计划烧除对针阔混交林地土壤化学性质的影响

张立存，孙科辉，钟安建，焦鸿渤，肖金香*

(1.江西省水土保持科学研究院，江西 南昌 330029;2.江西农业大学 林学院，江西 南昌 330045;3.九江市庐山区林业局，江西 九江 332000;4.江西新余市渝水区林业局，江西 新余 338000)

土壤养分和土壤酸碱性是土壤化学性质的主要特征，也是土壤肥力的重要指标，此外，土壤养分还是林木生长发育所必须的物质基础。火烧必然导致土壤化学性质的变化，火烧对土壤化学性质的影响可以是短期的，也可以是长期的，影响的大小主要取决于火烧强度、火的性质和火烧频率［1］。火对土壤化学性质的影响有直接和间接两个方面:直接影响是指火烧直接把复杂的有机物转化为简单的无机物;间接影响是指这些转化来的简单无机物重新与土壤发生化学反应，最终导致土壤的酸碱性和土壤养分状况发生变化。

目前，国内外关于林火对土壤化学性质影响的研究已经有很多报道，但是这些相关的研究基本上都是建立在发生火灾后的林火迹地的基础上，而建立在人为火干扰基础上的研究相对较少［2－3］。计划烧除是指在人为控制下为达到预期目的而在指定地点进行安全用火的一种技术手段。研究计划烧除对土壤化学性质的影响，分析计划烧除后土壤养分和土壤酸碱性的动态变化过程，了解林火利、害两方面的作用，有利于提高人类对火的认识，对林业经营管理有一定的指导意义。

本研究选择亚热带针阔混交林地，进行不同间隔期不同燃烧持续时间的试验，探讨不同火烧持续时间及火烧后不同时间间隔对森林土壤化学性质的影响。研究不同火烧持续时间及火烧后不同时间间隔下土壤酸碱度、有机质、全氮、有效氮、速效钾、速效磷含量的变化规律，可以直接或间接地反映计划烧除对土壤的改良状况，为营林用火方法的选择提供科学依据。

1 试验设计与方法

1.1 研究区概况

样地选择在梅岭国家森林公园外围。梅岭国家森林公园位于江西省南昌市西北郊的湾里区境内，地处东经 115°37'～115°49'、北纬 28°40'～28°50';平均海拔 50～841.4 m，总面积达150 km2［2－4］。属中亚热带温湿东南季风气候区。公园内年均温14～17℃，日照少，降水多，空气湿度大，气候垂直变化大，四季分明，冬暖夏凉。

梅岭地区森林植被资源丰富，种属繁多。森林植被以次生林为主，主要植被类型为:①亚热带毛竹林:主要分布北部地区;②亚热带针叶林:以马尾松、杉木为主要代表树种;③亚热带常绿和落叶阔叶林:分布零散，优势树种是樟科、壳斗科和山茶科树种;④亚热带经济林:以油茶为主;⑤山地灌木:主要有茅栗、算盘子、胡枝子、乌饭、杜鹃、盐肤木、小山竹、乌药、山楂、化香、瑞香、白栎等。

研究区主要的森林土壤类型为红壤，土层深厚，多偏酸性，质地相对较粘。在南昌市梅岭国家森林公园外围，设置3处25 m×25 m的针阔混交林标准样地，海拔为150 m，坡向东南，坡度约为5°，土壤类型为红壤，土层深厚。

1.2 计划烧除

分别于2011年3月、5月、7月、9月、11月选择阴凉天气在每个样地内选取不同样点进行堆烧试验，堆烧样点的选取按S型布点，烧完之后及时在堆烧位置做好标记。每次堆烧时设置3个不同的燃烧时间和一个对照(未烧林地，用“CK”表示)，分别为10，30，60min和CK，共4个处理，在3个样地内，每个处理均设3个重复，最后一次堆烧结束后隔一天对全部5次堆烧实验进行统一取样。堆烧时间至取样时间之间的时间间隔期则表示不同的恢复期，3月、5月、7月、9月、11月进行的堆烧分别代表恢复期为8个月、6个月、4个月、2个月和1 d。

