土壤有效磷含量对滇中地区5 种常见针叶林理化性质的影响

李国辉,王昆伦,许行健,白 磊,马瑞杰,陈宏刚,李世友,4

1.西南林业大学 消防研究所 土木工程学院,云南 昆明 650224

2.云南省江川县林业和草原局,云南 江川 652600

3.应急管理部南方航空护林总站,云南 昆明 650021

4.云南省森林灾害预警与控制重点实验室,云南 昆明 650224

森林火灾的发生和蔓延受到气候、火源等多种自然、人为因素综合影响[1-5]。一些学者根据研究地主要影响因子进行森林火灾区划研究，赵鹏武等[6]利用树种燃烧类别、人口密度、路网密度等火险因子数据对大兴安岭进行森林火险区划，范阔等[7]以地物类型、地形因子以及人类活动和交通区位作为主要林火影响因子对河北省围场县各个乡镇的森林火险等级进行划分。可燃物燃烧性是森林火灾重要影响因子，有学者研究了地形[8]、植物生物学特性[9]、理化性质[10]以及热解特性[11]等因素对森林可燃物燃烧性的影响。但在林火与土壤关系方面，现有研究主要集中在林火对土壤理化性质、有机质的影响等方面[12-15]。而在土壤对森林火灾影响方面的研究较少，对森林植物理化性质与土壤有效磷含量关系方面也鲜有报道。戴开杰等[16]研究了磷对云南松（Pinus yunnanensis）生物量的影响，但也未涉及到磷对云南松燃烧性的影响。针叶林占云南省森林面积的70%以上，滇中地区分布有大量华山松林和云南松林[17,18]。云南松（Pinus yunnanensis）、华山松（P.armandii）、地盘松（P.yunnanensisvar.pygmaea）、云南油杉（Keteleeria evelyniana）和藏柏（Cupressus torulosa）作为滇中常见易燃针叶树种，李世友[19,20]、王秋华[21]、苏文静[22]等人对上述针叶树种的燃烧性进行了研究，结果表明，以上树种燃烧性较好。

磷素作为植物生长发育不可或缺的元素之一，在植物生长过程中有着重要作用。研究表明，施用磷肥能显著增加稻米（Oryza sativa）脂肪含量[23]、提高花生（Peanut）籽仁蛋白质和脂肪含量[24]、增强烟叶燃烧性[25]。五节芒（Miscanthus floridulus）热值随磷肥施用量的增加而增加，且在一定施肥量范围内灰分含量随施肥量的增加而减少[26]。以上研究均属于施肥对农作物理化性质和燃烧性的影响研究范畴，暂未涉及土壤有效磷含量对森林植物理化性质的影响。云南省磷矿资源丰富，在安宁、晋宁、会泽、东川等地区分布有大量浅层磷矿[27-29]。通过调研和实验发现，这些磷矿分布区表土的有效磷含量不同程度上高于非磷矿分布区。滇中地区林火多发、火灾处置难度大、森林受火灾危害严重，历史上不少大面积森林火灾、重大人员伤亡森林火灾事故就发生在磷矿分布区。以云南松、华山松、地盘松、云南油杉以及藏柏5 个滇中地区常见针叶树种针叶为实验对象，分析土壤有效磷含量对针叶理化性质的影响，为进一步评估土壤有效磷含量对针叶燃烧性、森林燃烧性的影响奠定基础，进而为正确认识滇中地区森林火灾分布规律、合理选择森林消防技术措施、研究森林火险区划因子等提供科学依据。

1 材料及方法

1.1 试验地概况与试验材料

研究区位于云南省中部（102°22′08″～103°12′49″E，24°19′09″N～26°11′25″N），土壤类型主要为偏砂质黏壤土，采样点的林分类型主要为云南松林，另有少量的华山松林、阔叶混交林等林分，采样点主要坡向为南向。在滇中地区防火期内，采集东川、会泽、禄劝、西山、寻甸、安宁、澄江、华宁、江川、宜良和盘龙11 个市（县、区）的云南松、华山松、地盘松、云南油杉和藏柏的针叶为实验样品。采样地主要为磷矿区及其附近，也有少量样品采自非磷矿分布区。对于云南松和地盘松2 种强阳性树种，选择其典型分布地段即土壤条件相对较差的阳坡植株为采样对象。采集长度为30 cm 以上的带叶枝条，带回实验室后取叶为实验样品。在每个采样点至少采集3 株树木上的枝叶为实验样品，并取每株植株根系30 cm 深处土壤测定有效磷含量。将针叶在85℃条件下烘干、粉碎，过60 目筛后保存备用，土壤风干备用。

