的沖刷和淋洗作用，鉀離子消耗殆盡，所以土壤中速效鉀含量又開(kāi)始下降;火燒持續(xù)時(shí)間為60min的跡地上，土壤速效鉀含量呈持續(xù)增加趨勢(shì)，在火燒后第8個(gè)月增加量達(dá)到了52.12 mg/kg，這是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的火燒產(chǎn)生的灰分遠(yuǎn)多于10和30min，灰分的鉀離子持續(xù)不斷地補(bǔ)充到土壤中的緣故。

3 結(jié)論與討論

土壤pH值是表示土壤酸度的指標(biāo)。土壤酸堿度一方面影響著土壤營(yíng)養(yǎng)元素存在的狀態(tài)、釋放、轉(zhuǎn)化和有效性以及土壤有機(jī)質(zhì)的分解等，另一方面還對(duì)植物及土壤微生物有很大的影響，適宜的酸堿度能提高土壤微生物的活性和促進(jìn)林木生長(zhǎng)。大量研究表明，火燒后土壤的pH值有所增加，這種增加現(xiàn)象是由于火燒使土壤溫度升高，促使土壤有機(jī)酸分解，同時(shí)燃燒過(guò)程中釋放出大量陽(yáng)離子造成的。隨著時(shí)間推移，土壤有機(jī)酸含量會(huì)逐漸增加而陽(yáng)離子會(huì)不斷流失，土壤pH值又會(huì)開(kāi)始下降。本文的研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果基本一致［8－11］。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤形成的物質(zhì)基礎(chǔ)之一，也是土壤肥力的重要指標(biāo)。土壤有機(jī)質(zhì)的含量以及成分直接影響到土壤的理化性質(zhì)及土壤肥力，其有機(jī)質(zhì)含量及成分根據(jù)土壤類型不同差別很大?；馃龑?duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響與火燒持續(xù)時(shí)間及火燒強(qiáng)度有關(guān)?；鸷笸寥烙袡C(jī)質(zhì)含量的變化沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論，即有降低的報(bào)道，也有升高的報(bào)道，還有維持不變的報(bào)道［12］。大量研究表明，火燒通常促使土壤氮元素?fù)]發(fā)，使土壤氮素的含量下降［13－15］。但是本文中土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮、土壤有效氮的含量在計(jì)劃燒除之后反而是增加的，這可能與本實(shí)驗(yàn)的燃燒方法有關(guān)，本實(shí)驗(yàn)選用堆燒法，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的煙熏效應(yīng)，而隨著時(shí)間的推移煙熏效應(yīng)逐漸消失，這3項(xiàng)指標(biāo)又開(kāi)始下降，當(dāng)然產(chǎn)生上述結(jié)果的原因還有可能與土壤類型、樣地的坡度坡向、項(xiàng)目區(qū)雨熱條件等有關(guān)，這些都需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)論證。

可燃物燃燒時(shí)釋放出自身的磷元素和鉀元素，會(huì)使土壤速效磷和速效鉀含量升高。但是較長(zhǎng)時(shí)間火燒跡地上的土壤速效磷卻有略微的下降，這主要是因?yàn)檩^長(zhǎng)時(shí)間的火燒對(duì)土壤破壞嚴(yán)重，使土壤速效磷轉(zhuǎn)化為遲效磷。計(jì)劃燒除是一項(xiàng)節(jié)省鋤草成本、清除林地可燃物堆積、以火攻火、降低森林火災(zāi)的一項(xiàng)成熟技術(shù)措施，能促使林地養(yǎng)分的改變，提高地力，可以推廣到其他林型試驗(yàn)。

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