火烧对土壤团聚体的影响

张水锋, 张思玉

(南京森林警察学院, 江苏 南京 210023)

火烧对土壤团聚体的影响

张水锋, 张思玉

(南京森林警察学院, 江苏 南京 210023)

火烧对土壤性质的影响具体取决于火烧烈度和土壤类型等因子。土壤团聚体稳定性主要是指土壤结构抵抗外界机械应力破坏的能力，土壤团聚体是反映土壤健康的一个参数，因为它与土壤的化学、物理和生物性质密切相关。火烧对团聚体的影响是复杂的，这取决于火烧对与其相关的土壤有机质、斥水性和土壤矿物等因子的影响。许多研究者关于火烧对土壤团聚体稳定性的影响观点不一，而关于火烧后土壤团聚体性质的改变对土壤系统功能的影响还需要进一步研究。

土壤团聚体； 稳定性； 土壤侵蚀； 火烧

自晚泥盆世时代(Late Devonian，古生代第四纪)以来，林火一直作为森林生态系统中的一个自然干扰因素而存在[1]。在过去的几十年中，森林火灾不仅改变了许多林区的植被格局，而且造成了环境问题[2]。

火烧能造成土壤物理、化学以及生物等特性的改变[3-6]。火灾对土壤特性的具体影响可在国内外诸多文献中查找到。其影响的大小以及持续时间取决于许多因素。其中之一就是火烈度，同时也包括火强度。火灾强度被定义为火烧时的时均能量流，而“火烈度”这一术语描述的是火灾强度如何影响生态系统，与达到最高温度、火持续时间以及初始土壤特性有关[7]。通常有些轻度火烧是用来减少森林地表可燃物的燃料积累，并且在特定气象条件下采用可避免后期发生重度火灾，多数情况下，这种火烧导致的土壤变化十分短暂，影响不大。然而通常重度火灾尤其是夏季森林火灾对土壤系统产生许多负面的影响[8]。典型的方面包括： (1)高温下有机物和营养物质的挥发流失，燃烧烟尘截留，土壤的淋溶和侵蚀；(2)微生物群落质量和数量的改变；(3)影响团聚体稳定性从而导致土壤结构退化[9-11]。温度增加能造成粘土性质的变化，且主要导致生物活性的改变。由于矿质土壤导热率低，火烧对其影响深度仅限于表层几厘米，这层土壤与大气圈、水圈和生物圈有紧密的相互作用。在火灾后时期，表层状态对土壤水文以及生物地球化学方面的影响十分重要。另外，植被覆盖减少将导致土壤热状况的变化及较为严重的水土流失。

国外有很多学者已经开展了火灾对土壤各方面影响的研究，Raison[12]做了关于火烧对氮转变的研究，DeBano[13-14]和Doerr等[15]研究了火烧对土壤斥水性的影响。Certini[8]详尽地阐述了火烧对土壤物理、化学以及生物特性的影响。Mataix-Solera等[9]研究了森林火灾对土壤微生物的影响；Shakesby等[16]研究了火灾对水文和地貌的影响。Shakesby[17]分析了在南欧地中海国家内火灾对土壤侵蚀的影响。而国内关于火烧对土壤团聚体的影响研究很少，迄今为止，没有针对火烧对土壤团聚体影响的综述。考虑到该参数对土壤系统功能、森林土壤水文和土壤侵蚀等作用的重要性，本文从相关研究中做出综述，对要点进行汇总和解释。

1 土壤团聚体与系统结构

由于粒度组成、土壤生物与土壤理化性质的不同，土壤团聚体是由有着相同或不同性质的单个粒子团聚与集合状态。土壤团聚体是土壤矿物和有机颗粒组合。土壤团聚体与土壤性质之间的关系已被广泛研究[18-20]。土壤胶体的絮凝作用加强了胶体粒子的结合沉淀，形成了稳定的微团聚体(直径<0.25 mm)，然后慢慢演变形成大团聚体(直接>0.25 mm)，并最终形成一定的土壤结构。在形成小的结构单元的过程中，无机键是非常重要的，而有机键则起到更加关键的作用。因此，有机和无机成分共同决定着团聚体的形成和稳定。

有机质的数量和质量控制着粒子的聚合作用，这也是植物的类型影响团聚体的稳定性和土壤性质的原因。粘土矿物与胡敏酸复合能形成稳定性强的胶结物，因而有更多的胡敏酸与粘土矿物产生了聚合作用。在土壤结构中，部分阳离子引起的絮凝起着重要的作用。钙、铝、铁等二价阳离子有利于稳定团聚体的形成[21]，而钠离子则有利于团聚体的分散。在石灰性土壤中，碳酸钙可以作为结构稳定剂，铁氧化物作为粘土表面的胶结剂，也可以是高度风化的酸性土壤中带电荷的离散粒子。团聚体稳定性是指土壤在受外力尤其是来源于土壤水分、雨滴的击溅作用和土壤的分散作用过程影响时，土壤维持自身结构的特性。因此，团聚体稳定性可以作为土壤结构和物理稳定性的一个重要指标[22]。