1.2 实验方法

1.2.1 灰分含量的测定 采用干灰分法，所用仪器为XS2-2.5-12 型箱式电炉完成。取1 g 左右的备用样品装入坩埚（放入样品前先将坩埚称重去皮），将装有样品的坩埚放入茂福炉中，待样品充分燃烧、灰化后，称量剩余样品质量。其计算公式：

式中：X—灰分含量（%），n—灰分质量（g），N—绝干样品的质量（g）。

1.2.2 热值的测定 热值的测定采用XRY-1C型微机氧弹热量计完成。取1 g左右的备用样品装入坩埚，将坩埚置入弹筒后在2.5～3.0 MPa 条件下往弹筒内充氧，充氧结束后进行点火实验。由计算机采集实验过程数据并计算结果，选取弹筒发热量作为样品热值。

1.2.3 粗脂肪含量的测定 采用索氏提取法，所用仪器为SZF-06A 脂肪测定仪。取1 g 左右的备用样品用滤纸包裹好后先在玻璃容器中用石油醚浸泡24 h，之后在80 ℃条件下在脂肪测定仪中浸提8 h。浸提结束后将滤纸包取出在通风处晾干，待石油醚挥发完以后将其放入烘箱中烘干后取出称量剩余质量。计算公式：

式中：S—粗脂肪含量（%），m0—浸提前样品质量（g），m1—浸提后样品质量（g）。

1.2.4 土壤有效磷含量测定 采用0.5 mol/L 的NaHCO3浸提——钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量，其计算公式：

式中：c—有效磷浓度（mg·kg-1），ρ(Q)—标准曲线而得到的测定溶液的质量浓度（μg‧mL-1），v—显色液体积（ml），d—分取倍数，n—风干试样质量（g）。

1.3 数据处理

根据测定结果，分析土壤有效磷含量对针叶粗脂肪含量、灰分含量和热值的影响。由于采样时间、空间跨度较大，各采样地海拔、气候、土壤其它条件相差较大，不同批次的样品不具有完全可比性，但对采样时间、空间相近的样品，可以进行比较性分析。数据统计与处理利用Excel 完成。

2 结果与分析

2.1 土壤有效磷含量对植物理化性质的影响

土壤有效磷含量对针叶理化性质的影响见表1～表5。土壤有效磷含量对云南松针叶理化性质的影响见表1。随着土壤有效磷含量增加，云南松针叶粗脂肪含量增加、灰分含量降低、热值增加的样本批次所占比例分别为38.46%、50.00%、57.69%。

表1 土壤有效磷含量对云南松理化性质的影响Table 1 Effect of soil available phosphorus content on physicochemical property of Pinus yunnanensis

土壤有效磷含量对华山松针叶理化性质的影响见表2。随着土壤有效磷含量的增加，华山松针叶粗脂肪含量增加、灰分含量降低、热值增加的样本批次所占比例分别为58.62%、65.52%、68.97%。

表2 土壤有效磷含量对华山松理化性质的影响Table 2 Effect of soil available phosphorus content on physicochemical property of Pinus armandii

土壤有效磷含量对地盘松针叶理化性质的影响见表3。随着土壤有效磷含量增加，地盘松针叶粗脂肪含量增加、灰分含量降低、热值增加的样本批次所占比例分别为63.64%、45.45%、68.18%。

表3 土壤有效磷含量对地盘松理化性质的影响Table 3 Effect of soil available phosphorus content on physicochemical property of Pinus yunnanensis var.pygmaea

土壤有效磷含量对云南油杉针叶理化性质的影响见表4。随着土壤有效磷含量增加，云南油杉针叶粗脂肪含量增加、灰分含量降低、热值增加的样本批次所占比例分别为47.06%、52.94%、41.18%。

表4 土壤有效磷含量对云南油杉理化性质的影响Table 4 Effect of soil available phosphorus content on physicochemical property of Keteleeria evelyniana

