張炅達(dá)，張水鋒，金東日，張?jiān)讫?/p>

（南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京210023）

1 引言

森林不僅提供國(guó)家建設(shè)和人民生活所需的木材及林副產(chǎn)品，還肩負(fù)著固碳釋氧、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土、防風(fēng)固沙、美化環(huán)境、凈化空氣、減少噪音及旅游保健等多種使命。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，火扮演著一個(gè)主要而又獨(dú)特的干擾因子［1］。林地上自由蔓延的火稱(chēng)為林火［2］。不同性質(zhì)、強(qiáng)度、頻率的火燒能夠短期、長(zhǎng)期或者永久性的影響土壤的理化性質(zhì)、礦物學(xué)及其生物學(xué)特性［3］。過(guò)去人們認(rèn)為林火的發(fā)生會(huì)破壞森林的結(jié)構(gòu)和功能，破壞森林生態(tài)系統(tǒng)，不僅給人類(lèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成重大的損失還會(huì)對(duì)動(dòng)植物和人類(lèi)的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。隨著人類(lèi)科學(xué)水平和文化素質(zhì)的提高，人們開(kāi)始逐漸認(rèn)識(shí)到林火的發(fā)生并不僅僅意味著單純的破壞。實(shí)際上，一定強(qiáng)度的火干擾是對(duì)森林有益的。它不但能促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，改善森林的結(jié)構(gòu)而且對(duì)生物多樣性、穩(wěn)定性、森林更新、群落演替和生物生產(chǎn)力等都起著重要作用［4］。土壤是生態(tài)系統(tǒng)中可持續(xù)性的重要組成部分［5］，它是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)。因此，對(duì)森林土壤在火干擾后的元素變化情況研究非常有價(jià)值?；饘?duì)森林土壤的影響，既有短期的直接性影響，也有長(zhǎng)期的間接性影響。不同強(qiáng)度火燒能夠在不同程度上改變土壤表面的物種組成、植物生長(zhǎng)、土壤淋溶、土壤生物區(qū)系和土壤侵蝕等［6］。

目前國(guó)內(nèi)已有研究小組對(duì)火燒跡地土壤的理化性質(zhì)做過(guò)一些研究，而且對(duì)火燒跡地植被恢復(fù)后的土壤養(yǎng)分變化和火燒跡地的天然更新策略和技術(shù)方面做過(guò)一些研究，但是對(duì)不同強(qiáng)度火燒下土壤的酸堿變化還有欠缺。土壤pH值大小直接決定了土壤的酸堿性，土壤的pH值影響著土壤的理化性質(zhì)和微生物活動(dòng)，進(jìn)而影響土壤肥力和植物生長(zhǎng)。不同酸堿程度的土壤影響著土壤養(yǎng)分的有效性，其供肥配比和植物生長(zhǎng)也會(huì)存在差異。本文以楊樹(shù)人工林在不同強(qiáng)度的火燒條件下，對(duì)火燒跡地進(jìn)行實(shí)地調(diào)查、土壤取樣和實(shí)驗(yàn)分析，探討在不同強(qiáng)度火燒下楊樹(shù)人工林土壤pH值的變化情況，增進(jìn)對(duì)土壤供肥能力和植物種植的適宜性判斷的準(zhǔn)確性，進(jìn)而對(duì)不同pH值的土壤實(shí)施有效的供肥配比，改良土壤肥力，為改善火燒跡地土壤pH值和有效科學(xué)的恢復(fù)森林生態(tài)系統(tǒng)提供理論依據(jù)。同時(shí)也為該地區(qū)更好的開(kāi)展林火評(píng)估調(diào)研工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 地區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)地選在南京市仙林大學(xué)城南京森林警察學(xué)院校內(nèi)后山旁楊樹(shù)人工林，該地屬北亞熱帶濕潤(rùn)氣候帶和季風(fēng)環(huán)流的海洋性氣候區(qū)，季風(fēng)顯著，冬冷夏熱，四季分明，日照充足，水資源充沛。試驗(yàn)地土壤概況如表1所示。