1.3 外业取样

于2011年11月12日最后一次堆烧试验完成之后进行统一取样。取样前先把堆烧点区域的灰烬及枯落物等清理干净，防止取样时将上述物质带入土中影响实验结果，取样深度为0～10 cm。

取样方法:按照火烧持续时间长短顺序和火烧日期顺序进行取样，用消毒的土钻按照“十字梅花形”在每个堆烧点取5个土样，将3个样地内相同燃烧处理的土样混合均匀后用四分法取其中500 g放入塑料袋中，在相邻未烧地用同样的方法取空白对照，样品带回实验室风干粉碎过筛备用。

1.4 土壤化学性质测定

本研究根据中华人民共和国林业行业标准—森林土壤分析方法［6］及关继义和陈喜全主编［7］的森林土壤实验教程，分别采用重铬酸钾容量法、自动凯氏定氮蒸馏法、碱解－扩散法、醋酸铵浸提－火焰光度法、碳酸氢钠浸提－钼锑抗比色法测定土壤中有机质、全氮、有效氮、速效钾、速效磷含量;采用电位法［5］测定土壤pH值。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值的变化

对不同持续时间的火烧后针阔混交林土壤pH值分析发现，经过不同持续时间的火烧后，土壤pH值均有所增加。从图1可以看出，火烧持续时间为10min的火烧迹地，火烧后1 d土壤pH值增加0.1;火烧持续时间为30min迹地，火烧后1 d土壤pH值略有增加，到第2个月时猛增0.26，后又有所下降，但仍高于烧前水平，再往后又开始增加;火烧持续时间为60min的迹地，火烧过后1 d土壤pH值基本没有太多变化，之后持续增加，到第8个月时增速有所减慢。比较不同火烧持续时间迹地土壤pH值的变化情况发现，火烧持续时间为30和60min迹地上的土壤pH值变化幅度基本持平，且均高于火烧时间为10min的迹地，这是由于长时间的火烧产生了更多的阳离子造成的。

随着火烧持续时间的延长，火后pH值增加越多。火烧持续时间为60min，呈持续增加趋势，而60min以下的火烧时间对森林土壤pH值的影响不稳定。通过方差分析发现，计划烧除后8个月的时间内，火烧后时间间隔期对土壤pH值的影响有极显著差异(P=0.0038＜0.01)，火烧持续时间对土壤pH 值的影响无显著性差异(P=0.1282＞0.05)。

图1 火烧对土壤pH值的影响Fig.1 Fire impact on soil pH

2.2 土壤有机质的变化

通过对不同持续时间火烧后针阔混交林土壤有机质变化(图2)分析发现，森林土壤有机质含量均有所增加，火烧时间间隔对土壤有机质含量的影响有显著差异(P=0.0118＜0.05)，火烧持续时间对土壤有机质含量影响无显著差异(P=0.6080＞0.05)。由图2可以看出，火烧时间为10min的火烧迹地上，8个月内随时间增加土壤有机质呈明显的增加趋势;火烧持续时间为30和60min的火烧迹地上，土壤有机质含量呈先增加后减少再增加的变化趋势，但都高于火烧前水平，在火烧后第4个月时增加幅度最大。

图2 火烧对土壤有机质含量的影响Fig.2 Fire impact on soil organic matter

计划烧除之后火烧迹地土壤有机质含量增加主要有两方面的原因:一是熏土效应的影响;二是火烧后土壤养分被释放，地表生物量增加，将凋落物分解转化成土壤有机质，使土壤有机质含量逐渐上升。不同火烧持续时间对土壤有机质含量整体差别不明显，但在火烧后6个月和8个月时，火烧持续时间为10min的迹地土壤有机质含量要比火烧持续时间为30和60min迹地上高出5～6 g/kg，这是由于原因二造成的。

2.3 土壤全氮的变化

火烧时氮素极易挥发，然而火烧持续时间和火烧强度不同，氮的挥发情况有所不同，而随着火烧后时间的推移，土壤中的氮素也会逐渐恢复。对不同持续时间火烧后森林土壤全氮含量变化(图3)分析发现，不同持续时间的火烧后土壤全氮含量均有一定程度的上升，且在计划烧除后8个月的时间内，火烧持续时间和火烧时间间隔对土壤全氮的影响均无显著差异(P=0.5142和0.1364均＞0.05)。