土壤团聚体会随着季节和年份的变化而改变，一般会经历形成、瓦解、再团聚的过程。土壤团聚体的瓦解是土壤板结和表面封孔的第一步，同时也是减少水的渗透，加强了土壤侵蚀作用。当土壤结构较差，土粒团聚性低，土壤表面的团聚体会受到雨滴击溅而崩溃，飞溅的土壤造成土壤表面的压实和封孔，因此就造成了土壤板结[23]。另外，小团聚体可在没有被水力瓦解的情况下被搬运。土壤中水稳性团聚体的比例和大小分布是评价土壤结构稳定性和抵抗外力影响能力最常用的参数。很明显生物和非生物的因素均参与了土壤团聚体的形成过程，这也证明了土壤结构研究的复杂性，也使这两个因素成为决定土壤质量和功能的关键参数。因此，土壤团聚体可以作为土壤健康的一个信息指标[24]。此外，团聚体稳定性也是控制表层土壤水文状况、土壤结皮形成和土壤侵蚀的主要因子之一。具体关于土壤团聚体的研究方法可以参考Amezketa[25]的研究。

2 土壤团聚体稳定性的测定方法

用不同方法测定土壤团聚体是在比较研究结果时需要考虑的一个问题。研究者在研究过程中运用不同的测定方法来比较研究结果之间的差异。部分实验方法是测定团聚体大小分布，而另一部分实验方法是测定团聚体抵抗外力的稳定性。 Mataix等[24]对火烧后团聚体稳定性研究方法作了详细的描述和讨论。

最常见的团聚体测定方法中包括干筛法[26-27]、湿筛法[28-30]，基于超声分散的测试[22,31]和模拟降雨试验[32-33]等，通过干筛法测定团聚体的大小分布规律，最常用的参数就是平均质量直径(MWD)[26]。 然而，也有部分研究者研究不同组分的质量分布和团聚体崩溃后的质量损失[34]。

3 火烧过程中影响土壤团聚体稳定性的因子

3.1火强度与火烈度

火强度是指火烧过程中物理燃烧时有机质的能量释放，已作为衡量单位时间内烧失能量的重要指标。而“火烈度”这个词主要是为描述火强度对生态系统的影响程度[7]，火烈度的量化需要考虑地上和地下热脉冲的即时影响。虽然这两个概念通常直接相关，但将火强度转化成火烈度还需要考虑许多因素。

火烈度通常取决于与火行为相关的因子，包括传播速度、火焰长度、强度持续时间等。另外，也包括温度、相对湿度、风和前期降雨等气象条件，地形条件，以及可燃物的数量、大小和化学组成等特性[35]。因此，这些因素的空间变异也意味着火行为与火烈度的空间变化。

传输到土壤里的热量多少和持续时间直接决定了火烧对土壤物理系统、化学成分和生物组成的影响程度。土壤中生物组成破坏的阈值温度相对较低，一般在40～121 ℃，而这个温度值在火烧中的矿质土壤表层几厘米中并不难达到，且其温度各不相同，空间变异性很强[36]。林地土壤表层的最高温度通常在200～300 ℃之间，而在可燃物载荷非常高的区域土壤表层温度能达到500～700 ℃，甚至超过1500 ℃的情况都有瞬时记录[37]。灌木林地土壤表层的最高温度范围一般高于森林土壤(300～700 ℃)，而草地土壤表层的最高温度则相对最低(200～300 ℃)[36]。根据土壤表层的温度高低及其持续时间，土壤里的特性变化呈现不同强度的反应。此外，土壤的初始特性对这些变化也起着至关重要的作用。

3.2土壤有机质

土壤有机质是决定团聚体稳定性的重要组分，两者之间有着密切的关系。Soto等[34]发现在有机质作为团聚体主要聚合剂的土壤里，在实验室加热到170 ℃时提高了土壤的稳定性，而加热到220 ℃以上时则导致结构性退化。Kavdir等[38]研究野火燃烧后不同时间间隔点的土壤性质时发现，土壤有机质中的碳水化合物含量与团聚体稳定性的相关性很高。

许多研究表明，在以有机质为主要聚合剂的土壤类型中，重度火烧会导致团聚体的破碎[39-41]和团聚体稳定性的降低[34, 42-43]。这些变化的持续时间各不相同，比如Martín等[44]发现火烧与未火烧的腐殖质始成土随时间递减的差异性，火烧对团聚体稳定性的影响在一年后仍然持续甚或在薄层土中加剧。