表1 林地土壤概況

2.2 火強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)在楊樹(shù)林下從邊緣向中心逐漸并均勻增加的鋪設(shè)10～40 cm的可燃物。在每個(gè)樣地上插上6m長(zhǎng)的具有刻度線(xiàn)且涂有紅白相間油漆的鐵標(biāo)桿。對(duì)火燒后鐵標(biāo)桿的熏黑高度作為火焰高度記錄。

由于火焰長(zhǎng)度不易測(cè)準(zhǔn)，而火焰高度易測(cè)準(zhǔn)，則通過(guò)測(cè)量火焰高度來(lái)提高估測(cè)精度［7］。因此，這里采用卡姆特爾提出 的火強(qiáng)度 公式［8］：I＝273h2.17。式 中：I為火線(xiàn)強(qiáng)度（k W／m）；h為火焰高度（m）。另外，根據(jù)森林火中的地表火和樹(shù)冠火的火焰高度和火線(xiàn)強(qiáng)度的資料，采用根據(jù)森林火撲救的需要將森林火強(qiáng)度劃分為4級(jí)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表2）［9］。

將林火點(diǎn)燒試驗(yàn)中記錄的各小樣地的火焰高度代入以上計(jì)算公式，經(jīng)計(jì)算，樣地火強(qiáng)度分為低、中、高3個(gè)等級(jí)，無(wú)超高強(qiáng)度，各樣地火強(qiáng)度分類(lèi)見(jiàn)表3。

表2 地表火和樹(shù)冠火強(qiáng)度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 楊樹(shù)林小樣地不同火燒強(qiáng)度分類(lèi)

2.3 取樣測(cè)定

本次試驗(yàn)是以火燒前的楊樹(shù)林土壤與火燒后的楊樹(shù)林土壤進(jìn)行取樣比樣。2014年5月3日對(duì)火燒前的楊樹(shù)林土壤進(jìn)行取樣。2014年5月5日，即點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)后的24 h，對(duì)火燒跡地進(jìn)行取樣。分別采集土層為0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm的土壤各500g。采用電位法測(cè)算樣品土壤的pH值。數(shù)據(jù)的測(cè)定按照《中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》和《森林土壤實(shí)驗(yàn)教程》［10］中相關(guān)的測(cè)定和計(jì)算方法。

2.4 數(shù)據(jù)處理

本次野外林火試驗(yàn)設(shè)計(jì)在雨后至少4～5d的晴朗天氣進(jìn)行采樣以減少其它環(huán)境因素的干擾。樣地的選取嚴(yán)格遵循代表性和典型性的原則。試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Excel整理后，采用SPPS11.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 低強(qiáng)度火燒對(duì)土壤pH值的影響

低強(qiáng)度火燒對(duì)楊樹(shù)人工林土壤的pH值影響變化情況見(jiàn)圖1。由圖1可知，在0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm的土層，經(jīng)過(guò)低強(qiáng)度火燒后，土壤pH值均上升。其中0～5 cm增加幅度最大，達(dá)到1.7%。5～10 cm增加幅度次之，為0.04。10～20 cm土層變化幅度則很小，略有上升，僅有1%?？梢?jiàn)，隨著土層厚度的加深，土壤中pH值的變化程度不同。0～5 cm土層pH值的增幅比5～10 cm土層高，為0.017%，是5～10 cm土層增幅的4.25倍，差異明顯?；馃?～5 cm土層的pH值大小僅次于火燒前5～10 cm土層pH。但pH值的總體趨勢(shì)仍然是與火燒前一致，即0～5 cm層＜5～10 cm層＜10～20 cm層。因此，低強(qiáng)度火燒條件下，0～5 cm土層受到的影響最大，10～20 cm土層受到的影響最小。