图3 火烧对土壤全氮含量的影响Fig.3 Fire impact on soil total N

由图3可以看出，火烧 1 d后，火烧持续时间10，30，60min迹地上土壤全氮含量分别增加0.0093%、0.0122%、0.01%，这是因为在进行堆烧时可燃物中含有的氮有一部分通过烟熏作用进入土壤中，使土壤中的全氮含量增加。在此之后不同火烧持续时间迹地上土壤全氮含量随着时间间隔的增加也有不同程度的增加，其中火烧持续时间为30和60min迹地上，土壤全氮的含量分别在火烧后第4个月和第6个月又开始下降，这是因为火烧之后，土壤中的生物量增加，分解补充到土壤中的氮增加，而长时间的火烧将土壤表面的枯枝落叶层全部焚烧，使土壤表层受到雨水侵蚀较严重，从而导致土壤全氮含量又开始下降。不同火烧持续时间迹地上土壤全氮含量的差别不明显。

2.4 土壤有效氮的变化

土壤有效性氮的含量与土壤有机质含量有关，分析土壤有效氮的含量能了解近期内土壤氮的供应状况和氮的释放速率。通过对梅岭森林公园针阔混交林持续不同时间的计划烧除后土壤有效氮的含量变化(图4)分析发现，不同持续时间的火烧后样地土壤中有效氮含量均有明显增加，火烧后时间间隔对土壤有效氮影响具有极显著差异(P=0.0046＜0.01)，火烧持续时间对土壤含水率的影响无显著差异(P=0.0944＞0.05)。

图4 火烧对土壤有效氮含量的影响Fig.4 Fire impact on soil available N

由图4可以看出，火烧持续时间为10和30min的火烧迹地土壤有效氮含量在火烧后两个月增加缓慢，与火烧CK相比，分别只增加了10.5和11.75 mg/kg，在火烧后第4个月时增加迅猛，分别比CK增加了47.25和42 mg/kg，之后开始逐渐下降。火烧持续时间为60min的火烧迹地，土壤有效氮含量在火烧后迅速增加，在火烧后2个月时增加量就达到了40.25 mg/kg，之后又有略微的增加，到第6个月时开始下降。火烧后土壤有效氮含量之所以出现先增后降的变化趋势，主要有以下几个方面的原因:首先在燃烧的过程中有部分氮通过烟熏作用进入到土壤中，再就是火烧之后土壤pH值增加，土壤固氮能力提高，从而使土壤中有效氮的含量明显增加，最后随着时间的推移，烟熏效应逐渐消失，氮的矿化加速，补充到土壤中的有效氮减少，所以土壤中的有效氮含量又开始下降。不同火烧持续时间间隔比较，从整体来看火烧持续时间为10和60min迹地上的土壤有效氮含量略高于30min迹地。

2.5 土壤速效磷的变化

对不同持续时间的火烧后，通过森林土壤速效磷含量的变化分析(图5)，不同火烧持续时间土壤速效磷含量差别较大(P=0.0009＜0.01)，火烧持续时间越长，速效磷含量越少;火烧后时间间隔对不同火烧持续时间土壤速效磷含量的影响不一样。

图5 火烧对土壤速效磷含量的影响Fig.5 Fire impact on soil available P

从图5可以看出，火烧之后火烧持续时间为10min的迹地上，与火烧CK相比土壤速效磷的含量有明显的增加，火烧后 1，60，120，180，240 d 分别增加了 7.44，11.17，18.61，19.78，38.51 mg/kg，呈持续递增趋势，这主要是因为火烧之后一方面土壤pH值升高有利于无机磷的释放，另一方面土温升高提高了微生物的活性，加快了有机磷矿化速度;火烧持续时间为30和60min的迹地上土壤速效磷的含量有不同程度的下降，火烧1d后分别下降3.73和7.45 mg/kg，之后有一个慢慢恢复的趋势，火烧持续时间为30min的迹地上，在火烧后第4个月时基本恢复到烧前水平，火烧持续时间为60min的迹地上，在火烧后第8个月依然未恢复到烧前水平，这是因为较长时间的火烧对土壤破坏比较大，使速效磷转化为迟效磷。