3.3土壤斥水性

土壤斥水性是土壤所有性质中最易受火烧影响的因子[34]。斥水性决定了土壤水文过程的调节作用，对植物的生长也起到关键的作用。土壤的斥水性一般在表层附近更强烈，尤其在有疏水性有机物的土壤中更为常见。大多数研究表明，对森林土壤的加热能改变土壤的润湿性，其斥水性的改变与温度有关[39,45-46]。火烧导致的土壤斥水性改变主要是由于土壤有机质的不完全燃烧。

土壤斥水性与团聚体稳定性之间的正相关关系不管是在火烧后土壤[43]，还是在未火烧土壤中均已被证实。随着火烧释放后凝聚在团聚体表面的疏水性物质可以作为一种胶结剂，因此提高了团聚体的稳定性，这是因为随着水分的入侵导致了团聚体结构中气孔的累积气压和能量释放率减少。

3.4土壤矿物质

一般来说，只有中度、重度火烧才有可能造成土壤矿物质明显的转化，因为造成矿物质羟基的断裂通常需要达到500 ℃以上[47]。石灰性土壤中的主要成分碳酸盐的分解温度要达到1000 ℃[48]，因此很少会在火烧中变化。

通过对加州火烧迹地土壤团聚体的化学分析研究表明，团聚体的聚合作用部分是因为火烧期间低结晶硅铝酸盐的形成和高岭石受热分解产生的非晶态硅和铝[49]。Giovannini等[50]也研究了火烧中团聚体聚合机制改变对土壤结构的影响，并观察到火烧后铁和铝硅酸盐的变化导致了微团聚体结合形成大团聚体，且其稳定性高于未火烧对照。

Terefe等[42]研究发现，矿质土壤温度处于5～200 ℃之间时，土壤团聚体稳定性的增加归因于部分有机质的挥发损失，这导致了团聚体疏水性和抗崩解性能的增强。然而，粘质土壤团聚体稳定性的增加主要是由热力和脱水过程对铁的氢氧化物的影响而造成[51]。

4 结论与展望

受火烧影响的土壤中存在着不同模式的团聚体稳定性。火烈度是对团聚体影响中的重要因素，然而火烧过程中火烈度类似的情况下，火行为却各不相同，这取决于土壤类型和团聚体稳定机制等因素。一般来说，低烈度火烧对团聚体的稳定性影响不大，而高烈度火烧常引起团聚体稳定性显著的改变，但具体的变化趋势还取决于土壤类型。团聚体稳定性变化的原因包括有机质的破坏损失导致的团聚体崩溃，高温下足够量的铁和铝氢氧化物等土壤矿物的再结晶能增强团聚体稳定性。由于导致火烧后土壤团聚体的潜在影响因子的复杂性和差异性，研究中的其它参数也需要综合考虑来理解研究结果。需要综合考虑的因子包括有机质的质量和数量、土壤微生物量、土壤斥水性、土壤质地、团聚体大小粒径分布以及估测火烈度的精确参数。

未来的研究可以探索火烧后土壤团聚体与土壤系统功能之间的关系问题。比如高温下粘土的融合变化、土壤有机质组分的损失和土壤矿物的高温变化对土壤团聚体稳定性的影响，土壤系统的肥力和水文功能对团聚体稳定性的影响，火烧后的土壤需要经过多长时间才能形成类似于火烧前土壤的团聚体，这些问题至今仍然没有明确的答案。

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Researchadvancesontheeffectoffireonsoilaggregation

ZHANG Shuifeng, ZHANG Siyu

(Nanjing Forest Police College,Nanjing 210023， China)

Fire can affect soil properties depending on factors including fire intensity, soil type, etc.Soil aggregate stability is mainly refers to the ability to resist external mechanical stress damage of soil structure, soil aggregate is a parameters of reflecting soil health, because it is closely related to the chemical, physical and biological properties of soil.Fire effects on aggregate is complicated, because it depends on the effects of fire on the related properties such as soil organic matter, water repellency and soil minerals, etc.Many researchers have different views on the influence of fire on soil aggregate stability, further research is needed on what influences there are for soil system functioning with the changes suffered by aggregates after fire.

soil aggregate; stability; soil erosion; burning

2015-10-21

中央高校基本科研业务费专项资金项目(No: LGYB201514)；国家林业局948项目(2013-4-65)。

张水锋(1986-)，男，江苏省丹阳市人，助教，主要从事火烧迹地土壤侵蚀与控制研究。

S 762.1

A

1003-5710(2016)01-0033-05

10.3969/j.issn.1003-5710.2016.01.000

(文字编校：龚玉子)