3.2 中強(qiáng)度火燒對(duì)土壤pH值的影響

由圖2可見(jiàn)，中強(qiáng)度火燒后0～5 cm至10～20 cm土層土壤的pH值與低強(qiáng)度火燒下的變化趨勢(shì)基本一致，即，0～5 cm層＜5～10 cm層＜10～20 cm層。可見(jiàn)，隨著土壤層的加厚，土壤pH的增幅越來(lái)越小?；馃?，5～10 cm土層的pH值與10～20 cm土層的pH值分別為7.46和7.47，兩者基本一致。但經(jīng)過(guò)中強(qiáng)度火燒后，5～10 cm土層的PH值變?yōu)?.62，變化量為0.16，10～20 cm 土層的 pH 值變?yōu)?.55，變化量為0.08。5～10 cm土層的pH增幅是10～20 cm土層兩倍?；馃皃H值最低的0～5 cm土層，在火燒后反超5～10 cm和10～20 cm土層的pH值，變?yōu)樽罡摺Ｓ纱丝芍?，火燒?duì)土壤表層的pH影響最大，對(duì)深層土壤的影響隨著土層的加厚逐漸減小。與低強(qiáng)度火燒相比，中強(qiáng)度火燒作用過(guò)的土壤，每個(gè)土層pH值的變化幅度更大。

3.3 高強(qiáng)度火燒對(duì)土壤pH值的影響

高強(qiáng)度火燒對(duì)楊樹(shù)人工林土壤的pH值影響變化情況見(jiàn)圖3。與低、中強(qiáng)度火燒相比較，在高強(qiáng)度火燒的作用下，土壤pH值的變化幅度更為顯著。0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm土層的pH值的變化量分別為0.6、0.43 和 0.17，增 幅 分 別 為 0.08%、0.06% 和0.02%?？梢?jiàn)，高強(qiáng)度火燒下不但土壤的pH值大幅上升，而且pH值與低、中強(qiáng)度火燒后的pH值比較變化量最大，中強(qiáng)度次之，低強(qiáng)度最小。可見(jiàn)，與低、中強(qiáng)度火燒相比，高強(qiáng)度火燒對(duì)每個(gè)土層pH值的影響更大，對(duì)深土壤的影響更加明顯。結(jié)果表明，在火干擾下，土壤pH值和pH值變化量都會(huì)隨土壤層的加厚而變小，而在不同強(qiáng)度的火干擾下，變化幅度為：高強(qiáng)度火燒＞中強(qiáng)度火燒＞高強(qiáng)度火燒。

4 結(jié)論與討論

火燒后的土壤pH值呈上升趨勢(shì)，包括實(shí)驗(yàn)室模擬研究［11］的結(jié)果，同樣顯示出這一結(jié)論?；饛?qiáng)度越大pH值上升的趨勢(shì)越大，土壤層越淺上升的趨勢(shì)也越大。這是由于火干擾下土壤的有機(jī)物和增加的陽(yáng)離子與枯落物氧化對(duì)有機(jī)碳的消耗從而造成pH值的增加［12］。不同強(qiáng)度的林火作用對(duì)土壤pH值的影響不同。在同一土壤層，低強(qiáng)度火燒對(duì)土壤pH值的影響小于中強(qiáng)度火燒。而中強(qiáng)度火燒對(duì)土壤的pH值的影響又比高強(qiáng)度火燒低。隨著火燒強(qiáng)度的增加，無(wú)論哪個(gè)土層，土壤pH值變化量也在同步增加。這說(shuō)明，不同強(qiáng)度的火燒對(duì)土壤有著不同程度的影響，火燒強(qiáng)度越大，土壤的pH值變化也越大?；饘?duì)土壤的影響力會(huì)伴隨著火強(qiáng)度的增大而增大。