2.6 土壤速效钾的变化

土壤速效钾是土壤钾素的直接供应指标，因此测定土壤中速效钾的含量可以为施肥提供依据，而研究火烧后土壤速效钾的变化，能更好地了解火烧对土壤速效钾含量的影响。通过对不同持续时间火烧后土壤速效钾含量的变化(图6)分析发现，不同火烧持续时间土壤速效钾的含量有明显的差别(P=0.0228＜0.05)，火烧持续时间越长，土壤速效钾含量越高。而火烧后时间间隔对不同持续时间火烧后土壤速效钾含量的影响表现不一，持续时间越短呈减少趋势，持续长时间火烧的土壤速效钾呈增加趋势。

图6 火烧对土壤速效钾的影响Fig.6 Fire impact on soil available K

从图6可以看出，火烧持续时间为10和30min的火烧迹地，土壤速效钾含量在经过短暂的升高之后，迅速开始下降，其中火烧持续时间为10min的迹地土壤速效钾含量最终下降到火烧前(CK)水平之下，这是因为火烧时产生大量灰分，灰分中的钾离子进入到土壤中，使土壤中的钾含量出现上升，但是随着时间的推移，经过雨水的冲刷和淋洗作用，钾离子消耗殆尽，所以土壤中速效钾含量又开始下降;火烧持续时间为60min的迹地上，土壤速效钾含量呈持续增加趋势，在火烧后第8个月增加量达到了52.12 mg/kg，这是因为长时间的火烧产生的灰分远多于10和30min，灰分的钾离子持续不断地补充到土壤中的缘故。

3 结论与讨论

土壤pH值是表示土壤酸度的指标。土壤酸碱度一方面影响着土壤营养元素存在的状态、释放、转化和有效性以及土壤有机质的分解等，另一方面还对植物及土壤微生物有很大的影响，适宜的酸碱度能提高土壤微生物的活性和促进林木生长。大量研究表明，火烧后土壤的pH值有所增加，这种增加现象是由于火烧使土壤温度升高，促使土壤有机酸分解，同时燃烧过程中释放出大量阳离子造成的。随着时间推移，土壤有机酸含量会逐渐增加而阳离子会不断流失，土壤pH值又会开始下降。本文的研究结果与前人的研究结果基本一致［8－11］。

土壤有机质是土壤形成的物质基础之一，也是土壤肥力的重要指标。土壤有机质的含量以及成分直接影响到土壤的理化性质及土壤肥力，其有机质含量及成分根据土壤类型不同差别很大。火烧对土壤有机质的影响与火烧持续时间及火烧强度有关。火后土壤有机质含量的变化没有统一的结论，即有降低的报道，也有升高的报道，还有维持不变的报道［12］。大量研究表明，火烧通常促使土壤氮元素挥发，使土壤氮素的含量下降［13－15］。但是本文中土壤有机质、土壤全氮、土壤有效氮的含量在计划烧除之后反而是增加的，这可能与本实验的燃烧方法有关，本实验选用堆烧法，会产生较强的烟熏效应，而随着时间的推移烟熏效应逐渐消失，这3项指标又开始下降，当然产生上述结果的原因还有可能与土壤类型、样地的坡度坡向、项目区雨热条件等有关，这些都需要进一步的实验论证。

可燃物燃烧时释放出自身的磷元素和钾元素，会使土壤速效磷和速效钾含量升高。但是较长时间火烧迹地上的土壤速效磷却有略微的下降，这主要是因为较长时间的火烧对土壤破坏严重，使土壤速效磷转化为迟效磷。计划烧除是一项节省锄草成本、清除林地可燃物堆积、以火攻火、降低森林火灾的一项成熟技术措施，能促使林地养分的改变，提高地力，可以推广到其他林型试验。

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