土壤有效磷含量对藏柏针叶理化性质的影响见表5。随着土壤有效磷含量增加，藏柏针叶粗脂肪含量增加、灰分含量降低、热值增加的样本批次所占比例分别为33.33%、55.56%、44.44%。

表5 土壤有效磷含量对藏柏理化性质的影响Table 5 Effect of soil available phosphorus content on physicochemical property of Cupressus torulosa

从粗脂肪含量增加、灰分含量降低、热值增加的样本批次所占比例来看，土壤有效磷含量对华山松的影响效果最好，粗脂肪含量增加、灰分含量降低、热值增加的样本批次所占比例分均大于50%。

将5 个树种的所有批次样品进行综合分析表明，随着土壤有效磷含量的增加，粗脂肪含量增加、灰分含量降低、热值增加的样本批次所占比例分别为50.49%、54.37%、59.22%。粗脂肪含量增加、灰分含量降低、热值增加都会提升可燃物的燃烧性。综合统计分析表明，5 种植物叶粗脂肪含量增加、灰分含量降低、热值增加的样本批次比率均超过50%，说明土壤有效磷含量的增加能够在一定程度上提高森林植物针叶的燃烧性。

2.2 典型样品分析

在所有样品中，挑选采自海拔、坡向、土壤质地、林分类型、小生境相似的植株样品进行实验数据比较（实验数据见表6），分析不同采样地之间土壤有效磷含量对针叶理化性质的影响。在两地间其它生境因子相似、土壤有效磷含量差异明显的情况下，土壤有效磷含量越高，粗脂肪含量和热值较高，灰分含量较低。说明土壤有效磷含量的增加能够提高针叶的粗脂肪含量和热值，降低其灰分含量，增强其燃烧性。

表6 典型样品理化性质与土壤有效磷含量的对比Table 6 Comparison of physicochemical properties with soil available

3 结论与讨论

土壤有效磷含量的增加，能够在一定程度上增加滇中地区5 种常见针叶粗脂肪含量和热值、降低灰分含量。分别对生长在海拔、坡向、土壤质地、林分类型以及小生境相似的采样品进行对比研究可知，土壤有效磷对针叶理化性质的影响有利于增强其燃烧性。

土壤有效磷含量的增加可以增加针叶粗脂肪含量和热值，与朱朋波[23]、陈慧娟[26]等人研究所得结论相似。但本文还存在一定不足，例如，有研究表明，玉米、水稻等农作物的土壤有效磷含量阈值为4.3～29.4 mg/kg[30,31]。当土壤中有效磷含量高于农学阈值时，土壤有效磷含量已不是限制植物生长的主要因素[32]。森林木本植物一般为多年生植物，生长周期较长，很少有关于森林木本植物土壤有效磷含量阈值的研究。若将农作物土壤有效磷含量的农学阈值作为参照依据，则滇中磷矿分布区表土有效磷含量大多远高于农学阈值，故出现了表1～表5 中土壤有效磷含量对滇中地区5 种常见针叶理化性质、燃烧性的影响总体上不是特别明显的现象。此外，土壤其它营养成分的差异也是影响植物理化性质的因素，施加氮肥能够提高玉米中脂肪等成分的含量[33]，氮肥和钾肥的施用会增加花生仁中的脂肪含量[24]，光照条件也是影响植物生长的重要因素[35]。在后续的研究中，也应关注土壤中氮、钾等其他元素以及光照条件等因素对植物理化性质的综合影响。如通过对人工林开展施肥实验，使某一土壤营养元素有明显梯度、而其它营养条件相近，可以更加客观地分析某一主导营养成份对植物理化性质的影响，同时也可为确定森林植物土壤有效磷及其它营养元素的农学阈值奠定基础。在充分认识土壤营养成份对植物理化性质的影响大小、调查各地土壤营养条件的基础上，可将土壤条件纳入森林火险区划因子中。磷肥的施用还能够增加生物量的积累[36,37]，这也会对森林火灾的发生和蔓延产生影响。尤其在树冠层可燃物载量大时，极易形成立体燃烧，难以扑救。因此，在滇中地区，要通过计划烧除、可燃物安全利用等技术措施加强可燃物调控力度，为保障森林安全奠定良好的基础。