土壤的pH值直接顯示了土壤當(dāng)前的酸堿狀況和肥力程度。不同的酸堿度對(duì)土壤中的其他化學(xué)元素及其物理性質(zhì)有著很大的影響。土壤pH值與土壤主要肥力指標(biāo)有效態(tài)的關(guān)系，pH值與土壤速效磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤緩效鉀呈顯著正相關(guān)［13］。適宜的pH值對(duì)土壤中的微生物活動(dòng)、枯枝落葉的分解、林木的生長(zhǎng)都有著很大的幫助。研究表明，經(jīng)過(guò)20a的恢復(fù)，火燒地土壤的pH值依然高于對(duì)照地土壤的pH值［14］。pH值變化對(duì)土壤酶活性影響巨大，從總體上看，土壤酸化對(duì)土壤酶活性主要起抑制作用，堿化主要起激活作用，pH值的變化對(duì)微生物活性的影響是造成土壤酶活性變化的主要因素［15］。已有結(jié)論表明，灌溉種植植物，能使土壤pH值有降低趨勢(shì)，而且隨著年限的增加，降低的程度也將隨著增加［16］，然而，這需要多年不斷的進(jìn)行，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。因此，當(dāng)林火發(fā)生后，了解火燒跡地土壤的pH值變化趨勢(shì)，人為的對(duì)火燒跡地土壤酸堿性進(jìn)行干擾，合理、科學(xué)、有目的性的利用田間施肥、土地利用、作物選擇、土壤成分等干預(yù)手段，使土壤pH值能夠盡快恢復(fù)火燒前的狀態(tài)，以更好更快的恢復(fù)火燒區(qū)林地結(jié)構(gòu)，減少火災(zāi)帶來(lái)的損失。然而，對(duì)于如何快速有效的對(duì)火燒跡地的土壤酸堿性進(jìn)行改良，還需要進(jìn)一步的深入研究。

［1］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.

［2］鄭懷兵，張南群 .森林防火［M］.北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2006.

［3］Certini G.Effects of fire on properties of forest soils：A review［J］.Oecologia，2005（143）：1～10.

［4］徐化成 .中國(guó)大興安嶺森林［M］.北京：科學(xué)出版社，1998：41～43.

［5］韓釗龍，胡慧蓉，黃鑠淇 .林火干擾對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響［J］.西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（3）：46～50.

［6］金 慧，趙 瑩，趙 偉，等 .林火對(duì)長(zhǎng)白自然保護(hù)區(qū)風(fēng)災(zāi)區(qū)土壤性質(zhì)的影響［J］.北華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，14（6）：06～20.

［7］周建軍，黃 平，張昱春 .有關(guān)林火行為的一些實(shí)驗(yàn)研究［J］.火災(zāi)科學(xué)，1998，2（7）：1～7.

［8］Chander C，Cheney P，Thomas P，etal.Fire in Forestry：Forest fire behavior and effects（volume 1）［M］.Hoboken，USA：Wiley Inter－Science，1983：25～26.

［9］王賢祥 .森林火行為的分級(jí)或分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的研究［J］.火災(zāi)科學(xué)，1995，4（1）：12～18.

［10］關(guān)繼義，陳喜全 .森林土壤實(shí)驗(yàn)教程［M］.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，1992.

［11］王艷霞，楊桂英，張 政 .火干擾對(duì)森林土壤理化性質(zhì)的影響［J］.防護(hù)林科技，2012，4（109）：1～4.

［12］Fischer R F，Binkley D.Ecology and Management of Forest Soils［M］.3rd ed.New York：John Wiley，2000.

［13］師剛強(qiáng)，趙 藝，施澤明，等 .土壤pH值與土壤有效養(yǎng)分關(guān)系探討［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009（6）.

［14］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)期影響響［J］.自然資源學(xué)，2010，25（7）：1114～1121.

［15］王 涵，王 果，黃穎穎，等.pH值變化對(duì)酸性土壤酶活性的影響［J］.生態(tài)環(huán)境，2008，17（6）：2401～2406.

［16］譚軍利，康躍虎，焦艷平，等 .滴灌條件下種植年限對(duì)大田土壤鹽分及pH 值的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（9）：43～50.